Kombinací splétané pásky, přelisování a tvarového zamykání vyrábí herone jednodílný ozubený hnací hřídel s vysokým točivým momentem jako demonstrátor pro širokou škálu aplikací.
Unitized kompozitní převodovka-hnací hřídel.Herone používá splétané termoplastické kompozitní předimpregnované pásky jako předlisky pro proces, který konsoliduje laminát hnacího hřídele a přetváří funkční prvky, jako jsou ozubená kola, čímž se vytvářejí jednotné struktury, které snižují hmotnost, počet dílů, dobu montáže a náklady.Zdroj pro všechny obrázky |hrdinka
Současné projekce požadují v příštích 20 letech zdvojnásobení flotily komerčních letadel.Abychom tomu vyhověli, výrobní sazby v roce 2019 se u širokotrupých tryskových dopravních letadel náročných na kompozity pohybují od 10 do 14 za měsíc na OEM, zatímco u úzkých karoserií se již zvýšily na 60 za měsíc na OEM.Airbus konkrétně spolupracuje s dodavateli na přechodu tradičních, ale časově náročných předimpregnovaných dílů na A320 na díly vyrobené pomocí rychlejších 20minutových procesů cyklu, jako je vysokotlaké lisování pryskyřice (HP-RTM), čímž pomáhá dílům dodavatelé splňují další tlak na 100 letadel měsíčně.Mezitím vznikající trh městské letecké mobility a dopravy předpovídá potřebu 3 000 elektrických letadel s vertikálním vzletem a přistáním (EVTOL) ročně (250 za měsíc).
„Průmysl vyžaduje automatizované výrobní technologie se zkrácenými dobami cyklů, které také umožňují integraci funkcí, které nabízejí termoplastické kompozity,“ říká Daniel Barfuss, spoluzakladatel a vedoucí partner společnosti herone (Drážďany, Německo), technologie kompozitů a výroby dílů. firma, která používá vysoce výkonné termoplastické matricové materiály od polyfenylensulfidu (PPS) po polyetheretherketon (PEEK), polyetherketoneketon (PEKK) a polyaryletherketon (PAEK).„Naším hlavním cílem je zkombinovat vysoký výkon termoplastických kompozitů (TPC) s nižšími náklady, abychom umožnili přizpůsobené díly pro širší škálu aplikací sériové výroby a nových aplikací,“ dodává Dr. Christian Garthaus, druhý spoluzakladatel a manažer společnosti herone. partner.
Aby toho společnost dosáhla, vyvinula nový přístup, počínaje plně impregnovanými páskami z nekonečných vláken, oplétáním těchto pásek do dutého předlisku „organoTube“ a konsolidací organoTrubic do profilů s proměnlivými průřezy a tvary.V následném kroku procesu využívá svařitelnost a tepelnou tvarovatelnost TPC k integraci funkčních prvků, jako jsou kompozitní ozubená kola na hnací hřídele, koncové fitinky na trubky nebo prvky pro přenos zatížení do tahově-kompresních vzpěr.Barfuss dodává, že existuje možnost použít hybridní lisovací proces – vyvinutý dodavatelem ketonové matrice Victrex (Cleveleys, Lancashire, Velká Británie) a dodavatelem dílů Tri-Mack (Bristol, RI, USA) – který pro profily používá pásku PAEK s nižší teplotou tání. a PEEK pro přelití, což umožňuje tavený, jeden materiál napříč spojem (viz „Přelisování rozšiřuje sortiment PEEK v oblasti kompozitů“)."Naše přizpůsobení také umožňuje geometrické zamykání tvaru," dodává, "což vytváří integrované struktury, které vydrží i vyšší zatížení."
Herone proces začíná s plně impregnovanými termoplastickými páskami vyztuženými uhlíkovými vlákny, které jsou splétány do organoTrubičky a konsolidovány.„Začali jsme s těmito organoTrubičkami pracovat před 10 lety při vývoji kompozitních hydraulických trubek pro letectví,“ říká Garthaus.Vysvětluje, že protože žádné dvě letecké hydraulické trubky nemají stejnou geometrii, bude pro každou z nich zapotřebí forma s využitím stávající technologie.„Potřebovali jsme trubku, kterou lze dodatečně zpracovat, abychom dosáhli individuální geometrie trubky.Takže myšlenkou bylo vyrobit spojité kompozitní profily a poté je CNC ohýbat do požadovaných geometrií.
