Ved at kombinere flettet tape, overstøbning og formlåsning producerer herone et stykke gear-drivaksel med højt drejningsmoment som demonstration til en bred vifte af applikationer.
Samlet komposit gear-drivaksel.Herone bruger flettede termoplastiske komposit-prepreg-tape som præforme til en proces, der konsoliderer drivakslens laminat og overstøber funktionelle elementer såsom gear, hvilket producerer enhedsstrukturer, der reducerer vægt, antal dele, monteringstid og omkostninger.Kilde til alle billeder |herone
De nuværende fremskrivninger kræver en fordobling af den kommercielle flyflåde i løbet af de næste 20 år.For at imødekomme dette varierer produktionshastighederne i 2019 for kompositintensive widebody-jetliners fra 10 til 14 pr. måned pr. OEM, mens narrowbodies allerede er steget til 60 pr. måned pr. OEM.Airbus samarbejder specifikt med leverandører om at skifte traditionelle, men tidskrævende, håndoplagte prepreg-dele på A320 til dele, der er fremstillet via hurtigere 20-minutters cyklustidsprocesser såsom højtryksharpiksoverførselsstøbning (HP-RTM), hvilket hjælper med at dele leverandører møder et yderligere skub mod 100 fly om måneden.I mellemtiden forudser det nye marked for luftmobilitet og transport i byerne et behov for 3.000 elektriske lodrette start- og landingsfly (EVTOL) om året (250 om måneden).
"Branchen kræver automatiserede produktionsteknologier med forkortede cyklustider, der også giver mulighed for at integrere funktioner, som tilbydes af termoplastiske kompositter," siger Daniel Barfuss, medstifter og administrerende partner af herone (Dresden, Tyskland), en kompositteknologi og delefremstilling firma, der bruger højtydende termoplastiske matrixmaterialer fra polyphenylensulfid (PPS) til polyetheretherketon (PEEK), polyetherketonketon (PEKK) og polyaryletherketon (PAEK)."Vores hovedmål er at kombinere den høje ydeevne af termoplastiske kompositter (TPC'er) med lavere omkostninger for at muliggøre skræddersyede dele til en bredere vifte af serieproduktionsapplikationer og nye applikationer," tilføjer Dr. Christian Garthaus, herones anden medstifter og leder. partner.
For at opnå dette har virksomheden udviklet en ny tilgang, der starter med fuldt imprægnerede, kontinuerlige fibertape, fletning af disse tape til en hul præform "organoTube" og konsolidering af organoTubes til profiler med variable tværsnit og former.I et efterfølgende procestrin bruger den svejsbarheden og termoformbarheden af TPC'er til at integrere funktionelle elementer såsom kompositgear på drivaksler, endefittings på rør eller belastningsoverførselselementer i træk-kompressionsstivere.Barfuss tilføjer, at der er mulighed for at bruge en hybridstøbeproces - udviklet af ketonmatrixleverandøren Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) og reservedelsleverandøren Tri-Mack (Bristol, RI, USA) - der bruger PAEK-tape med lavere smeltetemperatur til profilerne og PEEK for overstøbningen, hvilket muliggør et sammensmeltet, enkelt materiale på tværs af samlingen (se "Overstøbning udvider PEEKs udvalg af kompositmaterialer")."Vores tilpasning muliggør også geometrisk formlåsning," tilføjer han, "som producerer integrerede strukturer, der kan modstå endnu højere belastninger."
Heroneprocessen starter med fuldt imprægnerede kulfiberforstærkede termoplastiske tape, der flettes ind i organoTubes og konsolideres."Vi begyndte at arbejde med disse organoTubes for 10 år siden og udviklede sammensatte hydrauliske rør til luftfart," siger Garthaus.Han forklarer, at fordi ingen to flyhydraulikrør har den samme geometri, ville der være behov for en støbeform til hver af dem ved at bruge eksisterende teknologi.”Vi havde brug for et rør, der kunne efterbehandles for at opnå den individuelle rørgeometri.Så ideen var at lave kontinuerlige kompositprofiler og derefter CNC-bukke disse til de ønskede geometrier."
