編組テープ、オーバーモールド、フォームロッキングを組み合わせることで、herone は幅広い用途のデモンストレーターとしてワンピースの高トルク ギア ドライブシャフトを製造しています。
ユニット化された複合ギアドライブシャフト。Herone は、ドライブシャフト ラミネートを統合し、ギアなどの機能要素をオーバーモールドするプロセスのプリフォームとして、編組熱可塑性複合プリプレグ テープを使用し、重量、部品数、組み立て時間、およびコストを削減するユニット化された構造を生成します。すべての画像のソース |ヒロネ
現在の予測では、今後 20 年間で民間航空機の数が倍増することが求められています。これに対応するため、2019 年の複合材料を多用するワイドボディ ジェット旅客機の生産率は、OEM ごとに月間 10 から 14 まで変動しますが、ナローボディは OEM ごとに月間 60 にまで増加しています。具体的には、エアバスはサプライヤーと協力して、A320 の従来型だが時間のかかる手作業によるレイアップ プリプレグ部品を、高圧樹脂トランスファー成形 (HP-RTM) などのより高速な 20 分のサイクル タイム プロセスで製造された部品に切り替えています。サプライヤーは、月間 100 機に向けたさらなる推進に対応しています。一方、新興の都市航空モビリティおよび輸送市場では、年間 3,000 機 (月 250 機) の電動垂直離着陸 (EVTOL) 航空機の必要性が予測されています。
「この業界は、熱可塑性複合材料によって提供される機能の統合も可能にする、サイクル時間を短縮した自動生産技術を必要としています」と、複合材料技術および部品製造会社である herone (ドレスデン、ドイツ) の共同創設者兼マネージング パートナーである Daniel Barfuss 氏は述べています。同社は、ポリフェニレンスルフィド (PPS) からポリエーテルエーテルケトン (PEEK)、ポリエーテルケトンケトン (PEKK)、ポリアリールエーテルケトン (PAEK) まで、高性能の熱可塑性マトリックス材料を使用しています。「私たちの主な目的は、熱可塑性複合材 (TPC) の高性能と低コストを組み合わせて、さまざまな連続製造アプリケーションと新しいアプリケーション向けにカスタマイズされた部品を可能にすることです」相棒。
これを達成するために、同社は新しいアプローチを開発しました。完全に含浸された連続繊維テープから始め、これらのテープを編んで中空のプリフォーム「オルガノチューブ」を形成し、オルガノチューブをさまざまな断面と形状のプロファイルに統合します。その後のプロセス ステップでは、TPC の溶接性と熱成形性を利用して、複合ギアなどの機能要素をドライブシャフトに、エンド フィッティングをパイプに、荷重伝達要素を引張圧縮ストラットに統合します。Barfuss 氏は、ハイブリッド成形プロセスを使用するオプションがあることを付け加えます — ケトン マトリックス サプライヤー Victrex (クリーブリーズ、ランカシャー、英国) と部品サプライヤー Tri-Mack (ブリストル、ロードアイランド州、米国) によって開発されました — プロファイルに低い溶融温度の PAEK テープを使用しますオーバーモールディング用の PEEK により、接合部全体で融合した単一材料が可能になります (「オーバーモールディングにより、複合材料における PEEK の範囲が拡大」を参照)。「私たちの適応はまた、幾何学的形状固定を可能にし、さらに高い荷重に耐えることができる統合構造を生み出します」と彼は付け加えます。
ヘロンのプロセスは、完全に含浸された炭素繊維で強化された熱可塑性テープをオルガノチューブに編んで固めることから始まります。「私たちは 10 年前にこれらのオルガノチューブを使い始め、航空用の複合油圧パイプを開発しました」と Garthaus 氏は言います。彼は、航空機の油圧パイプは 2 つと同じ形状を持たないため、既存の技術を使用してそれぞれに金型が必要になると説明しています。「個々のパイプ形状を実現するために後処理できるパイプが必要でした。そのため、連続した複合プロファイルを作成し、CNC でこれらを希望の形状に曲げるというアイデアがありました。」
Fig. 2 編組プリプレグテープは、herone の射出成形プロセス用のオルガノチューブと呼ばれるネットシェイプのプリフォームを提供し、さまざまな形状の製造を可能にします。
これは、シグマ プレシジョン コンポーネント (イギリス、ヒンクレー) が炭素繊維/PEEK エンジン ドレッシングで行っていること (「コンポジット パイプによる航空エンジンの修復」を参照) に似ています。「彼らは似たような部品を見ていますが、異なる統合方法を使用しています」と Garthaus は説明します。「私たちのアプローチでは、航空宇宙構造の気孔率が 2% 未満になるなど、性能が向上する可能性があると考えています。」
Garthaus の Ph.D.ILK での論文研究では、連続熱可塑性複合材 (TPC) 引抜成形を使用して編組チューブを製造し、その結果、TPC チューブとプロファイルの特許取得済みの連続製造プロセスが実現しました。しかし、今のところ、herone は不連続成形プロセスを使用して航空サプライヤーや顧客と協力することを選択しました。「これにより、湾曲したプロファイルやさまざまな断面を持つものを含むさまざまな形状を自由に作成できるだけでなく、局所的なパッチや層のドロップオフを適用することもできます」と彼は説明します.「私たちは、ローカル パッチを統合し、複合プロファイルと一緒に統合するプロセスを自動化することに取り組んでいます。基本的に、フラットラミネートとシェルでできることはすべて、チューブとプロファイルで行うことができます。」
