Поєднуючи плетену стрічку, формовку та фіксацію форми, herone виробляє цільну шестерню з високим крутним моментом як демонстрацію для широкого спектру застосувань.
Уніфікована композитна шестерня-карданний вал.Herone використовує плетені термопластичні композитні препрег-стрічки як преформи для процесу, який консолідує ламінат карданного валу та формує функціональні елементи, такі як шестерні, створюючи єдині конструкції, які зменшують вагу, кількість деталей, час складання та вартість.Джерело для всіх зображень |герой
Поточні прогнози вимагають подвоєння парку комерційних літаків протягом наступних 20 років.Для цього у 2019 році темпи виробництва широкофюзеляжних реактивних лайнерів з інтенсивним використанням композитних матеріалів варіюються від 10 до 14 на місяць на одного OEM, тоді як вузькофюзеляжні вже зросли до 60 на місяць на одного OEM.Airbus спеціально співпрацює з постачальниками, щоб замінити традиційні, але трудомісткі, ручні препрег-деталі на A320 на деталі, виготовлені за допомогою швидших 20-хвилинних циклів, таких як лиття під високим тиском (HP-RTM), таким чином допомагаючи деталі постачальники дотримуються подальшого поштовху до 100 літаків на місяць.Тим часом, ринок міського повітряного транспорту, що розвивається, прогнозує потребу в 3000 літаків з електричним вертикальним зльотом і посадкою (EVTOL) на рік (250 на місяць).
«Промисловість потребує автоматизованих виробничих технологій зі скороченим часом циклу, які також дозволяють інтегрувати функції, які пропонуються термопластичними композитами», — каже Даніель Барфус, співзасновник і керуючий партнер herone (Дрезден, Німеччина), компанії з виробництва композитних матеріалів і деталей. фірма, яка використовує високоефективні термопластичні матричні матеріали від поліфеніленсульфіду (PPS) до поліефіретеркетону (PEEK), поліефіркетонкетону (PEKK) і поліарилетеркетону (PAEK).«Наша головна мета полягає в тому, щоб поєднати високу ефективність термопластичних композитів (TPC) з нижчою вартістю, щоб уможливити індивідуальні деталі для широкого спектру застосувань серійного виробництва та нових застосувань», — додає д-р Крістіан Гартхаус, другий співзасновник herone та керуючий партнер.
Щоб досягти цього, компанія розробила новий підхід, починаючи з повністю просочених безперервних волокнистих стрічок, обплітаючи ці стрічки, щоб утворити порожнисту заготовку «organoTube», і об’єднуючи organoTube в профілі зі змінним поперечним перерізом і формою.На наступному етапі процесу він використовує зварюваність і здатність до термоформування TPC для інтеграції функціональних елементів, таких як композитні шестерні, на карданних валах, кінцевих з’єднань на трубах або елементів передачі навантаження в стійках розтягування та стиснення.Барфус додає, що існує можливість використовувати гібридний процес формування, розроблений постачальником кетонової матриці Victrex (Клівліс, Ланкашир, Великобританія) і постачальником запчастин Tri-Mack (Брістоль, Род-Айленд, США), який використовує для профілів стрічку PAEK з нижчою температурою розплаву. і PEEK для накладання на поверхню, уможливлюючи сплавлений єдиний матеріал поперек з’єднання (див. «Поверхневе формування розширює асортимент композитів PEEK»).«Наша адаптація також дозволяє геометричне блокування форми, — додає він, — що створює інтегровані структури, здатні витримувати ще більші навантаження».
Процес виробництва Herone починається з повністю просочених термопластичних стрічок, армованих вуглецевим волокном, які сплетені в органотруби та з’єднані.«Ми почали працювати з цими organoTubes 10 років тому, розробляючи композитні гідравлічні труби для авіації», — каже Гартхаус.Він пояснює, що оскільки немає двох гідравлічних труб літака з однаковою геометрією, для кожної знадобиться форма з використанням існуючої технології.«Нам потрібна була труба, яку можна було б піддати подальшій обробці для досягнення індивідуальної геометрії труби.Отже, ідея полягала в тому, щоб зробити безперервні композитні профілі, а потім зігнути їх на ЧПК у потрібну геометрію».
