Łącząc plecioną taśmę, obtrysk i blokowanie formy, herone produkuje jednoczęściowy wał napędowy o wysokim momencie obrotowym jako demonstrator do szerokiego zakresu zastosowań.
Zjednoczony kompozytowy wał napędowy.Firma Herone wykorzystuje plecione termoplastyczne kompozytowe taśmy prepregowe jako preformy do procesu, który konsoliduje laminat wału napędowego i oblewa elementy funkcjonalne, takie jak koła zębate, tworząc jednolite struktury, które zmniejszają wagę, liczbę części, czas montażu i koszty.Źródło wszystkich obrazów |herona
Obecne prognozy zakładają podwojenie floty samolotów komercyjnych w ciągu najbliższych 20 lat.Aby to dostosować, w 2019 r. tempo produkcji szerokokadłubowych samolotów odrzutowych wykorzystujących kompozyty wahało się od 10 do 14 miesięcznie na OEM, podczas gdy wąskokadłubowe samoloty już wzrosły do 60 miesięcznie na OEM.Airbus w szczególności współpracuje z dostawcami w celu zamiany tradycyjnych, ale czasochłonnych, ręcznie układanych części prepreg na A320 na części wykonane w szybszych, 20-minutowych procesach cyklu, takich jak wysokociśnieniowe formowanie żywicy (HP-RTM), pomagając w ten sposób części dostawcy spotykają się z dalszym naciskiem na 100 samolotów miesięcznie.Tymczasem wschodzący rynek miejskiej mobilności i transportu lotniczego przewiduje zapotrzebowanie na 3000 elektrycznych samolotów pionowego startu i lądowania (EVTOL) rocznie (250 miesięcznie).
„Branża wymaga zautomatyzowanych technologii produkcji o skróconych czasach cyklu, które pozwalają również na integrację funkcji oferowanych przez kompozyty termoplastyczne”, mówi Daniel Barfuss, współzałożyciel i partner zarządzający herone (Drezno, Niemcy), technologii kompozytów i produkcji części. firma, która wykorzystuje wysokowydajne termoplastyczne materiały matrycowe od polifenylenosiarczku (PPS) po polieteroeteroketon (PEEK), polieteroketonoketon (PEKK) i poliaryloeteroketon (PAEK).„Naszym głównym celem jest połączenie wysokiej wydajności kompozytów termoplastycznych (TPC) z niższymi kosztami, aby umożliwić tworzenie dostosowanych części do szerszej gamy zastosowań w produkcji seryjnej i nowych zastosowań”, dodaje dr Christian Garthaus, drugi współzałożyciel i zarządzający herone. partner.
Aby to osiągnąć, firma opracowała nowe podejście, zaczynając od w pełni impregnowanych taśm z włókien ciągłych, splatając te taśmy w wydrążoną preformę „organoTube” i konsolidując organoTubes w profile o różnych przekrojach i kształtach.W kolejnym etapie procesu wykorzystuje spawalność i termoformowalność TPC, aby zintegrować elementy funkcjonalne, takie jak kompozytowe koła zębate z wałami napędowymi, łączniki końcowe na rurach lub elementy przenoszące obciążenie z rozpórkami rozciągająco-ściskającymi.Barfuss dodaje, że istnieje możliwość zastosowania hybrydowego procesu formowania — opracowanego przez dostawcę matrycy ketonowej Victrex (Cleveleys, Lancashire, Wielka Brytania) i dostawcę części Tri-Mack (Bristol, RI, USA) — który wykorzystuje do profili taśmę PAEK o niższej temperaturze topnienia oraz PEEK do overmoldingu, umożliwiający uzyskanie stopionego, pojedynczego materiału na złączu (patrz „Overmolding poszerza zakres PEEK w kompozytach”).„Nasza adaptacja umożliwia również geometryczne blokowanie formy”, dodaje, „co daje zintegrowane struktury, które mogą wytrzymać jeszcze większe obciążenia”.
Proces herone rozpoczyna się od w pełni impregnowanych taśm termoplastycznych wzmocnionych włóknem węglowym, które są splatane w organoTube i konsolidowane.„Rozpoczęliśmy współpracę z tymi organoTubes 10 lat temu, opracowując kompozytowe rury hydrauliczne dla lotnictwa”, mówi Garthaus.Wyjaśnia, że ponieważ nie ma dwóch rur hydraulicznych w samolotach o tej samej geometrii, dla każdej z nich potrzebna byłaby forma, wykorzystująca istniejącą technologię.„Potrzebowaliśmy rury, którą można by poddać obróbce końcowej, aby uzyskać indywidualną geometrię rury.Pomysł polegał więc na wykonaniu ciągłych profili kompozytowych, a następnie wygięciu ich metodą CNC na żądaną geometrię”.