Obr. 2 Splétané předimpregnované pásky poskytují předlisky ve tvaru sítě zvané organoTubes pro proces vstřikování herone a umožňují výrobu různých tvarů.
Zní to podobně jako to, co dělá Sigma Precision Components (Hinckley, Velká Británie) (viz „Opravy leteckých motorů s kompozitními trubkami“) se svou úpravou motoru z uhlíkových vláken/PEEK.„Prohlížejí si podobné díly, ale používají jinou metodu konsolidace,“ vysvětluje Garthaus."S naším přístupem vidíme potenciál pro zvýšení výkonu, jako je méně než 2% pórovitost pro letecké konstrukce."
Garthaus' Ph.D.práce na ILK zkoumala použití kontinuálního termoplastického kompozitu (TPC) pultruze k výrobě pletených trubek, což vyústilo v patentovaný kontinuální výrobní proces pro TPC trubky a profily.Herone se však prozatím rozhodla pro spolupráci s leteckými dodavateli a zákazníky pomocí přerušovaného lisovacího procesu.„To nám dává volnost při vytváření všech různých tvarů, včetně zakřivených profilů a profilů s proměnlivým průřezem, stejně jako při nanášení lokálních záplat a odpadávání vrstev,“ vysvětluje.„Pracujeme na automatizaci procesu integrace místních záplat a jejich následné konsolidaci se složeným profilem.V podstatě vše, co můžete dělat s plochými lamináty a skořepinami, můžeme udělat pro trubky a profily.“
Výroba těchto dutých profilů TPC byla ve skutečnosti jednou z nejtěžších výzev, říká Garthaus.„Se silikonovým měchýřem nelze použít lisování nebo vyfukování;takže jsme museli vyvinout nový proces.“Tento proces však umožňuje vysoce výkonné a přizpůsobitelné díly na bázi trubek a hřídelí, poznamenává.Umožnilo to také použití hybridního tvarování, které vyvinula společnost Victrex, kde je PAEK s nižší teplotou taveniny přelisován PEEKem, čímž se organolist a vstřikování zpevní v jediném kroku.
Dalším pozoruhodným aspektem použití organoTube splétaných páskových předlisků je to, že produkují velmi málo odpadu.„S opletením máme méně než 2 % odpadu, a protože se jedná o TPC pásku, můžeme toto malé množství odpadu použít zpět do zalití, abychom dosáhli míry využití materiálu až 100 %,“ zdůrazňuje Garthaus.
Barfuss a Garthaus zahájili svou vývojovou práci jako výzkumníci v Institutu lehkého inženýrství a technologie polymerů (ILK) na TU Dresden.„Jedná se o jeden z největších evropských institutů pro kompozitní a hybridní lehké konstrukce,“ poznamenává Barfuss.On a Garthaus tam pracovali téměř 10 let na řadě vývoje, včetně kontinuální TPC pultruze a různých typů spojování.Tato práce byla nakonec destilována do toho, co je nyní hlavní procesní technologií TPC.
„Potom jsme se přihlásili do německého programu EXIST, který je zaměřen na přenos takové technologie do průmyslu a financuje 40–60 projektů ročně v široké škále oblastí výzkumu,“ říká Barfuss."Získali jsme finanční prostředky na kapitálové vybavení, čtyři zaměstnance a investice do dalšího kroku rozšiřování."Herone se zformovali v květnu 2018 po vystavování na JEC World.
Do JEC World 2019 společnost herone vyrobila řadu předváděcích dílů, včetně lehkého integrovaného převodového hřídele nebo převodového hřídele s vysokým točivým momentem.„Používáme organotube z uhlíkových vláken/PAEK pásku opletené v úhlech požadovaných dílem a spojujeme to do trubky,“ vysvětluje Barfuss."Potom trubici předehřejeme na 200 °C a zaformujeme ji ozubením vyrobeným vstřikováním krátkého PEEK vyztuženého uhlíkovými vlákny při 380 °C."Formování bylo modelováno pomocí Moldflow Insight od společnosti Autodesk (San Rafael, Kalifornie, USA).Doba plnění formy byla optimalizována na 40,5 sekund a dosažena pomocí vstřikovacího stroje Arburg (Lossburg, Německo) ALLROUNDER.
