Kombinujući pletenu traku, prelivanje i zaključavanje forme, herone proizvodi jednodelni zupčanik sa velikim obrtnim momentom kao demonstrator za širok spektar primena.
Ujedinjeni kompozitni zupčanik-pogon.Herone koristi pletene termoplastične kompozitne prepreg trake kao predformu za proces koji konsoliduje laminat pogonskog vratila i prekriva funkcionalne elemente kao što su zupčanici, proizvodeći objedinjene strukture koje smanjuju težinu, broj delova, vreme montaže i troškove.Izvor za sve slike |herone
Trenutne projekcije zahtevaju udvostručenje flote komercijalnih aviona u narednih 20 godina.Da bi se to prilagodilo, stope proizvodnje u 2019. za širokotrupne avione za mlazne avione koji intenzivno koriste kompozite variraju od 10 do 14 mjesečno po OEM-u, dok su uskotrupni već porasli na 60 mjesečno po OEM-u.Airbus posebno radi s dobavljačima na prebacivanju tradicionalnih, ali vremenski intenzivnih, prepregnih dijelova za ručno polaganje na A320 na dijelove napravljene bržim procesima ciklusa od 20 minuta, kao što je prešanje smole pod visokim pritiskom (HP-RTM), čime se pomaže u dijelu dobavljači susreću daljnji pritisak na 100 aviona mjesečno.U međuvremenu, novo tržište urbane vazdušne mobilnosti i transporta predviđa potrebu za 3.000 električnih aviona za vertikalno poletanje i sletanje (EVTOL) godišnje (250 mesečno).
„Industrija zahteva automatizovane proizvodne tehnologije sa skraćenim ciklusom koji takođe omogućava integraciju funkcija, koje nude termoplastični kompoziti“, kaže Daniel Barfuss, suosnivač i menadžerski partner herone (Drezden, Nemačka), tehnologije kompozita i proizvodnje delova firma koja koristi termoplastične matrične materijale visokih performansi od polifenilensulfida (PPS) do polietereterketona (PEEK), polieterketonketona (PEKK) i poliarileterketona (PAEK).„Naš glavni cilj je da kombinujemo visoke performanse termoplastičnih kompozita (TPC) sa nižim troškovima, kako bismo omogućili prilagođene delove za široku lepezu serijskih proizvodnih aplikacija i novih primena“, dodaje dr. Christian Garthaus, drugi suosnivač i direktor Heronea partner.
Da bi se to postiglo, kompanija je razvila novi pristup, počevši od potpuno impregniranih, kontinuiranih vlaknastih traka, pletenja ovih traka kako bi se formirala šuplja predforma "organoTube" i konsolidacije organoCjevči u profile s promjenjivim poprečnim presjecima i oblicima.U narednom koraku procesa, koristi zavarljivost i termoformabilnost TPC-a za integraciju funkcionalnih elemenata kao što su kompozitni zupčanici na pogonska vratila, krajnji spojevi na cijevi ili elementi za prijenos opterećenja u zatezno-kompresione podupirače.Barfuss dodaje da postoji mogućnost korištenja hibridnog procesa oblikovanja — razvijen od strane dobavljača ketonske matrice Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) i dobavljača dijelova Tri-Mack (Bristol, RI, SAD) — koji koristi PAEK traku niže temperature topljenja za profile i PEEK za prelivanje, omogućavajući spojeni, pojedinačni materijal preko spoja (pogledajte „Preklapanje proširuje asortiman PEEK-a u kompozitima“).“Naša adaptacija također omogućava geometrijsko zaključavanje oblika,” dodaje, “što proizvodi integrirane strukture koje mogu izdržati još veća opterećenja.”
Herone proces počinje s potpuno impregniranim termoplastičnim trakama ojačanim karbonskim vlaknima koje su upletene u organske cijevi i konsolidirane.„Počeli smo da radimo sa ovim organocevima pre 10 godina, razvijajući kompozitne hidraulične cevi za vazduhoplovstvo“, kaže Garthaus.Objašnjava da, budući da nema dvije hidraulične cijevi aviona iste geometrije, za svaku bi bio potreban kalup, koristeći postojeću tehnologiju.„Trebala nam je cijev koja bi se mogla naknadno obraditi kako bismo postigli individualnu geometriju cijevi.Dakle, ideja je bila napraviti kontinuirane kompozitne profile, a zatim ih CNC savijati u željenu geometriju.”
