Combinant la cinta trenada, el sobreemmotllament i el bloqueig de la forma, Herone produeix un arbre de transmissió d'engranatges d'una sola peça i d'alt parell com a demostrador per a una àmplia gamma d'aplicacions.
Arbre de transmissió d'engranatges compost unificat.Herone utilitza cintes preimpregnades de compost termoplàstic trenat com a preformes per a un procés que consolida el laminat de l'arbre de transmissió i sobreemmotlla elements funcionals com els engranatges, produint estructures unificades que redueixen el pes, el nombre de peces, el temps de muntatge i el cost.Font de totes les imatges |garsa
Les projeccions actuals demanen una duplicació de la flota d'avions comercials durant els propers 20 anys.Per adaptar-se a això, les taxes de producció el 2019 d'avions amples de fusteria ample amb compostos varien de 10 a 14 al mes per OEM, mentre que els de carrosseria estreta ja han augmentat a 60 al mes per OEM.Airbus està treballant específicament amb proveïdors per canviar peces preimpregnades tradicionals, però que requereixen molt de temps, a l'A320 per peces fetes mitjançant processos de cicle de 20 minuts més ràpids, com ara l'emmotllament de transferència de resina d'alta pressió (HP-RTM), ajudant així a part. els proveïdors aconsegueixen un nou impuls cap a 100 avions al mes.Mentrestant, el mercat emergent de mobilitat i transport aeri urbà preveu una necessitat de 3.000 avions elèctrics d'enlairament i aterratge verticals (EVTOL) per any (250 per mes).
"La indústria requereix tecnologies de producció automatitzada amb temps de cicle reduïts que també permetin integrar funcions, que ofereixen els compostos termoplàstics", diu Daniel Barfuss, cofundador i soci director d'herone (Dresden, Alemanya), una tecnologia de compostos i fabricació de peces. empresa que utilitza materials de matriu termoplàstica d'alt rendiment des del sulfur de polifenil (PPS) fins a la polietercetona (PEEK), la polietercetoneta (PEKK) i la poliariletercetona (PAEK)."El nostre objectiu principal és combinar l'alt rendiment dels compostos termoplàstics (TPC) amb un cost més baix, per permetre peces a mida per a una varietat més àmplia d'aplicacions de fabricació en sèrie i noves aplicacions", afegeix el Dr. Christian Garthaus, segon cofundador i gestor d'herone. soci.
Per aconseguir-ho, l'empresa ha desenvolupat un nou enfocament, començant per cintes de fibra contínua totalment impregnades, trenant aquestes cintes per formar un "organoTube" de preforma buida i consolidant els organoTubes en perfils de seccions i formes variables.En un pas posterior del procés, utilitza la soldabilitat i la termoformabilitat dels TPC per integrar elements funcionals com ara engranatges compostos a eixos de transmissió, accessoris finals a canonades o elements de transferència de càrrega en puntals de tensió-compressió.Barfuss afegeix que hi ha l'opció d'utilitzar un procés d'emmotllament híbrid, desenvolupat pel proveïdor de matriu cetònica Victrex (Cleveleys, Lancashire, Regne Unit) i el proveïdor de peces Tri-Mack (Bristol, RI, EUA), que utilitza cinta PAEK de temperatura de fusió més baixa per als perfils. i PEEK per al sobreemmotllament, permetent un material únic i fos a través de la unió (vegeu "El sobreemmotllament amplia la gamma de PEEK en composites")."La nostra adaptació també permet el bloqueig de formes geomètriques", afegeix, "que produeix estructures integrades que poden suportar càrregues encara més altes".
El procés d'herona comença amb cintes termoplàstiques reforçades amb fibra de carboni totalment impregnades que es trenen en organoTubes i es consoliden."Vam començar a treballar amb aquests organoTubes fa 10 anys, desenvolupant canonades hidràuliques compostes per a l'aviació", diu Garthaus.Explica que com que no hi ha dues canonades hidràuliques d'aeronaus que tinguin la mateixa geometria, caldria un motlle per a cadascuna, utilitzant la tecnologia existent."Necessitàvem una canonada que es pogués processar posteriorment per aconseguir la geometria individual de la canonada.Per tant, la idea era fer perfils compostos continus i després plegar-los CNC a les geometries desitjades".
