Combinando nastro intrecciato, sovrastampaggio e bloccaggio della forma, herone produce un albero di trasmissione a ingranaggi ad alta coppia in un unico pezzo come dimostratore per un'ampia gamma di applicazioni.
Albero di trasmissione ad ingranaggi in composito unificato.Herone utilizza nastri preimpregnati compositi termoplastici intrecciati come preforme per un processo che consolida il laminato dell'albero di trasmissione e sovrastampa elementi funzionali come gli ingranaggi, producendo strutture unificate che riducono il peso, il numero di parti, i tempi e i costi di assemblaggio.Fonte per tutte le immagini |eroe
Le attuali proiezioni prevedono un raddoppio della flotta di aerei commerciali nei prossimi 20 anni.Per far fronte a questo, i tassi di produzione nel 2019 per gli aerei di linea widebody ad alta intensità di compositi variano da 10 a 14 al mese per OEM, mentre i corpi stretti sono già saliti a 60 al mese per OEM.In particolare, Airbus sta collaborando con i fornitori per sostituire le parti preimpregnate manuali tradizionali ma dispendiose in termini di tempo sull'A320 a parti realizzate tramite processi di ciclo più rapidi di 20 minuti come lo stampaggio a trasferimento di resina ad alta pressione (HP-RTM), aiutando così la parte i fornitori incontrano un'ulteriore spinta verso 100 aeromobili al mese.Nel frattempo, il mercato emergente della mobilità aerea urbana e dei trasporti prevede la necessità di 3.000 velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (EVTOL) all'anno (250 al mese).
"L'industria richiede tecnologie di produzione automatizzate con tempi ciclo ridotti che consentano anche l'integrazione delle funzioni offerte dai compositi termoplastici", afferma Daniel Barfuss, co-fondatore e socio amministratore di herone (Dresda, Germania), una tecnologia per compositi e produzione di parti azienda che utilizza matrici termoplastiche ad alte prestazioni da polifenilensolfuro (PPS) a polietereterchetone (PEEK), polieterchetonechetone (PEKK) e poliarileterchetone (PAEK)."Il nostro obiettivo principale è combinare le elevate prestazioni dei compositi termoplastici (TPC) con costi inferiori, per consentire parti su misura per una più ampia varietà di applicazioni di produzione in serie e nuove applicazioni", aggiunge il dott. Christian Garthaus, secondo co-fondatore e responsabile di Herone compagno.
Per raggiungere questo obiettivo, l'azienda ha sviluppato un nuovo approccio, partendo da nastri in fibra continua completamente impregnati, intrecciandoli per formare una preforma cava "organoTube" e consolidando gli organoTubes in profili con sezioni e forme variabili.In una fase successiva del processo, utilizza la saldabilità e la termoformabilità dei TPC per integrare elementi funzionali come ingranaggi compositi su alberi di trasmissione, raccordi terminali su tubi o elementi di trasferimento del carico in puntoni a compressione di tensione.Barfuss aggiunge che esiste la possibilità di utilizzare un processo di stampaggio ibrido, sviluppato dal fornitore di matrici chetoniche Victrex (Cleveleys, Lancashire, Regno Unito) e dal fornitore di componenti Tri-Mack (Bristol, RI, USA), che utilizza nastro PAEK a temperatura di fusione inferiore per i profili e PEEK per il sovrastampaggio, consentendo un unico materiale fuso attraverso il giunto (vedere “Il sovrastampaggio amplia la gamma di PEEK nei compositi”)."Il nostro adattamento consente anche il bloccaggio della forma geometrica", aggiunge, "che produce strutture integrate in grado di sopportare carichi ancora più elevati".
Il processo dell'herone inizia con nastri termoplastici rinforzati con fibra di carbonio completamente impregnati che vengono intrecciati in organoTubes e consolidati."Abbiamo iniziato a lavorare con questi organoTubes 10 anni fa, sviluppando tubi idraulici compositi per l'aviazione", afferma Garthaus.Spiega che poiché non esistono due tubi idraulici per aeromobili con la stessa geometria, sarebbe necessario uno stampo per ciascuno, utilizzando la tecnologia esistente.“Avevamo bisogno di un tubo che potesse essere post-elaborato per ottenere la geometria del tubo individuale.Quindi, l'idea era quella di realizzare profili compositi continui e poi piegarli a CNC nelle geometrie desiderate".