Slika 2 Pletene prepreg trake daju predforme u obliku mreže zvane organoTubes za heronov proces injekcionog oblikovanja i omogućavaju proizvodnju različitih oblika.
Ovo zvuči slično onome što radi Sigma Precision Components (Hinckley, UK) (pogledajte “Redressing aeromotors with composite pipes”) sa svojom oblogom od karbonskih vlakana/PEEK motora.“Oni gledaju slične dijelove, ali koriste drugačiji metod konsolidacije,” objašnjava Garthaus.„S našim pristupom vidimo potencijal za povećanje performansi, kao što je manje od 2% poroznosti za vazduhoplovne strukture.”
Garthaus' Ph.D.diplomski rad na ILK-u istraživao je korištenje kontinuirane termoplastične kompozitne (TPC) pultruzije za proizvodnju pletenih cijevi, što je rezultiralo patentiranim kontinuiranim proizvodnim procesom za TPC cijevi i profile.Međutim, za sada, herone je odlučio raditi sa dobavljačima i kupcima u avijaciji koristeći diskontinuirani proces oblikovanja.“Ovo nam daje slobodu da napravimo sve različite oblike, uključujući zakrivljene profile i one sa različitim poprečnim presjekom, kao i primjenu lokalnih zakrpa i spuštanja slojeva,” objašnjava on.„Radimo na automatizaciji procesa za integraciju lokalnih zakrpa, a zatim ih zajedno konsolidujemo sa kompozitnim profilom.U osnovi, sve što možete učiniti sa ravnim laminatima i školjkama, mi možemo učiniti za cijevi i profile.”
Izrada ovih TPC šupljih profila zapravo je bio jedan od najtežih izazova, kaže Garthaus.„Ne možete koristiti štancanje ili duvanje sa silikonskim mjehurom;pa smo morali da razvijemo novi proces.”Ali ovaj proces omogućava vrlo visoke performanse i prilagođene dijelove cijevi i osovine, napominje on.To je također omogućilo korištenje hibridnog oblikovanja koje je Victrex razvio, gdje se PAEK s nižom temperaturom taljenja prelikuje PEEK-om, konsolidujući organolist i brizganje u jednom koraku.
Još jedan značajan aspekt upotrebe organoTube pletenih predformi trake je da proizvode vrlo malo otpada.“Sa pletenjem imamo manje od 2% otpada, a budući da je to TPC traka, možemo iskoristiti ovu malu količinu otpada natrag u prelivu kako bismo stopu iskorištenja materijala doveli do 100%,” naglašava Garthaus.
Barfuss i Garthaus započeli su svoj razvojni rad kao istraživači na Institutu za lako inženjerstvo i tehnologiju polimera (ILK) na TU Dresdenu.„Ovo je jedan od najvećih evropskih instituta za kompozite i hibridne lagane dizajne“, napominje Barfuss.On i Garthaus su tamo radili skoro 10 godina na brojnim razvojima, uključujući kontinuiranu TPC pultruziju i različite vrste spajanja.Taj rad je na kraju destiliran u ono što je sada heronska TPC procesna tehnologija.
„Potom smo se prijavili za njemački program EXIST, koji ima za cilj prenošenje takve tehnologije u industriju i finansira 40-60 projekata svake godine u širokom spektru istraživačkih polja,“ kaže Barfuss.“Dobili smo sredstva za kapitalnu opremu, četiri zaposlena i investiciju za sljedeći korak povećanja.”Herone su formirali u maju 2018. nakon izlaganja na JEC World.
Do JEC World 2019, herone je proizveo niz demonstracionih delova, uključujući laganu osovinu sa integrisanim zupčanikom ili zupčanik sa velikim obrtnim momentom.„Koristimo organoTube traku od karbonskih vlakana/PAEK upletenu pod uglovima koje zahteva deo i konsolidujemo to u cev,“ objašnjava Barfuss.“Potom prethodno zagrijemo cijev na 200°C i prelijemo je pomoću zupčanika napravljenog ubrizgavanjem kratkog PEEK-a ojačanog karbonskim vlaknima na 380°C.”Prelivanje je modelirano korištenjem Moldflow Insight iz Autodeska (San Rafael, Kalifornija, SAD).Vrijeme punjenja kalupa optimizirano je na 40,5 sekundi i postignuto pomoću Arburg (Lossburg, Njemačka) ALLROUNDER mašine za brizganje.
