Yhdistämällä punottu teippiä, ylimuovausta ja muotolukitusta, herone valmistaa yksiosaisen, suuren vääntömomentin vaihteiston käyttöakselin esittelynä monenlaisiin sovelluksiin.
Yhtenäinen komposiittivaihde-vetoakseli.Herone käyttää punottuja kestomuovikomposiittiprepreg-teippejä aihioina prosessissa, joka lujittaa vetoakselin laminaattia ja muovaa toiminnallisia elementtejä, kuten hammaspyöriä, tuottaen yhtenäisiä rakenteita, jotka vähentävät painoa, osien määrää, kokoonpanoaikaa ja kustannuksia.Kaikkien kuvien lähde |sankari
Nykyiset ennusteet edellyttävät kaupallisen lentokaluston kaksinkertaistamista seuraavan 20 vuoden aikana.Tämän vuoksi tuotantoasteet vuonna 2019 komposiittiintensiivisten laajarunkoisten suihkukoneiden tuotantoasteet vaihtelevat 10:stä 14:ään kuukaudessa OEM-valmistajaa kohden, kun taas kapearunkoiset ovat jo nousseet 60:een kuukaudessa per OEM.Airbus työskentelee erityisesti toimittajien kanssa vaihtaakseen A320:n perinteisiä, mutta aikaa vieviä, käsin asennettavia prepreg-osia osiin, jotka on valmistettu nopeammilla, 20 minuutin sykliaikaprosesseilla, kuten korkeapainehartsin siirtomuovauksella (HP-RTM), mikä auttaa osia. toimittajat kohtaavat lisäponnistuksen kohti 100 lentokonetta kuukaudessa.Samaan aikaan kasvavat kaupunkien lentoliikenteen ja -liikenteen markkinat ennustavat 3 000 sähköisen pystysuoran nousun ja laskun (EVTOL) tarvetta vuodessa (250 kuukaudessa).
"Teollisuus vaatii automatisoituja tuotantotekniikoita lyhennetyillä sykliajoilla, jotka mahdollistavat myös termoplastisten komposiittien tarjoamien toimintojen integroinnin", sanoo Daniel Barfuss, komposiittiteknologiaa ja osia valmistavan heronen (Dresden, Saksa) perustaja ja toimitusjohtaja. yritys, joka käyttää korkean suorituskyvyn kestomuovimateriaaleja polyfenyleenisulfidista (PPS) polyeetterieetteriketoniin (PEEK), polyeetteriketoniketoniin (PEKK) ja polyaryylieetteriketoniin (PAEK)."Päätavoitteemme on yhdistää termoplastisten komposiittien (TPC) korkea suorituskyky alhaisempiin kustannuksiin, jotta räätälöidyt osat voidaan valmistaa useampaan valikoimaan sarjavalmistussovelluksia ja uusia sovelluksia", lisää tohtori Christian Garthaus, heronen toinen perustaja ja johtaja. kumppani.
Tämän saavuttamiseksi yritys on kehittänyt uuden lähestymistavan alkaen täysin kyllästetyistä, jatkuvista kuituteipeistä, punomalla nämä nauhat ontoksi esimuotiksi "organoTube" ja yhdistämällä organoTubes profiileiksi, joilla on vaihteleva poikkileikkaus ja muoto.Seuraavassa prosessivaiheessa se käyttää TPC:iden hitsattavuutta ja lämpömuovattavuutta integroidakseen toiminnallisia elementtejä, kuten komposiittivaihteita vetoakseleille, päätyliittimiä putkiin tai kuormansiirtoelementtejä jännitys-puristustukiin.Barfuss lisää, että on mahdollista käyttää hybridimatriisivalmistaja Victrexin (Cleveleys, Lancashire, UK) ja osatoimittaja Tri-Mackin (Bristol, RI, USA) kehittämää hybridivaluprosessia, joka käyttää profiileihin matalamman sulamislämpötilan PAEK-teippiä. ja PEEK päällysvalua varten, mikä mahdollistaa sulatetun, yksittäisen materiaalin liitoksen poikki (katso "Overmolding laajentaa PEEKin valikoimaa komposiiteissa")."Sopeutumisemme mahdollistaa myös geometrisen muotolukituksen", hän lisää, "joka tuottaa integroituja rakenteita, jotka kestävät jopa suurempia kuormia."
