Ang paghiusa sa braided tape, overmolding ug form-locking, ang herone naghimo og usa ka piraso, high-torque gear-driveshaft isip demonstrator alang sa halapad nga mga aplikasyon.
Nahiusa nga composite gear-driveshaft.Gigamit ni Herone ang braided thermoplastic composite prepreg tapes isip preforms para sa usa ka proseso nga nagkonsolida sa driveshaft laminate ug nag-overmolds sa functional nga mga elemento sama sa mga gears, nga naghimo og unitized structures nga nagpamenos sa gibug-aton, part count, assembly time ug cost.Tinubdan sa tanang hulagway |bayani
Ang mga projection karon nanawagan alang sa pagdoble sa komersyal nga mga ayroplano nga ayroplano sa sunod nga 20 ka tuig.Aron ma-accommodate kini, ang mga rate sa produksiyon sa 2019 alang sa mga composite-intensive widebody jetliners magkalainlain gikan sa 10 hangtod 14 matag bulan matag OEM, samtang ang mga makitid nga lawas nag-ramped na sa 60 matag bulan matag OEM.Ang Airbus espesipikong nakigtambayayong sa mga suppliers sa pagbalhin sa tradisyonal apan kusog sa panahon, hand layup prepreg parts sa A320 ngadto sa mga piyesa nga gihimo pinaagi sa mas paspas, 20-minutos nga cycle nga proseso sa panahon sama sa high-pressure resin transfer molding (HP-RTM), sa ingon nagtabang sa bahin ang mga tigsuplay nakasugat og dugang nga pagduso ngadto sa 100 ka eroplano kada bulan.Samtang, ang nag-uswag nga urban air mobility ug transport market nagtagna sa panginahanglan alang sa 3,000 nga electric vertical takeoff and landing (EVTOL) nga eroplano matag tuig (250 matag bulan).
"Ang industriya nanginahanglan mga awtomatiko nga teknolohiya sa produksiyon nga adunay gipamubu nga mga oras sa siklo nga nagtugot usab sa pag-integrate sa mga gimbuhaton, nga gitanyag sa mga thermoplastic composites," ingon ni Daniel Barfuss, co-founder ug managing partner sa herone (Dresden, Germany), usa ka komposit nga teknolohiya ug mga bahin sa paghimo. firm nga naggamit ug high-performance nga thermoplastic matrix nga mga materyales gikan sa polyphenylenesulfide (PPS) ngadto sa polyethertherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) ug polyaryletherketone (PAEK)."Ang among nag-unang tumong mao ang paghiusa sa taas nga performance sa thermoplastic composites (TPCs) nga adunay mas ubos nga gasto, aron makahimo sa gipahaum nga mga bahin alang sa mas lapad nga nagkalainlain nga serial manufacturing nga mga aplikasyon ug bag-ong mga aplikasyon," midugang si Dr. Christian Garthaus, ang ikaduhang co-founder ug pagdumala sa herone kauban.
Aron makab-ot kini, ang kompanya nakahimo og usa ka bag-ong pamaagi, sugod sa bug-os nga impregnated, padayon nga fiber tape, pagsalapid niini nga mga teyp aron maporma ang usa ka haw-ang nga preform nga "organoTube" ug pagkonsolida sa mga organoTubes ngadto sa mga profile nga adunay lain-laing mga cross-sections ug mga porma.Sa sunod nga lakang sa proseso, gigamit niini ang weldability ug thermoformability sa mga TPC aron i-integrate ang functional nga mga elemento sama sa composite gears ngadto sa driveshafts, end-fittings ngadto sa pipes, o load transfer elements ngadto sa tension-compression struts.Gidugang ni Barfuss nga adunay kapilian sa paggamit sa usa ka hybrid nga proseso sa paghulma - gimugna sa ketone matrix supplier Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) ug mga parts supplier Tri-Mack (Bristol, RI, US) - nga naggamit sa ubos nga temperatura sa pagtunaw nga PAEK tape alang sa mga profile ug PEEK alang sa overmolding, makapahimo sa usa ka fused, single nga materyal tabok sa sumpay (tan-awa ang "Overmolding nagpalapad sa PEEK's range sa mga composite")."Ang among adaptation makahimo usab sa geometrical form-locking," siya midugang, "nga nagpatunghag mga integrated structure nga makasugakod sa mas taas nga mga karga."
