Örgülü bant, üst kalıplama ve form kilitlemeyi birleştiren herone, geniş uygulama yelpazesi için tek parça, yüksek torklu dişli tahrik mili üretir.
Birleştirilmiş kompozit dişli tahrik mili.Herone, tahrik mili laminatını birleştiren ve dişliler gibi fonksiyonel elemanları üst üste kalıplayan, ağırlığı, parça sayısını, montaj süresini ve maliyeti azaltan birleşik yapılar üreten bir işlem için ön kalıp olarak örgülü termoplastik kompozit prepreg bantları kullanır.Tüm resimler için kaynak |kahraman
Mevcut projeksiyonlar, ticari uçak filosunun önümüzdeki 20 yıl içinde iki katına çıkarılmasını gerektiriyor.Buna uyum sağlamak için, 2019'da kompozit yoğun geniş gövdeli jet uçaklarının üretim oranları OEM başına ayda 10 ila 14 arasında değişirken, dar gövdeli uçaklar zaten OEM başına ayda 60'a yükseldi.Airbus, A320'deki geleneksel ancak zaman alıcı, elle yatırılan prepreg parçalarını, yüksek basınçlı reçine transfer kalıplama (HP-RTM) gibi daha hızlı, 20 dakikalık döngü süresi süreçleriyle yapılan parçalara geçirmek için tedarikçilerle birlikte çalışıyor. tedarikçiler ayda 100 uçağa doğru daha fazla baskı yapıyor.Bu arada, gelişmekte olan kentsel hava hareketliliği ve ulaşım pazarı, yılda 3.000 elektrikli dikey kalkış ve iniş (EVTOL) uçağına (ayda 250) ihtiyaç olduğunu tahmin ediyor.
Bir kompozit teknolojisi ve parça üretimi olan herone'nin (Dresden, Almanya) kurucu ortağı ve yönetici ortağı Daniel Barfuss, “Sektör, termoplastik kompozitler tarafından sunulan fonksiyonların entegrasyonuna da izin veren, daha kısa çevrim sürelerine sahip otomatikleştirilmiş üretim teknolojilerine ihtiyaç duyuyor” diyor. polifenilensülfürden (PPS) polietereterketona (PEEK), polieterketonketona (PEKK) ve poliarileterketona (PAEK) kadar yüksek performanslı termoplastik matris malzemeleri kullanan firma."Temel amacımız, daha geniş çeşitlilikteki seri üretim uygulamaları ve yeni uygulamalar için özel parçalar sağlamak için termoplastik kompozitlerin (TPC'ler) yüksek performansını daha düşük maliyetle birleştirmek," diye ekliyor. ortak.
Bunu başarmak için şirket, tamamen emprenye edilmiş, sürekli fiber bantlarla başlayarak, bu bantları içi boş bir preform "organoTube" oluşturmak üzere örerek ve organoTüpleri değişken kesit ve şekillerde profiller halinde birleştirerek yeni bir yaklaşım geliştirdi.Daha sonraki bir işlem adımında, kompozit dişliler gibi fonksiyonel elemanları tahrik millerine, uç bağlantı elemanlarını borulara veya yük transfer elemanlarını gerilim-sıkıştırma payandalarına entegre etmek için TPC'lerin kaynaklanabilirliğini ve ısıyla şekillendirilebilirliğini kullanır.Barfuss, keton matris tedarikçisi Victrex (Cleveleys, Lancashire, İngiltere) ve parça tedarikçisi Tri-Mack (Bristol, RI, ABD) tarafından geliştirilen ve profiller için daha düşük erime sıcaklığına sahip PAEK bant kullanan hibrit bir kalıplama işlemi kullanma seçeneği olduğunu ekliyor. ve birleştirme boyunca erimiş, tek bir malzeme sağlayan üst kalıplama için PEEK (bkz."Bizim uyarlamamız, daha da yüksek yüklere dayanabilen entegre yapılar üreten geometrik form kilitlemeyi de mümkün kılıyor" diye ekliyor.