Herone-prosessi alkaa täysin kyllästetyillä hiilikuituvahvisteisilla termoplastisilla teipeillä, jotka punotaan organoputkiksi ja yhdistetään."Aloitimme työskennellä näiden organoTubejen kanssa 10 vuotta sitten ja kehitimme komposiittihydrauliputkia lentoliikenteeseen", Garthaus sanoo.Hän selittää, että koska kahdella lentokoneen hydrauliputkella ei ole samaa geometriaa, kullekin tarvittaisiin muotti olemassa olevalla tekniikalla.”Tarvitsimme putken, joka voidaan jälkikäsitellä yksilöllisen putken geometrian saavuttamiseksi.Ajatuksena oli siis tehdä jatkuvia komposiittiprofiileja ja sitten CNC taivuttaa ne haluttuihin geometrioihin.
Kuva 2 Punotut prepreg-nauhat tarjoavat verkkomuotoisia esimuotteja, joita kutsutaan organoputkiksi heronen injektiomuodostusprosessiin ja mahdollistavat eri muotojen valmistuksen.
Tämä kuulostaa samalta kuin mitä Sigma Precision Components (Hinckley, UK) tekee (katso kohtaa "Aeromoottorien uudelleenasennus komposiittiputkilla") hiilikuitu-/PEEK-moottorisidoksella."He katsovat samanlaisia osia, mutta käyttävät erilaista konsolidointimenetelmää", Garthaus selittää."Lähestymistapallamme näemme potentiaalia parantaa suorituskykyä, kuten alle 2 %:n huokoisuus ilmailu- ja avaruusrakenteissa."
Garthausin tohtoriILK:n opinnäytetyössä tutkittiin jatkuvan termoplastisen komposiittipultruusion (TPC) käyttöä punottujen putkien tuottamiseksi, mikä johti patentoituun jatkuvaan valmistusprosessiin TPC-putkille ja -profiileille.Toistaiseksi herone on kuitenkin päättänyt työskennellä ilmailutoimittajien ja asiakkaiden kanssa epäjatkuvaa muovausprosessia käyttäen."Tämä antaa meille vapauden tehdä kaikki eri muodot, mukaan lukien kaarevat profiilit ja poikkileikkaukseltaan vaihtelevat, sekä käyttää paikallisia laastareita ja kerrosten pudotuksia", hän selittää."Pyrimme automatisoimaan paikallisten korjaustiedostojen integrointiprosessia ja yhdistämään ne sitten komposiittiprofiiliin.Periaatteessa kaiken, mitä voit tehdä litteillä laminaateilla ja kuorilla, voimme tehdä putkille ja profiileille."
Näiden TPC-onttojen profiilien tekeminen oli itse asiassa yksi vaikeimmista haasteista, Garthaus sanoo."Et voi käyttää leimaamista tai puhallusmuovausta silikonirakolla;joten meidän piti kehittää uusi prosessi."Mutta tämä prosessi mahdollistaa erittäin suorituskykyiset ja räätälöidyt putki- ja akselipohjaiset osat, hän huomauttaa.Se mahdollisti myös Victrexin kehittämän hybridipuristuksen käytön, jossa alemman sulamislämpötilan PAEK päällemuovataan PEEK:lla, jolloin organosarkki ja ruiskupuristus yhdistettiin yhdessä vaiheessa.
Toinen merkittävä näkökohta organoTube-punottujen teippiaihioiden käytössä on, että ne tuottavat hyvin vähän jätettä.– Punoksella jätettä jää alle 2 %, ja koska kyseessä on TPC-teippi, voimme käyttää tämän pienen määrän jätettä takaisin muovaukseen, jolloin materiaalin käyttöaste on jopa 100 %, Garthaus korostaa.