Рис. 2 Плетені препрег-стрічки створюють преформи сітчастої форми, які називаються organoTubes, для процесу ін’єкційного формування Herone та дозволяють виготовляти різні форми.
Це схоже на те, що робить компанія Sigma Precision Components (Хінклі, Велика Британія) (див. «Відновлення авіаційних двигунів композитними трубами») з покриттям двигуна вуглецевим волокном/PEEK.«Вони розглядають подібні частини, але використовують інший метод консолідації», — пояснює Гартхаус.«Завдяки нашому підходу ми бачимо потенціал для підвищення продуктивності, наприклад менше 2% пористості для аерокосмічних структур».
Доктор філософії ГартхаусаДипломна робота в ILK досліджувала використання безперервної пултрузії з термопластичного композиту (TPC) для виробництва плетених труб, що призвело до запатентованого безперервного процесу виробництва труб і профілів TPC.Однак наразі Herone вирішила працювати з авіаційними постачальниками та клієнтами, використовуючи процес безперервного формування.«Це дає нам свободу створювати будь-які форми, включаючи вигнуті профілі та профілі з різним поперечним перерізом, а також наносити локальні латки та спадні шари», — пояснює він.«Ми працюємо над автоматизацією процесу інтеграції локальних патчів, а потім спільної консолідації їх із складеним профілем.В принципі, все, що ви можете зробити з плоскими ламінатами та оболонками, ми можемо зробити для труб і профілів».
Створення цих порожнистих профілів TPC було насправді одним із найважчих завдань, каже Гартхаус.«Ви не можете використовувати штампування або видування з силіконовим міхуром;тому нам довелося розробити новий процес».Але цей процес дозволяє отримати дуже високоефективні та адаптовані деталі на основі труб і валів, зазначає він.Це також уможливило використання гібридного формування, розробленого Victrex, де нижча температура розплаву PAEK формується поверх PEEK, об’єднуючи органолист і лиття під тиском за один етап.
Ще один важливий аспект використання заготовок плетеної стрічки organoTube полягає в тому, що вони утворюють дуже мало відходів.«З обплетенням ми маємо менше 2% відходів, і оскільки це стрічка TPC, ми можемо використовувати цю невелику кількість відходів назад у формуванні, щоб отримати коефіцієнт використання матеріалу до 100%», – підкреслює Гартхаус.
Барфус і Гартхаус розпочали свою розробку як дослідники в Інституті легкої техніки та технології полімерів (ILK) Дрезденського технічного університету.«Це один із найбільших європейських інститутів композитів і гібридних легких конструкцій», — зазначає Барфус.Він і Гартхаус працювали там майже 10 років над низкою розробок, включаючи безперервну пултрузію TPC і різні типи з’єднання.Ця робота врешті-решт була перетворена в те, що зараз є технологією процесу herone TPC.
«Тоді ми подали заявку на участь у німецькій програмі EXIST, яка спрямована на передачу таких технологій у промисловість і щороку фінансує 40-60 проектів у різноманітних галузях досліджень», — каже Барфус.«Ми отримали фінансування на капітальне обладнання, чотирьох працівників та інвестиції для наступного кроку розширення».Вони сформували herone у травні 2018 року після виставки JEC World.
До JEC World 2019 компанія Herone виготовила низку демонстраційних деталей, у тому числі легкий карданний вал із інтегрованою шестернею з високим крутним моментом або зубчастий вал.«Ми використовуємо вуглецеве волокно/стрічку PAEK organoTube, сплетену під кутами, необхідними для деталі, і об’єднуємо її в трубу», — пояснює Барфус.«Потім ми попередньо нагріваємо трубу до 200°C і формуємо її за допомогою шестерні, виготовленої шляхом впорскування короткого армованого вуглецевим волокном PEEK при 380°C».Формування було змодельовано за допомогою Moldflow Insight від Autodesk (Сан-Рафаель, Каліфорнія, США).Час заповнення форми було оптимізовано до 40,5 секунд і досягнуто за допомогою машини для лиття під тиском Arburg (Lossburg, Німеччина) ALLROUNDER.
