Kết hợp băng bện, giàn giáo và khóa định hình, herone tạo ra trục truyền động bánh răng một mảnh, mô-men xoắn cao như là người trình diễn cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Trục truyền động bánh răng tổng hợp đơn nguyên.Herone sử dụng các băng gia công bằng nhựa dẻo nhiệt dẻo bện làm khuôn đúc cho một quy trình hợp nhất tấm ép trục truyền động và lồng ghép các phần tử chức năng như bánh răng, tạo ra các cấu trúc đơn nhất giúp giảm trọng lượng, số lượng bộ phận, thời gian lắp ráp và chi phí.Nguồn cho tất cả hình ảnh |anh hùng
Các dự báo hiện tại cho thấy đội máy bay thương mại sẽ tăng gấp đôi trong vòng 20 năm tới.Để đáp ứng điều này, tỷ lệ sản xuất trong năm 2019 đối với máy bay phản lực thân rộng chuyên sâu bằng vật liệu tổng hợp thay đổi từ 10 đến 14 mỗi tháng cho mỗi OEM, trong khi thân hẹp đã tăng lên 60 mỗi tháng cho mỗi OEM.Đặc biệt, Airbus đang làm việc với các nhà cung cấp để chuyển các bộ phận sơ chế bằng tay truyền thống nhưng tốn nhiều thời gian trên A320 sang các bộ phận được chế tạo thông qua quy trình thời gian chu kỳ 20 phút nhanh hơn, chẳng hạn như đúc chuyển nhựa áp suất cao (HP-RTM), do đó giúp một phần các nhà cung cấp đáp ứng mục tiêu tăng thêm 100 máy bay mỗi tháng.Trong khi đó, thị trường vận tải và di chuyển hàng không đô thị mới nổi đang dự báo nhu cầu về 3.000 máy bay cất và hạ cánh thẳng đứng (EVTOL) điện mỗi năm (250 chiếc mỗi tháng).
Daniel Barfuss, đồng sáng lập và đối tác quản lý của Herone (Dresden, Đức), một công ty sản xuất linh kiện và công nghệ vật liệu tổng hợp cho biết: “Ngành công nghiệp đòi hỏi công nghệ sản xuất tự động với thời gian chu kỳ rút ngắn cũng cho phép tích hợp các chức năng. công ty sử dụng vật liệu nền nhựa nhiệt dẻo hiệu suất cao từ polyphenylenesulfide (PPS) đến polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) và polyaryletherketone (PAEK).“Mục tiêu chính của chúng tôi là kết hợp hiệu suất cao của vật liệu tổng hợp nhiệt dẻo (TPC) với chi phí thấp hơn, để cho phép các bộ phận được thiết kế riêng cho nhiều ứng dụng sản xuất nối tiếp và các ứng dụng mới hơn,” Tiến sĩ Christian Garthaus, người đồng sáng lập và quản lý thứ hai của herone cho biết thêm bạn đồng hành.
Để đạt được điều này, công ty đã phát triển một cách tiếp cận mới, bắt đầu với các băng sợi liên tục, được ngâm tẩm hoàn toàn, bện các băng này để tạo thành một “ống organoTube” rỗng và hợp nhất các ống organo thành các cấu hình có mặt cắt và hình dạng thay đổi.Trong bước quy trình tiếp theo, nó sử dụng khả năng hàn và khả năng ổn định nhiệt của TPC để tích hợp các yếu tố chức năng như bánh răng tổng hợp vào trục truyền động, phụ kiện cuối vào đường ống hoặc các yếu tố truyền tải vào thanh chống nén căng.Barfuss cho biết thêm có tùy chọn sử dụng quy trình đúc hỗn hợp - được phát triển bởi nhà cung cấp ma trận xeton Victrex (Cle opensys, Lancashire, Anh) và nhà cung cấp linh kiện Tri-Mack (Bristol, RI, US) - sử dụng băng PAEK nhiệt độ nóng chảy thấp hơn cho các cấu hình và PEEK cho quá trình lắp ghép, cho phép một vật liệu hợp nhất, duy nhất trên toàn bộ liên kết (xem “Quá trình mở rộng mở rộng phạm vi của PEEK trong vật liệu tổng hợp”).“Sự thích ứng của chúng tôi cũng cho phép khóa dạng hình học,” ông nói thêm, “tạo ra các cấu trúc tích hợp có thể chịu được tải trọng cao hơn nữa”.
