Комбинирайки плетена лента, формоване и заключване на формата, herone произвежда едно парче зъбно колело с висок въртящ момент като демонстратор за широк спектър от приложения.
Единичен композитен зъбно колело-задвижващ вал.Herone използва плетени термопластични композитни предварително импрегнирани ленти като заготовки за процес, който консолидира ламината на задвижващия вал и отлива функционални елементи като зъбни колела, произвеждайки цялостни структури, които намаляват теглото, броя на частите, времето за сглобяване и разходите.Източник за всички изображения |герона
Настоящите прогнози изискват удвояване на флота от търговски самолети през следващите 20 години.За да се приспособи към това, производствените нива през 2019 г. за широкофюзелажни реактивни самолети с интензивно използване на композитни материали варират от 10 до 14 на месец за OEM, докато теснокорпусните вече са се увеличили до 60 на месец за OEM.Airbus специално работи с доставчици, за да смени традиционните, но времеемки, предварително импрегнирани части за ръчно поставяне на A320 към части, произведени чрез по-бързи, 20-минутни процеси на цикъл, като например формоване на смола под високо налягане (HP-RTM), като по този начин помага на част доставчиците посрещат допълнителен тласък към 100 самолета на месец.Междувременно нововъзникващият пазар на градска въздушна мобилност и транспорт прогнозира нужда от 3000 електрически самолета с вертикално излитане и кацане (EVTOL) годишно (250 на месец).
„Индустрията изисква автоматизирани производствени технологии със съкратени времена на цикъла, които също позволяват интегриране на функции, които се предлагат от термопластичните композити“, казва Даниел Барфус, съосновател и управляващ партньор на herone (Дрезден, Германия), технология за композитни материали и производство на части фирма, която използва високоефективни термопластични матрични материали от полифениленсулфид (PPS) до полиетеретеркетон (PEEK), полиетеркетонкетон (PEKK) и полиарилетеркетон (PAEK).„Нашата основна цел е да комбинираме високата производителност на термопластичните композити (TPC) с по-ниска цена, за да позволим персонализирани части за по-голямо разнообразие от серийни производствени приложения и нови приложения“, добавя д-р Кристиан Гартхаус, вторият съосновател на herone и управляващ партньор.
За да постигне това, компанията е разработила нов подход, започвайки с напълно импрегнирани ленти с непрекъснати влакна, оплитайки тези ленти, за да образуват куха преформа „organoTube“ и консолидирането на organoTube в профили с променливи напречни сечения и форми.В следваща стъпка на процеса той използва възможността за заваряване и термоформоване на TPC, за да интегрира функционални елементи като композитни зъбни колела върху задвижващи валове, крайни фитинги върху тръби или елементи за пренос на натоварване в подпори за опъване и натиск.Barfuss добавя, че има опция за използване на хибриден процес на формоване - разработен от доставчика на кетонна матрица Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) и доставчика на части Tri-Mack (Bristol, RI, САЩ) - който използва PAEK лента с по-ниска температура на топене за профилите и PEEK за отливане, което позволява разтопен, единичен материал през съединението (вижте „Отливането разширява обхвата на PEEK в композитите“).„Нашата адаптация също позволява геометрично заключване на формата“, добавя той, „което произвежда интегрирани структури, които могат да издържат дори на по-големи натоварвания.“
Процесът на herone започва с напълно импрегнирани термопластични ленти, подсилени с въглеродни влакна, които са сплетени в organoTubes и консолидирани.„Започнахме да работим с тези organoTubes преди 10 години, разработвайки композитни хидравлични тръби за авиацията“, казва Гартхаус.Той обяснява, че тъй като няма две хидравлични тръби на самолети с еднаква геометрия, ще е необходима матрица за всяка от тях, като се използва съществуваща технология.„Имахме нужда от тръба, която може да бъде подложена на последваща обработка, за да постигнем индивидуалната геометрия на тръбата.И така, идеята беше да направим непрекъснати композитни профили и след това да ги огънем с ЦПУ в желаните геометрии.“
Фиг. 2 Плетените препрег ленти осигуряват заготовки с мрежеста форма, наречени organoTubes, за процеса на шприцоване на herone и позволяват производството на различни форми.
Това звучи подобно на това, което прави Sigma Precision Components (Хинкли, Обединеното кралство) (вижте „Преобръщане на авиационни двигатели с композитни тръби“) с облицовката на двигателя от въглеродни влакна/PEEK.„Те разглеждат подобни части, но използват различен метод на консолидация“, обяснява Гартхаус.„С нашия подход виждаме потенциал за повишена производителност, като по-малко от 2% порьозност за аерокосмически структури.“
Доктор на Гартхаусдипломната работа в ILK изследва използването на непрекъсната термопластична композитна (TPC) пултрузия за производство на плетени тръби, което доведе до патентован непрекъснат производствен процес за TPC тръби и профили.Засега обаче herone е избрал да работи с авиационни доставчици и клиенти, използвайки прекъснат процес на формоване.„Това ни дава свободата да правим всички различни форми, включително извити профили и такива с различно напречно сечение, както и да прилагаме локални петна и отпадащи слоеве“, обяснява той.„Ние работим за автоматизиране на процеса за интегриране на локални кръпки и след това съвместното им консолидиране с композитния профил.По принцип всичко, което можете да направите с плоски ламинати и черупки, ние можем да направим за тръби и профили.“
Създаването на тези TPC кухи профили всъщност беше едно от най-трудните предизвикателства, казва Гартхаус.„Не можете да използвате щамповане или издухване със силиконов мехур;така че трябваше да разработим нов процес.“Но този процес дава възможност за много високопроизводителни и персонализирани части, базирани на тръби и валове, отбелязва той.Той също така позволи използването на хибридното формоване, разработено от Victrex, при което PAEK с по-ниска температура на топене се формова с PEEK, консолидиране на органопласта и леене под налягане в една стъпка.