Ovo prelijevanje ne samo da smanjuje troškove montaže, korake proizvodnje i logistiku, već i poboljšava performanse.Razlika od 40°C između temperature topljenja PAEK osovine i one preko izlivenog PEEK zupčanika omogućava kohezivno spajanje taline između njih na molekularnom nivou.Drugi tip mehanizma za spajanje, zaključavanje forme, postiže se upotrebom pritiska ubrizgavanja za istovremeno termoformiranje osovine tokom prelijevanja kako bi se stvorila kontura koja zaključava formu.Ovo se može vidjeti na slici 1 ispod kao „ubrizgavanje“.On stvara valoviti ili sinusoidni obim gdje je zupčanik spojen u odnosu na glatki kružni poprečni presjek, što rezultira geometrijski zaključanom formom.Ovo dodatno povećava snagu integrisanog zupčanika, kao što je pokazano tokom testiranja (pogledajte grafikon dole desno).Sl.1. Razvijen u saradnji sa Victrex-om i ILK-om, herone koristi pritisak ubrizgavanja tokom prelivanja kako bi stvorio konturu za zaključavanje forme u integrisanom zupčaniku (gore). Ovaj proces brizganja omogućava integrisanom zupčaniku sa zaključavanjem forme (zelena kriva na grafikonu) da izdržati veći obrtni moment u odnosu na prelikovanu pogonsku osovinu bez blokiranja oblika (crna kriva na grafikonu).
“Mnogi ljudi postižu kohezivno spajanje taline tokom prelijevanja,” kaže Garthaus, “a drugi koriste zaključavanje oblika u kompozitima, ali ključ je kombinirati oboje u jedan, automatizirani proces.”On objašnjava da su za rezultate ispitivanja na slici 1, i osovina i cijeli obim zupčanika bili odvojeno stegnuti, a zatim rotirani kako bi se izazvalo posmično opterećenje.Prvi kvar na grafikonu je označen krugom koji označava da se radi o prelivenom PEEK zupčaniku bez blokiranja oblika.Drugi kvar je obilježen uvijenim krugom koji podsjeća na zvijezdu, što ukazuje na testiranje prelivenog zupčanika sa blokiranjem oblika.„U ovom slučaju, imate i kohezivni i oblik zaključan spoj“, kaže Garthaus, „i dobijate skoro 44% povećanje obrtnog momenta.“Izazov je sada, kaže on, natjerati blokiranje forme da preuzme opterećenje u ranijoj fazi kako bi se dodatno povećao obrtni moment koji će ovaj zupčanik podnijeti prije kvara.
Važna stvar u vezi konturnog zaključavanja forme koju herone postiže svojim injekcionim oblikovanjem je da je potpuno prilagođen pojedinačnom dijelu i opterećenje koje taj dio mora izdržati.Na primjer, u zupčaniku, blokiranje oblika je obodno, ali u zatezno-kompresionim podupiračima ispod, ono je aksijalno.„Zato je ono što smo razvili širi pristup“, kaže Garthaus.„Način na koji ćemo integrirati funkcije i dijelove ovisi o individualnoj aplikaciji, ali što više možemo to učiniti, više težine i troškova možemo uštedjeti.”
Takođe, keton ojačan kratkim vlaknima koji se koristi u prelivenim funkcionalnim elementima poput zupčanika pruža odlične površine za habanje.Victrex je to dokazao i zapravo prodaje ovu činjenicu za svoje PEEK i PAEK materijale.
Barfuss ističe da je integrirana osovina zupčanika, koja je 2019. priznata JEC Svjetskom nagradom za inovacije u kategoriji zrakoplovstva, „demonstracija našeg pristupa, a ne samo proces fokusiran na jednu primjenu.Željeli smo istražiti koliko bismo mogli pojednostaviti proizvodnju i iskoristiti svojstva TPC-a za proizvodnju funkcionaliziranih, integriranih struktura.”Kompanija trenutno optimizuje zatezno-kompresione šipke, koje se koriste u aplikacijama poput podupirača.
