Combinant ruban tressé, surmoulage et verrouillage de forme, herone produit un arbre de transmission à engrenage monobloc à couple élevé comme démonstrateur pour une large gamme d'applications.
Arbre de transmission à engrenages composite unifié.Herone utilise des rubans préimprégnés composites thermoplastiques tressés comme préformes pour un processus qui consolide le stratifié de l'arbre de transmission et surmoule les éléments fonctionnels tels que les engrenages, produisant des structures unifiées qui réduisent le poids, le nombre de pièces, le temps et le coût d'assemblage.Source pour toutes les images |hérone
Les projections actuelles prévoient un doublement de la flotte d'avions commerciaux au cours des 20 prochaines années.Pour tenir compte de cela, les taux de production en 2019 pour les avions de ligne gros porteurs à forte intensité de composites varient de 10 à 14 par mois par OEM, tandis que les fuselages étroits ont déjà atteint 60 par mois par OEM.Airbus travaille spécifiquement avec des fournisseurs pour remplacer les pièces préimprégnées à la main traditionnelles mais chronophages sur l'A320 par des pièces fabriquées via des processus de temps de cycle plus rapides de 20 minutes tels que le moulage par transfert de résine à haute pression (HP-RTM), aidant ainsi la partie les fournisseurs rencontrent une nouvelle poussée vers 100 avions par mois.Pendant ce temps, le marché émergent de la mobilité aérienne et des transports aériens urbains prévoit un besoin de 3 000 avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (EVTOL) par an (250 par mois).
"L'industrie a besoin de technologies de production automatisées avec des temps de cycle raccourcis qui permettent également d'intégrer des fonctions, qui sont offertes par les composites thermoplastiques", explique Daniel Barfuss, co-fondateur et associé directeur de herone (Dresde, Allemagne), une technologie de composites et de fabrication de pièces. entreprise qui utilise des matériaux de matrice thermoplastiques hautes performances allant du sulfure de polyphénylène (PPS) au polyétheréthercétone (PEEK), au polyéthercétonecétone (PEKK) et au polyaryléthercétone (PAEK)."Notre objectif principal est de combiner les hautes performances des composites thermoplastiques (TPC) avec un coût réduit, afin de permettre des pièces sur mesure pour une plus grande variété d'applications de fabrication en série et de nouvelles applications", ajoute le Dr Christian Garthaus, deuxième co-fondateur et directeur de herone. partenaire.
Pour y parvenir, la société a développé une nouvelle approche, en commençant par des bandes de fibres continues entièrement imprégnées, en tressant ces bandes pour former une préforme creuse "organoTube" et en consolidant les organoTubes en profilés de sections et de formes variables.Dans une étape ultérieure du processus, il utilise la soudabilité et la thermoformabilité des TPC pour intégrer des éléments fonctionnels tels que des engrenages composites sur des arbres de transmission, des embouts sur des tuyaux ou des éléments de transfert de charge dans des entretoises de tension-compression.Barfuss ajoute qu'il est possible d'utiliser un processus de moulage hybride - développé par le fournisseur de matrices cétoniques Victrex (Cleveleys, Lancashire, Royaume-Uni) et le fournisseur de pièces Tri-Mack (Bristol, RI, États-Unis) - qui utilise du ruban PAEK à température de fusion inférieure pour les profils et PEEK pour le surmoulage, permettant un matériau unique fusionné à travers le joint (voir "Le surmoulage élargit la gamme de PEEK dans les composites")."Notre adaptation permet également un verrouillage de forme géométrique", ajoute-t-il, "ce qui produit des structures intégrées capables de supporter des charges encore plus élevées".
