Сочетая плетеную ленту, многослойное формование и блокировку формы, herone производит цельный приводной вал с высоким крутящим моментом в качестве демонстрационного образца для широкого спектра применений.
Унифицированный составной зубчатый вал.Herone использует плетеные термопластичные композитные препрег-ленты в качестве заготовок для процесса, который консолидирует ламинат приводного вала и отливает функциональные элементы, такие как шестерни, создавая унифицированные конструкции, которые уменьшают вес, количество деталей, время сборки и стоимость.Источник всех изображений |Герона
Текущие прогнозы предусматривают удвоение парка коммерческих самолетов в течение следующих 20 лет.Чтобы учесть это, темпы производства в 2019 году широкофюзеляжных авиалайнеров с интенсивным использованием композитных материалов варьируются от 10 до 14 в месяц на OEM, в то время как узкофюзеляжные уже увеличились до 60 в месяц на OEM.Airbus специально работает с поставщиками, чтобы заменить традиционные, но трудоемкие препреговые детали ручной укладки на A320 на детали, изготовленные с помощью более быстрых процессов с 20-минутным циклом, таких как литье под высоким давлением смолы (HP-RTM), тем самым помогая части поставщики сталкиваются с дальнейшим стремлением к 100 самолетам в месяц.Между тем, развивающийся рынок городской воздушной мобильности и транспорта прогнозирует потребность в 3000 электрических самолетов с вертикальным взлетом и посадкой (EVTOL) в год (250 в месяц).
«Отрасли требуются автоматизированные производственные технологии с сокращенным временем цикла, которые также позволяют интегрировать функции, предлагаемые термопластичными композитами», — говорит Даниэль Барфусс, соучредитель и управляющий партнер компании herone (Дрезден, Германия), занимающейся технологиями композитов и производством деталей. фирма, которая использует высокоэффективные термопластичные матричные материалы от полифениленсульфида (PPS) до полиэфирэфиркетона (PEEK), полиэфиркетонкетона (PEKK) и полиарилэфиркетона (PAEK).«Наша главная цель — объединить высокие характеристики термопластичных композитов (TPC) с более низкой стоимостью, чтобы сделать детали индивидуальными для более широкого спектра применений серийного производства и новых приложений», — добавляет доктор Кристиан Гартхаус, второй соучредитель и управляющий компании herone. партнер.
Для достижения этой цели компания разработала новый подход, начиная с полностью пропитанных лент из непрерывных волокон, сплетая эти ленты в полую заготовку «organoTube» и объединяя organoTubes в профили с переменным поперечным сечением и формой.На последующем этапе процесса он использует свариваемость и термоформовку TPC для интеграции функциональных элементов, таких как композитные шестерни на приводных валах, концевые фитинги на трубах или элементы передачи нагрузки в распорках растяжения-сжатия.Барфус добавляет, что есть возможность использовать гибридный процесс формования, разработанный поставщиком кетоновой матрицы Victrex (Кливли, Ланкашир, Великобритания) и поставщиком деталей Tri-Mack (Бристоль, Род-Айленд, США), в котором для профилей используется лента PAEK с более низкой температурой плавления. и PEEK для многослойного формования, позволяющего наплавлять единый материал по всему стыку (см. «Поверхностное формование расширяет диапазон применения PEEK в композитах»).«Наша адаптация также обеспечивает геометрическую блокировку формы, — добавляет он, — что позволяет создавать интегрированные конструкции, способные выдерживать еще более высокие нагрузки».
Процесс herone начинается с полностью пропитанных термопластичных лент, армированных углеродным волокном, которые сплетаются в органотрубы и консолидируются.«Мы начали работать с этими органотрубами 10 лет назад, разрабатывая композитные гидравлические трубы для авиации», — говорит Гартхаус.Он объясняет, что, поскольку нет двух авиационных гидравлических труб с одинаковой геометрией, для каждой из них потребуется форма с использованием существующей технологии.«Нам нужна была труба, которую можно было бы подвергнуть постобработке для достижения индивидуальной геометрии трубы.Итак, идея заключалась в том, чтобы сделать непрерывные композитные профили, а затем согнуть их с помощью ЧПУ до нужной геометрии».