これらの TPC 中空プロファイルを作成することは、実際には最も困難な課題の 1 つでした、と Garthaus 氏は言います。「シリコンブラダーでスタンプ成形またはブロー成形を使用することはできません。そのため、新しいプロセスを開発する必要がありました。」しかし、このプロセスにより、非常に高性能で調整可能なチューブおよびシャフトベースの部品が可能になると彼は指摘します。また、Victrex が開発したハイブリッド成形の使用も可能になりました。このハイブリッド成形では、溶融温度の低い PAEK が PEEK でオーバーモールドされ、オルガノシートと射出成形が 1 つのステップで統合されます。
オルガノチューブの編組テープ プリフォームを使用するもう 1 つの注目すべき点は、廃棄物がほとんど発生しないことです。「編組の場合、廃棄物は 2% 未満です。TPC テープであるため、この少量の廃棄物をオーバーモールディングに使用して、材料の利用率を最大 100% にすることができます」と Garthaus 氏は強調します。
Barfuss と Garthaus は、TU Dresden の Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) の研究者として開発作業を開始しました。「これは複合材料とハイブリッド軽量設計のためのヨーロッパ最大の研究所の 1 つです」と Barfuss 氏は述べています。彼と Garthaus はそこで約 10 年間、連続 TPC 引抜成形やさまざまな種類の接合を含む多くの開発に取り組みました。その作業は最終的に、現在の代表的な TPC プロセス技術に蒸留されました。
「その後、そのような技術を産業界に移転することを目的としたドイツの EXIST プログラムに応募し、幅広い研究分野で毎年 40 ～ 60 件のプロジェクトに資金を提供しています」と Barfuss 氏は言います。「資本設備、4 人の従業員、およびスケールアップの次のステップのための投資のための資金を受け取りました。」2018年5月、JEC World出展をきっかけにheroneを結成。
JEC World 2019 までに、herone は、軽量で高トルクの一体型ギア ドライブシャフトやギアシャフトなど、さまざまなデモンストレーション パーツを製造しました。「部品に必要な角度で編組された炭素繊維/PAEK テープ オルガノチューブを使用し、それをチューブに統合します」と Barfuss 氏は説明します。「次に、チューブを 200°C で予熱し、380°C で短い炭素繊維強化 PEEK を射出して作られたギアでオーバーモールドします。」オーバーモールディングは、Autodesk (米国カリフォルニア州サンラファエル) の Moldflow Insight を使用してモデル化されました。金型充填時間は 40.5 秒に最適化され、Arburg (ドイツ、ロスバーグ) の ALLROUNDER 射出成形機を使用して達成されました。
このオーバーモールドは、組み立てコスト、製造工程、ロジスティクスを削減するだけでなく、パフォーマンスも向上させます。PAEK シャフトの溶融温度とオーバーモールド PEEK ギアの溶融温度の 40°C の差により、2 つの間の分子レベルでの凝集溶融結合が可能になります。2 番目のタイプの接合メカニズムであるフォーム ロッキングは、射出圧力を使用して、オーバーモールディング中にシャフトを同時に熱成形し、フォーム ロッキング輪郭を作成することによって実現されます。これは、以下の図 1 で「射出成形」として見ることができます。歯車が接合される部分では、滑らかな円形の断面に対して波型または正弦波の円周が作成され、幾何学的にロックされた形状が得られます。これにより、テストで実証されたように、統合されたギアシャフトの強度がさらに向上します (右下のグラフを参照)。1. Victrex および ILK と共同で開発された herone は、オーバーモールド中に射出圧力を使用して、一体型ギアシャフトに形状固定輪郭を作成します (上)。この射出成形プロセスにより、形状固定付き一体型ギアシャフト (グラフの緑色の曲線)フォームロックなしでオーバーモールドされたギアドライブシャフトと比較して、より高いトルクを維持します (グラフの黒い曲線)。
「多くの人がオーバーモールディング中に融着結合を実現しています」と Garthaus 氏は言います。彼は、図 1 のテスト結果について、ギアのシャフトと全周の両方を別々にクランプし、次に回転させてせん断荷重を誘発したと説明しています。グラフの最初の破損は円でマークされており、フォーム ロックのないオーバーモールド PEEK ギアの破損であることを示しています。2 番目の不合格は、星に似た圧着した円でマークされ、フォーム ロックを使用したオーバーモールド ギアのテストを示します。「この場合、結合とフォームロック結合の両方があり、トルク負荷が約 44% 増加します」と Garthaus 氏は言います。彼によると、現在の課題は、このギアシャフトが故障する前に処理できるトルクをさらに増加させるために、初期段階でフォーム ロッキングが負荷を受け入れるようにすることです。