Rys. 2 Plecione taśmy prepregowe zapewniają preformy w kształcie siatki zwane organoTubes do procesu formowania wtryskowego herone i umożliwiają produkcję różnych kształtów.
Brzmi to podobnie do tego, co robi Sigma Precision Components (Hinckley, Wielka Brytania) (patrz „Naprawianie silników lotniczych za pomocą rur kompozytowych”) z powłoką silnika z włókna węglowego/PEEK.„Przyglądają się podobnym częściom, ale stosują inną metodę konsolidacji” — wyjaśnia Garthaus.„Dzięki naszemu podejściu widzimy potencjał do zwiększenia wydajności, na przykład mniej niż 2% porowatości w konstrukcjach lotniczych”.
Doktorat GarthausaPraca magisterska w ILK dotyczyła wykorzystania ciągłego pultruzji z kompozytu termoplastycznego (TPC) do wytwarzania plecionych rur, co zaowocowało opatentowanym procesem ciągłego wytwarzania rur i profili TPC.Jednak na razie firma herone zdecydowała się współpracować z dostawcami i klientami lotniczymi przy użyciu nieciągłego procesu formowania.„Daje nam to swobodę tworzenia wszystkich różnych kształtów, w tym profili zakrzywionych i o różnych przekrojach, a także nakładania lokalnych łat i ubytków warstw” – wyjaśnia.„Pracujemy nad zautomatyzowaniem procesu integracji lokalnych poprawek, a następnie współkonsolidacją ich z profilem kompozytowym.Zasadniczo wszystko, co można zrobić z płaskimi laminatami i osłonami, możemy zrobić dla rur i profili”.
Wykonanie tych pustych profili TPC było w rzeczywistości jednym z najtrudniejszych wyzwań, mówi Garthaus.„Nie można używać formowania stempli ani formowania z rozdmuchiwaniem z silikonowym pęcherzem;więc musieliśmy opracować nowy proces”.Ale ten proces umożliwia uzyskanie bardzo wydajnych i dostosowanych do potrzeb części opartych na rurach i wałkach, zauważa.Umożliwiło to również zastosowanie formowania hybrydowego opracowanego przez firmę Victrex, w którym PAEK o niższej temperaturze topnienia jest obtryskiwany PEEK, konsolidując arkusz organoorganiczny i formowanie wtryskowe w jednym kroku.
Innym godnym uwagi aspektem stosowania preform z plecionej taśmy organoTube jest to, że wytwarzają one bardzo mało odpadów.„Dzięki oplataniu mamy mniej niż 2% odpadów, a ponieważ jest to taśma TPC, możemy wykorzystać tę niewielką ilość odpadów z powrotem w obtrysku, aby uzyskać wskaźnik wykorzystania materiału do 100%”, podkreśla Garthaus.
Barfuss i Garthaus rozpoczęli swoje prace rozwojowe jako badacze w Instytucie Inżynierii Lekkiej i Technologii Polimerów (ILK) w TU Dresden.„To jeden z największych europejskich instytutów zajmujących się kompozytami i lekkimi konstrukcjami hybrydowymi”, zauważa Barfuss.On i Garthaus pracowali tam przez prawie 10 lat nad wieloma rozwiązaniami, w tym ciągłym pultruzją TPC i różnymi rodzajami łączenia.Ta praca została ostatecznie przetworzona w technologię procesu herone TPC.
„Następnie złożyliśmy wniosek do niemieckiego programu EXIST, który ma na celu transfer takiej technologii do przemysłu i finansuje 40-60 projektów rocznie w wielu różnych dziedzinach badawczych”, mówi Barfuss.„Otrzymaliśmy finansowanie na wyposażenie kapitałowe, czterech pracowników i inwestycje na kolejny etap zwiększania skali”.Założyli herone w maju 2018 roku po wystawie w JEC World.
Do JEC World 2019 firma herone wyprodukowała szereg części demonstracyjnych, w tym lekki, wysokoobrotowy, zintegrowany wał napędowy lub wał zębaty.„Używamy organoTube z włókna węglowego/PAEK splecionej pod kątem wymaganym przez część i scalamy ją w rurkę”, wyjaśnia Barfuss.„Następnie podgrzewamy rurę w temperaturze 200 ° C i oblewamy ją przekładnią wykonaną przez wtryskiwanie krótkiego PEEKu wzmocnionego włóknem węglowym w temperaturze 38 ° C”.Modelowanie obtryskiwania zamodelowano przy użyciu narzędzia Moldflow Insight firmy Autodesk (San Rafael, Kalifornia, USA).Czas napełniania formy zoptymalizowano do 40,5 sekundy i osiągnięto przy użyciu wtryskarki ALLROUNDER firmy Arburg (Lossburg, Niemcy).