Quá trình herone bắt đầu với các băng nhựa nhiệt dẻo gia cố bằng sợi carbon được ngâm tẩm hoàn toàn, được bện thành các ống organo và được hợp nhất.Garthaus cho biết: “Chúng tôi đã bắt đầu làm việc với các ống organo này cách đây 10 năm, phát triển các ống thủy lực composite cho ngành hàng không.Ông giải thích rằng vì không có hai ống thủy lực máy bay nào có hình dạng giống nhau nên sẽ cần một khuôn cho mỗi ống, sử dụng công nghệ hiện có.“Chúng tôi cần một đường ống có thể được xử lý sau để đạt được hình dạng đường ống riêng lẻ.Vì vậy, ý tưởng là tạo ra các cấu hình composite liên tục và sau đó CNC uốn chúng thành các hình dạng mong muốn. ”
Hình 2. Các băng prereg bện bện cung cấp các phôi hình dạng lưới được gọi là organoTubes cho quá trình tạo khuôn của herone và cho phép sản xuất các hình dạng khác nhau.
Điều này nghe tương tự như những gì Sigma Precision Components (Hinckley, Vương quốc Anh) đang làm (xem “Chỉnh sửa máy bay bằng ống composite”) với việc thay đổi động cơ bằng sợi carbon / PEEK.“Họ đang xem xét các bộ phận tương tự nhưng sử dụng một phương pháp hợp nhất khác,” Garthaus giải thích.“Với cách tiếp cận của mình, chúng tôi nhận thấy tiềm năng tăng hiệu suất, chẳng hạn như độ xốp dưới 2% cho các cấu trúc hàng không vũ trụ”.
Tiến sĩ Garthauscông trình luận án tại ILK đã khám phá việc sử dụng quá trình đùn composite nhựa nhiệt dẻo (TPC) liên tục để sản xuất ống bện, dẫn đến quy trình sản xuất liên tục được cấp bằng sáng chế cho ống và cấu kiện TPC.Tuy nhiên, hiện tại, herone đã chọn làm việc với các nhà cung cấp hàng không và khách hàng bằng cách sử dụng quy trình đúc không liên tục.Ông giải thích: “Điều này cho phép chúng tôi tự do tạo ra tất cả các hình dạng khác nhau, bao gồm cả các hình dạng cong và các hình dạng có mặt cắt ngang khác nhau, cũng như áp dụng các bản vá lỗi cục bộ và thả lớp.“Chúng tôi đang làm việc để tự động hóa quy trình tích hợp các bản vá cục bộ và sau đó đồng hợp nhất chúng với hồ sơ tổng hợp.Về cơ bản, tất cả mọi thứ bạn có thể làm với các tấm và vỏ phẳng, chúng tôi có thể làm cho các ống và cấu hình ”.
Garthaus cho biết việc tạo ra các cấu hình rỗng TPC này thực sự là một trong những thách thức khó khăn nhất.“Bạn không thể sử dụng phương pháp tạo hình tem hoặc thổi khuôn bằng bàng silicon;vì vậy, chúng tôi đã phải phát triển một quy trình mới ”.Nhưng quá trình này cho phép các bộ phận dựa trên ống và trục có hiệu suất rất cao và có thể thay đổi được, ông lưu ý.Nó cũng cho phép sử dụng khuôn hỗn hợp mà Victrex đã phát triển, trong đó PAEK ở nhiệt độ nóng chảy thấp hơn được chế biến quá mức với PEEK, hợp nhất biểu tính và đúc phun trong một bước duy nhất.
Một khía cạnh đáng chú ý khác của việc sử dụng phôi băng bện của organoTube là chúng tạo ra rất ít chất thải.“Với việc bện, chúng tôi có ít hơn 2% chất thải và vì nó là băng TPC, chúng tôi có thể sử dụng một lượng nhỏ chất thải này trở lại trong quá trình lắp ráp để đạt được tỷ lệ sử dụng vật liệu lên đến 100%,” Garthaus nhấn mạnh.