Herone süreci, organoTüplere örülen ve birleştirilen tamamen emprenye edilmiş karbon fiber takviyeli termoplastik bantlarla başlar.Garthaus, "Bu organoTüplerle çalışmaya 10 yıl önce havacılık için kompozit hidrolik borular geliştirmeye başladık" diyor.Hiçbir iki uçak hidrolik borusu aynı geometriye sahip olmadığı için, mevcut teknolojiyi kullanarak her biri için bir kalıba ihtiyaç duyulacağını açıklıyor."Bireysel boru geometrisini elde etmek için sonradan işlenebilecek bir boruya ihtiyacımız vardı.Bu yüzden fikir, sürekli kompozit profiller yapmak ve ardından bunları CNC ile istenilen geometrilere bükmektir.”
Şekil 2 Örgülü önceden emprenye edilmiş bantlar, herone'nin enjeksiyon oluşturma işlemi için organoTüpler adı verilen net şekilli ön kalıplar sağlar ve çeşitli şekillerin üretilmesini sağlar.
Bu, Sigma Precision Components'ın (Hinckley, UK) karbon fiber/PEEK motor kaplamasıyla yaptığı şeye benziyor (bkz. “Kompozit borularla uçak motorlarının düzeltilmesi”).Garthaus, "Benzer parçalara bakıyorlar ancak farklı bir konsolidasyon yöntemi kullanıyorlar" diye açıklıyor."Yaklaşımımızla, havacılık yapıları için %2'den daha az gözeneklilik gibi artan performans potansiyeli görüyoruz."
Garthaus'un Ph.D.ILK'daki tez çalışması, örgülü borular üretmek için sürekli termoplastik kompozit (TPC) pultrüzyon kullanılarak araştırıldı ve bu, TPC boruları ve profilleri için patentli bir sürekli üretim süreci ile sonuçlandı.Ancak şimdilik, herone havacılık tedarikçileri ve müşterileri ile süreksiz bir kalıplama işlemi kullanarak çalışmayı seçmiştir."Bu bize, kavisli profiller ve değişen kesitlere sahip olanlar da dahil olmak üzere çeşitli şekillerin hepsini yapma ve ayrıca yerel yamalar ve kat damlaları uygulama özgürlüğü veriyor" diye açıklıyor.“Yerel yamaları entegre etme sürecini otomatikleştirmek ve ardından bunları kompozit profille birlikte konsolide etmek için çalışıyoruz.Temel olarak, düz laminatlar ve kabuklarla yapabileceğiniz her şeyi borular ve profiller için yapabiliriz.”
Garthaus, bu TPC içi boş profillerin yapılmasının aslında en zor zorluklardan biri olduğunu söylüyor.“Silikon mesane ile damgalama veya şişirme kalıplama kullanamazsınız;bu yüzden yeni bir süreç geliştirmek zorunda kaldık.”Ancak bu süreç, çok yüksek performanslı ve özelleştirilebilir boru ve şaft bazlı parçalar sağlar, diye belirtiyor.Ayrıca, Victrex'in geliştirdiği, düşük eriyik sıcaklığına sahip PAEK'in PEEK ile üst üste kalıplandığı, organo-levhanın konsolidasyonu ve enjeksiyonlu kalıplamanın tek bir adımda gerçekleştirildiği hibrit kalıplamanın kullanılmasına olanak sağladı.
OrganoTube örgülü bant ön kalıplarını kullanmanın bir diğer dikkate değer yönü, çok az atık üretmeleridir.Garthaus, "Örgü ile %2'den daha az atıkımız var ve TPC bant olduğu için, bu küçük miktardaki atığı, malzeme kullanım oranını %100'e kadar çıkarmak için üst kalıplamada kullanabiliriz," diye vurguluyor.
