Kombineerides punutud teipi, ülevormimist ja vormi lukustamist, toodab herone ühes tükis suure pöördemomendiga käigukasti veovõlli, mis on demonstratsiooniks paljude rakenduste jaoks.
Ühtne komposiitkäigukast-veovõll.Herone kasutab eelvormidena punutud termoplastilisest komposiitprepreg-teipe protsessis, mis konsolideerib veovõlli laminaadi ja vormib üle funktsionaalseid elemente, nagu hammasrattad, luues ühtseid struktuure, mis vähendavad kaalu, osade arvu, kokkupanekuaega ja kulusid.Kõigi piltide allikas |kangelane
Praegused prognoosid nõuavad kommertslennukite lennukipargi kahekordistamist järgmise 20 aasta jooksul.Sellega seoses varieeruvad 2019. aastal komposiitmahukate laia kerega reaktiivlennukite tootmismäärad 10–14 kuus OEM-i kohta, samas kui kitsakerega mudelite puhul on see juba tõusnud 60-ni kuus.Konkreetselt teeb Airbus koostööd tarnijatega, et vahetada A320 traditsioonilised, kuid aeganõudvad, käsitsi paigaldatavad eeltöödeldud osad osadeks, mis on valmistatud kiiremate 20-minutiste tsükliprotsesside abil, nagu kõrgsurve vaigu ülekandevormimine (HP-RTM), aidates seega osa saada. tarnijad kogevad täiendavat survet 100 lennuki suunas kuus.Samal ajal prognoosib arenev linnaõhu liikuvuse ja transpordi turg vajadust 3000 elektrilise vertikaalse õhkutõusmise ja maandumisega (EVTOL) lennuki järele aastas (250 lennukit kuus).
"Tööstus vajab automatiseeritud tootmistehnoloogiaid lühendatud tsükliaegadega, mis võimaldavad integreerida ka termoplastiliste komposiitide pakutavaid funktsioone," ütleb komposiitide tehnoloogia ja osade tootmisega tegeleva herone (Dresden, Saksamaa) kaasasutaja ja juhtivpartner Daniel Barfuss. ettevõte, mis kasutab suure jõudlusega termoplastseid maatriksmaterjale alates polüfenüleensulfiidist (PPS) kuni polüeeterketooni (PEEK), polüeeterketoonketooni (PEKK) ja polüarüüleeterketoonini (PAEK)."Meie põhieesmärk on ühendada termoplastsete komposiitide (TPC) kõrge jõudlus madalamate kuludega, et võimaldada kohandatud osi laiema valiku seeriatootmise rakenduste ja uute rakenduste jaoks," lisab dr Christian Garthaus, Herone'i teine kaasasutaja ja juht. partner.
Selle saavutamiseks on ettevõte välja töötanud uue lähenemisviisi, alustades täielikult immutatud pidevatest kiudlintidest, põimides need lintidest õõnsaks eelvormiks "organoTube" ja ühendades organotorud muutuva ristlõike ja kujuga profiilideks.Järgmises protsessietapis kasutab see TPC-de keevitatavust ja termovormitavust, et integreerida funktsionaalseid elemente, nagu komposiithammasrattad veovõllidele, otsaliitmikud torudele või koormuse ülekandeelemendid pingutus-survetugedesse.Barfuss lisab, et on võimalik kasutada hübriidvormimisprotsessi – mille on välja töötanud ketoonmaatriksi tarnija Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) ja osade tarnija Tri-Mack (Bristol, RI, USA) –, mis kasutab profiilide jaoks madalama sulamistemperatuuriga PAEK teipi. ja PEEK ülevormimise jaoks, mis võimaldab sulatatud üksikut materjali kogu liitekohas (vt "Ülevalu laiendab PEEKi valikut komposiitmaterjalides")."Meie kohandamine võimaldab ka geomeetrilist vormi lukustamist, " lisab ta, "mis toodab integreeritud struktuure, mis taluvad veelgi suuremaid koormusi."
Herone protsess algab täielikult immutatud süsinikkiuga tugevdatud termoplastsete teipidega, mis põimitakse organotorudeks ja konsolideeritakse."Alustasime nende organoTubedega töötamist 10 aastat tagasi, arendades komposiithüdraulikatorusid lennunduse jaoks," ütleb Garthaus.Ta selgitab, et kuna kahte lennuki hüdrotoru pole ühesuguse geomeetriaga, oleks olemasoleva tehnoloogia abil vaja igale vormi.„Me vajasime toru, mida saaks järeltöödelda, et saavutada individuaalne torugeomeetria.Seega oli idee teha pidevad komposiitprofiilid ja seejärel CNC painutada need soovitud geomeetriateks.