Barfuss và Garthaus bắt đầu công việc phát triển của họ với tư cách là các nhà nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật Vật liệu nhẹ và Công nghệ Polyme (ILK) tại TU Dresden.Barfuss lưu ý: “Đây là một trong những viện nghiên cứu lớn nhất của châu Âu về vật liệu tổng hợp và thiết kế nhẹ kết hợp.Ông và Garthaus đã làm việc ở đó gần 10 năm về một số lĩnh vực phát triển, bao gồm cả quá trình xâm nhập TPC liên tục và các kiểu tham gia khác nhau.Công việc đó cuối cùng đã được chắt lọc thành công nghệ xử lý TPC hiện nay.
Barfuss cho biết: “Sau đó, chúng tôi đăng ký chương trình EXIST của Đức, nhằm chuyển giao công nghệ đó cho ngành công nghiệp và tài trợ cho 40-60 dự án mỗi năm trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu,” Barfuss nói."Chúng tôi đã nhận được tài trợ cho thiết bị vốn, bốn nhân viên và đầu tư cho bước tiếp theo của việc mở rộng quy mô."Họ đã thành lập herone vào tháng 5 năm 2018 sau khi trưng bày tại JEC World.
Tại JEC World 2019, herone đã sản xuất một loạt các bộ phận trình diễn, bao gồm trục truyền động bánh răng tích hợp hoặc trục bánh răng nhẹ, mô-men xoắn cao.Barfuss giải thích: “Chúng tôi sử dụng sợi carbon / băng PAEK bện ở các góc theo yêu cầu của bộ phận và cố định nó thành một ống.“Sau đó, chúng tôi làm nóng ống ở 200 ° C và làm nóng nó bằng một bánh răng được chế tạo bằng cách bơm PEEK ngắn gia cố bằng sợi carbon ở 380 ° C.”Sự bao trùm được mô hình hóa bằng cách sử dụng Moldflow Insight từ Autodesk (San Rafael, Calif., Hoa Kỳ).Thời gian điền đầy khuôn được tối ưu hóa đến 40,5 giây và đạt được bằng cách sử dụng máy ép phun ALLROUNDER của Arburg (Lossburg, Đức).
Việc lắp ráp quá mức này không chỉ làm giảm chi phí lắp ráp, các bước sản xuất và hậu cần mà còn nâng cao hiệu suất.Sự khác biệt 40 ° C giữa nhiệt độ nóng chảy của trục PAEK và nhiệt độ của bánh răng PEEK quá nhiệt cho phép liên kết nóng chảy gắn kết giữa cả hai ở cấp độ phân tử.Loại cơ cấu nối thứ hai, khóa khuôn, đạt được bằng cách sử dụng áp suất phun để đồng thời nắn nhiệt trục trong quá trình gia cố quá mức để tạo ra một đường bao khóa khuôn.Điều này có thể được nhìn thấy trong Hình 1 dưới đây như là “tạo hình”.Nó tạo ra một chu vi gấp nếp hoặc hình sin, nơi bánh răng được nối với một mặt cắt tròn trơn, dẫn đến một dạng khóa hình học.Điều này nâng cao hơn nữa sức mạnh của cần số tích hợp, như đã được chứng minh trong thử nghiệm (xem biểu đồ ở dưới cùng bên phải).1. Được phát triển với sự hợp tác của Victrex và ILK, herone sử dụng áp suất phun trong quá trình gia công quá mức để tạo ra đường bao khóa hình thức trong trục sang số tích hợp (trên cùng). duy trì mô-men xoắn cao hơn so với trục truyền động bánh răng quá cứng mà không có khóa hình (đường cong màu đen trên đồ thị).
