Cumminendu nastri intrecciati, overmolding è forma-locking, herone produce un albero di trasmissione di ingranaggi d'una sola pezza, ad alta coppia cum'è dimostratore per una larga gamma di applicazioni.
Arbre di trasmissione à ingranaggi compositu unificatu.Herone usa nastri prepreg di compositi termoplastici intrecciati cum'è preforme per un prucessu chì cunsolida u laminatu di l'albero di trasmissione è sovraforma elementi funzionali cum'è ingranaggi, producendu strutture unificate chì riducenu u pesu, u numeru di parti, u tempu di assemblea è u costu.Fonte per tutte l'imaghjini |erone
A prughjezzione attuale dumanda à un radduppiamentu di a flotta di l'aeronautica cummerciale in i prossimi 20 anni.Per accoglie questu, i tassi di pruduzzione in 2019 per i jetliners widebody intensivi in compositi varianu da 10 à 14 per mese per OEM, mentre chì i corpi stretti sò digià aumentati à 60 per mese per OEM.Airbus travaglia specificamente cù i fornitori per cambià i pezzi di prepreg tradiziunali ma intensivi di tempu nantu à l'A320 à e parti fatte per via di processi di ciclu di 20 minuti più veloci, cum'è u trasferimentu di resina ad alta pressione (HP-RTM), aiutendu cusì parte. i fornitori incontranu una spinta ulteriore versu 100 aerei per mese.Intantu, u mercatu emergente di a mobilità aerea urbana è u trasportu prevede una necessità di 3000 aerei elettrici verticali di decollo è atterraggio (EVTOL) annu (250 per mese).
"L'industria esige tecnulugii di produzzione automatizata cù tempi di ciclu ridotti chì permettenu ancu di integrazione di funzioni, chì sò offerti da cumposti termoplastichi", dice Daniel Barfuss, cofundatore è cumpagnu amministratore di Herone (Dresda, Germania), una tecnulugia di cumposti è a fabricazione di parti. impresa chì usa materiali di matrice termoplastica d'altu rendiment da polyphenylenesulfide (PPS) à polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) è polyaryletherketone (PAEK)."U nostru scopu principale hè di cumminà l'altu rendimentu di i compositi termoplastici (TPC) cù un costu più bassu, per attivà pezzi adattati per una varietà più larga di applicazioni di fabricazione seriale è novi applicazioni", aghjusta u duttore Christian Garthaus, u sicondu cofundatore è a gestione di herone. cumpagnu.
Per ottene questu, a cumpagnia hà sviluppatu un novu approcciu, cuminciendu cù nastri di fibra cuntinuu cumplettamente impregnati, intrecciati questi nastri per furmà un "organoTube" preforma cavu è cunsulidendu l'organoTubes in profili cù sezioni trasversali è forme variabili.In un passu di prucessu sussegwenti, usa a saldabilità è a termoformabilità di i TPC per integrà elementi funzionali cum'è ingranaggi compositi nantu à l'arbureti di trasmissione, raccordi finali nantu à i tubi, o elementi di trasferimentu di carica in struts di compressione di tensione.Barfuss aghjusta chì ci hè l'opzione di utilizà un prucessu di modellazione hibrida - sviluppatu da u fornitore di matrici di cetone Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) è u fornitore di pezzi Tri-Mack (Bristol, RI, US) - chì usa una cinta PAEK di temperatura di fusione più bassa per i profili. è PEEK per l'overmolding, chì permette un materiale unicu fusu à traversu l'unione (vede "Overmolding amplia a gamma di PEEK in composti")."A nostra adattazione permette ancu u bloccu di forma geomètrica", aghjusta, "chì pruduce strutture integrate chì ponu sustene carichi ancu più elevati".
U prucessu di l'erone principia cù nastri termoplastici rinfurzati cù fibra di carbonu cumpletamente impregnati chì sò intrecciati in organoTubes è cunsolidati."Avemu cuminciatu à travaglià cù questi organoTubes 10 anni fà, sviluppendu tubi idraulichi compositi per l'aviazione", dice Garthaus.Spiega chì ùn ci hè micca dui tubi idraulichi di l'aeronautica chì anu a listessa geometria, un muffa seria necessariu per ognunu, utilizendu a tecnulugia esistente."Avemu bisognu di una pipa chì puderia esse post-processata per ottene a geometria di u tubu individuale.Dunque, l'idea era di fà profili compositi continui è poi curvati CNC in e geometrie desiderate ".