Ang proseso sa herone nagsugod sa bug-os nga impregnated nga carbon fiber-reinforced thermoplastic tapes nga gisapid ngadto sa organoTubes ug gikonsolida."Nagsugod kami sa pagtrabaho uban niini nga mga organoTubes 10 ka tuig na ang milabay, pagpalambo sa composite hydraulic pipes alang sa aviation," miingon si Garthaus.Gipatin-aw niya nga tungod kay walay duha ka hydraulic pipe sa ayroplano nga adunay parehas nga geometry, usa ka agup-op ang gikinahanglan alang sa matag usa, gamit ang kasamtangan nga teknolohiya."Nagkinahanglan kami usa ka tubo nga mahimong maproseso pagkahuman aron makab-ot ang indibidwal nga geometry sa tubo.Mao nga, ang ideya mao ang paghimo sa padayon nga composite nga mga profile ug dayon ang CNC iduko kini sa gusto nga mga geometries.
Fig. 2 Ang braided prepreg tapes naghatag ug net-shape preforms nga gitawag ug organoTubes para sa proseso sa pag-injection sa herone ug makahimo sa paghimo sa lain-laing mga porma.
Morag susama kini sa gibuhat sa Sigma Precision Components (Hinckley, UK) (tan-awa ang "Pag-redress sa mga aeroengine gamit ang mga composite pipe") gamit ang carbon fiber/PEEK engine dressing niini."Nagtan-aw sila sa parehas nga mga bahin apan naggamit usa ka lahi nga pamaagi sa pagkonsolida," gipasabut ni Garthaus."Sa among pamaagi, nakita namon ang potensyal alang sa dugang nga pasundayag, sama sa ubos sa 2% nga porosity alang sa mga istruktura sa aerospace."
Garthaus' Ph.D.thesis work sa ILK nga gisuhid gamit ang padayon nga thermoplastic composite (TPC) pultrusion aron makagama og braided tubes, nga miresulta sa usa ka patente nga padayon nga proseso sa paggama alang sa TPC tubes ug profiles.Bisan pa, sa pagkakaron, gipili ni herone nga magtrabaho kauban ang mga supplier ug kustomer sa aviation gamit ang usa ka wala’y hunong nga proseso sa paghulma."Kini naghatag kanamo ug kagawasan sa paghimo sa tanan nga lainlaing mga porma, lakip ang mga curved profile ug kadtong adunay lainlain nga cross-section, ingon man ang pag-apply sa mga lokal nga mga patch ug mga drop-off sa ply," gipasabut niya."Nagtrabaho kami aron ma-automate ang proseso sa pag-integrate sa mga lokal nga patch ug dayon pag-co-consolidate niini sa composite profile.Sa panguna, ang tanan nga imong mahimo sa mga patag nga laminate ug mga kabhang, mahimo namon alang sa mga tubo ug mga profile.
Ang paghimo niining mga TPC hollow nga mga profile sa tinuud usa sa labing lisud nga mga hagit, ingon ni Garthaus.“Dili ka makagamit og stamp-forming o blow-molding gamit ang silicone bladder;busa, kinahanglan namon nga maghimo usa ka bag-ong proseso. ”Apan kini nga proseso makahimo sa taas kaayo nga performance ug gipahaum nga tubo ug shaft-based nga mga bahin, siya nag-ingon.Gipaandar usab niini ang paggamit sa hybrid nga paghulma nga gihimo sa Victrex, diin ang ubos nga temperatura sa pagkatunaw nga PAEK gi-overmolded sa PEEK, nga nagkonsolida sa organosheet ug injection molding sa usa ka lakang.
Laing talagsaong aspeto sa paggamit sa organoTube braided tape preforms mao nga sila makahimo og gamay kaayo nga basura."Uban sa braiding, kita adunay ubos pa kay sa 2% basura, ug tungod kay kini mao ang TPC tape, kita makagamit niining gamay nga kantidad sa basura balik sa overmolding aron makuha ang materyal nga paggamit rate sa 100%," Garthaus gipasiugda.