Le processus herone commence par des rubans thermoplastiques renforcés de fibres de carbone entièrement imprégnés qui sont tressés en organoTubes et consolidés."Nous avons commencé à travailler avec ces organoTubes il y a 10 ans, en développant des tuyaux hydrauliques composites pour l'aviation", explique Garthaus.Il explique que parce qu'il n'y a pas deux tuyaux hydrauliques d'avions ayant la même géométrie, un moule serait nécessaire pour chacun, en utilisant la technologie existante.« Nous avions besoin d'un tuyau pouvant être post-traité pour obtenir la géométrie individuelle du tuyau.L'idée était donc de fabriquer des profilés composites continus, puis de les plier par commande numérique dans les géométries souhaitées. »
Fig. 2 Les rubans préimprégnés tressés fournissent des préformes en forme de filet appelées organoTubes pour le processus de formation par injection de herone et permettent la production de diverses formes.
Cela ressemble à ce que fait Sigma Precision Components (Hinckley, Royaume-Uni) (voir "Réparation de moteurs d'avion avec des tuyaux composites") avec son habillage moteur en fibre de carbone/PEEK."Ils examinent des pièces similaires mais utilisent une méthode de consolidation différente", explique Garthaus."Avec notre approche, nous voyons un potentiel d'amélioration des performances, comme une porosité inférieure à 2 % pour les structures aérospatiales."
Doctorat de Garthaus.les travaux de thèse à l'ILK ont exploré l'utilisation de la pultrusion continue en composite thermoplastique (TPC) pour produire des tubes tressés, ce qui a abouti à un procédé de fabrication en continu breveté pour les tubes et profilés TPC.Cependant, pour l'instant, herone a choisi de travailler avec les fournisseurs et les clients de l'aviation en utilisant un processus de moulage discontinu."Cela nous donne la liberté de créer toutes les différentes formes, y compris les profils incurvés et ceux de section variable, ainsi que d'appliquer des correctifs locaux et des chutes de plis", explique-t-il.« Nous travaillons à automatiser le processus d'intégration des correctifs locaux puis à les co-consolider avec le profil composite.Fondamentalement, tout ce que vous pouvez faire avec des stratifiés plats et des coques, nous pouvons le faire pour les tubes et les profilés. »
La fabrication de ces profilés creux TPC était en fait l'un des défis les plus difficiles, explique Garthaus.« Vous ne pouvez pas utiliser de tamponnage ou de soufflage avec une vessie en silicone ;nous avons donc dû développer un nouveau processus.Mais ce processus permet d'obtenir des pièces à base de tubes et d'arbres très performantes et personnalisables, note-t-il.Cela a également permis d'utiliser le moulage hybride développé par Victrex, où le PAEK à température de fusion plus basse est surmoulé avec du PEEK, consolidant l'organosheet et le moulage par injection en une seule étape.
Un autre aspect notable de l'utilisation des préformes en ruban tressé organoTube est qu'elles produisent très peu de déchets."Avec le tressage, nous avons moins de 2 % de déchets, et comme il s'agit de ruban TPC, nous pouvons réutiliser cette petite quantité de déchets dans le surmoulage pour obtenir un taux d'utilisation du matériau jusqu'à 100 %", souligne Garthaus.
Barfuss et Garthaus ont commencé leurs travaux de développement en tant que chercheurs à l'Institut d'ingénierie légère et de technologie des polymères (ILK) de la TU Dresden."C'est l'un des plus grands instituts européens pour les composites et les conceptions légères hybrides", note Barfuss.Lui et Garthaus y ont travaillé pendant près de 10 ans sur un certain nombre de développements, y compris la pultrusion continue TPC et différents types d'assemblage.Ce travail a finalement été distillé dans ce qui est maintenant la technologie de processus herone TPC.
«Nous avons ensuite postulé au programme allemand EXIST, qui vise à transférer cette technologie à l'industrie et finance 40 à 60 projets chaque année dans un large éventail de domaines de recherche», explique Barfuss."Nous avons reçu un financement pour les biens d'équipement, quatre employés et des investissements pour la prochaine étape de mise à l'échelle."Ils ont formé herone en mai 2018 après avoir exposé au JEC World.