Таке формування не тільки зменшує витрати на складання, етапи виробництва та логістику, але також підвищує продуктивність.Різниця в 40°C між температурою розплаву валу ПАЕК і температурою розплавленого механізму з ПЕЕК забезпечує когезійне з’єднання розплаву між ними на молекулярному рівні.Другий тип механізму з’єднання, фіксація форми, досягається шляхом використання тиску ін’єкції для одночасного термоформування вала під час лиття, щоб створити контур фіксації форми.Це можна побачити на рис. 1 нижче як «формування під тиском».Він створює гофровану або синусоїдну окружність у місці з’єднання шестерні проти гладкого круглого поперечного перерізу, що призводить до геометрично фіксованої форми.Це ще більше підвищує міцність інтегрованого вала редуктора, як продемонстровано під час тестування (див. графік внизу праворуч). Рис.1. Розроблений у співпраці з Victrex та ILK, herone використовує тиск упорскування під час лиття, щоб створити контур фіксації форми у вбудованому редукторному валу (вгорі). Цей процес ін’єкційного формування дозволяє інтегрованому редукторному валу з фіксацією форми (зелена крива на графіку) підтримувати вищий крутний момент у порівнянні з переформованим шестернею-приводним валом без блокування форми (чорна крива на графіку).
«Багато людей досягають когезійного з’єднання розплаву під час лиття, — каже Гартхаус, — а інші використовують блокування форми в композитах, але головне — об’єднати обидва в єдиний автоматизований процес».Він пояснює, що для результатів випробувань на рис. 1 як вал, так і повний окружність шестерні були затиснуті окремо, а потім повернуті, щоб викликати навантаження зсуву.Перша несправність на графіку позначена кружком, що вказує на те, що вона відноситься до шестерні PEEK без блокування форми.Друга помилка позначена гофрованим колом, що нагадує зірку, що вказує на випробування переформованої шестерні з блокуванням форми.«У цьому випадку у вас є як когезійне, так і заблоковане за формою з’єднання, — говорить Гартхаус, — і ви отримуєте майже 44% збільшення крутного моменту».Зараз, за його словами, завдання полягає в тому, щоб змусити блокування форми сприймати навантаження на більш ранній стадії, щоб ще більше збільшити крутний момент, який цей вал передачі зможе витримати перед поломкою.
Важливим моментом фіксації контуру, якого Herone досягає за допомогою ін’єкційного формування, є те, що він повністю адаптований до окремої частини та навантаження, яке ця частина повинна витримати.Наприклад, у валу редуктора фіксація форми окружна, а в опорах розтягування і стиску внизу — осьова.«Ось чому ми розробили ширший підхід», — каже Гартхаус.«Те, як ми інтегруємо функції та частини, залежить від конкретного застосування, але чим більше ми можемо зробити це, тим більше ваги та витрат ми зможемо заощадити».
Крім того, кетон, армований короткими волокнами, який використовується у формованих функціональних елементах, таких як шестерні, забезпечує чудові поверхні для зносу.Компанія Victrex довела це і фактично продає цей факт для своїх матеріалів PEEK та PAEK.
Барфус зазначає, що інтегрований редуктор, який був відзначений нагородою JEC World Innovation Award 2019 у аерокосмічній категорії, є «демонстрацією нашого підходу, а не просто процесу, зосередженого на одній програмі.Ми хотіли дослідити, наскільки ми можемо оптимізувати виробництво та використовувати властивості TPC для створення функціональних інтегрованих структур».Наразі компанія оптимізує стрижні розтягування й стиснення, які використовуються в таких додатках, як стійки.