Gisugdan ni Barfuss ug Garthaus ang ilang buluhaton sa pag-uswag isip mga tigdukiduki sa Institute of Lightweight Engineering ug Polymer Technology (ILK) sa TU Dresden."Kini usa sa labing kadaghan nga mga institusyon sa Europa alang sa mga komposisyon ug hybrid nga gaan nga mga disenyo," ingon ni Barfuss.Siya ug si Garthaus nagtrabaho didto sa hapit 10 ka tuig sa daghang mga kalamboan, lakip ang padayon nga TPC pultrusion ug lainlaing mga lahi sa pag-apil.Kana nga trabaho sa kadugayan na-disstill sa kung unsa ang karon nga bayani nga teknolohiya sa proseso sa TPC.
"Dayon mi-apply kami sa German nga EXIST nga programa, nga gitumong sa pagbalhin sa maong teknolohiya ngadto sa industriya ug pagpundo sa 40-60 ka proyekto matag tuig sa usa ka halapad nga natad sa panukiduki," miingon si Barfuss."Nakadawat kami og pondo para sa kagamitan sa kapital, upat ka empleyado ug pamuhunan alang sa sunod nga lakang sa pag-scale-up."Giporma nila ang herone kaniadtong Mayo 2018 pagkahuman sa pagpakita sa JEC World.
Pinaagi sa JEC World 2019, ang herone naghimo og usa ka lainlaing mga bahin sa demonstrasyon, lakip ang usa ka gaan, taas nga torque, integrated gear driveshaft, o gearshaft."Gigamit namon ang usa ka carbon fiber / PAEK tape organoTube nga gisapid sa mga anggulo nga gikinahanglan sa bahin ug gikonsolida kana sa usa ka tubo," gipasabut ni Barfuss."Unya gipainit namo ang tubo sa 200 ° C ug gi-overmold kini sa usa ka gamit nga gihimo pinaagi sa pag-inject sa mubo nga carbon fiber-reinforced PEEK sa 380 ° C."Ang overmolding gimodelo gamit ang Moldflow Insight gikan sa Autodesk (San Rafael, Calif., US).Ang oras sa pagpuno sa agup-op gi-optimize sa 40.5 segundos ug nakab-ot gamit ang Arburg (Lossburg, Germany) ALLROUNDER injection molding machine.
Kini nga overmolding dili lamang makunhuran ang mga gasto sa asembliya, mga lakang sa paghimo ug logistik, apan gipauswag usab niini ang pasundayag.Ang kalainan sa 40 ° C tali sa temperatura sa pagtunaw sa PAEK shaft ug sa overmolded PEEK gear makahimo sa cohesive melt-bonding tali sa duha sa lebel sa molekula.Ang ikaduha nga tipo sa mekanismo sa pag-apil, ang pag-lock sa porma, makab-ot pinaagi sa paggamit sa presyur sa pag-injection aron dungan nga maporma ang shaft sa panahon sa overmolding aron makahimo usa ka contour nga pag-lock sa porma.Makita kini sa Fig. 1 sa ubos isip "injection-forming".Naghimo kini og corrugated o sinusoidal circumference diin ang gear gidugtong batok sa usa ka hapsay nga circular cross-section, nga moresulta sa geometrically locking form.Kini dugang nga nagpalambo sa kalig-on sa integrated gearshaft, ingon sa gipakita sa pagsulay (tan-awa ang graph sa ubos sa tuo).Fig.1. Gipalambo sa kolaborasyon sa Victrex ug ILK, ang heroone naggamit sa presyur sa pag-injection atol sa overmolding aron makamugna og porma-locking contour sa integrated gearshaft (ibabaw). magpadayon sa usa ka mas taas nga torque kumpara sa usa ka overmolded gear-driveshaft nga walay porma-locking (itom nga kurba sa graph).