Fig. 2 Flettede prepreg-tape giver netformede præforme kaldet organoTubes til herones injektionsformende proces og muliggør produktion af forskellige former.
Dette lyder som det, Sigma Precision Components (Hinckley, UK) laver (se "Redressing aeromotors with composite pipes") med sin kulfiber/PEEK-motordressing."De kigger på lignende dele, men bruger en anden konsolideringsmetode," forklarer Garthaus."Med vores tilgang ser vi potentiale for øget ydeevne, såsom mindre end 2% porøsitet for rumfartsstrukturer."
Garthaus' ph.d.afhandlingsarbejde ved ILK udforskede brugen af kontinuerlig termoplastisk komposit (TPC) pultrusion til at producere flettede rør, hvilket resulterede i en patenteret kontinuerlig fremstillingsproces for TPC-rør og profiler.Men indtil videre har herone valgt at arbejde med luftfartsleverandører og -kunder ved hjælp af en diskontinuerlig støbeproces."Dette giver os frihed til at lave alle de forskellige former, inklusive buede profiler og dem med varierende tværsnit, samt at anvende lokale patches og lagaffald," forklarer han."Vi arbejder på at automatisere processen for at integrere lokale patches og derefter co-konsolidere dem med den sammensatte profil.Grundlæggende kan vi gøre alt, hvad du kan gøre med flade laminater og skaller til rør og profiler.”
At lave disse TPC hule profiler var faktisk en af de sværeste udfordringer, siger Garthaus.“Du kan ikke bruge stempel- eller blæsestøbning med en silikoneblære;så vi var nødt til at udvikle en ny proces."Men denne proces muliggør meget højtydende og skræddersyede rør- og akselbaserede dele, bemærker han.Det gjorde det også muligt at bruge hybridstøbningen, som Victrex udviklede, hvor PAEK med lavere smeltetemperatur overstøbes med PEEK, hvilket konsoliderer organpladen og sprøjtestøbningen i et enkelt trin.
Et andet bemærkelsesværdigt aspekt ved at bruge organoTube flettede tape præforme er, at de producerer meget lidt affald."Med fletning har vi mindre end 2% spild, og fordi det er TPC-tape, kan vi bruge denne lille mængde affald tilbage i overstøbningen for at få materialeudnyttelsesgraden op på 100%," understreger Garthaus.
Barfuss og Garthaus begyndte deres udviklingsarbejde som forskere ved Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) ved TU Dresden."Dette er et af de største europæiske institutter for kompositter og hybrid letvægtsdesign," bemærker Barfuss.Han og Garthaus arbejdede der i næsten 10 år på en række udviklinger, herunder kontinuerlig TPC-pultrusion og forskellige typer sammenføjninger.Dette arbejde blev til sidst destilleret til det, der nu er helten TPC-procesteknologi.
"Vi søgte derefter til det tyske EXIST-program, som har til formål at overføre sådan teknologi til industrien og finansierer 40-60 projekter hvert år inden for en lang række forskningsfelter," siger Barfuss."Vi modtog finansiering til kapitaludstyr, fire ansatte og investering til næste trin i opskalering."De dannede herone i maj 2018 efter at have udstillet på JEC World.
Ved JEC World 2019 havde herone produceret en række demonstrationsdele, inklusive en letvægts, højt drejningsmoment, integreret gear drivaksel eller gearaksel."Vi bruger et kulfiber/PAEK-tape organoTube flettet i de vinkler, som delen kræver, og konsoliderer det til et rør," forklarer Barfuss."Vi forvarmer derefter røret ved 200°C og overstøber det med et gear lavet ved at indsprøjte kort kulfiberforstærket PEEK ved 380°C."Overstøbningen blev modelleret ved hjælp af Moldflow Insight fra Autodesk (San Rafael, Californien, USA).Formpåfyldningstiden blev optimeret til 40,5 sekunder og opnået ved hjælp af en Arburg (Lossburg, Tyskland) ALLROUNDER sprøjtestøbemaskine.