Fig. 2 I nastri prepreg intrecciati furniscenu preforme in forma di rete chjamati organoTubes per u prucessu di furmazione di iniezione di herone è permettenu a produzzione di diverse forme.
Questu sona simili à ciò chì Sigma Precision Components (Hinckley, UK) face (vede "Redressing aeroengines with composite pipes") cù u so vestitu di fibra di carbone / PEEK."Fighjanu parti simili, ma usanu un metudu di cunsulidazione sfarente", spiega Garthaus."Cù u nostru approcciu, vedemu u putenziale per un rendimentu aumentatu, cum'è menu di 2% di porosità per strutture aerospaziali".
Ph.D. di Garthaus.U travagliu di tesi à l'ILK hà esploratu l'usu di pultrusione cuntinuu di compositu termoplasticu (TPC) per pruduce tubi intrecciati, chì hà risultatu in un prucessu di fabricazione cuntinuu patentatu per tubi è profili TPC.Tuttavia, per avà, herone hà sceltu di travaglià cù i fornitori di l'aviazione è i clienti chì utilizanu un prucessu di stampa discontinuu."Questu ci dà a libertà di fà tutte e diverse forme, cumpresi i profili curvi è quelli cù sezioni trasversali variate, è ancu di applicà patch lucali è drop-off di strati", spiega."Avemu travagliendu per automatizà u prucessu per l'integrazione di patch lucali è poi cunsolidenduli cù u prufilu compostu.In fondu, tuttu ciò chì pudete fà cù laminati piani è cunchiglia, pudemu fà per tubi è profili ".
Fà questi profili cavu TPC era in realtà una di e sfide più duru, dice Garthaus."Ùn pudete micca usà a furmazione di stampi o u soffiu cù una vejiga di silicone;dunque, avemu avutu à sviluppà un novu prucessu ".Ma stu prucessu permette un rendimentu assai altu è adattatu per tubi è pezzi basati nantu à l'arbureti, nota.Hè ancu permessu di utilizà u modellu ibridu chì Victrex hà sviluppatu, induve PAEK a temperatura di fusione più bassa hè sovrastampatu cù PEEK, cunsolidendu l'organosheet è u modellu à iniezione in un solu passu.
Un altru aspettu notevuli di l'usu di preforme di cinta intrecciata organoTube hè chì producenu assai pocu scarti."Cù a treccia, avemu menu di 2% di rifiuti, è perchè hè a cinta TPC, pudemu usà sta piccula quantità di rifiuti in u overmolding per ottene u tassu d'utilizazione di materiale finu à u 100%", enfatiza Garthaus.
Barfuss è Garthaus anu cuminciatu u so travagliu di sviluppu cum'è circadori à l'Istitutu di Ingegneria Ligera è Tecnulugia di Polimeri (ILK) in TU Dresden."Questu hè unu di i più grandi istituti europei per i cumposti è i disinni ligeri hibridi", nota Barfuss.Ellu è Garthaus anu travagliatu quì per quasi 10 anni nantu à una quantità di sviluppi, cumprese a pultrusione TPC cuntinuu è diversi tipi di unione.Ddu travagliu eventualmente hè statu distillatu in ciò chì hè oghje a tecnulugia di prucessu di l'eroe TPC.
"Avemu dopu appiicatu à u prugramma tedesco EXIST, chì hè destinatu à trasfiriri tali tecnulugia à l'industria è finanzia 40-60 prughjetti ogni annu in una larga gamma di campi di ricerca", dice Barfuss."Avemu ricevutu u finanziamentu per l'equipaggiu di capitale, quattru impiegati è investimenti per u prossimu passu di scale-up".Anu furmati herone in maghju 2018 dopu avè espostu à JEC World.
Da JEC World 2019, herone avia pruduciutu una gamma di parti di dimostrazione, cumprese un arbre di trasmissione di ingranaggi integratu, ligeru, di torque elevatu, o albero di ingranaggi."Usemu un organoTube di fibra di carbonu / cinta PAEK intrecciata à l'anguli richiesti da a parte è cunsulidà quellu in un tubu", spiega Barfuss."Avemu poi preriscaldatu u tubu à 200 ° C è u overmold cù un ingranaghju fattu iniettendu PEEK rinforzatu in fibra di carbonu corta à 380 ° C".L'overmolding hè statu modellatu cù Moldflow Insight da Autodesk (San Rafael, Calif., US).U tempu di riempimentu di u moldu hè statu ottimizatu à 40,5 seconde è ottenutu cù una macchina di stampaggio a iniezione ALLROUNDER Arburg (Lossburg, Germania).