Barfuss ve Garthaus, geliştirme çalışmalarına TU Dresden'deki Hafif Mühendislik ve Polimer Teknolojisi Enstitüsü'nde (ILK) araştırmacı olarak başladılar.Barfuss, "Bu, kompozitler ve hibrit hafif tasarımlar için Avrupa'nın en büyük enstitülerinden biridir" diye belirtiyor.O ve Garthaus, sürekli TPC pultrüzyon ve farklı birleştirme türleri dahil olmak üzere bir dizi geliştirme üzerinde neredeyse 10 yıl çalıştı.Bu çalışma sonunda, şimdiki tek TPC süreç teknolojisi olan şeye damıtıldı.
Barfuss, "Ardından, bu teknolojiyi endüstriye aktarmayı ve her yıl çok çeşitli araştırma alanlarında 40-60 projeye fon sağlamayı amaçlayan Alman EXIST programına başvurduk" diyor.“Bir sonraki ölçek büyütme adımı için sermaye ekipmanı, dört çalışan ve yatırım için fon aldık.”JEC World'de sergiledikten sonra Mayıs 2018'de kahramanlarını oluşturdular.
JEC World 2019 ile herone, hafif, yüksek torklu, entegre dişli tahrik mili veya dişli mili dahil olmak üzere bir dizi tanıtım parçası üretmişti.Barfuss, "Parçanın gerektirdiği açılarda örülmüş bir karbon fiber/PAEK organoTube bant kullanıyoruz ve bunu bir tüpte birleştiriyoruz," diye açıklıyor."Daha sonra tüpü 200°C'de önceden ısıtıyoruz ve 380°C'de kısa karbon fiber takviyeli PEEK enjekte edilerek yapılan bir dişli ile üzerine kalıplıyoruz."Üst kalıplama, Autodesk'ten (San Rafael, Kaliforniya, ABD) Moldflow Insight kullanılarak modellenmiştir.Kalıp doldurma süresi 40,5 saniyeye optimize edildi ve bir Arburg (Lossburg, Almanya) ALLROUNDER enjeksiyon kalıplama makinesi kullanılarak elde edildi.
Bu aşırı kalıplama, yalnızca montaj maliyetlerini, üretim adımlarını ve lojistiği azaltmakla kalmaz, aynı zamanda performansı da artırır.PAEK şaftının eriyik sıcaklığı ile üst kalıplanmış PEEK dişlisinin eriyik sıcaklığı arasındaki 40°C'lik fark, ikisi arasında moleküler düzeyde yapışkan eriyik bağı sağlar.İkinci bir birleştirme mekanizması türü olan form kilitleme, bir form kilitleme konturu oluşturmak için üst kalıplama sırasında şaftı aynı anda ısıyla şekillendirmek için enjeksiyon basıncının kullanılmasıyla elde edilir.Bu, aşağıdaki Şekil 1'de “enjeksiyon oluşturma” olarak görülebilir.Dişlinin pürüzsüz dairesel bir enine kesite karşı birleştiği oluklu veya sinüzoidal bir çevre oluşturur, bu da geometrik olarak kilitlenen bir formla sonuçlanır.Bu, testte gösterildiği gibi entegre dişli milinin gücünü daha da artırır (sağ alttaki grafiğe bakın).1. Victrex ve ILK ile işbirliği içinde geliştirilen herone, entegre dişli milinde (üstte) bir form kilitleme konturu oluşturmak için üst kalıplama sırasında enjeksiyon basıncını kullanır. Bu enjeksiyon oluşturma işlemi, form kilitlemeli entegre dişli milinin (grafikte yeşil eğri) form kilitleme olmadan aşırı kalıplanmış bir dişli tahrik miline karşı daha yüksek bir tork elde edin (grafikte siyah eğri).
