Įpurškimo formavimas didelio našumo, vientisoms termoplastinėms struktūroms: CompositesWorld

Derindamas pintą juostą, liejimą ir formos fiksavimą, „herone“ gamina vientisą didelio sukimo momento pavaros veleną kaip demonstracinį pavyzdį įvairioms reikmėms.

Vientisas kompozitinis pavaros velenas.Herone naudoja pintas termoplastines kompozitines prepreg juostas kaip ruošinius procesui, kuris sutvirtina kardaninio veleno laminatą ir perlieja funkcinius elementus, tokius kaip krumpliaračiai, gaminant vientisas konstrukcijas, kurios sumažina svorį, dalių skaičių, surinkimo laiką ir sąnaudas.Visų vaizdų šaltinis |herone

Dabartinės prognozės numato, kad per ateinančius 20 metų komercinių orlaivių parkas padvigubės.Siekiant tai patenkinti, 2019 m. kompozitinių plataus korpuso reaktyvinių lainerių gamybos rodikliai svyruoja nuo 10 iki 14 per mėnesį vienam originalios įrangos gamintojui, o siaurųjų korpusų jau išaugo iki 60 per mėnesį vienam originalios įrangos gamintojui.„Airbus“ konkrečiai bendradarbiauja su tiekėjais, siekdama pakeisti tradicines, tačiau daug laiko reikalaujančias, rankomis klojamas iš anksto paruoštas A320 dalis į dalis, pagamintas naudojant greitesnius, 20 minučių ciklo procesus, tokius kaip aukšto slėgio dervos pernešimo liejimas (HP-RTM), taip padedant dalytis. tiekėjai susiduria su tolesniu postūmiu siekti 100 orlaivių per mėnesį.Tuo tarpu besiformuojanti miesto oro mobilumo ir transporto rinka prognozuoja 3000 elektrinių vertikalaus kilimo ir tūpimo (EVTOL) orlaivių poreikį per metus (250 per mėnesį).

„Pramonei reikalingos automatizuotos gamybos technologijos su trumpesniu ciklo laiku, kurios taip pat leidžia integruoti funkcijas, kurias siūlo termoplastiniai kompozitai“, – sako Danielis Barfussas, kompozitų technologijos ir dalių gamybos įmonės herone (Drezdenas, Vokietija) įkūrėjas ir vadovaujantis partneris. įmonė, kuri naudoja aukštos kokybės termoplastines matricines medžiagas nuo polifenilensulfido (PPS) iki polieterketono (PEEK), polieterketonketono (PEKK) ir poliarileterketono (PAEK).„Mūsų pagrindinis tikslas yra suderinti aukštą termoplastinių kompozitų (TPC) našumą su mažesnėmis sąnaudomis, kad būtų galima sukurti pritaikytas dalis įvairesnėms serijinės gamybos programoms ir naujiems pritaikymams“, – priduria dr. Christianas Garthausas, antrasis herone įkūrėjas ir vadovas. partneris.

Siekdama šio tikslo, bendrovė sukūrė naują metodą, pradedant nuo visiškai impregnuotų, ištisinio pluošto juostų, supinant šias juostas į tuščiavidurį ruošinį „organoTube“ ir sujungiant organo vamzdelius į įvairaus skerspjūvio ir formų profilius.Vėlesniame proceso etape jis naudoja TPC suvirinamumą ir termoformuojamumą, kad integruotų funkcinius elementus, tokius kaip sudėtinės pavaros į pavaros velenus, galines jungtis ant vamzdžių arba apkrovos perdavimo elementus į įtempimo ir suspaudimo statramsčius.Barfussas priduria, kad yra galimybė naudoti hibridinį liejimo procesą, kurį sukūrė ketoninės matricos tiekėjas Victrex (Cleveleys, Lancashire, JK) ir dalių tiekėjas Tri-Mack (Bristolis, RI, JAV), kuris naudoja žemesnės lydymosi temperatūros PAEK juostą profiliams. ir PEEK užliejimui, leidžiantį sujungti vieną medžiagą visoje sujungimo vietoje (žr. „Perliejimas išplečia PEEK asortimentą kompozituose“).„Mūsų pritaikymas taip pat įgalina geometrinį formos fiksavimą“, - priduria jis, „kuris sukuria integruotas konstrukcijas, kurios gali atlaikyti dar didesnes apkrovas“.

Herone procesas prasideda visiškai impregnuotomis anglies pluoštu sustiprintomis termoplastinėmis juostomis, kurios supinamos į organoTubes ir sujungiamos.„Su šiais organoTubes pradėjome dirbti prieš 10 metų, kurdami kompozicinius hidraulinius vamzdžius aviacijai“, – sako Garthausas.Jis aiškina, kad kadangi nėra dviejų vienodos geometrijos orlaivių hidraulinių vamzdžių, kiekvienam iš jų, naudojant esamą technologiją, reikėtų formos.„Mums reikėjo vamzdžio, kurį būtų galima vėliau apdoroti, kad būtų pasiekta individuali vamzdžio geometrija.Taigi, idėja buvo padaryti ištisinius sudėtinius profilius ir tada CNC juos sulenkti į norimas geometrijas.