Joonis 2 Punutud eelpaelteibid pakuvad võrgukujulisi eelvorme, mida nimetatakse organotorudeks Herone'i süstimisprotsessi jaoks ja võimaldavad valmistada erinevaid kujundeid.
See kõlab sarnaselt sellele, mida Sigma Precision Components (Hinckley, Ühendkuningriik) teeb (vt „Aeromootorite ümbertöötamine komposiittorudega”) süsinikkiust/PEEK-i mootorikattega."Nad vaatavad sarnaseid osi, kuid kasutavad erinevat konsolideerimismeetodit, " selgitab Garthaus."Meie lähenemisviisiga näeme potentsiaali jõudluse suurendamiseks, näiteks kosmosekonstruktsioonide poorsus alla 2%.
Garthausi Ph.D.ILK-s tehtud lõputöö uuris pideva termoplastilise komposiit (TPC) pultrusiooni kasutamist põimitud torude tootmiseks, mille tulemuseks oli TPC torude ja profiilide patenteeritud pidev tootmisprotsess.Kuid praegu on herone otsustanud töötada lennundustarnijate ja klientidega, kasutades katkendlikku vormimisprotsessi."See annab meile vabaduse teha kõiki erinevaid kujundeid, sealhulgas kõveraid profiile ja erineva ristlõikega profiile, samuti rakendada kohalikke plaastreid ja kihte," selgitab ta."Me töötame selle nimel, et automatiseerida kohalike plaastrite integreerimise ja seejärel liitprofiiliga ühendamise protsessi.Põhimõtteliselt kõike, mida saate teha lamedate laminaatide ja kestadega, saame teha torude ja profiilide jaoks.
Nende TPC õõnesprofiilide valmistamine oli tegelikult üks raskemaid väljakutseid, ütleb Garthaus.“Silikoonpõiega ei saa kasutada templivormimist ega puhumisvormimist;seega pidime välja töötama uue protsessi.Kuid see protsess võimaldab väga suure jõudlusega ja kohandatavaid toru- ja võllipõhiseid osi, märgib ta.See võimaldas kasutada ka Victrexi väljatöötatud hübriidvormimist, kus madalama sulamistemperatuuriga PAEK valatakse üle PEEK-iga, konsolideerides organolehe ja survevalu ühes etapis.
OrganoTube'iga põimitud lindist tooriku kasutamise teine märkimisväärne aspekt on see, et need tekitavad väga vähe jäätmeid.„Punumisega jääb meil jäätmeid alla 2% ja kuna tegemist on TPC-teibiga, saame selle väikese koguse jäätmeid ülevormimisel tagasi kasutada, et saada materjali kasutusmäär kuni 100%,“ rõhutab Garthaus.
Barfuss ja Garthaus alustasid oma arendustööd Dresdeni TLÜ Kergekaalutehnika ja Polümeeritehnoloogia Instituudi (ILK) teadlastena."See on üks Euroopa suurimaid komposiitide ja hübriidkergekaaluliste disainilahenduste instituute," märgib Barfuss.Tema ja Garthaus töötasid seal peaaegu 10 aastat mitmete arenduste kallal, sealhulgas pideva TPC pultrusiooni ja erinevat tüüpi liitmiste kallal.See töö destilleeriti lõpuks praeguseks TPC protsessitehnoloogiaks.
"Seejärel taotlesime Saksamaa EXIST programmi, mille eesmärk on sellise tehnoloogia ülekandmine tööstusele ja rahastada igal aastal 40–60 projekti mitmesugustes uurimisvaldkondades," ütleb Barfuss."Saime rahastuse kapitalivarustuse, nelja töötaja ja investeeringute jaoks järgmiseks suurendamise etapiks."Nad moodustasid kangelase 2018. aasta mais pärast JEC Worldis esinemist.
JEC World 2019-ks oli herone tootnud hulga näidisosi, sealhulgas kerge, suure pöördemomendiga, integreeritud käigukasti veovõlli või käiguvõlli."Kasutame süsinikkiust/PAEK linti organoTube'i, mis on põimitud detaili jaoks vajalike nurkade all ja ühendame selle toruks," selgitab Barfuss."Seejärel soojendame toru temperatuurini 200 °C ja vormime selle üle käigukastiga, mis on valmistatud lühikese süsinikkiuga tugevdatud PEEK-i süstimisega 380 °C juures."Ülevormimine modelleeriti, kasutades Autodeski Moldflow Insighti (San Rafael, California, USA).Vormi täitmise aeg optimeeriti 40,5 sekundile ja saavutati Arburgi (Lossburg, Saksamaa) ALLROUNDER survevalumasinaga.