Fig. 2 I nastri preimpregnati intrecciati forniscono preforme a forma di rete chiamate organoTubes per il processo di formatura a iniezione di herone e consentono la produzione di varie forme.
Sembra simile a quello che sta facendo Sigma Precision Components (Hinckley, Regno Unito) (vedi “Riparazione dei motori aeronautici con tubi compositi”) con il rivestimento del motore in fibra di carbonio/PEEK."Stanno esaminando parti simili ma utilizzano un metodo di consolidamento diverso", spiega Garthaus."Con il nostro approccio, vediamo il potenziale per un aumento delle prestazioni, come una porosità inferiore al 2% per le strutture aerospaziali".
Dottorato di ricerca di Garthausil lavoro di tesi presso l'ILK ha esplorato l'uso della pultrusione in composito termoplastico continuo (TPC) per produrre tubi intrecciati, che ha portato a un processo di produzione continuo brevettato per tubi e profili TPC.Tuttavia, per ora, herone ha scelto di lavorare con fornitori e clienti dell'aviazione utilizzando un processo di stampaggio discontinuo."Questo ci dà la libertà di realizzare tutte le varie forme, compresi i profili curvi e quelli con sezione trasversale variabile, nonché di applicare patch locali e strati di caduta", spiega.“Stiamo lavorando per automatizzare il processo di integrazione delle patch locali e quindi di co-consolidarle con il profilo composito.Fondamentalmente, tutto ciò che puoi fare con laminati piatti e gusci, possiamo farlo per tubi e profili”.
La realizzazione di questi profili cavi TPC è stata in realtà una delle sfide più difficili, afferma Garthaus.“Non è possibile utilizzare la formatura di timbri o il soffiaggio con una camera d'aria in silicone;quindi, abbiamo dovuto sviluppare un nuovo processo”.Ma questo processo consente prestazioni molto elevate e parti personalizzabile basate su tubi e alberi, osserva.Ha inoltre consentito l'utilizzo dello stampaggio ibrido sviluppato da Victrex, in cui il PAEK a temperatura di fusione inferiore viene sovrastampato con PEEK, consolidando l'organosheet e lo stampaggio a iniezione in un unico passaggio.
Un altro aspetto notevole dell'utilizzo delle preforme di nastro intrecciato organoTube è che producono pochissimi rifiuti."Con l'intrecciatura, abbiamo meno del 2% di rifiuti e, poiché si tratta di nastro TPC, possiamo utilizzare questa piccola quantità di rifiuti nel sovrastampaggio per ottenere il tasso di utilizzo del materiale fino al 100%", sottolinea Garthaus.
Barfuss e Garthaus hanno iniziato il loro lavoro di sviluppo come ricercatori presso l'Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) della TU Dresden."Questo è uno dei più grandi istituti europei per compositi e design ibridi leggeri", osserva Barfuss.Lui e Garthaus hanno lavorato lì per quasi 10 anni su una serie di sviluppi, tra cui la pultrusione continua di TPC e diversi tipi di giunzione.Quel lavoro alla fine è stato distillato in quella che ora è la tecnologia di processo TPC dell'eroe.
"Ci siamo quindi rivolti al programma tedesco EXIST, che mira a trasferire tale tecnologia all'industria e finanzia 40-60 progetti ogni anno in un'ampia gamma di campi di ricerca", afferma Barfuss."Abbiamo ricevuto finanziamenti per beni strumentali, quattro dipendenti e investimenti per la fase successiva di scale-up".Si sono formati herone nel maggio 2018 dopo aver esposto al JEC World.