Рис. 2 Плетеные препрег-ленты позволяют получать преформы сетчатой формы, называемые органотрубами, для процесса литья под давлением и позволяют производить изделия различной формы.
Это звучит похоже на то, что делает Sigma Precision Components (Хинкли, Великобритания) (см. «Переоснащение авиадвигателей композитными трубами») с отделкой двигателей из углеродного волокна/PEEK.«Они смотрят на похожие детали, но используют другой метод консолидации», — объясняет Гартхаус.«С нашим подходом мы видим потенциал для повышения производительности, например, пористость менее 2% для аэрокосмических конструкций».
доктор философии Гартхауса.В диссертационной работе в ILK изучалось использование непрерывной пултрузии термопластичных композитов (TPC) для производства плетеных труб, что привело к запатентованному непрерывному процессу производства труб и профилей TPC.Однако на данный момент herone решила работать с авиационными поставщиками и заказчиками, используя процесс прерывистого формования.«Это дает нам свободу создавать все различные формы, в том числе изогнутые профили и профили с различным поперечным сечением, а также применять локальные заплаты и спуски слоев», — объясняет он.«Мы работаем над автоматизацией процесса интеграции локальных исправлений, а затем их совместной консолидации с составным профилем.По сути, все, что вы можете сделать с плоскими ламинатами и оболочками, мы можем сделать с трубами и профилями».
По словам Гартхаус, изготовление этих полых профилей TPC было одной из самых сложных задач.«Вы не можете использовать штамповку или выдувное формование с силиконовой камерой;поэтому нам пришлось разработать новый процесс».Но этот процесс позволяет создавать очень высокопроизводительные и адаптируемые детали на основе труб и валов, отмечает он.Это также позволило использовать гибридное литье, разработанное Victrex, при котором ПАЭК с более низкой температурой плавления соединяется с ПЭЭК, консолидируя органолист и литье под давлением за один этап.
Еще одним важным аспектом использования заготовок из плетеных лент organoTube является то, что они производят очень мало отходов.«При плетении у нас остается менее 2% отходов, и, поскольку это лента TPC, мы можем использовать это небольшое количество отходов обратно в формовку, чтобы довести коэффициент использования материала до 100%», — подчеркивает Гартхаус.
Барфус и Гартхаус начали свои разработки в качестве исследователей в Институте легкой техники и технологии полимеров (ILK) Дрезденского технического университета.«Это один из крупнейших европейских институтов композитов и облегченных гибридных конструкций», — отмечает Барфус.Он и Гартхаус работали там почти 10 лет над рядом разработок, в том числе над непрерывной пултрузией TPC и различными типами соединения.Эта работа в конечном итоге была переработана в то, что сейчас является технологическим процессом herone TPC.
«Затем мы подали заявку на участие в немецкой программе EXIST, которая направлена на передачу таких технологий в промышленность и ежегодно финансирует 40–60 проектов в самых разных областях исследований», — говорит Барфус.«Мы получили финансирование на капитальное оборудование, четырех сотрудников и инвестиции для следующего этапа масштабирования».Они сформировали herone в мае 2018 года после выставки JEC World.
К JEC World 2019 компания herone изготовила ряд демонстрационных деталей, в том числе легкий приводной вал с высоким крутящим моментом со встроенной шестерней или вал-шестерню.«Мы используем organoTube из углеродного волокна/ленты PAEK, сплетенные под углами, требуемыми деталью, и соединяем их в трубку», — объясняет Барфус.«Затем мы предварительно нагреваем трубу до 200°C и формируем поверх нее зубчатое колесо, изготовленное путем впрыскивания короткого армированного углеродным волокном PEEK при температуре 380°C».Многослойное формование было смоделировано с помощью Moldflow Insight от Autodesk (Сан-Рафаэль, Калифорния, США).Время заполнения формы было оптимизировано до 40,5 секунд и достигнуто с помощью литьевой машины Arburg (Лоссбург, Германия) ALLROUNDER.