"Daghang mga tawo ang nakakab-ot sa nagkahiusa nga pagtunaw sa panahon sa overmolding," ingon ni Garthaus, "ug ang uban naggamit sa pag-lock sa porma sa mga komposisyon, apan ang yawe mao ang paghiusa sa duha sa usa, awtomatiko nga proseso."Gipatin-aw niya nga alang sa mga resulta sa pagsulay sa Fig. 1, ang shaft ug ang bug-os nga sirkumperensiya sa gear gilain nga gi-clamp, dayon gipatuyok aron maaghat ang pag-load sa paggunting.Ang unang kapakyasan sa graph gimarkahan sa usa ka lingin aron ipakita nga kini alang sa usa ka overmolded PEEK gear nga walay porma-locking.Ang ikaduha nga kapakyasan gimarkahan sa usa ka crimped nga lingin nga susama sa usa ka bituon, nga nagpaila sa pagsulay sa usa ka overmolded gear nga adunay pag-lock sa porma."Niini nga kaso, ikaw adunay usa ka managsama ug porma nga gi-lock nga pag-apil," ingon ni Garthaus, "ug nakakuha ka hapit 44% nga pagtaas sa torque load."Ang hagit karon, ingon niya, mao ang pagkuha sa form-locking aron makarga sa sayo nga yugto aron dugang nga madugangan ang torque nga madumala sa kini nga gearshaft sa wala pa mapakyas.
Usa ka importante nga punto mahitungod sa contour form-locking nga makab-ot sa herone sa iyang injection-forming mao nga kini hingpit nga gipahaum sa indibidwal nga bahin ug ang loading nga bahin kinahanglan nga makasugakod.Pananglitan, sa gearshaft, ang porma-locking circumferential, apan sa tension-compression struts sa ubos, kini axial."Kini kung ngano nga ang among naugmad usa ka mas lapad nga pamaagi," ingon ni Garthaus."Giunsa namon pag-integrate ang mga function ug mga bahin nagdepende sa indibidwal nga aplikasyon, apan kung labi namon nga mahimo kini, mas daghang gibug-aton ug gasto ang among matipig."
Usab, ang short-fiber reinforced ketone nga gigamit sa overmolded functional nga mga elemento sama sa mga gears naghatag og maayo kaayong mga ibabaw nga gisul-ob.Gipamatud-an kini sa Victrex ug sa tinuud, gipamaligya kini nga kamatuoran alang sa mga materyales sa PEEK ug PAEK.
Gipunting ni Barfuss nga ang integrated gearshaft, nga giila nga adunay 2019 JEC World Innovation Award sa kategorya nga aerospace, usa ka "demonstrasyon sa among pamaagi, dili lamang usa ka proseso nga naka-focus sa usa ka aplikasyon.Gusto namon nga usisahon kung unsa kadaghan ang mahimo namon nga ma-streamline ang paghimo ug mapahimuslan ang mga kabtangan sa mga TPC aron makagama ang gipaandar, hiniusa nga mga istruktura.Ang kompanya karon nag-optimize sa tension-compression rods, nga gigamit sa mga aplikasyon sama sa struts.
Fig. 3 Tension-compression strutsInjection-forming gipalugway ngadto sa struts, diin ang herone nag-overmolds sa usa ka metal nga load transfer element ngadto sa part structure gamit ang axial form-locking aron madugangan ang joint strength.
Ang functional nga elemento alang sa tension-compression struts usa ka metallic interface nga bahin nga nagbalhin sa mga load ngadto ug gikan sa metal fork ngadto sa composite tube (tan-awa ang ilustrasyon sa ubos).Ang pagporma sa pag-injection kay gigamit para i-integrate ang metallic load introduction element sa composite strut body.
"Ang panguna nga kaayohan nga among gihatag mao ang pagkunhod sa gidaghanon sa mga bahin," ingon niya."Kini nagpasimple sa kakapoy, nga usa ka dako nga hagit alang sa mga aplikasyon sa strut sa ayroplano.Ang pag-lock sa porma gigamit na sa mga komposit nga thermoset nga adunay sulud nga plastik o metal, apan wala’y managsama nga pagbugkos, aron makakuha ka usa ka gamay nga paglihok tali sa mga bahin.Ang among pamaagi, bisan pa, naghatag usa ka nahiusa nga istruktura nga wala’y ingon nga paglihok. ”
Gikutlo ni Garthaus ang pagtugot sa kadaot isip laing hagit alang niini nga mga bahin."Kinahanglan nimo nga maapektuhan ang mga struts ug dayon buhaton ang pagsulay sa kakapoy," siya mipasabut."Tungod kay naggamit kami og mga high-performance nga thermoplastic matrix nga mga materyales, mahimo namon nga makab-ot ang 40% nga mas taas nga pagtugot sa kadaot kumpara sa mga thermoset, ug usab ang bisan unsang microcracks gikan sa epekto nga dili motubo sa pagkarga sa kakapoy."