2 pav. Pintos prepreg juostos yra tinklinės formos ruošiniai, vadinami organo vamzdeliais, naudojami herone injekcijos formavimo procesui ir leidžia gaminti įvairias formas.

Tai skamba panašiai kaip tai, ką daro Sigma Precision Components (Hinckley, JK) (žr. „Oro variklių pertvarkymas su kompozitiniais vamzdžiais“) su anglies pluošto / PEEK variklio padažu.„Jie žiūri į panašias dalis, bet naudoja skirtingą konsolidavimo metodą“, – aiškina Garthausas.„Taikydami savo metodą matome potencialą padidinti našumą, pvz., mažiau nei 2 % akytumo aviacijos ir kosmoso struktūroms.

Garthauso daktaro laipsnisbaigiamajame darbe ILK buvo tiriamas nepertraukiamo termoplastinio kompozito (TPC) pultruzijos panaudojimas pintiems vamzdeliams gaminti, todėl buvo patentuotas nepertraukiamas TPC vamzdžių ir profilių gamybos procesas.Tačiau kol kas herone pasirinko dirbti su aviacijos tiekėjais ir klientais, naudojant nepertraukiamą liejimo procesą.„Tai suteikia mums laisvę kurti visas įvairias formas, įskaitant lenktus profilius ir įvairaus skerspjūvio profilius, taip pat klijuoti vietinius pleistrus ir sluoksnių numetimus“, – aiškina jis.„Stengiamės automatizuoti vietinių pataisų integravimo procesą ir kartu juos sujungti su sudėtiniu profiliu.Iš esmės viską, ką galite padaryti su plokščiomis laminatėmis ir apvalkalais, galime padaryti vamzdžiams ir profiliams.

Šių TPC tuščiavidurių profilių gamyba iš tikrųjų buvo vienas sunkiausių iššūkių, sako Garthausas.„Su silikonine pūsle negalima naudoti štampų formavimo ar pūtimo;Taigi, mes turėjome sukurti naują procesą.Tačiau šis procesas įgalina labai efektyvias ir pritaikytas vamzdžių ir velenų dalis, pažymi jis.Tai taip pat leido naudoti Victrex sukurtą hibridinį liejimą, kai žemesnės lydymosi temperatūros PAEK yra perliejamas PEEK, sujungiant organinį lakštą ir liejimą įpurškiant vienu žingsniu.

Kitas pastebimas organoTube juostos ruošinių naudojimo aspektas yra tai, kad jie sukuria labai mažai atliekų.„Pindami mes turime mažiau nei 2 % atliekų, o kadangi tai yra TPC juosta, šį nedidelį atliekų kiekį galime panaudoti atgal į liejimą, kad medžiagos panaudojimo koeficientas būtų iki 100 %“, – pabrėžia Garthaus.

Barfussas ir Garthausas pradėjo savo vystymo darbą kaip mokslininkai Lengvosios inžinerijos ir polimerų technologijos institute (ILK) Drezdeno TU.„Tai vienas didžiausių Europos kompozitų ir hibridinių lengvų konstrukcijų institutų“, – pažymi Barfussas.Jis ir Garthausas ten dirbo beveik 10 metų kurdami įvairius patobulinimus, įskaitant nuolatinį TPC pultrusiją ir įvairius sujungimo būdus.Šis darbas galiausiai buvo distiliuotas į dabartinę TPC proceso technologiją.

„Tada kreipėmės į Vokietijos EXIST programą, kurios tikslas – perkelti tokias technologijas į pramonę ir kasmet finansuoti 40–60 projektų įvairiose tyrimų srityse“, – sako Barfussas.„Gavome finansavimą kapitalinei įrangai, keturiems darbuotojams ir investicijoms į kitą plėtros etapą.Jie tapo herojais 2018 m. gegužę po parodos JEC World.

Iki JEC World 2019 herone pagamino daugybę demonstracinių dalių, įskaitant lengvą, didelio sukimo momento, integruotą pavaros veleną arba krumpliaračio veleną.„Naudojame anglies pluošto / PAEK juostą organoTube, supintą detalei reikalingais kampais ir sujungiame jį į vamzdelį“, - aiškina Barfussas.„Tada vamzdelį įkaitiname iki 200°C ir perliejame jį pavara, pagaminta įpurškiant trumpą anglies pluoštu sustiprintą PEEK 380°C temperatūroje.Perdengimas buvo modeliuojamas naudojant Moldflow Insight iš Autodesk (San Rafael, Kalifornija, JAV).Formos užpildymo laikas buvo optimizuotas iki 40,5 sekundės ir pasiektas naudojant Arburg (Lossburg, Vokietija) ALLROUNDER liejimo mašiną.