Barfuss ja Garthaus aloittivat kehitystyönsä Dresdenin TU:n Lightweight Engineering and Polymer Technology -instituutissa (ILK)."Tämä on yksi Euroopan suurimmista komposiitti- ja hybridi-kevytrakenteiden instituuteista", toteaa Barfuss.Hän ja Garthaus työskentelivät siellä lähes 10 vuotta useiden kehityshankkeiden parissa, mukaan lukien jatkuva TPC-pultruusio ja erilaiset liitostyypit.Tämä työ lopulta tislattiin nykyiseen TPC-prosessitekniikkaan.
"Sitten haimme saksalaiseen EXIST-ohjelmaan, jonka tavoitteena on siirtää tällaista teknologiaa teollisuudelle ja rahoittaa 40-60 hanketta vuosittain useilla tutkimusaloilla", Barfuss sanoo."Saimme rahoitusta tuotantolaitteistoihin, neljään työntekijään ja investointeja seuraavaan mittakaavaan."Heistä tuli sankari toukokuussa 2018 JEC World -näyttelyn jälkeen.
JEC World 2019 -tapahtumaan mennessä herone oli tuottanut joukon esittelyosia, mukaan lukien kevyen, suuren vääntömomentin, integroidun vaihteiston vetoakselin tai hammaspyörän akselin."Käytämme hiilikuitu-/PAEK-nauhaa, organoTubea, joka on punottu osan vaatimissa kulmissa ja yhdistämme sen putkeen", Barfuss selittää."Sitten esilämmitämme putken 200 °C:seen ja muovaamme sen päälle vaihteistolla, joka on valmistettu ruiskuttamalla lyhyt hiilikuituvahvistettu PEEK 380 °C:seen."Päällysmuovaus mallinnettiin Autodeskin Moldflow Insightilla (San Rafael, Kalifornia, USA).Muotin täyttöaika optimoitiin 40,5 sekuntiin ja saavutettiin käyttämällä Arburgin (Lossburg, Saksa) ALLROUNDER-ruiskuvalukonetta.
Tämä ylimuovaus ei ainoastaan vähennä kokoonpanokustannuksia, valmistusvaiheita ja logistiikkaa, vaan se myös parantaa suorituskykyä.40°C ero PAEK-akselin ja päällevaletun PEEK-vaihteen sulamislämpötilan välillä mahdollistaa koheesion sulaliitoksen näiden kahden välillä molekyylitasolla.Toisen tyyppinen liitosmekanismi, muotolukitus, saadaan aikaan käyttämällä ruiskutuspainetta akselin lämpömuovaukseen samanaikaisesti ylimuovauksen aikana muotolukittavan ääriviivan luomiseksi.Tämä voidaan nähdä alla olevassa kuvassa 1 "injektion muodostavana".Se luo aallotetun tai sinimuotoisen ympärysmitan, jossa hammaspyörä on yhdistetty, verrattuna tasaiseen pyöreään poikkileikkaukseen, mikä johtaa geometrisesti lukittuvaan muotoon.Tämä parantaa entisestään integroidun vaihteiston lujuutta, kuten testaus on osoittanut (katso kaavio oikeassa alakulmassa).Kuva.1. Kehitetty yhteistyössä Victrexin ja ILK:n kanssa, herone käyttää ruiskutuspainetta ylimuovauksen aikana muodostaakseen muotolukitun ääriviivan integroituun vaihdeakseliin (ylhäällä). Tämä ruiskutusmuovausprosessi mahdollistaa integroidun vaihteiston muodon lukituksella (vihreä käyrä kaaviossa) kestävät korkeampaa vääntömomenttia verrattuna ylivalettuun hammaspyörän vetoakseliin ilman muotolukitusta (musta käyrä kaaviossa).