Denne overstøbning reducerer ikke kun monteringsomkostninger, fremstillingstrin og logistik, men den forbedrer også ydeevnen.Forskellen på 40°C mellem PAEK-akslens smeltetemperatur og det overstøbte PEEK-gear muliggør sammenhængende smeltebinding mellem de to på molekylært niveau.En anden type sammenføjningsmekanisme, formlåsning, opnås ved at bruge injektionstrykket til samtidig termoformning af akslen under overstøbning for at skabe en formlåsende kontur.Dette kan ses i fig. 1 nedenfor som "injektionsdannende".Det skaber en korrugeret eller sinusformet omkreds, hvor gearet er sammenføjet kontra et glat cirkulært tværsnit, hvilket resulterer i en geometrisk låsende form.Dette øger styrken af den integrerede gearaksel yderligere, som vist i test (se grafen nederst til højre). Fig.1. Herone, der er udviklet i samarbejde med Victrex og ILK, bruger indsprøjtningstryk under overstøbning til at skabe en formlåsende kontur i den integrerede gearaksel (øverst). Denne sprøjteformende proces gør det muligt for den integrerede gearaksel med formlåsning (grøn kurve på grafen) at opretholde et højere drejningsmoment i forhold til en overstøbt gear-drivaksel uden formlåsning (sort kurve på grafen).
"Mange mennesker opnår sammenhængende smeltebinding under overstøbning," siger Garthaus, "og andre bruger formlåsning i kompositter, men nøglen er at kombinere begge i en enkelt, automatiseret proces."Han forklarer, at for testresultaterne i fig. 1 blev både akslen og hele omkredsen af gearet fastspændt separat og derefter roteret for at fremkalde forskydningsbelastning.Den første fejl på grafen er markeret med en cirkel for at angive, at den er til et overstøbt PEEK gear uden formlåsning.Den anden fejl er markeret med en krympet cirkel, der ligner en stjerne, hvilket indikerer test af et overstøbt gear med formlåsning."I dette tilfælde har du både en sammenhængende og formlåst sammenføjning," siger Garthaus, "og du opnår næsten en stigning på 44 % i momentbelastningen."Udfordringen nu, siger han, er at få formlåsningen til at optage belastningen på et tidligere tidspunkt for yderligere at øge det moment, som denne gearaksel vil klare før fejl.
En vigtig pointe ved den konturform-låsning, som herone opnår med sin sprøjteformning, er, at den er helt skræddersyet til den enkelte del og den belastning, den del skal tåle.For eksempel i gearakslen er formlåsningen periferisk, men i træk-kompressionsstiverne nedenfor er den aksial."Derfor er det, vi har udviklet, en bredere tilgang," siger Garthaus."Hvordan vi integrerer funktioner og dele afhænger af den enkelte applikation, men jo mere vi kan gøre dette, jo mere vægt og omkostninger kan vi spare."
Også den kortfiberforstærkede keton, der bruges i overstøbte funktionelle elementer som tandhjul, giver fremragende slidoverflader.Victrex har bevist dette og markedsfører faktisk dette faktum for sine PEEK- og PAEK-materialer.
Barfuss påpeger, at den integrerede gearaksel, som blev anerkendt med en 2019 JEC World Innovation Award i luft- og rumfartskategorien, er en "demonstration af vores tilgang, ikke kun en proces fokuseret på en enkelt applikation.Vi ønskede at undersøge, hvor meget vi kunne strømline fremstillingen og udnytte egenskaberne ved TPC'er til at producere funktionaliserede, integrerede strukturer."Virksomheden optimerer i øjeblikket træk-kompressionsstænger, der anvendes i applikationer som stivere.