Par JEC World 2019, herone avait produit une gamme de pièces de démonstration, y compris un arbre de transmission à engrenages intégré léger à couple élevé ou un arbre de transmission."Nous utilisons un organoTube en fibre de carbone/ruban PAEK tressé aux angles requis par la pièce et le consolidons dans un tube", explique Barfuss."Nous préchauffons ensuite le tube à 200°C et le surmoulons avec un engrenage fabriqué en injectant du PEEK court renforcé de fibres de carbone à 380°C."Le surmoulage a été modélisé à l'aide de Moldflow Insight d'Autodesk (San Rafael, Californie, États-Unis).Le temps de remplissage du moule a été optimisé à 40,5 secondes et réalisé à l'aide d'une machine de moulage par injection ALLROUNDER d'Arburg (Lossburg, Allemagne).
Ce surmoulage réduit non seulement les coûts d'assemblage, les étapes de fabrication et la logistique, mais il améliore également les performances.La différence de 40°C entre la température de fusion de l'arbre en PAEK et celle de l'engrenage en PEEK surmoulé permet une liaison par fusion cohésive entre les deux au niveau moléculaire.Un deuxième type de mécanisme d'assemblage, à verrouillage de forme, est obtenu en utilisant la pression d'injection pour thermoformer simultanément l'arbre pendant le surmoulage afin de créer un contour à verrouillage de forme.Ceci peut être vu sur la figure 1 ci-dessous comme "formage par injection".Il crée une circonférence ondulée ou sinusoïdale où l'engrenage est joint par rapport à une section transversale circulaire lisse, ce qui se traduit par une forme de verrouillage géométrique.Cela améliore encore la résistance de l'arbre de transmission intégré, comme l'ont démontré les tests (voir le graphique en bas à droite).Fig.1. Développé en collaboration avec Victrex et ILK, herone utilise la pression d'injection pendant le surmoulage pour créer un contour de verrouillage de forme dans l'arbre de transmission intégré (en haut). Ce processus de formage par injection permet à l'arbre de transmission intégré avec verrouillage de forme (courbe verte sur le graphique) de maintenir un couple plus élevé par rapport à un arbre de transmission à engrenages surmoulé sans verrouillage de forme (courbe noire sur le graphique).
"Beaucoup de gens obtiennent une liaison par fusion cohésive pendant le surmoulage", explique Garthaus, "et d'autres utilisent le verrouillage de forme dans les composites, mais la clé est de combiner les deux en un seul processus automatisé."Il explique que pour les résultats des tests de la Fig. 1, l'arbre et la circonférence complète de l'engrenage ont été serrés séparément, puis tournés pour induire une charge de cisaillement.Le premier échec sur le graphique est marqué par un cercle pour indiquer qu'il s'agit d'un engrenage PEEK surmoulé sans verrouillage de forme.Le deuxième échec est marqué par un cercle serti ressemblant à une étoile, indiquant le test d'un engrenage surmoulé avec verrouillage de forme."Dans ce cas, vous avez à la fois une jointure cohésive et à verrouillage de forme", explique Garthaus, "et vous gagnez près de 44 % d'augmentation de la charge de couple."Le défi maintenant, dit-il, est d'obtenir que le verrouillage de forme prenne la charge à un stade plus précoce pour augmenter encore le couple que cet arbre de transmission supportera avant la panne.
Un point important concernant le verrouillage de forme de contour obtenu par herone avec son formage par injection est qu'il est entièrement adapté à la pièce individuelle et à la charge que cette pièce doit supporter.Par exemple, dans l'arbre de transmission, le verrouillage de forme est circonférentiel, mais dans les entretoises de tension-compression ci-dessous, il est axial."C'est pourquoi nous avons développé une approche plus large", explique Garthaus."La façon dont nous intégrons les fonctions et les pièces dépend de l'application individuelle, mais plus nous pouvons le faire, plus nous pouvons économiser de poids et de coûts."
De plus, la cétone renforcée de fibres courtes utilisée dans les éléments fonctionnels surmoulés comme les engrenages offre d'excellentes surfaces d'usure.Victrex l'a prouvé et, en fait, commercialise ce fait pour ses matériaux PEEK et PAEK.