Fig. 2 Les cintes trenades preimpregnades proporcionen preformes en forma de xarxa anomenades organotubs per al procés de formació per injecció d'herone i permeten la producció de diverses formes.
Això sembla semblant al que està fent Sigma Precision Components (Hinckley, Regne Unit) (vegeu "Reparació de motors d'aeronautica amb tubs composts") amb el seu apòsit de motor de fibra de carboni/PEEK."Estan mirant peces similars però utilitzen un mètode de consolidació diferent", explica Garthaus."Amb el nostre enfocament, veiem potencial per augmentar el rendiment, com ara una porositat inferior al 2% per a estructures aeroespacials".
Doctorat de Garthaus.El treball de tesi a l'ILK va explorar l'ús de la pultrusió contínua de compost termoplàstic (TPC) per produir tubs trenats, que va donar lloc a un procés de fabricació contínua patentat per a tubs i perfils TPC.Tanmateix, de moment, Herone ha optat per treballar amb proveïdors i clients d'aviació mitjançant un procés d'emmotllament discontinu."Això ens dóna la llibertat de fer totes les diferents formes, inclosos els perfils corbats i els de secció transversal variable, a més d'aplicar pegats locals i caigudes de capes", explica."Estem treballant per automatitzar el procés d'integració de pedaços locals i després co-consolidar-los amb el perfil compost.Bàsicament, tot el que pots fer amb laminats i carcasses planes, ho podem fer per a tubs i perfils".
Fer aquests perfils buits TPC va ser en realitat un dels reptes més difícils, diu Garthaus.“No podeu utilitzar la formació de segells ni el modelat per bufat amb una bufeta de silicona;per tant, vam haver de desenvolupar un nou procés".Però aquest procés permet peces de tub i eix d'alt rendiment i adaptables, assenyala.També va permetre utilitzar l'emmotllament híbrid que va desenvolupar Victrex, on el PAEK a baixa temperatura de fusió es sobreemmotlla amb PEEK, consolidant l'organosheet i el modelat per injecció en un sol pas.
Un altre aspecte notable de l'ús de preformes de cinta trenada organoTube és que produeixen molt pocs residus."Amb el trenat, tenim menys d'un 2% de residus i, com que és una cinta TPC, podem tornar a utilitzar aquesta petita quantitat de residus al sobreemmotllament per aconseguir que la taxa d'utilització del material sigui del 100%", subratlla Garthaus.
Barfuss i Garthaus van començar el seu treball de desenvolupament com a investigadors a l'Institut d'Enginyeria Lleugera i Tecnologia de Polímers (ILK) de la TU Dresden."Aquest és un dels instituts europeus més grans de composites i dissenys híbrids lleugers", assenyala Barfuss.Ell i Garthaus hi van treballar durant gairebé 10 anys en una sèrie de desenvolupaments, inclosa la pultrusió contínua de TPC i diferents tipus d'unió.Aquest treball finalment es va destil·lar en el que ara és la tecnologia de procés hero TPC.
"Llavors ens vam presentar al programa alemany EXIST, que té com a objectiu transferir aquesta tecnologia a la indústria i finança 40-60 projectes cada any en una àmplia gamma de camps de recerca", diu Barfuss."Vam rebre finançament per a equips de capital, quatre empleats i inversió per al següent pas d'ampliació".Van formar herone el maig de 2018 després d'exposar a JEC World.
Per al JEC World 2019, herone havia produït una sèrie de peces de demostració, incloent un eix d'engranatge integrat, lleuger i de gran parell."Utilitzem una cinta organoTube de fibra de carboni/PAEK trenada als angles requerits per la peça i la consolidem en un tub", explica Barfuss."A continuació, preescalfem el tub a 200 °C i el sobreemmotllem amb un engranatge fet injectant PEEK curt reforçat amb fibra de carboni a 380 °C".El sobreemmotllament es va modelar mitjançant Moldflow Insight d'Autodesk (San Rafael, Califòrnia, EUA).El temps d'ompliment del motlle es va optimitzar a 40,5 segons i es va aconseguir amb una màquina d'emmotllament per injecció ALLROUNDER d'Arburg (Lossburg, Alemanya).