Entro il JEC World 2019, herone aveva prodotto una gamma di parti dimostrative, tra cui un albero di trasmissione a ingranaggi integrato o un albero di trasmissione leggero, a coppia elevata."Usiamo un organoTube in nastro di fibra di carbonio/PAEK intrecciato agli angoli richiesti dalla parte e lo consolidiamo in un tubo", spiega Barfuss."Quindi preriscaldiamo il tubo a 200°C e lo sovrastampamo con un ingranaggio realizzato iniettando PEEK corto rinforzato con fibra di carbonio a 380°C."Il sovrastampaggio è stato modellato utilizzando Moldflow Insight di Autodesk (San Rafael, California, USA).Il tempo di riempimento dello stampo è stato ottimizzato a 40,5 secondi e ottenuto utilizzando una pressa a iniezione ALLROUNDER di Arburg (Lossburg, Germania).
Questo sovrastampaggio non solo riduce i costi di assemblaggio, le fasi di produzione e la logistica, ma migliora anche le prestazioni.La differenza di 40°C tra la temperatura del fuso dell'albero in PAEK e quella dell'ingranaggio in PEEK sovrastampato consente un legame fuso coeso tra i due a livello molecolare.Un secondo tipo di meccanismo di giunzione, il bloccaggio della forma, si ottiene utilizzando la pressione di iniezione per termoformare simultaneamente l'albero durante il sovrastampaggio per creare un contorno di bloccaggio della forma.Questo può essere visto nella Fig. 1 di seguito come "formatura ad iniezione".Crea una circonferenza ondulata o sinusoidale in cui l'ingranaggio è unito rispetto a una sezione trasversale circolare liscia, che si traduce in una forma geometricamente bloccata.Ciò migliora ulteriormente la robustezza dell'albero del cambio integrato, come dimostrato durante i test (vedi grafico in basso a destra).Fig.1. Sviluppato in collaborazione con Victrex e ILK, herone utilizza la pressione di iniezione durante il sovrastampaggio per creare un contorno di bloccaggio della forma nell'albero dell'ingranaggio integrato (in alto). Questo processo di formatura a iniezione consente all'albero dell'ingranaggio integrato con bloccaggio della forma (curva verde sul grafico) di sostenere una coppia più elevata rispetto a un albero di trasmissione a ingranaggi sovrastampato senza blocco della forma (curva nera sul grafico).
"Molte persone ottengono un legame fuso coeso durante il sovrastampaggio", afferma Garthaus, "e altri utilizzano il bloccaggio della forma nei compositi, ma la chiave è combinare entrambi in un unico processo automatizzato".Spiega che per i risultati del test in Fig. 1, sia l'albero che l'intera circonferenza dell'ingranaggio sono stati bloccati separatamente, quindi ruotati per indurre il carico di taglio.Il primo guasto sul grafico è contrassegnato da un cerchio per indicare che si tratta di un ingranaggio in PEEK sovrastampato senza blocco della forma.Il secondo guasto è contrassegnato da un cerchio arricciato che ricorda una stella, che indica il test di un ingranaggio sovrastampato con bloccaggio della forma."In questo caso, hai sia un'unione coesa che bloccata nella forma", afferma Garthaus, "e ottieni un aumento di quasi il 44% del carico di coppia".La sfida ora, dice, è fare in modo che il bloccaggio della forma assorba il carico in una fase precedente per aumentare ulteriormente la coppia che questo albero del cambio gestirà prima del guasto.
Un punto importante sul bloccaggio della forma del contorno che herone ottiene con la sua formatura a iniezione è che è completamente adattato alla singola parte e al carico che la parte deve sopportare.Ad esempio, nell'albero del cambio, il bloccaggio della forma è circonferenziale, ma nei montanti a compressione di tensione sotto, è assiale."Ecco perché quello che abbiamo sviluppato è un approccio più ampio", afferma Garthaus."Il modo in cui integriamo funzioni e parti dipende dalla singola applicazione, ma più riusciamo a farlo, più peso e costi possiamo risparmiare".
Inoltre, il chetone rinforzato con fibre corte utilizzato negli elementi funzionali sovrastampati come gli ingranaggi fornisce eccellenti superfici di usura.Victrex lo ha dimostrato e, di fatto, lo commercializza per i suoi materiali PEEK e PAEK.