Друг забележителен аспект на използването на заготовки от плетени ленти OrganoTube е, че те произвеждат много малко отпадъци.„С оплитането имаме по-малко от 2% отпадъци и тъй като това е TPC лента, можем да използваме това малко количество отпадъци обратно при формоването, за да постигнем степента на използване на материала до 100%“, подчертава Garthaus.
Barfuss и Garthaus започнаха своята развойна работа като изследователи в Института по лека техника и полимерна технология (ILK) към TU Dresden.„Това е един от най-големите европейски институти за композитни материали и хибридни олекотени дизайни“, отбелязва Барфус.Той и Гартхаус работиха там почти 10 години върху редица разработки, включително непрекъсната TPC пултрузия и различни видове съединяване.Тази работа в крайна сметка беше дестилирана в това, което сега е технологията на TPC процес herone.
„След това кандидатствахме в германската програма EXIST, която има за цел да прехвърли такава технология в индустрията и финансира 40-60 проекта всяка година в широк спектър от изследователски области“, казва Барфус.„Получихме финансиране за капиталово оборудване, четирима служители и инвестиции за следващата стъпка на разширяване.“Те създадоха herone през май 2018 г. след изложба в JEC World.
До JEC World 2019 herone произведе набор от демонстрационни части, включително лек, с висок въртящ момент, интегриран задвижващ вал или зъбен вал.„Използваме органоТръба от въглеродни влакна/PAEK лента, сплетена под ъглите, изисквани от частта, и я консолидираме в тръба“, обяснява Барфус.„След това предварително загряваме тръбата при 200°C и я формоваме със зъбно колело, направено чрез инжектиране на къс PEEK, подсилен с въглеродни влакна, при 380°C.“Формоването беше моделирано с помощта на Moldflow Insight от Autodesk (Сан Рафаел, Калифорния, САЩ).Времето за запълване на матрицата беше оптимизирано до 40,5 секунди и постигнато с помощта на машина за леене под налягане ALLROUNDER на Arburg (Lossburg, Германия).
Това формоване не само намалява разходите за сглобяване, производствените стъпки и логистиката, но също така подобрява производителността.Разликата от 40°C между температурата на топене на PAEK вала и тази на формованото PEEK зъбно колело позволява кохезивно свързване на стопилката между двете на молекулярно ниво.Втори тип механизъм за свързване, заключване на формата, се постига чрез използване на налягането на инжектиране за едновременно термоформоване на вала по време на формоване, за да се създаде контур за заключване на формата.Това може да се види на Фиг. 1 по-долу като „инжекционно формоване“.Той създава гофрирана или синусоидална обиколка, където зъбното колело е съединено срещу гладко кръгло напречно сечение, което води до геометрично блокираща форма.Това допълнително подобрява здравината на интегрирания зъбно колело, както беше демонстрирано при тестване (вижте графиката долу вдясно). Фиг.1. Разработен в сътрудничество с Victrex и ILK, herone използва инжекционно налягане по време на формоване, за да създаде заключващ формата контур в интегрирания зъбно колело (отгоре). Този процес на шприцоване позволява на интегрирания зъбно колело със заключване на формата (зелена крива на графиката) да поддържат по-висок въртящ момент в сравнение с отлята предавка-задвижващ вал без заключване на формата (черна крива на графиката).
„Много хора постигат кохезивно свързване чрез стопяване по време на формоване“, казва Гартхаус, „а други използват заключване на формата в композитите, но ключът е да комбинирате и двете в един автоматизиран процес.“Той обяснява, че за резултатите от теста на Фиг. 1 както валът, така и цялата обиколка на зъбното колело са захванати отделно, след което са завъртяни, за да предизвикат натоварване при срязване.Първата повреда на графиката е маркирана с кръг, за да покаже, че е за формовано PEEK зъбно колело без заключване на формата.Втората повреда е белязана от нагънат кръг, наподобяващ звезда, което показва тестване на формовано зъбно колело със заключване на формата.„В този случай имате както кохезивно, така и заключено във формата съединение“, казва Гартхаус, „и получавате почти 44% увеличение на натоварването на въртящия момент.“Предизвикателството сега, казва той, е да се накара заключването на формата да поеме натоварването на по-ранен етап, за да се увеличи допълнително въртящият момент, който този зъбен вал ще понесе, преди да се повреди.