Šis perliejimas ne tik sumažina surinkimo išlaidas, gamybos etapus ir logistiką, bet ir pagerina našumą.40°C skirtumas tarp PAEK veleno lydymosi temperatūrų ir perlietos PEEK krumpliaračio įgalina darnų lydymosi ryšį tarp šių dviejų molekuliniu lygmeniu.Antrasis sujungimo mechanizmo tipas, formos fiksavimas, pasiekiamas naudojant įpurškimo slėgį, kad tuo pačiu metu būtų termoformuojamas velenas liejimo metu, kad būtų sukurtas formos fiksavimo kontūras.Tai galima pamatyti 1 pav. žemiau kaip „įpurškimo formavimas“.Tai sukuria gofruotą arba sinusoidinį perimetrą, kur krumpliaratis yra sujungtas, palyginti su sklandžiu apskritu skerspjūviu, todėl susidaro geometriškai fiksuojanti forma.Tai dar labiau padidina integruoto krumpliaračio veleno stiprumą, kaip parodyta bandymų metu (žr. grafiką apačioje dešinėje).1. Sukurtas bendradarbiaujant su Victrex ir ILK, herone naudoja įpurškimo slėgį liejimo metu, kad sukurtų formos fiksavimo kontūrą integruotame krumpliaračio velene (viršuje). Šis įpurškimo formavimo procesas leidžia integruotam krumpliaračio velenui su formos fiksatoriumi (žalia kreivė diagramoje) Išlaikyti didesnį sukimo momentą, palyginti su perlietu pavaros velenu be formos fiksavimo (juoda kreivė diagramoje).

„Daugelis žmonių pasiekia vientisą lydymosi sukibimą perliejimo metu, – sako Garthausas, – kiti naudoja formų fiksavimą kompozituose, tačiau svarbiausia yra sujungti abu į vieną automatizuotą procesą.Jis paaiškina, kad 1 pav. pateiktiems bandymo rezultatams ir velenas, ir visas krumpliaračio perimetras buvo užspausti atskirai, tada pasukti, kad būtų sukelta šlyties apkrova.Pirmasis gedimas grafike pažymėtas apskritimu, nurodant, kad jis skirtas perlietai PEEK pavarai be formos fiksavimo.Antrasis gedimas pažymėtas užlenktu apskritimu, primenančiu žvaigždę, rodančiu, kad buvo išbandyta perlieta pavara su formos fiksavimu.„Šiuo atveju turite ir vientisą, ir neformalią jungtį, – sako Garthausas, – ir sukimo momento apkrova padidėja beveik 44 %.Jis sako, kad dabar iššūkis yra priversti formos fiksatorių užimti apkrovą ankstesniame etape, kad dar labiau padidėtų sukimo momentas, kurį šis pavarų velenas atlaikys prieš gedimą.

Svarbus aspektas, susijęs su kontūro formos fiksavimu, kurį heronas pasiekia formuodamas injekciją, yra tai, kad jis yra visiškai pritaikytas atskirai daliai ir apkrovą, kurią ta dalis turi atlaikyti.Pavyzdžiui, krumpliaračio velene formos fiksavimas yra perimetras, o žemiau esančiuose įtempimo ir suspaudimo statramsčiuose jis yra ašinis.„Todėl tai, ką sukūrėme, yra platesnis požiūris“, - sako Garthaus.„Funkcijų ir dalių integravimas priklauso nuo individualios programos, tačiau kuo daugiau galime tai padaryti, tuo daugiau svorio ir išlaidų galime sutaupyti.

Be to, trumpu pluoštu sustiprintas ketonas, naudojamas perlietuose funkciniuose elementuose, pavyzdžiui, krumpliaračiuose, užtikrina puikų dėvėjimąsi.Victrex tai įrodė ir iš tikrųjų parduoda šį faktą savo PEEK ir PAEK medžiagoms.

Barfussas pabrėžia, kad integruotas pavarų velenas, 2019 m. pripažintas JEC World Innovation Award apdovanojimu aviacijos ir kosmoso kategorijoje, yra „mūsų požiūrio demonstravimas, o ne tik procesas, orientuotas į vieną pritaikymą.Norėjome ištirti, kiek galėtume supaprastinti gamybą ir išnaudoti TPC savybes, kad sukurtume funkcionalizuotas, integruotas struktūras.Šiuo metu bendrovė optimizuoja įtempimo ir suspaudimo strypus, naudojamus tokiose srityse kaip statramsčiai.