Aquest sobreemmotllament no només redueix els costos de muntatge, els passos de fabricació i la logística, sinó que també millora el rendiment.La diferència de 40 °C entre la temperatura de fusió de l'eix PAEK i la de l'engranatge PEEK sobreemmotllat permet una unió de fusió cohesionada entre ambdós a nivell molecular.Un segon tipus de mecanisme d'unió, el bloqueig de la forma, s'aconsegueix utilitzant la pressió d'injecció per termoformar l'eix simultàniament durant el sobreemmotllament per crear un contorn de bloqueig de la forma.Això es pot veure a la figura 1 següent com a "formació d'injecció".Crea una circumferència ondulada o sinusoïdal on l'engranatge s'uneix en comparació amb una secció transversal circular llisa, que resulta en una forma de bloqueig geomètric.Això millora encara més la força de l'eix d'engranatge integrat, tal com es va demostrar a les proves (vegeu el gràfic a la part inferior dreta).Fig.1. Desenvolupat en col·laboració amb Victrex i ILK, l'herone utilitza la pressió d'injecció durant el sobreemmotllament per crear un contorn de bloqueig de forma a l'eix d'engranatge integrat (superior). Aquest procés de formació per injecció permet que l'eix d'engranatge integrat amb bloqueig de forma (corba verda al gràfic) mantenir un parell més alt en comparació amb un eix de transmissió d'engranatges sobreemmotllat sense bloqueig de forma (corba negra al gràfic).
"Molta gent està aconseguint una unió de fusió cohesionada durant el sobreemmotllament", diu Garthaus, "i altres estan utilitzant el bloqueig de la forma en els compostos, però la clau és combinar tots dos en un únic procés automatitzat".Explica que per als resultats de la prova de la figura 1, tant l'eix com la circumferència completa de l'engranatge es van subjectar per separat i després es van girar per induir la càrrega de cisalla.La primera fallada del gràfic està marcada per un cercle per indicar que és per a un engranatge PEEK sobreemmotllat sense bloqueig de forma.La segona fallada està marcada per un cercle plegat que s'assembla a una estrella, que indica la prova d'un engranatge sobreemmotllat amb bloqueig de forma."En aquest cas, teniu una unió cohesionada i tancada de forma", diu Garthaus, "i obteniu gairebé un 44% d'augment de la càrrega de parell".El repte ara, diu, és aconseguir que el bloqueig de la forma prengui càrrega en una fase anterior per augmentar encara més el parell que gestionarà aquest eix d'engranatges abans de la fallada.
Un punt important sobre el bloqueig de la forma del contorn que aconsegueix Herone amb la seva formació per injecció és que està totalment adaptat a la peça individual i a la càrrega que aquesta peça ha de suportar.Per exemple, a l'eix d'engranatge, el bloqueig de la forma és circumferencial, però als puntals de tensió i compressió de sota, és axial."Per això el que hem desenvolupat és un enfocament més ampli", diu Garthaus."Com integrem les funcions i les peces depèn de l'aplicació individual, però com més podem fer això, més pes i costos podrem estalviar".
A més, la cetona reforçada amb fibres curtes utilitzada en elements funcionals sobreemmotllats com els engranatges proporciona unes superfícies de desgast excel·lents.Victrex ho ha demostrat i, de fet, comercialitza aquest fet pels seus materials PEEK i PAEK.
Barfuss assenyala que l'eix d'engranatge integrat, que va ser reconegut amb un JEC World Innovation Award 2019 en la categoria aeroespacial, és una "demostració del nostre enfocament, no només un procés centrat en una única aplicació.Volíem explorar fins a quin punt podríem racionalitzar la fabricació i explotar les propietats dels TPC per produir estructures funcionalitzades i integrades".Actualment, l'empresa està optimitzant barres de tensió-compressió, utilitzades en aplicacions com els puntals.