Slika 3 Zatezno-kompresioni podupirači Injekciono oblikovanje se proširuje na podupirače, gdje heron preoblikuje metalni element za prijenos opterećenja u strukturu dijela koristeći aksijalno zaključavanje oblika kako bi se povećala čvrstoća spoja.
Funkcionalni element za zatezno-kompresione podupirače je metalni dio sučelja koji prenosi opterećenje na i sa metalne vilice na kompozitnu cijev (pogledajte ilustraciju ispod).Injekciono oblikovanje se koristi za integraciju metalnog elementa za uvođenje opterećenja u kompozitno tijelo podupirača.
„Glavna prednost koju dajemo je smanjenje broja delova“, napominje on.“Ovo pojednostavljuje zamor, što je veliki izazov za primjenu na podupiraču u avionu.Zaključavanje oblika se već koristi u termoreaktivnim kompozitima sa plastičnim ili metalnim umetkom, ali nema kohezivnog spajanja, tako da se može postići blagi pomak između dijelova.Naš pristup, međutim, pruža jedinstvenu strukturu bez takvog pokreta.”
Garthaus navodi toleranciju oštećenja kao još jedan izazov za ove dijelove.„Morate da udarite na podupirače, a zatim uradite testiranje na zamor“, objašnjava on.“Budući da koristimo termoplastične matrične materijale visokih performansi, možemo postići čak 40% veću toleranciju oštećenja u odnosu na termoset, a također i mikropukotine od udara manje rastu s opterećenjem od zamora.”
Iako demonstracijski podupirači pokazuju metalni umetak, herone trenutno razvija potpuno termoplastično rješenje koje omogućava kohezivno spajanje između kompozitnog tijela podupirača i elementa za uvođenje opterećenja.“Kada možemo, radije ostajemo potpuno kompozitni i prilagođavamo svojstva promjenom vrste ojačanja vlaknima, uključujući karbonska, staklena, kontinuirana i kratka vlakna”, kaže Garthaus.„Na ovaj način minimiziramo složenost i probleme sa interfejsom.Na primjer, imamo mnogo manje problema u odnosu na kombiniranje termoseta i termoplastike.”Osim toga, vezu između PAEK-a i PEEK-a testirao je Tri-Mack sa rezultatima koji pokazuju da ima 85% čvrstoće osnovnog jednosmjernog CF/PAEK laminata i dvostruko je čvršće od ljepljivih veza koje koriste industrijski standardni epoksidni film ljepila.
Barfuss kaže da herone sada ima devet zaposlenih i da prelazi od dobavljača razvoja tehnologije do dobavljača dijelova za avijaciju.Njegov sljedeći veliki korak je razvoj nove fabrike u Drezdenu.„Do kraja 2020. imaćemo pilot postrojenje za proizvodnju delova prve serije“, kaže on.“Već radimo sa proizvođačima originalne opreme u avijaciji i ključnim dobavljačima Tier 1, demonstrirajući dizajne za mnoge različite vrste aplikacija.”
Kompanija takođe radi sa dobavljačima eVTOL-a i raznim saradnicima u SAD-u. Kako herone sazrijeva aplikacije u avijaciji, takođe stiče iskustvo u proizvodnji sa aplikacijama za sportsku opremu, uključujući palice i komponente za bicikle.“Naša tehnologija može proizvesti širok raspon složenih dijelova s performansama, vremenom ciklusa i isplativim troškovima,” kaže Garthaus.„Naše vrijeme ciklusa sa PEEK-om je 20 minuta, u odnosu na 240 minuta kada koristimo prepreg osušen u autoklavu.Vidimo široko polje mogućnosti, ali za sada, naš fokus je na tome da naše prve aplikacije uvedemo u proizvodnju i pokažemo vrijednost takvih dijelova tržištu.”
Herone će se također predstaviti na Carbon Fiber 2019. Saznajte više o događaju na carbonfiberevent.com.
Fokusirani na optimizaciju tradicionalnog ručnog polaganja, proizvođači gondola i reversera potiska bacaju oko na buduću upotrebu automatizacije i zatvorenog oblikovanja.
Sistem oružja u avionu dobija visoke performanse ugljenika/epoksida sa efikasnošću kompresijskog oblikovanja.
Metode za izračunavanje uticaja kompozita na životnu sredinu omogućavaju poređenja zasnovana na podacima sa tradicionalnim materijalima na jednakim uslovima.
Vrijeme objave: 19.08.2019