3 pav. Įtempimo ir gniuždymo statramsčiai Įpurškimo formavimas išplečiamas iki statramsčių, kur herone metalinį apkrovos perdavimo elementą įlieja į detalės konstrukciją, naudodamas ašinį formos fiksavimą, kad padidintų sujungimo stiprumą.

Funkcinis įtempimo ir suspaudimo statramsčių elementas yra metalinė sąsajos dalis, kuri perkelia apkrovas į metalinę šakę ir iš jos į kompozitinį vamzdį (žr. iliustraciją žemiau).Įpurškimo formavimas naudojamas metaliniam apkrovos įvedimo elementui integruoti į sudėtinį statramsčio korpusą.

„Pagrindinė mūsų teikiama nauda yra dalių skaičiaus sumažinimas“, – pažymi jis.„Tai sumažina nuovargį, o tai yra didelis iššūkis orlaivių statramsčiams.Formos fiksavimas jau naudojamas termoreaktinguose kompozituose su plastikiniu arba metaliniu įdėklu, tačiau nėra vientiso sujungimo, todėl galite šiek tiek judėti tarp dalių.Tačiau mūsų požiūris suteikia vieningą struktūrą be tokio judėjimo.

Garthaus nurodo atsparumą žalai kaip dar vieną iššūkį šioms dalims.„Turite paveikti statramsčius ir tada atlikti nuovargio testą“, – aiškina jis.„Kadangi naudojame aukštos kokybės termoplastines matricines medžiagas, galime pasiekti net 40 % didesnį atsparumą pažeidimams, palyginti su termoreaktingais, o bet kokie mikroįtrūkimai dėl smūgio mažėja dėl nuovargio apkrovos.

Nors demonstraciniuose statramsčiuose yra metalinis įdėklas, herone šiuo metu kuria visiškai termoplastinį sprendimą, leidžiantį nuosekliai sujungti kompozitinį statramsčio korpusą ir apkrovos įvedimo elementą.„Kai galime, mes norime likti visiškai sudėtiniai ir koreguoti savybes keisdami pluošto armatūros tipą, įskaitant anglies, stiklo, ištisinį ir trumpą pluoštą“, - sako Garthaus.„Tokiu būdu sumažiname sudėtingumą ir sąsajos problemas.Pavyzdžiui, mes turime daug mažiau problemų, palyginti su termoreaktingų ir termoplastinių medžiagų derinimu.Be to, ryšį tarp PAEK ir PEEK išbandė „Tri-Mack“, o rezultatai rodo, kad jis turi 85 % pagrindinio vienkrypčio CF/PAEK laminato stiprumo ir yra dvigubai stipresnis už klijų sukibimą, naudojant pramonės standartinius epoksidinės plėvelės klijus.

Barfussas teigia, kad dabar „herone“ turi devynis darbuotojus ir iš technologijų vystymo tiekėjo pereina prie aviacijos dalių tiekėjo.Kitas didelis jos žingsnis – naujos gamyklos Drezdene plėtra.„Iki 2020 m. pabaigos turėsime bandomąją gamyklą, gaminsiančią pirmosios serijos dalis“, – sako jis.„Mes jau dirbame su aviacijos originalios įrangos gamintojais ir pagrindiniais 1 lygio tiekėjais, demonstruodami įvairių tipų programų dizainus.

Bendrovė taip pat bendradarbiauja su eVTOL tiekėjais ir įvairiais bendradarbiais JAV. Herone'ui tobulinant aviacijos programas, ji taip pat įgyja patirties gaminant sporto prekes, įskaitant šikšnosparnius ir dviračių komponentus.„Mūsų technologija gali pagaminti daugybę sudėtingų dalių, kurios pasižymi efektyvumu, ciklo trukme ir sąnaudomis“, – sako Garthausas.„Mūsų ciklo laikas naudojant PEEK yra 20 minučių, palyginti su 240 minučių naudojant autoklave kietintą prepregą.Matome platų galimybių lauką, tačiau kol kas daugiausia dėmesio skiriame pirmųjų pritaikymų gamybai ir tokių dalių vertės demonstravimui rinkai.

Herone taip pat pristatys „Carbon Fiber 2019“. Sužinokite daugiau apie renginį adresu carbonfiberevent.com.

Siekdami optimizuoti tradicinį rankų išdėstymą, projektorių ir traukos reversų gamintojai atkreipia dėmesį į būsimą automatizavimo ir uždarojo liejimo naudojimą.

Orlaivių ginklų sistema pasižymi dideliu anglies / epoksidinės dervos našumu ir suspaudžiamo formavimo efektyvumu.

Kompozitų poveikio aplinkai apskaičiavimo metodai leidžia palyginti duomenis su tradicinėmis medžiagomis vienodomis sąlygomis.


Paskelbimo laikas: 2019-08-19
„WhatsApp“ internetinis pokalbis!