To overmolding nie tylko zmniejsza koszty montażu, etapów produkcji i logistyki, ale także zwiększa wydajność.Różnica 40°C między temperaturą topnienia wałka PAEK i przekładni z PEEK typu overmolded umożliwia kohezyjne wiązanie stopu między nimi na poziomie molekularnym.Drugi rodzaj mechanizmu łączenia, blokowanie kształtu, jest uzyskiwany przez zastosowanie ciśnienia wtrysku do jednoczesnego kształtowania termicznego wału podczas obtryskiwania w celu utworzenia konturu blokującego kształt.Można to zobaczyć na rys. 1 poniżej jako „formowanie wtryskowe”.Tworzy falisty lub sinusoidalny obwód, w którym przekładnia jest połączona z gładkim okrągłym przekrojem poprzecznym, co skutkuje geometryczną blokadą.To dodatkowo zwiększa wytrzymałość zintegrowanego wału zębatego, co wykazano w testach (patrz wykres u dołu po prawej).1. Opracowany we współpracy z Victrex i ILK, herone wykorzystuje ciśnienie wtrysku podczas obtryskiwania, aby utworzyć kontur blokujący formę w zintegrowanej wale przekładni (u góry). Ten proces formowania wtryskowego umożliwia zintegrowanej przekładni z blokowaniem formy (zielona krzywa na wykresie) utrzymać wyższy moment obrotowy w porównaniu z wałkiem napędowym typu overmolded bez blokady kształtu (czarna krzywa na wykresie).
„Wiele osób osiąga spójne spajanie w stanie stopionym podczas obtrysku”, mówi Garthaus, „a inni stosują blokowanie formy w kompozytach, ale kluczem jest połączenie obu w jeden, zautomatyzowany proces”.Wyjaśnia, że dla wyników badań przedstawionych na rys. 1, zarówno wał, jak i pełny obwód koła zębatego zostały oddzielnie zaciśnięte, a następnie obrócone w celu wywołania obciążenia ścinającego.Pierwsza awaria na wykresie jest oznaczona okręgiem, co wskazuje, że dotyczy to przekładni z PEEK z formowaniem wtryskowym bez blokowania kształtowego.Druga awaria jest oznaczona przez karbowany okrąg przypominający gwiazdę, co wskazuje na testowanie przekładni typu overmolded z blokowaniem formy.„W tym przypadku masz zarówno połączenie kohezyjne, jak i kształtowe”, mówi Garthaus, „i zyskujesz prawie 44% wzrost obciążenia momentu obrotowego”.Obecnie wyzwaniem, jak mówi, jest uzyskanie blokady kształtu, która przejmie obciążenie na wcześniejszym etapie, aby jeszcze bardziej zwiększyć moment obrotowy, który ten wał zębaty będzie obsługiwał przed awarią.
Ważną kwestią dotyczącą blokowania kształtu, które Herone osiąga dzięki formowaniu wtryskowemu, jest to, że jest ono całkowicie dostosowane do indywidualnej części i obciążenia, jakie musi wytrzymać.Na przykład w wale zębatym blokowanie kształtowe jest obwodowe, ale w poniższych rozpórkach napinająco-ściskających jest osiowe.„Dlatego to, co opracowaliśmy, jest szerszym podejściem”, mówi Garthaus.„To, w jaki sposób integrujemy funkcje i części, zależy od indywidualnego zastosowania, ale im więcej możemy to zrobić, tym więcej możemy zaoszczędzić na wadze i kosztach”.
Ponadto wzmocniony krótkimi włóknami keton stosowany w formowanych elementach funkcjonalnych, takich jak koła zębate, zapewnia doskonałe powierzchnie zużywające się.Victrex to udowodnił i faktycznie sprzedaje ten fakt dla swoich materiałów PEEK i PAEK.
Barfuss zwraca uwagę, że zintegrowana przekładnia zębata, która została nagrodzona nagrodą JEC World Innovation Award 2019 w kategorii lotnictwa, jest „demonstracją naszego podejścia, a nie tylko procesem skoncentrowanym na pojedynczym zastosowaniu.Chcieliśmy zbadać, jak bardzo możemy usprawnić produkcję i wykorzystać właściwości TPC do produkcji sfunkcjonalizowanych, zintegrowanych struktur”.Firma obecnie optymalizuje pręty napinająco-ściskające, używane w zastosowaniach takich jak rozpórki.
Rys. 3 Rozpórki rozciągane i ściskające Formowanie wtryskowe zostało rozszerzone na rozpórki, w których herone formuje metalowy element przenoszący obciążenie w strukturę części za pomocą osiowego blokowania kształtowego w celu zwiększenia wytrzymałości połączenia.