Garthaus, "Birçok insan, üst kalıplama sırasında yapışkan eriyik bağlama elde ediyor," diyor Garthaus, "ve diğerleri kompozitlerde form kilitleme kullanıyor, ancak anahtar, her ikisini de tek bir otomatik işlemde birleştirmek."Şekil 1'deki test sonuçları için, dişlinin hem milinin hem de tam çevresinin ayrı ayrı kenetlendiğini ve ardından kesme yüklemesini indüklemek için döndürüldüğünü açıklıyor.Grafikteki ilk arıza, form kilitlemesi olmayan aşırı kalıplanmış bir PEEK dişlisi için olduğunu belirtmek için bir daire ile işaretlenmiştir.İkinci arıza, bir yıldıza benzeyen kıvrımlı bir daire ile işaretlenir ve bu, kalıp kilitlemeli bir aşırı kalıplanmış dişlinin test edildiğini gösterir.Garthaus, "Bu durumda, hem uyumlu hem de form kilitli bir bağlantınız var ve tork yükünde neredeyse %44'lük bir artış elde ediyorsunuz" diyor.Şimdiki zorluk, diyor ki, bu dişli milinin arızalanmadan önce kaldıracağı torku daha da artırmak için form kilitlemenin yükü daha erken bir aşamada almasını sağlamak.
Herone'nin enjeksiyonlu şekillendirme ile elde ettiği kontur form kilitleme ile ilgili önemli bir nokta, tamamen münferit parçaya ve o parçanın dayanması gereken yüke göre uyarlanmış olmasıdır.Örneğin, dişli milinde form kilitleme çevreseldir, ancak aşağıdaki gerilim-sıkıştırma payandalarında ekseneldir.Garthaus, “Bu yüzden geliştirdiğimiz şey daha geniş bir yaklaşım” diyor."Fonksiyonları ve parçaları nasıl entegre ettiğimiz, bireysel uygulamaya bağlıdır, ancak bunu ne kadar çok yapabilirsek, o kadar fazla ağırlık ve maliyet tasarrufu sağlayabiliriz."
Ayrıca, dişliler gibi aşırı kalıplanmış fonksiyonel elemanlarda kullanılan kısa elyaf takviyeli keton, mükemmel aşınma yüzeyleri sağlar.Victrex bunu kanıtlamıştır ve aslında bu gerçeği PEEK ve PAEK malzemeleri için pazarlamaktadır.
Barfuss, havacılık kategorisinde 2019 JEC Dünya İnovasyon Ödülü ile tanınan entegre dişli milinin, “yalnızca tek bir uygulamaya odaklanan bir süreç değil, yaklaşımımızın bir göstergesi” olduğuna dikkat çekiyor.İşlevselleştirilmiş, entegre yapılar üretmek için üretimi ne kadar kolaylaştırabileceğimizi ve TPC'lerin özelliklerinden ne kadar yararlanabileceğimizi keşfetmek istedik.”Şirket şu anda payandalar gibi uygulamalarda kullanılan germe-basınç çubuklarını optimize ediyor.
Şekil 3 Germe-sıkıştırma dikmeleri Enjeksiyonla şekillendirme, heronun birleştirme mukavemetini artırmak için eksenel biçim kilitleme kullanarak parça yapısına bir metal yük transfer elemanını aşırı kalıpladığı dikmelere genişletilir.
Germe-sıkıştırma desteklerinin işlevsel elemanı, yükleri metal çataldan kompozit boruya aktaran metalik bir arayüz parçasıdır (aşağıdaki resme bakın).Metalik yük giriş elemanını kompozit payanda gövdesine entegre etmek için enjeksiyonla şekillendirme kullanılır.
“Verdiğimiz ana fayda, parça sayısını azaltmaktır” diye belirtiyor."Bu, uçak dikme uygulamaları için büyük bir zorluk olan yorgunluğu basitleştiriyor.Form kilitleme, plastik veya metal ek içeren termoset kompozitlerde zaten kullanılmaktadır, ancak kohezyonlu bir bağlantı yoktur, bu nedenle parçalar arasında hafif bir hareket elde edebilirsiniz.Ancak yaklaşımımız, böyle bir hareketin olmadığı birleşik bir yapı sağlıyor.”