See ülevormimine mitte ainult ei vähenda montaažikulusid, tootmisetappe ja logistikat, vaid suurendab ka jõudlust.40 °C erinevus PAEK-võlli ja ülevormitud PEEK-i võlli sulamistemperatuuride vahel võimaldab nende kahe vahel molekulaarsel tasemel ühtset sulasidumist.Teist tüüpi ühendusmehhanismid, vormilukustus, saavutatakse sissepritsesurve kasutamisega, et samaaegselt termovormida võlli ülevormimise ajal, et luua vormi lukustuskontuur.Seda võib näha alloleval joonisel 1 kui "süstimist".See loob lainelise või sinusoidse ümbermõõdu, kus hammasratas on ühendatud, võrreldes sujuva ümmarguse ristlõikega, mille tulemuseks on geomeetriliselt lukustuv vorm.See suurendab veelgi integreeritud käiguvõlli tugevust, nagu on näidatud testimisel (vt graafikut all paremal).Joon.1. Koostöös Victrexi ja ILK-ga välja töötatud herone kasutab ülevormimise ajal sissepritsesurvet, et luua integreeritud käiguvõllis (ülemine) vormi lukustuskontuur. See sissepritsevormimisprotsess võimaldab vormilukustusega integreeritud käiguvõllil (graafikul roheline kõver) taluma suuremat pöördemomenti võrreldes ülevormitud käigukastiga veovõlliga ilma vormilukuta (graafikul must kõver).
"Paljud inimesed saavutavad ülevormimise ajal ühtse sulaliitumise," ütleb Garthaus, "ja teised kasutavad komposiitmaterjalides vormi lukustamist, kuid peamine on ühendada mõlemad üheks automatiseeritud protsessiks."Ta selgitab, et joonisel 1 kujutatud katsetulemuste jaoks kinnitati nii võll kui ka hammasratta kogu ümbermõõt eraldi klambriga, seejärel pöörati nihkekoormuse esilekutsumiseks.Esimene rike graafikul on tähistatud ringiga, mis näitab, et see on vormilukustuseta ülevormitud PEEK-käigu jaoks.Teist riket tähistab tähte meenutav kurrutatud ring, mis viitab vormilukustusega ülevalatud käigu testimisele."Sel juhul on teil nii ühtne kui ka vormilukuga ühendus," ütleb Garthaus, "ja pöördemomendi koormuse suurenemine on peaaegu 44%.Tema sõnul seisneb praegu väljakutse selles, et vormilukustus võtaks koormuse varasemas etapis, et veelgi suurendada pöördemomenti, millega see käiguvõll enne rikkeid hakkama saab.
Kontuurivormi lukustamise oluline punkt, mille herone oma süstimisvormimisega saavutab, on see, et see on täielikult kohandatud üksikule osale ja koormusele, mida see osa peab taluma.Näiteks käiguvõllil on vormilukustus ümbermõõt, kuid allpool olevates tõmbe-survetugedes on see aksiaalne."Seetõttu on see, mille oleme välja töötanud, laiem lähenemisviis, " ütleb Garthaus."Kuidas me funktsioone ja osi integreerime, sõltub konkreetsest rakendusest, kuid mida rohkem saame seda teha, seda rohkem kaalu ja kulusid saame säästa."
Samuti tagab lühikese kiuga tugevdatud ketoon, mida kasutatakse ülevormitud funktsionaalsetes elementides, nagu hammasrattad, suurepäraseid kulumispindu.Victrex on seda tõestanud ja tegelikult turundab seda fakti oma PEEK ja PAEK materjalide puhul.
Barfuss juhib tähelepanu, et integreeritud käiguvõll, mida tunnustati 2019. aasta JEC World Innovation Award auhinnaga kosmosetööstuse kategoorias, on „meie lähenemisviisi demonstratsioon, mitte ainult ühele rakendusele keskenduv protsess.Tahtsime uurida, kui palju saaksime tootmist sujuvamaks muuta ja TPC-de omadusi ära kasutada funktsionaliseeritud integreeritud struktuuride tootmiseks.Ettevõte optimeerib praegu pingutus-survevardaid, mida kasutatakse sellistes rakendustes nagu tugipostid.