"Monet ihmiset saavuttavat yhtenäisen sulaliitoksen ylimuovauksen aikana", Garthaus sanoo, "ja toiset käyttävät muotolukitusta komposiiteissa, mutta tärkeintä on yhdistää molemmat yhdeksi automatisoiduksi prosessiksi."Hän selittää, että kuvan 1 testituloksia varten sekä akseli että hammaspyörän koko ympärysmitta kiristettiin erikseen, minkä jälkeen niitä käännettiin leikkauskuormituksen aikaansaamiseksi.Ensimmäinen vika kaaviossa on merkitty ympyrällä osoittamaan, että se koskee ylivalettua PEEK-vaihteistoa ilman muotolukitusta.Toista vikaa leimaa tähtiä muistuttava poimutettu ympyrä, joka osoittaa ylivaletun vaihteiston testaamisen muotolukituksella."Tässä tapauksessa sinulla on sekä yhtenäinen että muotolukittu liitos", Garthaus sanoo, "ja saat lähes 44 % lisäyksen vääntömomenttikuormaan."Hänen mukaansa haasteena on nyt saada muotolukitus ottamaan vastaan kuormitusta aikaisemmassa vaiheessa, jotta se lisää vääntömomenttia, jota tämä vaihdeakseli käsittelee ennen vikaa.
Tärkeä seikka ääriviivojen muodon lukituksesta, jonka herone saavuttaa injektiomuodostuksellaan, on se, että se on täysin räätälöity yksittäiselle osalle ja kuormitus, jonka tämän osan on kestettävä.Esimerkiksi hammaspyörän akselissa muotolukitus on kehämäinen, mutta alla olevissa veto-puristustuissa aksiaalinen."Tästä syystä olemme kehittäneet laajempaa lähestymistapaa", Garthaus sanoo."Se, miten integroimme toimintoja ja osia, riippuu yksittäisestä sovelluksesta, mutta mitä enemmän voimme tehdä tämän, sitä enemmän painoa ja kustannuksia voimme säästää."
Lisäksi lyhytkuituvahvistettu ketoni, jota käytetään ylivaletuissa toiminnallisissa elementeissä, kuten hammaspyörissä, tarjoaa erinomaiset kulutuspinnat.Victrex on todistanut tämän ja itse asiassa markkinoi tätä tosiasiaa PEEK- ja PAEK-materiaaleillaan.
Barfuss huomauttaa, että integroitu vaihteisto, joka palkittiin vuoden 2019 JEC World Innovation Award -palkinnolla ilmailu- ja avaruusalan kategoriassa, on "osoitus lähestymistapastamme, ei vain yhteen sovellukseen keskittyvä prosessi.Halusimme selvittää, kuinka paljon voisimme virtaviivaistaa valmistusta ja hyödyntää TPC:iden ominaisuuksia toiminnallisten, integroitujen rakenteiden tuottamiseksi.Yritys optimoi parhaillaan veto-puristustankoja, joita käytetään sovelluksissa, kuten tukituissa.
Kuva 3 Kiristys-puristustuet Ruiskutusmuovaus laajenee tukiin, joissa herone muovataan metallikuormansiirtoelementti osarakenteeseen käyttämällä aksiaalista muotolukitusta liitoksen lujuuden lisäämiseksi.
Veto-puristustukien toiminnallinen elementti on metallinen rajapintaosa, joka siirtää kuormia metallihaarukkaan ja siitä komposiittiputkeen (katso alla oleva kuva).Ruiskutusmuovausta käytetään metallisen kuormansyöttöelementin integroimiseen komposiittituen runkoon.
– Suurin hyöty, jonka annamme, on osien määrän vähentäminen, hän huomauttaa.”Tämä yksinkertaistaa väsymistä, mikä on suuri haaste lentokoneiden tukisovelluksissa.Muottilukitusta käytetään jo lämpökovettuvissa komposiiteissa, joissa on muovi- tai metallisisäke, mutta siinä ei ole yhtenäistä sidosta, joten saat kevyen liikkeen osien välillä.Lähestymistapamme tarjoaa kuitenkin yhtenäisen rakenteen ilman tällaista liikettä."