Fig. 3 Træk-kompressionsstiver Sprøjteformningen udvides til stivere, hvor herone overstøber et metallastoverførselselement ind i delstrukturen ved hjælp af aksial formlåsning for at øge samlingsstyrken.
Det funktionelle element for træk-kompressionsstiverne er en metallisk grænsefladedel, der overfører belastninger til og fra metalgaflen til kompositrøret (se illustrationen nedenfor).Sprøjteformning bruges til at integrere det metalliske belastningsindføringselement i kompositstiverlegemet.
"Den største fordel, vi giver, er at reducere antallet af dele," bemærker han."Dette forenkler træthed, hvilket er en stor udfordring for flystivere.Formlåsning bruges allerede i hærdeplastkompositter med plast- eller metalindsats, men der er ingen sammenhængende binding, så du kan få en lille bevægelse mellem delene.Vores tilgang giver dog en samlet struktur uden en sådan bevægelse."
Garthaus nævner skadestolerance som en anden udfordring for disse dele."Du skal påvirke stiverne og derefter lave træthedstest," forklarer han."Fordi vi bruger højtydende termoplastiske matrixmaterialer, kan vi opnå så meget som 40 % højere skadetolerance i forhold til termohærdende, og også eventuelle mikrorevner fra stød vokser mindre med udmattelsesbelastning."
Selvom demonstrationsstivere viser en metalindsats, er herone i øjeblikket ved at udvikle en helt termoplastisk løsning, der muliggør sammenhængende binding mellem kompositstiverkroppen og lastindføringselementet."Når vi kan, foretrækker vi at forblive helt sammensatte og justere egenskaberne ved at ændre typen af fiberforstærkning, herunder kulstof, glas, kontinuerlige og korte fibre," siger Garthaus.”På denne måde minimerer vi kompleksitet og grænsefladeproblemer.For eksempel har vi meget færre problemer sammenlignet med at kombinere hærdeplast og termoplast.”Derudover er bindingen mellem PAEK og PEEK blevet testet af Tri-Mack med resultater, der viser, at den har 85 % af styrken af et basis ensrettet CF/PAEK-laminat og er dobbelt så stærk som klæbende bindinger ved brug af industristandard epoxyfilmklæbemiddel.
Barfuss siger, at herone nu har ni ansatte og går fra en leverandør af teknologiudvikling til en leverandør af luftfartsdele.Det næste store skridt er udviklingen af en ny fabrik i Dresden."I slutningen af 2020 vil vi have et pilotanlæg, der producerer første seriedele," siger han."Vi arbejder allerede med luftfarts-OEM'er og vigtige Tier 1-leverandører og demonstrerer design til mange forskellige typer applikationer."
Virksomheden arbejder også med eVTOL-leverandører og en række samarbejdspartnere i USA. Efterhånden som herone modner luftfartsapplikationer, får den også produktionserfaring med sportsudstyrsapplikationer, herunder flagermus og cykelkomponenter."Vores teknologi kan producere en lang række komplekse dele med ydeevne, cyklustid og omkostningsfordele," siger Garthaus."Vores cyklustid ved brug af PEEK er 20 minutter, mod 240 minutter med autoklavehærdet prepreg.Vi ser et bredt felt af muligheder, men i øjeblikket er vores fokus på at få vores første applikationer i produktion og demonstrere værdien af sådanne dele til markedet."
Herone vil også præsentere ved Carbon Fiber 2019. Lær mere om begivenheden på carbonfiberevent.com.
Med fokus på at optimere traditionel håndoplægning, kaster fabrikanter af nacelle- og thrust reverser et øje på fremtidig brug af automatisering og lukket støbning.
Flyvåbensystem opnår den høje ydeevne af carbon/epoxy med effektiviteten af kompressionsstøbning.
Metoder til at beregne den påvirkning, kompositter har på miljøet, muliggør datadrevne sammenligninger med traditionelle materialer på lige vilkår.
Indlægstid: 19. august 2019