Такое многослойное формование не только снижает затраты на сборку, производственные этапы и логистику, но и повышает производительность.Разница в 40°C между температурой расплава вала PAEK и температурой формованного зубчатого колеса из PEEK обеспечивает когезионное соединение расплава между ними на молекулярном уровне.Второй тип механизма соединения, блокировка формы, достигается за счет использования давления впрыска для одновременного термоформования вала во время многослойного формования для создания контура блокировки формы.Это можно увидеть на рис. 1 ниже как «литьевое формование».Он создает гофрированную или синусоидальную окружность, где шестерня соединена с гладким круглым поперечным сечением, что приводит к геометрически запирающей форме.Это еще больше повышает прочность встроенного вала, как показали испытания (см. график внизу справа).Рис.1. Разработанный в сотрудничестве с Victrex и ILK, herone использует давление впрыска во время литья под давлением для создания контура фиксации формы в интегрированном зубчатом валу (вверху). поддерживать более высокий крутящий момент по сравнению с литым зубчатым приводным валом без блокировки формы (черная кривая на графике).
«Многие люди достигают когезионного соединения расплава во время многослойного формования, — говорит Гартхаус, — а другие используют формофиксацию в композитах, но ключ заключается в том, чтобы объединить и то, и другое в единый автоматизированный процесс».Он объясняет, что для результатов испытаний на рис. 1 и вал, и вся окружность шестерни были зажаты отдельно, а затем повернуты, чтобы вызвать сдвиговую нагрузку.Первая неисправность на графике отмечена кружком, что указывает на то, что она относится к зубчатому колесу из формованного ПЭЭК без фиксации формы.Второй отказ отмечен загнутым кругом, напоминающим звезду, что указывает на испытание литой шестерни с блокировкой формы.«В этом случае у вас есть как когезионное, так и геометрическое соединение, — говорит Гартхаус, — и вы получаете почти 44-процентное увеличение крутящего момента».Теперь задача, по его словам, состоит в том, чтобы заставить блокировку формы воспринимать нагрузку на более ранней стадии, чтобы еще больше увеличить крутящий момент, с которым этот зубчатый вал будет работать до выхода из строя.
Важным моментом, связанным с фиксацией формы по контуру, которую herone достигает с помощью литья под давлением, является то, что она полностью адаптирована к отдельной детали и нагрузке, которую должна выдерживать эта деталь.Например, в редукторном валу запирание по форме окружное, а в нижних стойках растяжения-сжатия - осевое.«Вот почему мы разработали более широкий подход», — говорит Гартхаус.«Как мы интегрируем функции и детали, зависит от конкретного приложения, но чем больше мы можем это делать, тем больше веса и затрат мы можем сэкономить».
Кроме того, кетон, армированный короткими волокнами, используемый в формованных функциональных элементах, таких как зубчатые колеса, обеспечивает превосходные поверхности износа.Компания Victrex доказала это и фактически продает этот факт для своих материалов PEEK и PAEK.
Барфус отмечает, что интегрированный редуктор, получивший награду JEC World Innovation Award 2019 в аэрокосмической категории, является «демонстрацией нашего подхода, а не просто процессом, сосредоточенным на одном приложении.Мы хотели изучить, насколько мы можем упростить производство и использовать свойства TPC для создания функционализированных интегрированных структур».В настоящее время компания оптимизирует стержни растяжения-сжатия, используемые в таких приложениях, как распорки.