Garthaus mainitsee vaurionsietokyvyn toisena haasteena näille osille."Sinun täytyy lyödä tukia ja tehdä sitten väsymistesti", hän selittää."Koska käytämme korkean suorituskyvyn kestomuovimatriisimateriaaleja, voimme saavuttaa jopa 40 % paremman vaurionsietokyvyn lämpökovettuviin verrattuna, ja myös iskun aiheuttamat mikrohalkeamat kasvavat vähemmän väsymiskuormituksen myötä."
Vaikka esittelytuissa on metallisisäke, Herone kehittää parhaillaan täysin termoplastista ratkaisua, joka mahdollistaa yhtenäisen sidoksen komposiittituen rungon ja kuorman syöttöelementin välillä."Kun voimme, pidämme mieluummin täysin komposiittimateriaalia ja säädämme ominaisuuksia muuttamalla kuituvahvistuksen tyyppiä, mukaan lukien hiili-, lasi-, jatkuva- ja lyhytkuitu", Garthaus sanoo.”Tällä tavalla minimoimme monimutkaisuuden ja käyttöliittymäongelmat.Meillä on esimerkiksi paljon vähemmän ongelmia verrattuna kertamuovien ja kestomuovien yhdistämiseen.Lisäksi Tri-Mack on testannut PAEK:n ja PEEK:n välisen sidoksen. Tulokset osoittavat, että sillä on 85 % yksisuuntaisen CF/PAEK-peruslaminaatin lujuudesta ja se on kaksi kertaa vahvempi kuin liimasidokset, joissa käytetään alan standardia epoksikalvoliimaa.
Barfuss sanoo, että heronella on nyt yhdeksän työntekijää ja hän on siirtymässä teknologiakehityksen toimittajasta lentokoneen osien toimittajaksi.Sen seuraava iso askel on uuden tehtaan kehittäminen Dresdenissä."Vuoden 2020 loppuun mennessä meillä on pilottitehdas, joka valmistaa ensimmäisen sarjan osia", hän sanoo."Työskentelemme jo ilmailun OEM-valmistajien ja tärkeimpien Tier 1 -toimittajien kanssa ja esittelemme malleja moniin erilaisiin sovelluksiin."
Yritys tekee myös yhteistyötä eVTOL-toimittajien ja useiden yhteistyökumppaneiden kanssa Yhdysvalloissa. Kun herone kehittää ilmailusovelluksia, se saa myös valmistuskokemusta urheiluvälinesovelluksista, kuten mailoista ja polkupyörän osista."Teknologiamme pystyy valmistamaan laajan valikoiman monimutkaisia osia suorituskyvyn, syklin ajan ja kustannusetuilla", Garthaus sanoo."Käsijaksomme PEEK-tekniikalla on 20 minuuttia verrattuna 240 minuuttiin autoklaavissa kovetetulla prepregillä.Näemme mahdollisuuksia laajasti, mutta tällä hetkellä keskitymme saamaan ensimmäiset sovelluksemme tuotantoon ja osoittamaan tällaisten osien arvon markkinoille.
Herone esiintyy myös Carbon Fiber 2019 -tapahtumassa. Lue lisää tapahtumasta osoitteessa carbonfiberevent.com.
Perinteisten käsien asettelun optimointiin keskittyneet konehuoneen ja työntövoiman suunnanvaihtolaitteiden valmistajat kiinnittävät huomiota automaation ja suljetun muovauksen tulevaan käyttöön.
Lentokoneen asejärjestelmä saavuttaa korkean suorituskyvyn hiili/epoksi ja puristusmuovauksen tehokkuus.
Komposiittien ympäristövaikutusten laskentamenetelmät mahdollistavat tietopohjaisen vertailun perinteisiin materiaaleihin tasapuolisesti.
Postitusaika: 19.8.2019