Stu overmolding ùn solu riduce i costi di assemblea, i passi di fabricazione è a logistica, ma ancu aumenta u rendiment.A diffarenza di 40 ° C trà a temperatura di fusione di l'arburettu PAEK è quella di l'ingranaggio PEEK overmolded permette una fusione coesiva trà i dui à u livellu moleculare.Un secondu tipu di meccanismu di unisce, a forma di bloccu, hè ottenuta usendu a pressione d'iniezione per termoformà simultaneamente l'arbulu durante l'overmolding per creà un contornu di bloccu di forma.Questu pò esse vistu in Fig. 1 sottu cum'è "injection-forming".Crea una circonferenza corrugata o sinusoidale induve l'ingranaggio hè unitu versus una sezione trasversale circular liscia, chì si traduce in una forma geomètrica.Questu aumenta ancu a forza di l'arburu integratu, cum'è dimustratu in a prova (vede u graficu in fondu à diritta).1. Sviluppatu in cullaburazione cù Victrex è ILK, l'herone usa a pressione d'iniezione durante l'overmolding per creà un contornu di bloccu di forma in u gearshaft integratu (in cima). Stu prucessu di furmazione di iniezione permette à l'arburetu integratu di forma di bloccu (curva verde nantu à u graficu). sustene un torque più altu versus un albero di trasmissione di ingranaggi overmolded senza forma di bloccu (curva nera nantu à u graficu).
"Un saccu di persone ottennu un ligame di fusione coesivu durante u overmolding", dice Garthaus, "è altri utilizanu u bloccu di forma in compositi, ma a chjave hè di cumminà i dui in un unicu prucessu automatizatu".Spiega chì per i risultati di a prova in Fig. 1, sia l'arburu è a circunferenza completa di l'ingranaggio sò stati chjappi separatamente, dopu rotati per induce a carica di cisura.U primu fallimentu nantu à u graficu hè marcatu da un circhiu per indicà chì hè per un ingranaggio PEEK overmolded senza forma di bloccu.U sicondu fallimentu hè marcatu da un cercolu crimpatu chì s'assumiglia à una stella, chì indica a prova di un ingranaggio overmolded cù forma-locking."In questu casu, avete una unione coesiva è forma bloccata", dice Garthaus, "è ottene quasi un aumentu di 44% in a carica di torque".A sfida avà, dice, hè di ottene u bloccu di forma per piglià a carica in una fase precedente per aumentà ancu più u torque chì questu albero di trasmissione gestirà prima di fallimentu.
Un puntu impurtante nantu à a forma di bloccu di u contornu chì l'herone rializeghja cù a so forma di iniezione hè chì hè cumplettamente adattatu à a parte individuale è a carica chì a parte deve sustene.Per esempiu, in u gearshaft, u forma-locking hè circunferencial, ma in i struts tension-compression sottu, hè axial."Hè per quessa chì ciò chì avemu sviluppatu hè un approcciu più largu", dice Garthaus."Cumu integremu funzioni è parti dipende da l'applicazione individuale, ma più pudemu fà questu, più pesu è costu pudemu salvà".
Inoltre, a cetone rinfurzata di fibra corta usata in elementi funziunali overmolded cum'è ingranaggi furnisce superfici eccellenti di usura.Victrex hà dimustratu questu è in fattu, cummercializa stu fattu per i so materiali PEEK è PAEK.
Barfuss indica chì l'albero di ingranaggi integratu, chì hè statu ricunnisciutu cù un Premiu JEC World Innovation 2019 in a categuria aerospaziale, hè una "dimostrazione di u nostru approcciu, micca solu un prucessu focu annantu à una sola applicazione.Vulemu spiegà quantu pudemu simplificà a fabricazione è sfruttà e proprietà di i TPC per pruduce strutture integrate è funziunali.A cumpagnia hè attualmente ottimizendu e barre di tensione-compressione, usate in applicazioni cum'è struts.