Garthaus, bu parçalar için başka bir zorluk olarak hasar toleransını belirtiyor."Destekleri etkilemeniz ve ardından yorulma testi yapmanız gerekiyor" diye açıklıyor."Yüksek performanslı termoplastik matris malzemeleri kullandığımız için, termosetlere kıyasla %40'a kadar daha yüksek hasar toleransı elde edebiliyoruz ve ayrıca darbe kaynaklı mikro çatlaklar yorulma yüklemesiyle daha az büyüyor."
Gösteri çubukları metal bir ek parçası gösterse de, herone şu anda kompozit payanda gövdesi ile yük giriş elemanı arasında kohezyonlu bir bağlantı sağlayan tamamen termoplastik bir çözüm geliştiriyor.Garthaus, "Yapabildiğimiz zaman, tamamen kompozit kalmayı ve karbon, cam, sürekli ve kısa elyaf dahil olmak üzere elyaf takviyesinin türünü değiştirerek özellikleri ayarlamayı tercih ediyoruz" diyor.“Bu şekilde karmaşıklığı ve arayüz sorunlarını en aza indiriyoruz.Örneğin, termoset ve termoplastiklerin birleştirilmesine kıyasla çok daha az sorunumuz var.”Ek olarak, PAEK ve PEEK arasındaki bağ, Tri-Mack tarafından test edilmiştir ve sonuçlar, temel tek yönlü CF/PAEK laminatın gücünün %85'ine sahip olduğunu ve endüstri standardı epoksi film yapıştırıcı kullanılarak yapılan yapışkan bağlardan iki kat daha güçlü olduğunu göstermiştir.
Barfuss, Herone'un şu anda dokuz çalışanı olduğunu ve teknoloji geliştirme tedarikçisinden havacılık parçaları tedarikçisine geçiş yaptığını söylüyor.Bir sonraki büyük adım, Dresden'de yeni bir fabrikanın geliştirilmesidir."2020'nin sonunda ilk seri parçaları üreten bir pilot tesisimiz olacak" diyor.“Halihazırda havacılık OEM'leri ve ana Kademe 1 tedarikçilerle çalışıyoruz ve birçok farklı uygulama türü için tasarımlar sergiliyoruz.”
Şirket ayrıca ABD'deki eVTOL tedarikçileri ve çeşitli işbirlikçileriyle birlikte çalışıyor Herone havacılık uygulamalarını olgunlaştırdıkça, yarasalar ve bisiklet bileşenleri de dahil olmak üzere spor malzemeleri uygulamalarında da üretim deneyimi kazanıyor.Garthaus, "Teknolojimiz, performans, döngü süresi ve maliyet avantajları ile çok çeşitli karmaşık parçalar üretebilir" diyor."PEEK kullanarak döngü süremiz, otoklavla kürlenmiş prepreg kullanarak 240 dakikaya karşılık 20 dakikadır.Geniş bir fırsat alanı görüyoruz, ancak şimdilik ilk uygulamalarımızı üretime sokmaya ve bu tür parçaların değerini pazara göstermeye odaklanıyoruz.”
Herone ayrıca Carbon Fiber 2019'da sunum yapacak. Etkinlik hakkında daha fazla bilgiyi carbonfiberevent.com adresinden öğrenin.
Geleneksel elle yerleştirmeyi optimize etmeye odaklanan nacelle ve thrust reverser üreticileri, gelecekteki otomasyon ve kapalı kalıplama kullanımına göz attılar.
Hava taşıtı silah sistemi, karbon/epoksinin yüksek performansını, sıkıştırma kalıplamanın etkinliği ile kazanır.
Kompozitlerin çevre üzerindeki etkisini hesaplama yöntemleri, eşit şartlar altında geleneksel malzemelerle veriye dayalı karşılaştırmalar yapılmasını sağlar.
Gönderim zamanı: 19 Ağustos-2019