Bisan kung ang mga demonstration struts nagpakita sa usa ka metal nga insert, ang herone sa pagkakaron nagpalambo sa usa ka all-thermoplastic nga solusyon, nga makapahimo sa nagkahiusa nga pagbugkos tali sa composite strut body ug sa load introduction element."Kung mahimo namon, gusto namon nga magpabilin nga tanan nga komposisyon ug mag-adjust sa mga kabtangan pinaagi sa pag-usab sa tipo sa pagpalig-on sa fiber, lakip ang carbon, baso, padayon ug mubo nga fiber," ingon ni Garthaus."Niining paagiha, gipaminusan namon ang pagkakomplikado ug mga isyu sa interface.Pananglitan, kami adunay gamay nga mga problema kon itandi sa paghiusa sa mga thermoset ug thermoplastics.Dugang pa, ang bugkos tali sa PAEK ug PEEK gisulayan sa Tri-Mack nga adunay mga resulta nga nagpakita nga kini adunay 85% sa kalig-on sa usa ka base nga unidirectional nga CF / PAEK laminate ug doble ang kalig-on sa mga adhesive bond gamit ang standard nga industriya nga epoxy film adhesive.
Si Barfuss nag-ingon nga ang herone karon adunay siyam ka mga empleyado ug nagbalhin gikan sa usa ka supplier sa pagpalambo sa teknolohiya ngadto sa usa ka supplier sa mga piyesa sa aviation.Ang sunod nga dako nga lakang mao ang pag-uswag sa usa ka bag-ong pabrika sa Dresden."Sa katapusan sa 2020 kita adunay usa ka piloto nga planta nga naghimo sa una nga serye nga mga bahin," ingon niya."Nagtrabaho na kami sa mga OEM sa aviation ug nag-unang Tier 1 nga mga supplier, nga nagpakita sa mga disenyo alang sa daghang lain-laing mga klase sa aplikasyon."
Ang kompanya nakigtambayayong usab sa mga suppliers sa eVTOL ug lain-laing mga kolaborator sa US Samtang ang bayani nagpahamtong sa mga aplikasyon sa aviation, nakakuha usab kini nga kasinatian sa paggama sa mga aplikasyon sa mga gamit sa palakasan lakip ang mga kabog ug mga sangkap sa bisikleta."Ang among teknolohiya makahimo og usa ka halapad nga komplikado nga mga bahin nga adunay pasundayag, oras sa siklo ug mga benepisyo sa gasto," ingon ni Garthaus.“Ang atong cycle time gamit ang PEEK kay 20 minutes, versus 240 minutes gamit ang autoclave-cured prepreg.Nakita namon ang usa ka halapad nga natad sa mga oportunidad, apan sa pagkakaron, ang among pokus mao ang pagkuha sa among una nga mga aplikasyon sa paghimo ug pagpakita sa kantidad sa ingon nga mga bahin sa merkado.
Magpresentar usab si Herone sa Carbon Fiber 2019. Pagkat-on pa bahin sa kalihokan sa carbonfiberevent.com.
Naka-focus sa pag-optimize sa tradisyonal nga hand layup, nacelle ug thrust reverser nga mga tiggama nagtan-aw sa umaabot nga paggamit sa automation ug closed molding.
Ang sistema sa armas sa ayroplano nakakuha sa taas nga pasundayag sa carbon/epoxy nga adunay kahusayan sa paghulma sa compression.
Ang mga paagi sa pagkuwenta sa epekto sa mga composite sa kalikopan makapahimo sa data-driven nga pagtandi sa tradisyonal nga mga materyales sa usa ka level playing field.
Oras sa pag-post: Aug-19-2019