Fig. 3 Tension-compression strutsInjection-forming hè allargata à struts, induve herone overmolds un elementu di trasferimentu di carica di metallu in a struttura di parti utilizendu axial form-locking per aumentà a forza di unisce.
L'elementu funziunale per i struts di tensione-compressione hè una parte di l'interfaccia metallica chì trasferisce carichi da è da a forchetta di metallo à u tubu compostu (vede l'illustrazione sottu).A furmazione di iniezione hè aduprata per integrà l'elementu di introduzione di carica metallica in u corpu di strut compostu.
"U benefiziu principale chì demu hè di diminuite u numeru di pezzi", nota."Questu simplifica a fatigue, chì hè una grande sfida per l'applicazioni di strut di l'aeronautica.Form-locking hè digià utilizatu in composite thermoset cù un insertu di plastica o di metallo, ma ùn ci hè micca un ligame cohesive, perchè pudete ottene un ligeru muvimentu trà e parti.U nostru approcciu, però, furnisce una struttura unificata senza tali muvimentu ".
Garthaus cita a tolleranza di danni cum'è una altra sfida per queste parti."Avete da impattu i struts è dopu fà teste di fatigue", spiega."Perchè usemu materiali di matrice termoplastica d'altu rendimentu, pudemu ottene una tolleranza di danni finu à u 40% più alta versus termoset, è ancu ogni microcrack da l'impattu cresce menu cù a carica di fatigue".
Ancu s'è i struts di dimostrazione mostranu un insertu di metallu, l'herone hè attualmente sviluppatu una soluzione all-termoplastica, chì permette un ligame coesivu trà u corpu di strut compositu è l'elementu di introduzione di carica."Quandu pudemu, preferimu esse all-composite è aghjustà e proprietà alterendu u tipu di rinforzu di fibra, cumpresu carbone, vetru, fibra cuntinuu è corta", dice Garthaus."In questu modu, minimizemu a cumplessità è i prublemi di l'interfaccia.Per esempiu, avemu assai menu prublemi cumparatu cù a cumminazione di termoset è termoplastici ".Inoltre, u legame trà PAEK è PEEK hè statu pruvatu da Tri-Mack cù risultati chì mostranu chì hà 85% di a forza di un laminatu CF / PAEK unidirezionale di basa è hè duie volte più forte di i legami adesivi chì utilizanu adesivi di film epossidici standard di l'industria.
Barfuss dice chì l'eroe hà avà nove impiegati è passa da un fornitore di sviluppu di tecnulugia à un fornitore di parti di l'aviazione.U so prossimu grande passu hè u sviluppu di una nova fabbrica in Dresda."À a fine di u 2020, averemu una pianta pilotu chì pruduce parti di prima serie", dice."Avemu digià travagliatu cù l'OEM di l'aviazione è i fornitori chjave di Tier 1, dimustrendu disinni per parechji tipi di applicazioni".
A cumpagnia hè ancu travagliatu cù i fornituri di eVTOL è una varietà di cullaburatori in i Stati Uniti Cum'è l'eroe matura l'applicazioni di l'aviazione, hè ancu acquistendu una sperienza di fabricazione cù l'applicazioni di l'articuli sportivi cumpresi i battelli è i cumpunenti di bicicletta."A nostra tecnulugia pò pruduce una larga gamma di pezzi cumplessi cù prestazioni, tempu di ciclu è benefici di costu", dice Garthaus."U nostru tempu di ciclu cù PEEK hè di 20 minuti, versus 240 minuti cù prepreg curatu in autoclave.Videmu un vastu campu di opportunità, ma per avà, u nostru focusu hè di mette in produzzione e nostre prime applicazioni è di dimustrà u valore di tali parti à u mercatu ".
Herone serà ancu prisentatu in Carbon Fiber 2019. Sapete più nantu à l'avvenimentu à carbonfiberevent.com.
Cuncentrati nantu à l'ottimisazione di a layup tradiziunale di a manu, i fabricatori di nacelle è di inversione di spinta anu un ochju nantu à l'usu futuru di l'automatizazione è di u modellu chjusu.
U sistema d'armi di l'aeronautica guadagna l'altu rendimentu di carbonu / epossidicu cù l'efficienza di stampaggio di compressione.
I metudi per u calculu di l'impattu chì i composti anu nantu à l'ambiente permettenu paraguni basati nantu à dati à i materiali tradiziunali in un campu di ghjocu.
Tempu di post: 19-aug-2019