Рис. 3 Распорки растяжения-сжатия Метод литья под давлением распространяется на распорки, где Герон вливает металлический элемент передачи нагрузки в структуру детали, используя осевое закрепление формы для увеличения прочности соединения.
Функциональным элементом распорок растяжения-сжатия является металлическая соединительная деталь, которая передает нагрузки от металлической вилки к композитной трубе (см. рисунок ниже).Литье под давлением используется для интеграции металлического элемента подачи нагрузки в композитный корпус стойки.
«Главное преимущество, которое мы даем, — это уменьшение количества деталей», — отмечает он.«Это упрощает усталость, что является большой проблемой для авиационных стоек.Form-locking уже используется в термореактивных композитах с пластиковой или металлической вставкой, но когезионного соединения нет, поэтому между деталями можно добиться легкого перемещения.Наш подход, однако, обеспечивает единую структуру без такого движения».
Garthaus называет стойкость к повреждениям еще одной проблемой для этих деталей.«Вы должны ударить по стойкам, а затем провести испытание на усталость», — объясняет он.«Поскольку мы используем термопластичные матричные материалы с высокими эксплуатационными характеристиками, мы можем добиться на 40% более высокой стойкости к повреждениям по сравнению с термореактивными материалами, а также любые микротрещины от ударов меньше растут при усталостной нагрузке».
Несмотря на то, что демонстрационные стойки демонстрируют металлическую вставку, в настоящее время компания Herone разрабатывает полностью термопластичное решение, обеспечивающее когезионное соединение между корпусом стойки из композитного материала и элементом передачи нагрузки.«Когда мы можем, мы предпочитаем оставаться полностью композитными и корректировать свойства, изменяя тип армирующего волокна, включая углеродное, стеклянное, непрерывное и короткое волокно», — говорит Гартхаус.«Таким образом, мы минимизируем сложность и проблемы с интерфейсом.Например, у нас гораздо меньше проблем по сравнению с комбинированием реактопластов и термопластов».Кроме того, связь между PAEK и PEEK была протестирована Tri-Mack, и результаты показали, что она имеет 85% прочности базового однонаправленного ламината CF/PAEK и в два раза прочнее, чем клеевые соединения с использованием стандартного эпоксидного пленочного клея.
Барфусс говорит, что сейчас в herone девять сотрудников, и она переходит от поставщика технологических разработок к поставщику авиационных запчастей.Следующим большим шагом станет строительство нового завода в Дрездене.«К концу 2020 года у нас будет опытный завод по производству деталей первой серии», — говорит он.«Мы уже работаем с авиационными OEM-производителями и ключевыми поставщиками уровня 1, демонстрируя конструкции для различных типов приложений».
Компания также работает с поставщиками eVTOL и различными партнерами в США. По мере того, как herone совершенствует авиационные приложения, она также приобретает опыт производства спортивных товаров, включая летучие мыши и велосипедные компоненты.«Наша технология позволяет производить широкий спектр сложных деталей с высокой производительностью, продолжительностью цикла и экономичностью», — говорит Гартхаус.«Время нашего цикла с использованием PEEK составляет 20 минут по сравнению с 240 минутами с использованием препрега, отвержденного в автоклаве.Мы видим широкое поле возможностей, но сейчас мы сосредоточены на запуске наших первых приложений в производство и демонстрации ценности таких деталей на рынке».
Herone также примет участие в выставке Carbon Fiber 2019. Узнайте больше о мероприятии на сайте carbonfiberevent.com.
Сосредоточившись на оптимизации традиционной ручной укладки, производители гондол и реверсоров тяги обратили внимание на будущее использование автоматизации и закрытого формования.
Система авиационного вооружения получает высокую производительность углерода / эпоксидной смолы с эффективностью компрессионного формования.
Методы расчета воздействия композитов на окружающую среду позволяют сравнивать данные с традиционными материалами на равных условиях.
Время публикации: 19 августа 2019 г.