Barfuss sottolinea che l'albero del cambio integrato, che è stato premiato con un JEC World Innovation Award 2019 nella categoria aerospaziale, è una "dimostrazione del nostro approccio, non solo un processo incentrato su una singola applicazione.Volevamo esplorare quanto potevamo semplificare la produzione e sfruttare le proprietà dei TPC per produrre strutture funzionalizzate e integrate".L'azienda sta attualmente ottimizzando le barre di tensione-compressione, utilizzate in applicazioni come i puntoni.
Fig. 3 Puntoni trazione-compressione La formatura a iniezione è estesa ai puntoni, dove l'herone sovrastampa un elemento metallico di trasferimento del carico nella struttura del pezzo utilizzando un bloccaggio assiale della forma per aumentare la resistenza del giunto.
L'elemento funzionale per i puntoni di trazione-compressione è una parte metallica dell'interfaccia che trasferisce i carichi da e verso la forcella metallica al tubo composito (vedi illustrazione sotto).La formatura a iniezione viene utilizzata per integrare l'elemento metallico di introduzione del carico nel corpo del puntone composito.
"Il principale vantaggio che diamo è ridurre il numero di parti", osserva.“Questo semplifica l'affaticamento, che è una grande sfida per le applicazioni dei montanti degli aerei.Il bloccaggio della forma è già utilizzato nei compositi termoindurenti con un inserto in plastica o metallo, ma non c'è legame coesivo, quindi puoi ottenere un leggero movimento tra le parti.Il nostro approccio, tuttavia, fornisce una struttura unitaria senza tale movimento".
Garthaus cita la tolleranza ai danni come un'altra sfida per queste parti."Devi urtare i montanti e quindi eseguire i test di fatica", spiega."Poiché utilizziamo materiali a matrice termoplastica ad alte prestazioni, possiamo ottenere una tolleranza ai danni fino al 40% in più rispetto ai termoindurenti e anche eventuali microfessure da impatto crescono meno con il carico di fatica".
Anche se i montanti dimostrativi mostrano un inserto in metallo, herone sta attualmente sviluppando una soluzione interamente termoplastica, che consente un legame coeso tra il corpo del montante in composito e l'elemento di introduzione del carico."Quando possiamo, preferiamo rimanere completamente compositi e regolare le proprietà alterando il tipo di rinforzo in fibra, incluso carbonio, vetro, fibra continua e corta", afferma Garthaus.“In questo modo, riduciamo al minimo la complessità e i problemi di interfaccia.Ad esempio, abbiamo molti meno problemi rispetto alla combinazione di termoindurenti e termoplastici".Inoltre, il legame tra PAEK e PEEK è stato testato da Tri-Mack con risultati che mostrano che ha l'85% della forza di un laminato CF/PAEK unidirezionale di base ed è due volte più forte dei legami adesivi che utilizzano pellicole epossidiche standard del settore.
Barfuss afferma che herone ora ha nove dipendenti e sta passando da un fornitore di sviluppo tecnologico a un fornitore di componenti aeronautici.Il prossimo grande passo è lo sviluppo di una nuova fabbrica a Dresda."Entro la fine del 2020 avremo un impianto pilota per la produzione di parti di prima serie", afferma."Stiamo già lavorando con OEM aeronautici e fornitori chiave di livello 1, dimostrando progetti per molti diversi tipi di applicazioni".
L'azienda sta lavorando anche con i fornitori di eVTOL e una varietà di collaboratori negli Stati Uniti Man mano che herone matura le applicazioni aeronautiche, sta anche acquisendo esperienza nella produzione con applicazioni di articoli sportivi tra cui mazze e componenti di biciclette."La nostra tecnologia è in grado di produrre un'ampia gamma di parti complesse con prestazioni, tempo di ciclo e vantaggi in termini di costi", afferma Garthaus.“Il nostro tempo di ciclo con il PEEK è di 20 minuti, contro i 240 minuti con il preimpregnato in autoclave.Vediamo un ampio campo di opportunità, ma per ora il nostro obiettivo è portare in produzione le nostre prime applicazioni e dimostrare il valore di tali parti al mercato".
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Tempo di pubblicazione: 19-agosto-2019