Garthaus cho biết: “Rất nhiều người đang đạt được liên kết nóng chảy cố kết trong quá trình gia công quá mức, và những người khác đang sử dụng khóa hình thức trong vật liệu tổng hợp, nhưng điều quan trọng là kết hợp cả hai thành một quy trình tự động duy nhất.”Ông giải thích rằng đối với các kết quả thử nghiệm trong Hình 1, cả trục và chu vi đầy đủ của bánh răng được kẹp riêng biệt, sau đó quay để tạo ra tải trọng cắt.Lỗi đầu tiên trên biểu đồ được đánh dấu bằng một vòng tròn để cho biết đó là đối với một bánh răng PEEK quá mức mà không có khóa định dạng.Lỗi thứ hai được đánh dấu bằng một vòng tròn gấp khúc giống như một ngôi sao, cho thấy việc thử nghiệm một bánh răng quá cứng có khóa định hình.Garthaus nói: “Trong trường hợp này, bạn có cả kết hợp cố định và kết hợp có khóa hình thức, và bạn đạt được mức tăng gần 44% về tải mô-men xoắn.”Thách thức bây giờ, ông nói, là làm cho khóa hình thức chịu tải ở giai đoạn trước đó để tăng thêm mô-men xoắn mà trục sang số này sẽ xử lý trước khi hỏng hóc.
Một điểm quan trọng về khóa định dạng đường viền mà herone đạt được với quá trình tạo hình là nó hoàn toàn phù hợp với từng bộ phận và tải trọng mà bộ phận đó phải chịu được.Ví dụ, trong trục bánh răng, khóa hình thức là chu vi, nhưng trong thanh chống nén căng bên dưới, nó là trục.“Đây là lý do tại sao những gì chúng tôi đã phát triển là một cách tiếp cận rộng hơn,” Garthaus nói.“Cách chúng tôi tích hợp các chức năng và bộ phận phụ thuộc vào từng ứng dụng, nhưng chúng tôi càng làm được nhiều điều này thì chúng tôi càng tiết kiệm được nhiều trọng lượng và chi phí hơn”.
Ngoài ra, xeton được gia cố bằng sợi ngắn được sử dụng trong các yếu tố chức năng quá mức như bánh răng cung cấp bề mặt mài mòn tuyệt vời.Victrex đã chứng minh điều này và trên thực tế, tiếp thị thực tế này cho các vật liệu PEEK và PAEK của mình.
Barfuss chỉ ra rằng cần số tích hợp, đã được công nhận với Giải thưởng Sáng tạo Thế giới JEC 2019 trong hạng mục hàng không vũ trụ, là một “minh chứng về cách tiếp cận của chúng tôi, không chỉ là một quy trình tập trung vào một ứng dụng duy nhất.Chúng tôi muốn khám phá xem chúng tôi có thể hợp lý hóa việc sản xuất và khai thác các đặc tính của TPCs để tạo ra các cấu trúc tích hợp, được chức năng hóa đến mức nào. ”Công ty hiện đang tối ưu hóa các thanh nén căng, được sử dụng trong các ứng dụng như thanh chống.
Hình 3 Thanh chống chịu lực nén Sự tạo thành được mở rộng cho thanh chống, trong đó herone chèn một phần tử truyền tải trọng kim loại vào cấu trúc bộ phận bằng cách sử dụng khóa dạng trục để tăng độ bền liên kết.
Phần tử chức năng của thanh chống nén căng là một phần giao diện bằng kim loại truyền tải trọng đến và từ nĩa kim loại đến ống composite (xem hình minh họa bên dưới).Phun tạo hình được sử dụng để tích hợp phần tử giới thiệu tải trọng kim loại vào thân thanh chống tổng hợp.
Ông lưu ý: “Lợi ích chính mà chúng tôi mang lại là giảm số lượng bộ phận.“Điều này đơn giản hóa sự mệt mỏi, vốn là một thách thức lớn đối với các ứng dụng thanh chống máy bay.Khóa định hình đã được sử dụng trong vật liệu tổng hợp nhiệt rắn với miếng chèn bằng nhựa hoặc kim loại, nhưng không có liên kết cố định, vì vậy bạn có thể nhận được một chuyển động nhẹ giữa các bộ phận.Tuy nhiên, cách tiếp cận của chúng tôi cung cấp một cấu trúc thống nhất không có chuyển động như vậy ”.