Barfuss souligne que l'arbre de transmission intégré, qui a été récompensé par un JEC World Innovation Award 2019 dans la catégorie aérospatiale, est une « démonstration de notre approche, et pas seulement un processus axé sur une seule application.Nous voulions explorer dans quelle mesure nous pouvions rationaliser la fabrication et exploiter les propriétés des TPC pour produire des structures intégrées et fonctionnalisées.L'entreprise optimise actuellement les tiges de tension-compression, utilisées dans des applications telles que les entretoises.
Fig. 3 Entretoises de tension-compressionLe formage par injection est étendu aux entretoises, où Herone surmoule un élément de transfert de charge métallique dans la structure de la pièce en utilisant un verrouillage de forme axial pour augmenter la résistance de l'assemblage.
L'élément fonctionnel des jambes de tension-compression est une pièce d'interface métallique qui transfère les charges vers et depuis la fourche métallique vers le tube composite (voir illustration ci-dessous).Le formage par injection est utilisé pour intégrer l'élément d'introduction de charge métallique dans le corps de jambe de force composite.
"Le principal avantage que nous donnons est de réduire le nombre de pièces", note-t-il."Cela simplifie la fatigue, qui est un grand défi pour les applications de contrefiche d'avion.Le verrouillage de forme est déjà utilisé dans les composites thermodurcissables avec un insert en plastique ou en métal, mais il n'y a pas de liaison cohésive, vous pouvez donc obtenir un léger mouvement entre les pièces.Notre approche, cependant, fournit une structure unifiée sans un tel mouvement.
Garthaus cite la tolérance aux dommages comme un autre défi pour ces pièces.« Vous devez impacter les entretoises, puis effectuer des tests de fatigue », explique-t-il."Parce que nous utilisons des matériaux de matrice thermoplastiques hautes performances, nous pouvons atteindre une tolérance aux dommages jusqu'à 40 % supérieure par rapport aux thermodurcissables, et les microfissures dues à l'impact se développent moins avec la charge de fatigue."
Même si les entretoises de démonstration présentent un insert métallique, herone développe actuellement une solution entièrement thermoplastique, permettant une liaison cohésive entre le corps de l'entretoise composite et l'élément d'introduction de charge."Lorsque nous le pouvons, nous préférons rester entièrement composites et ajuster les propriétés en modifiant le type de renfort en fibres, y compris le carbone, le verre, les fibres continues et courtes", explique Garthaus.« De cette façon, nous minimisons la complexité et les problèmes d'interface.Par exemple, nous avons beaucoup moins de problèmes par rapport à la combinaison de thermodurcissables et de thermoplastiques. »De plus, la liaison entre PAEK et PEEK a été testée par Tri-Mack avec des résultats montrant qu'elle a 85 % de la résistance d'un stratifié CF/PAEK unidirectionnel de base et est deux fois plus forte que les liaisons adhésives en utilisant un film adhésif époxy standard.
Barfuss dit que herone compte maintenant neuf employés et est en train de passer d'un fournisseur de développement technologique à un fournisseur de pièces d'aviation.Sa prochaine grande étape est le développement d'une nouvelle usine à Dresde."D'ici fin 2020, nous aurons une usine pilote produisant des pièces de première série", déclare-t-il."Nous travaillons déjà avec des équipementiers aéronautiques et des fournisseurs clés de niveau 1, démontrant des conceptions pour de nombreux types d'applications différents."
La société travaille également avec des fournisseurs eVTOL et divers collaborateurs aux États-Unis. Au fur et à mesure que herone mûrit les applications aéronautiques, elle acquiert également de l'expérience dans la fabrication d'applications d'articles de sport, notamment des battes et des composants de vélo.« Notre technologie peut produire une large gamme de pièces complexes avec des avantages en termes de performances, de temps de cycle et de coûts », déclare Garthaus."Notre temps de cycle avec PEEK est de 20 minutes, contre 240 minutes avec un préimprégné durci en autoclave.Nous voyons un large champ d'opportunités, mais pour l'instant, notre objectif est de mettre nos premières applications en production et de démontrer la valeur de ces pièces sur le marché.
Herone sera également présent à Carbon Fiber 2019. En savoir plus sur l'événement à carbonfiberevent.com.
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Heure de publication : 19 août 2019