Важен момент относно заключването на контурната форма, което herone постига със своето шприцоване, е, че то е напълно съобразено с индивидуалната част и натоварването, което тази част трябва да издържи.Например, в зъбния вал, блокирането на формата е периферно, но в подпорите за опъване и натиск отдолу е аксиално.„Ето защо това, което разработихме, е по-широк подход“, казва Гартхаус.„Как интегрираме функции и части зависи от отделното приложение, но колкото повече можем да направим това, толкова повече тегло и разходи можем да спестим.“
Освен това подсиленият с къси влакна кетон, използван в формовани функционални елементи като зъбни колела, осигурява отлични износващи се повърхности.Victrex доказа това и всъщност предлага този факт на пазара за своите PEEK и PAEK материали.
Барфус посочва, че интегрираният зъбен вал, който беше признат със Световната награда за иновации на JEC за 2019 г. в категорията за космическа техника, е „демонстрация на нашия подход, а не просто процес, фокусиран върху едно приложение.Искахме да проучим доколко можем да рационализираме производството и да използваме свойствата на TPC, за да произвеждаме функционализирани, интегрирани структури.В момента компанията оптимизира пръти за напрежение и компресия, използвани в приложения като подпори.
Фиг. 3 Подпори за опън и компресия Инжекционното формоване е разширено до подпори, където herone формова метален елемент за пренос на натоварване в структурата на частта, използвайки аксиално заключване на формата, за да увеличи здравината на съединението.
Функционалният елемент за подпорите за напрежение и компресия е метална интерфейсна част, която прехвърля товари към и от металната вилка към композитната тръба (вижте илюстрацията по-долу).Инжекционното формоване се използва за интегриране на металния елемент за въвеждане на натоварване в композитното тяло на подпората.
„Основното предимство, което даваме, е да намалим броя на частите“, отбелязва той.„Това опростява умората, което е голямо предизвикателство за приложенията на подпори на самолети.Заключването на формата вече се използва в термореактивни композити с пластмасова или метална вложка, но няма кохезивно свързване, така че можете да получите леко движение между частите.Нашият подход обаче осигурява единна структура без такова движение.
Garthaus цитира толерантността към щети като друго предизвикателство за тези части.„Трябва да ударите подпорите и след това да направите тест за умора“, обяснява той.„Тъй като използваме термопластични матрични материали с висока производителност, можем да постигнем до 40% по-висока толерантност на повреди в сравнение с термореактивни, а също и всички микропукнатини от удар нарастват по-малко с натоварването от умора.“
Въпреки че демонстрационните подпори показват метална вложка, herone в момента разработва изцяло термопластично решение, позволяващо кохезивно свързване между композитното тяло на подпората и елемента за въвеждане на натоварване.„Когато можем, предпочитаме да останем изцяло композитни и да коригираме свойствата, като променим вида на армировката с влакна, включително въглеродни, стъклени, непрекъснати и къси влакна“, казва Гартхаус.„По този начин минимизираме сложността и проблемите с интерфейса.Например, имаме много по-малко проблеми в сравнение с комбинирането на реактивни пластмаси и термопласти.“В допълнение, връзката между PAEK и PEEK е тествана от Tri-Mack с резултати, които показват, че има 85% от здравината на основен еднопосочен CF/PAEK ламинат и е два пъти по-здрава от адхезивните връзки, използващи стандартно лепило за епоксиден филм.
Barfuss казва, че herone вече има девет служители и преминава от доставчик на технологични разработки към доставчик на авиационни части.Следващата голяма стъпка е изграждането на нова фабрика в Дрезден.„До края на 2020 г. ще имаме пилотен завод за производство на части от първа серия“, казва той.„Вече работим с авиационни OEM производители и ключови доставчици от ниво 1, демонстрирайки проекти за много различни видове приложения.“
Компанията също така работи с доставчици на eVTOL и различни сътрудници в САЩ Тъй като herone развива авиационни приложения, тя също така натрупва опит в производството на приложения за спортни стоки, включително прилепи и компоненти за велосипеди.„Нашата технология може да произвежда широка гама от сложни части с производителност, време на цикъл и ползи от разходите“, казва Гартхаус.„Нашето време за цикъл с използване на PEEK е 20 минути, срещу 240 минути с използване на втвърден в автоклав препрег.Виждаме широко поле от възможности, но засега нашият фокус е върху пускането на първите ни приложения в производство и демонстрирането на стойността на такива части на пазара.“
Herone също ще представи на Carbon Fiber 2019. Научете повече за събитието на carbonfiberevent.com.
Фокусирани върху оптимизирането на традиционното ръчно подреждане, производителите на гондоли и реверсори на тягата хвърлят око върху бъдещото използване на автоматизация и затворено формоване.
Оръжейната система на самолета придобива високата производителност на въглерод/епоксидна смола с ефективността на компресионното формоване.
Методите за изчисляване на въздействието, което композитите оказват върху околната среда, дават възможност за сравнения на базата на данни с традиционните материали при равни условия.
Време на публикуване: 19 август 2019 г