Рис. 3 Розпірно-стисневі стійки Ін’єкційне формування поширюється на стійки, де Герон формує металевий елемент передачі навантаження в конструкцію деталі за допомогою осьового блокування форми для підвищення міцності з’єднання.
Функціональним елементом стійки розтягування та стиснення є металева частина інтерфейсу, яка передає навантаження від металевої вилки до композитної труби (див. малюнок нижче).Інжекційне формування використовується для інтеграції металевого елемента введення навантаження в композитний корпус стійки.
«Головна перевага, яку ми надаємо, — це зменшення кількості деталей», — зазначає він.«Це спрощує втомлюваність, що є великою проблемою для застосування в авіаційних стійках.Закріплення форми вже використовується в термореактивних композитах із пластиковою або металевою вставкою, але немає когезійного зв’язку, тому ви можете отримати легкий рух між частинами.Однак наш підхід забезпечує єдину структуру без такого руху».
Ще одним викликом для цих частин Garthaus називає стійкість до пошкоджень.«Потрібно впливати на стійки, а потім проводити випробування на втому», — пояснює він.«Оскільки ми використовуємо високоефективні термопластичні матричні матеріали, ми можемо досягти на 40% вищої стійкості до пошкоджень порівняно з реактопластами, а також будь-які мікротріщини від удару збільшуються менше під час втомного навантаження».
Незважаючи на те, що демонстраційні стійки демонструють металеву вставку, herone зараз розробляє повністю термопластичне рішення, що забезпечує цілісне з’єднання між композитним корпусом стійки та елементом введення навантаження.«Коли ми можемо, ми вважаємо за краще залишатися повністю композитним і коригувати властивості, змінюючи тип армування волокном, включаючи вуглецеве, скляне, безперервне та коротке волокно», — говорить Гартхаус.«Таким чином ми мінімізуємо складність і проблеми з інтерфейсом.Наприклад, у нас набагато менше проблем, ніж комбінувати реактопласти та термопласти».Крім того, компанією Tri-Mack протестовано з’єднання між PAEK і PEEK, результати якого показали, що воно має 85% міцності основного односпрямованого ламінату CF/PAEK і вдвічі міцніше, ніж клейове з’єднання з використанням промислового стандартного епоксидного клею для плівки.
Барфус каже, що herone зараз має дев’ять співробітників і переходить від постачальника розробок технологій до постачальника авіаційних запчастин.Його наступним великим кроком є розвиток нового заводу в Дрездені.«До кінця 2020 року у нас буде пілотний завод, який вироблятиме перші серійні деталі», — каже він.«Ми вже працюємо з авіаційними OEM-виробниками та ключовими постачальниками Tier 1, демонструючи проекти для багатьох різних типів застосувань».
Компанія також співпрацює з постачальниками eVTOL і різними партнерами в США. У міру того, як herone розвиває авіаційні програми, вона також набуває досвіду виробництва спортивних товарів, включаючи біти та велосипедні компоненти.«Наша технологія може виробляти широкий спектр складних деталей із продуктивністю, тривалістю циклу та економічною вигодою», — каже Гартхаус.«Наш час циклу з використанням PEEK становить 20 хвилин проти 240 хвилин з використанням препрегу, що твердне в автоклаві.Ми бачимо широке поле можливостей, але наразі ми зосереджені на тому, щоб запустити наші перші програми у виробництво та продемонструвати цінність таких деталей на ринку».
Herone також буде виступати на Carbon Fiber 2019. Дізнайтеся більше про подію на carbonfiberevent.com.
Зосереджені на оптимізації традиційної ручної розкладки, виробники гондол і реверсів тяги звернули увагу на майбутнє використання автоматизації та закритого формування.
Система озброєння літака отримує високі характеристики вуглецю/епоксидної смоли з ефективністю пресування.
Методи розрахунку впливу композитів на навколишнє середовище дозволяють порівнювати дані з традиційними матеріалами на рівних умовах.
Час публікації: 19 серпня 2019 р