Toto zalití nejen snižuje náklady na montáž, výrobní kroky a logistiku, ale také zvyšuje výkon.Rozdíl 40 °C mezi teplotou taveniny PAEK hřídele a zalisovaného PEEK ozubeného kola umožňuje soudržné spojení taveniny mezi oběma na molekulární úrovni.Druhý typ spojovacího mechanismu, tvarového uzamykání, je dosažen použitím vstřikovacího tlaku k současnému tepelnému tvarování dříku během formování, aby se vytvořil tvarový uzamykací obrys.To lze vidět na obr. 1 níže jako „vstřikování“.Vytváří vlnitý nebo sinusový obvod, kde je ozubené kolo spojeno, oproti hladkému kruhovému průřezu, což má za následek geometricky uzamykatelný tvar.To dále zvyšuje pevnost integrovaného ozubeného hřídele, jak bylo prokázáno při testování (viz graf vpravo dole).Obr.1. Herone, vyvinutý ve spolupráci se společnostmi Victrex a ILK, využívá vstřikovací tlak během přelisování k vytvoření obrysu s tvarovým stykem v integrovaném ozubeném hřídeli (nahoře). Tento proces vstřikování umožňuje integrovanému ozubenému hřídeli s tvarovým zamykáním (zelená křivka na grafu). udržet vyšší točivý moment v porovnání s přelisovaným ozubeným hřídelem bez tvarového blokování (černá křivka na grafu).
"Mnoho lidí dosahuje soudržného spojení taveniny během přestřikování," říká Garthaus, "a jiní používají tvarové zamykání v kompozitech, ale klíčem je spojit obojí do jediného automatizovaného procesu."Vysvětluje, že pro výsledky testu na obr. 1 byly jak hřídel, tak celý obvod ozubeného kola upnuty odděleně a poté otočeny, aby se vyvolalo smykové zatížení.První porucha na grafu je označena kroužkem, který označuje, že se jedná o přelisované ozubené kolo PEEK bez tvarového zajištění.Druhé selhání je označeno zvlněným kruhem připomínajícím hvězdu, což naznačuje testování přelisovaného ozubeného kola s tvarovým zámkem.„V tomto případě máte jak soudržný, tak tvarově uzamčený spoj,“ říká Garthaus, „a získáte téměř 44% nárůst točivého momentu.“Nyní je podle něj výzvou zajistit, aby tvarové zamykání převzalo zatížení v dřívější fázi, aby se dále zvýšil točivý moment, který bude tento převodový hřídel zvládat před selháním.
Důležitým bodem tvarového blokování obrysu, kterého herone dosahuje svým vstřikováním, je to, že je zcela přizpůsobeno jednotlivému dílu a zatížení, které musí tento díl vydržet.Například u převodového hřídele je tvarové blokování obvodové, ale v tahově-kompresních vzpěrách níže je axiální.„Proto jsme vyvinuli širší přístup,“ říká Garthaus.„To, jak integrujeme funkce a díly, závisí na konkrétní aplikaci, ale čím více toho dokážeme, tím více hmotnosti a nákladů můžeme ušetřit.“
Také keton vyztužený krátkými vlákny používaný v zalisovaných funkčních prvcích, jako jsou ozubená kola, poskytuje vynikající povrchy proti opotřebení.Victrex to dokázal a ve skutečnosti tuto skutečnost prodává pro své materiály PEEK a PAEK.
Barfuss poukazuje na to, že integrovaný převodový hřídel, který byl oceněn cenou JEC World Innovation Award 2019 v kategorii letectví a kosmonautiky, je „demonstrací našeho přístupu, nikoli pouze procesem zaměřeným na jedinou aplikaci.Chtěli jsme prozkoumat, jak moc bychom mohli zefektivnit výrobu a využít vlastnosti TPC k výrobě funkcionalizovaných, integrovaných struktur.“Společnost v současné době optimalizuje tahově-kompresní tyče používané v aplikacích, jako jsou vzpěry.