Joonis 3 Pingutus-survetoed Injektsioonivormimine laieneb tugipostidele, kus herone voolib metallist koormuse ülekandeelemendi detaili konstruktsiooni, kasutades liite tugevuse suurendamiseks aksiaalset vormilukustust.
Pingutus-survetugede funktsionaalne element on metallist liideseosa, mis kannab koormused metallhargile ja sealt komposiittorusse (vt allolevat illustratsiooni).Sissepritsevormimist kasutatakse metallilise koormuse sisestamise elemendi integreerimiseks komposiittoe korpusesse.
"Peamine eelis, mida anname, on osade arvu vähendamine," märgib ta."See lihtsustab väsimust, mis on lennukite tugipostide jaoks suur väljakutse.Vormlukustust kasutatakse juba plastikust või metallist vahetükiga termoreaktiivsete komposiitide puhul, kuid ühtset sidumist ei toimu, nii et saate osade vahel kergelt liikuda.Meie lähenemisviis pakub aga ühtset struktuuri, kus sellist liikumist pole.
Garthaus nimetab nende osade jaoks veel ühe väljakutsena kahjustuste taluvust."Tuleb põrutada tugipostidele ja seejärel teha väsimustesti," selgitab ta."Kuna me kasutame suure jõudlusega termoplastseid maatriksmaterjale, suudame saavutada 40% suurema kahjustustaluvuse võrreldes termoreaktiivsete materjalidega, samuti suurenevad löögist tekkinud mikropraod väsimuskoormusega vähem."
Kuigi näidistugedel on metallist sisetükk, töötab Herone praegu täielikult termoplastilist lahendust, mis võimaldab liittugede korpuse ja koormuse sisestamise elemendi vahel ühtlast sidumist."Kui saame, eelistame jääda täielikult komposiitmaterjaliks ja kohandada omadusi, muutes kiudude tugevdamise tüüpi, sealhulgas süsinikku, klaasi, pidevat ja lühikest kiudu, " ütleb Garthaus.„Nii vähendame keerukust ja liideseprobleeme miinimumini.Näiteks on meil palju vähem probleeme võrreldes termoreaktiivsete ja termoplastide kombineerimisega.Lisaks on Tri-Mack testinud PAEK-i ja PEEK-i vahelist sidet, mille tulemused näitavad, et sellel on 85% ühesuunalise aluskihi CF/PAEK-laminaadi tugevusest ja see on kaks korda tugevam kui tööstusstandardi epoksükile liimiga liimsidemed.
Barfuss ütleb, et Herone'il on nüüd üheksa töötajat ja ta läheb tehnoloogiaarenduse tarnijalt lennundusosade tarnijaks.Selle järgmine suur samm on uue tehase arendamine Dresdenis."2020. aasta lõpuks on meil piloottehas, mis toodab esimesi seeriaosi," ütleb ta."Teeme juba koostööd lennunduse originaalseadmete valmistajate ja peamiste Tier 1 tarnijatega, demonstreerides disainilahendusi paljude erinevate rakenduste jaoks."
Ettevõte teeb koostööd ka eVTOLi tarnijate ja erinevate koostööpartneritega USA-s. Kuna herone arendab lennundusrakendusi, omandab ettevõte ka tootmiskogemusi spordikaupade rakenduste, sealhulgas kurikate ja jalgrattakomponentide osas."Meie tehnoloogia suudab toota laia valikut keerukaid osi, millel on jõudlus, tsükliaeg ja kulud," ütleb Garthaus.„Meie tsükliaeg PEEK-i kasutamisel on 20 minutit, võrreldes 240 minutiga autoklaavis kuumtöödeldud prepregiga.Näeme palju võimalusi, kuid praegu keskendume oma esimeste rakenduste tootmisse viimisele ja selliste osade väärtuse turule näitamisele.
Herone esineb ka messil Carbon Fiber 2019. Lisateavet sündmuse kohta leiate aadressilt carbonfiberevent.com.
Traditsioonilise käsitsi paigutuse optimeerimisele keskendunud gondli- ja tõukejõu reversi tootjad jälgivad automaatika ja suletud vormimise edaspidist kasutamist.
Õhusõiduki relvasüsteem saavutab süsiniku/epoksiidi kõrge jõudluse koos survevormimise tõhususega.
Komposiitide keskkonnamõju arvutamise meetodid võimaldavad andmepõhist võrdlust traditsiooniliste materjalidega võrdsetel tingimustel.
Postitusaeg: 19. august 2019