Funkcjonalnym elementem rozpórek naprężających i ściskających jest metalowa część łącząca, która przenosi obciążenia z metalowego widelca na rurę kompozytową (patrz ilustracja poniżej).Formowanie wtryskowe służy do zintegrowania metalowego elementu wprowadzającego obciążenie z kompozytowym korpusem rozpórki.
„Główną korzyścią, jaką dajemy, jest zmniejszenie liczby części”, zauważa.„Ułatwia to zmęczenie, co jest dużym wyzwaniem w zastosowaniach zastrzałów samolotów.Form-locking jest już stosowany w kompozytach termoutwardzalnych z wkładką z tworzywa sztucznego lub metalu, ale nie ma wiązania kohezyjnego, dzięki czemu można uzyskać niewielki ruch między częściami.Nasze podejście zapewnia jednak zjednoczoną strukturę bez takiego ruchu”.
Garthaus wymienia odporność na uszkodzenia jako kolejne wyzwanie dla tych części.„Trzeba uderzyć w rozpórki, a następnie przeprowadzić testy zmęczeniowe” – wyjaśnia.„Ponieważ używamy wysokowydajnych termoplastycznych materiałów matrycowych, możemy osiągnąć nawet o 40% wyższą tolerancję na uszkodzenia w porównaniu z materiałami termoutwardzalnymi, a także wszelkie mikropęknięcia spowodowane uderzeniem rosną mniej wraz z obciążeniem zmęczeniowym”.
Mimo że w rozpórkach demonstracyjnych widać wkładkę metalową, firma Herone opracowuje obecnie całkowicie termoplastyczne rozwiązanie, umożliwiające spójne wiązanie między kompozytowym korpusem rozpórki a elementem przenoszącym obciążenie.„Kiedy to możliwe, wolimy pozostać w całości kompozytem i dostosować właściwości, zmieniając rodzaj wzmocnienia z włókna, w tym włókna węglowego, szklanego, ciągłego i krótkiego”, mówi Garthaus.„W ten sposób minimalizujemy problemy związane ze złożonością i interfejsem.Na przykład mamy znacznie mniej problemów w porównaniu z łączeniem materiałów termoutwardzalnych i termoplastycznych”.Ponadto wiązanie między PAEK i PEEK zostało przetestowane przez Tri-Mack, a wyniki wykazały, że ma ono 85% wytrzymałości bazowego jednokierunkowego laminatu CF/PAEK i jest dwa razy silniejsze niż wiązania adhezyjne przy użyciu standardowego w branży kleju do folii epoksydowej.
Barfuss mówi, że Herone ma teraz dziewięciu pracowników i przechodzi od dostawcy rozwoju technologii do dostawcy części lotniczych.Kolejnym dużym krokiem jest budowa nowej fabryki w Dreźnie.„Do końca 2020 r. będziemy mieli pilotażową fabrykę produkującą pierwsze seryjne części”, mówi.„Współpracujemy już z lotniczymi producentami OEM i kluczowymi dostawcami Tier 1, demonstrując projekty dla wielu różnych zastosowań”.
Firma współpracuje również z dostawcami eVTOL i różnymi współpracownikami w USA. W miarę dojrzewania zastosowań lotniczych herone zyskuje również doświadczenie produkcyjne w zakresie zastosowań artykułów sportowych, w tym kijów i komponentów rowerowych.„Nasza technologia umożliwia produkcję szerokiej gamy skomplikowanych części o wydajności, czasie cyklu i niższych kosztach”, mówi Garthaus.„Nasz czas cyklu przy użyciu PEEK wynosi 20 minut, w porównaniu z 240 minutami przy użyciu prepregu utwardzanego w autoklawie.Widzimy szerokie pole możliwości, ale na razie koncentrujemy się na wprowadzaniu naszych pierwszych aplikacji do produkcji i demonstrowaniu wartości takich części na rynku”.
Herone zaprezentuje się również na Carbon Fibre 2019. Dowiedz się więcej o wydarzeniu na carbonfiberevent.com.
Skupiając się na optymalizacji tradycyjnego ręcznego układania, producenci gondoli i odwracacza ciągu zwracają uwagę na przyszłe wykorzystanie automatyzacji i formowania zamkniętego.
Samolotowy system uzbrojenia zyskuje wysoką wydajność węgla/epoksydu z wydajnością formowania tłocznego.
Metody obliczania wpływu kompozytów na środowisko umożliwiają oparte na danych porównania z tradycyjnymi materiałami na równych zasadach.
Czas publikacji: 19 sierpnia-2019