Garthaus cho rằng khả năng chịu thiệt hại là một thách thức khác đối với những bộ phận này.“Bạn phải tác động vào các thanh chống và sau đó thực hiện kiểm tra độ mỏi,” anh giải thích.“Bởi vì chúng tôi đang sử dụng vật liệu ma trận nhựa nhiệt dẻo hiệu suất cao, chúng tôi có thể đạt được khả năng chịu thiệt hại cao hơn tới 40% so với vật liệu nhiệt rắn và bất kỳ vết nứt siêu nhỏ nào do va chạm cũng ít phát triển hơn khi tải mệt mỏi”.
Mặc dù thanh chống trình diễn có chèn kim loại, Herone hiện đang phát triển một giải pháp hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo, cho phép liên kết cố định giữa thân thanh chống tổng hợp và phần tử giới thiệu tải trọng.Garthaus cho biết: “Khi có thể, chúng tôi muốn giữ nguyên vật liệu tổng hợp và điều chỉnh các đặc tính bằng cách thay đổi loại sợi gia cố, bao gồm carbon, thủy tinh, sợi liên tục và sợi ngắn.“Bằng cách này, chúng tôi giảm thiểu sự phức tạp và các vấn đề về giao diện.Ví dụ, chúng tôi gặp ít vấn đề hơn nhiều so với việc kết hợp phích nước và chất dẻo nhiệt ”.Ngoài ra, liên kết giữa PAEK và PEEK đã được thử nghiệm bởi Tri-Mack với kết quả cho thấy nó có độ bền 85% của tấm laminate CF / PAEK một chiều cơ bản và bền gấp đôi so với liên kết kết dính sử dụng chất kết dính màng epoxy tiêu chuẩn công nghiệp.
Barfuss cho biết herone hiện có 9 nhân viên và đang chuyển từ nhà cung cấp phát triển công nghệ sang nhà cung cấp các bộ phận hàng không.Bước tiến lớn tiếp theo của nó là phát triển một nhà máy mới ở Dresden.Ông nói: “Vào cuối năm 2020, chúng tôi sẽ có một nhà máy thí điểm sản xuất các bộ phận hàng loạt đầu tiên.“Chúng tôi đang làm việc với các OEM hàng không và các nhà cung cấp cấp 1 chính, trình diễn các thiết kế cho nhiều loại ứng dụng khác nhau.”
Công ty cũng đang làm việc với các nhà cung cấp eVTOL và nhiều cộng tác viên khác nhau ở Hoa Kỳ. Khi herone hoàn thiện các ứng dụng hàng không, công ty cũng đang tích lũy kinh nghiệm sản xuất với các ứng dụng hàng thể thao bao gồm gậy và linh kiện xe đạp.Garthaus nói: “Công nghệ của chúng tôi có thể sản xuất một loạt các bộ phận phức tạp với hiệu suất, thời gian chu kỳ và chi phí.“Thời gian chu kỳ của chúng tôi khi sử dụng PEEK là 20 phút, so với 240 phút khi sử dụng prereg đóng rắn trong nồi hấp.Chúng tôi nhận thấy rất nhiều cơ hội, nhưng hiện tại, trọng tâm của chúng tôi là đưa những ứng dụng đầu tiên của mình vào sản xuất và thể hiện giá trị của những bộ phận đó đối với thị trường. ”
Herone cũng sẽ có mặt tại Carbon Fiber 2019. Tìm hiểu thêm về sự kiện này tại carbonfiberevent.com.
Tập trung vào việc tối ưu hóa tay đòn truyền thống, các nhà sản xuất bộ đảo chiều và lực đẩy truyền thống để mắt đến việc sử dụng tự động hóa và đúc kín trong tương lai.
Hệ thống vũ khí máy bay đạt được hiệu suất cao của carbon / epoxy với hiệu quả của quá trình ép nén.
Các phương pháp tính toán tác động của vật liệu tổng hợp lên môi trường cho phép so sánh theo hướng dữ liệu với các vật liệu truyền thống trên một sân chơi bình đẳng.
Thời gian đăng: 19-08-2019