Fig. 3 Puntals de tensió i compressió La formació per injecció s'estén als puntals, on l'herona sobremoldeja un element de transferència de càrrega metàl·lica a l'estructura de la peça mitjançant un bloqueig de forma axial per augmentar la força de la unió.
L'element funcional dels puntals de tensió-compressió és una peça d'interfície metàl·lica que transfereix les càrregues cap a i des de la forquilla metàl·lica al tub compost (vegeu la il·lustració següent).La conformació per injecció s'utilitza per integrar l'element d'introducció de càrrega metàl·lica al cos del puntal compost.
"El principal benefici que donem és disminuir el nombre de peces", assenyala."Això simplifica la fatiga, que és un gran repte per a les aplicacions de puntals d'avions.El bloqueig de forma ja s'utilitza en compostos termoestables amb una inserció de plàstic o metall, però no hi ha unió cohesionada, de manera que podeu obtenir un lleuger moviment entre les peces.El nostre enfocament, però, proporciona una estructura unificada sense aquest moviment".
Garthaus cita la tolerància als danys com un altre repte per a aquestes parts."Has d'impactar els puntals i després fer proves de fatiga", explica."Com que estem utilitzant materials de matriu termoplàstica d'alt rendiment, podem aconseguir una tolerància al dany fins a un 40% més gran que els termoestables, i també les microesquerdes per impacte creixen menys amb la càrrega de fatiga".
Tot i que els puntals de demostració mostren una inserció metàl·lica, l'herone està desenvolupant actualment una solució totalment termoplàstica, que permet una unió cohesionada entre el cos del puntal compost i l'element d'introducció de càrrega."Quan podem, preferim mantenir-nos totalment compostos i ajustar les propietats modificant el tipus de reforç de fibra, incloent carboni, vidre, fibra contínua i curta", diu Garthaus."D'aquesta manera, minimitzem la complexitat i els problemes d'interfície.Per exemple, tenim molts menys problemes en comparació amb la combinació de termoestables i termoplàstics".A més, l'enllaç entre PAEK i PEEK ha estat provat per Tri-Mack amb resultats que mostren que té un 85% de la força d'un laminat CF/PAEK unidireccional base i és el doble de fort que els enllaços adhesius utilitzant un adhesiu de pel·lícula epoxi estàndard de la indústria.
Barfuss diu que Herone ara té nou empleats i està passant d'un proveïdor de desenvolupament tecnològic a un proveïdor de peces d'aviació.El seu següent gran pas és el desenvolupament d'una nova fàbrica a Dresden."A finals del 2020 tindrem una planta pilot que produirà peces de primera sèrie", diu."Ja estem treballant amb OEM d'aviació i proveïdors clau de nivell 1, demostrant dissenys per a molts tipus d'aplicacions diferents".
L'empresa també treballa amb proveïdors d'eVTOL i diversos col·laboradors als EUA A mesura que herone madura aplicacions d'aviació, també està guanyant experiència en la fabricació amb aplicacions d'articles esportius, com ara ratpenats i components de bicicletes."La nostra tecnologia pot produir una àmplia gamma de peces complexes amb rendiment, temps de cicle i beneficis de costos", diu Garthaus."El nostre temps de cicle utilitzant PEEK és de 20 minuts, enfront de 240 minuts amb preimpregnat curat en autoclau.Veiem un ampli camp d'oportunitats, però de moment, el nostre enfocament se centra a produir les nostres primeres aplicacions i demostrar el valor d'aquestes peces al mercat".
Herone també es presentarà a Carbon Fiber 2019. Més informació sobre l'esdeveniment a carbonfiberevent.com.
Centrats en l'optimització de la disposició de mà tradicional, els fabricants de góndoles i inversors d'empenta van mirar l'ús futur de l'automatització i l'emmotllament tancat.
El sistema d'armes de l'avió aconsegueix l'alt rendiment del carboni/epoxi amb l'eficiència de l'emmotllament per compressió.
Els mètodes per calcular l'impacte que tenen els compostos sobre el medi ambient permeten comparacions basades en dades amb els materials tradicionals en condicions equitatives.
Hora de publicació: 19-agost-2019