herone が射出成形で達成する輪郭の形状固定に関する重要なポイントは、個々の部品と部品が耐えなければならない荷重に完全に合わせて調整されていることです。たとえば、ギアシャフトでは形状固定は円周方向ですが、その下の張力圧縮ストラットでは軸方向です。「これが、私たちが開発したものがより広範なアプローチである理由です」と Garthaus 氏は言います。「機能と部品をどのように統合するかは、個々のアプリケーションによって異なりますが、これができるほど、重量とコストを削減できます。」
また、ギアなどのオーバーモールド機能要素に使用される短繊維強化ケトンは、優れた摩耗面を提供します。Victrex はこれを証明しており、実際、この事実を PEEK および PAEK 材料で販売しています。
Barfuss 氏は、航空宇宙部門で 2019 JEC World Innovation Award を受賞した一体型ギアシャフトは、「単一のアプリケーションに焦点を当てた単なるプロセスではなく、当社のアプローチのデモンストレーションです。製造をどれだけ合理化し、TPC の特性を利用して、機能化された統合構造を製造できるかを調査したかったのです。」同社は現在、ストラットなどのアプリケーションで使用される張力圧縮ロッドを最適化しています。
図 3 引張圧縮ストラット射出成形はストラットに拡張され、herone は結合強度を高めるために軸方向のフォームロッキングを使用して部品構造に金属荷重伝達要素をオーバーモールドします。
引張圧縮ストラットの機能要素は、金属フォークと複合チューブとの間で荷重を伝達する金属インターフェース パーツです (下の図を参照)。射出成形は、金属荷重導入要素を複合材ストラット ボディに組み込むために使用されます。
「私たちが与える主な利点は、部品の数を減らすことです」と彼は言います。「これにより、航空機のストラット アプリケーションにとって大きな課題である疲労が軽減されます。フォームロッキングは、プラスチックまたは金属のインサートを備えた熱硬化性複合材料ですでに使用されていますが、凝集結合がないため、パーツ間でわずかな動きが発生する可能性があります.しかし、私たちのアプローチは、そのような動きのないユニット化された構造を提供します。」
Garthaus 氏は、これらの部品のもう 1 つの課題として、損傷耐性を挙げています。「ストラットに衝撃を与えてから、疲労試験を行う必要があります」と彼は説明します。「高性能の熱可塑性マトリックス材料を使用しているため、熱硬化性樹脂と比較して 40% も高い損傷耐性を実現できます。また、衝撃による微小亀裂は、疲労負荷によって大きくなりません。」
デモンストレーション ストラットは金属インサートを示していますが、herone は現在、すべて熱可塑性ソリューションを開発しており、複合ストラット ボディと負荷導入要素の間の粘着結合を可能にしています。「可能な場合は、すべて複合材のままにし、カーボン、ガラス、連続繊維、短繊維などの繊維強化の種類を変更して特性を調整することを好みます」と Garthaus 氏は言います。「このようにして、複雑さとインターフェイスの問題を最小限に抑えています。たとえば、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を組み合わせる場合に比べて、問題ははるかに少なくなります。」さらに、PAEK と PEEK 間の結合は Tri-Mack によってテストされ、ベースの一方向 CF/PAEK ラミネートの 85% の強度があり、業界標準のエポキシ フィルム接着剤を使用した接着結合の 2 倍の強度があることが示されています。
Barfuss 氏によると、herone には現在 9 人の従業員がおり、技術開発のサプライヤーから航空部品のサプライヤーに移行しています。次の大きなステップは、ドレスデンの新工場の開発です。「2020 年末までに、最初のシリーズ部品を生産するパイロット プラントを設置する予定です」と彼は言います。「私たちはすでに航空OEMや主要なTier 1サプライヤーと協力しており、さまざまなタイプのアプリケーション向けの設計を実証しています。」
同社はまた、米国の eVTOL サプライヤーやさまざまな協力者と協力しています。herone が航空用途を成熟させるにつれて、バットや自転車部品などのスポーツ用品用途の製造経験も獲得しています。「私たちの技術は、性能、サイクル タイム、およびコスト面での利点を備えた幅広い複雑な部品を製造できます」と Garthaus 氏は言います。「オートクレーブ硬化プリプレグでは 240 分ですが、PEEK では 20 分です。幅広い分野の機会が見られますが、今のところ、最初のアプリケーションを生産に投入し、そのような部品の価値を市場に示すことに焦点を当てています。」
Herone は、Carbon Fibre 2019 にも参加します。このイベントの詳細については、carbonfiberevent.com をご覧ください。
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投稿時間: 2019 年 8 月 19 日