Obr. 3 Tahově-kompresní vzpěry Vstřikovací tvarování je rozšířeno na vzpěry, kde Herone zalisuje kovový prvek přenášející zatížení do konstrukce součásti pomocí axiálního tvarového zajištění pro zvýšení pevnosti spoje.
Funkčním prvkem pro tahově-kompresní vzpěry je kovová styčná část, která přenáší zatížení do a z kovové vidlice na kompozitní trubku (viz obrázek níže).Vstřikování se používá k integraci kovového prvku pro zavádění zatížení do kompozitního těla vzpěry.
„Hlavní výhodou, kterou poskytujeme, je snížení počtu dílů,“ poznamenává.„To zjednodušuje únavu, což je velká výzva pro aplikace vzpěr letadel.Form-locking se již používá u termosetových kompozitů s plastovou nebo kovovou vložkou, ale nedochází k žádné soudržné vazbě, takže můžete mezi díly získat mírný pohyb.Náš přístup však poskytuje jednotnou strukturu bez takového pohybu."
Garthaus uvádí toleranci poškození jako další výzvu pro tyto díly.„Musíte zasáhnout vzpěry a pak provést únavové testy,“ vysvětluje.„Protože používáme vysoce výkonné termoplastické matricové materiály, můžeme dosáhnout až o 40 % vyšší tolerance poškození oproti termosetům a také jakékoli mikrotrhliny způsobené nárazem rostou méně s únavovým zatížením.“
Přestože demonstrační vzpěry ukazují kovovou vložku, herone v současné době vyvíjí celotermoplastické řešení, které umožňuje soudržné spojení mezi kompozitním tělem vzpěry a prvkem pro zavádění zátěže.„Když je to možné, raději zůstaneme celokompozitní a upravíme vlastnosti změnou typu vyztužení vláken, včetně uhlíkových, skleněných, nekonečných a krátkých vláken,“ říká Garthaus.„Tímto způsobem minimalizujeme složitost a problémy s rozhraním.Například ve srovnání s kombinováním termosetů a termoplastů máme mnohem méně problémů.“Kromě toho bylo spojení mezi PAEK a PEEK testováno společností Tri-Mack s výsledky ukazujícími, že má 85 % pevnosti základního jednosměrného laminátu CF/PAEK a je dvakrát tak pevné než lepené spoje s použitím průmyslového standardního epoxidového filmového lepidla.
Barfuss říká, že herone má nyní devět zaměstnanců a přechází z dodavatele technologického vývoje na dodavatele leteckých dílů.Jeho dalším velkým krokem je výstavba nové továrny v Drážďanech.„Do konce roku 2020 budeme mít pilotní závod na výrobu dílů první série,“ říká."Už pracujeme s leteckými OEM a klíčovými dodavateli Tier 1 a předvádíme návrhy pro mnoho různých typů aplikací."
Společnost také spolupracuje s dodavateli eVTOL a řadou spolupracovníků v USA. Herone dozrává v leteckých aplikacích a zároveň získává výrobní zkušenosti s aplikacemi sportovních potřeb, včetně netopýrů a komponentů jízdních kol.„Naše technologie dokáže vyrábět širokou škálu složitých dílů s výkonem, dobou cyklu a nákladovými výhodami,“ říká Garthaus.„Doba našeho cyklu s použitím PEEK je 20 minut oproti 240 minutám s použitím prepregu vytvrzeného v autoklávu.Vidíme široké pole příležitostí, ale nyní se zaměřujeme na uvedení našich prvních aplikací do výroby a předvedení hodnoty takových dílů na trhu.“
Herone bude také prezentovat na Carbon Fiber 2019. Více o akci se dozvíte na carbonfiberevent.com.
Výrobci, kteří se zaměřují na optimalizaci tradičního uspořádání rukou, gondol a obracečů tahu, kladou důraz na budoucí využití automatizace a uzavřeného lisování.
Letecký zbraňový systém získává vysoký výkon uhlík/epoxid s účinností lisování.
Metody pro výpočet dopadu kompozitů na životní prostředí umožňují srovnání na základě údajů s tradičními materiály za rovných podmínek.
Čas odeslání: 19. srpna 2019