Durch die Kombination von geflochtenem Band, Umspritzen und Formschluss stellt herone eine einteilige Getriebe-Antriebswelle mit hohem Drehmoment als Demonstrator für ein breites Anwendungsspektrum her.
Getriebe-Antriebswelle aus Verbundwerkstoff.Herone verwendet geflochtene Prepreg-Bänder aus thermoplastischem Verbundwerkstoff als Vorformlinge für einen Prozess, der das Antriebswellenlaminat konsolidiert und Funktionselemente wie Zahnräder umspritzt, wodurch einheitliche Strukturen entstehen, die Gewicht, Teileanzahl, Montagezeit und Kosten reduzieren.Quelle für alle Bilder |Heron
Aktuelle Prognosen gehen von einer Verdoppelung der Verkehrsflugzeugflotte in den nächsten 20 Jahren aus.Um dem Rechnung zu tragen, schwanken die Produktionsraten für Verbundwerkstoff-intensive Großraumflugzeuge im Jahr 2019 zwischen 10 und 14 pro Monat und OEM, während die Produktionsraten für Narrowbodys bereits auf 60 pro Monat und OEM angestiegen sind.Airbus arbeitet insbesondere mit Zulieferern zusammen, um die traditionellen, aber zeitintensiven, von Hand aufgelegten Prepreg-Teile beim A320 auf Teile umzustellen, die in schnelleren 20-Minuten-Zyklusprozessen wie dem Hochdruck-Harz-Transfer-Formverfahren (HP-RTM) hergestellt werden, und hilft so dem Teil Zulieferer erleben einen weiteren Vorstoß in Richtung 100 Flugzeuge pro Monat.Unterdessen prognostiziert der aufstrebende städtische Luftmobilitäts- und Transportmarkt einen Bedarf an 3.000 vertikal startenden und landenden Elektroflugzeugen (EVTOL) pro Jahr (250 pro Monat).
„Die Industrie benötigt automatisierte Produktionstechnologien mit verkürzten Zykluszeiten, die auch die Integration von Funktionen ermöglichen, die thermoplastische Verbundwerkstoffe bieten“, sagt Daniel Barfuß, Mitbegründer und geschäftsführender Gesellschafter von herone (Dresden, Deutschland), einem Verbundtechnologie- und Teilehersteller Unternehmen, das leistungsstarke thermoplastische Matrixmaterialien von Polyphenylensulfid (PPS) über Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketonketon (PEKK) bis hin zu Polyaryletherketon (PAEK) verwendet.„Unser Hauptziel ist es, die hohe Leistung thermoplastischer Verbundwerkstoffe (TPCs) mit geringeren Kosten zu kombinieren, um maßgeschneiderte Teile für eine größere Vielfalt von Serienfertigungsanwendungen und neuen Anwendungen zu ermöglichen“, fügt Dr. Christian Garthaus, zweiter Mitbegründer und Geschäftsführer von herone, hinzu Partner.
Um dies zu erreichen, hat das Unternehmen einen neuen Ansatz entwickelt, der mit vollständig imprägnierten Endlosfaserbändern beginnt, diese Bänder zu einem hohlen Vorformling „OrganoTube“ flechtet und die OrganoTubes zu Profilen mit variablen Querschnitten und Formen konsolidiert.In einem anschließenden Prozessschritt nutzt es die Schweiß- und Thermoformbarkeit von TPCs, um Funktionselemente wie Verbundzahnräder auf Antriebswellen, Endstücke auf Rohren oder Lastübertragungselemente in Zug-Druck-Streben zu integrieren.Barfuss fügt hinzu, dass es die Möglichkeit gibt, ein Hybridformverfahren zu verwenden – entwickelt vom Ketonmatrixlieferanten Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) und dem Teilelieferanten Tri-Mack (Bristol, RI, USA) –, bei dem PAEK-Bänder mit niedrigerer Schmelztemperatur für die Profile verwendet werden und PEEK für die Umspritzung, was ein verschmolzenes, einheitliches Material über die gesamte Verbindungsstelle ermöglicht (siehe „Umspritzen erweitert PEEKs Angebot an Verbundwerkstoffen“).„Unsere Adaption ermöglicht auch einen geometrischen Formschluss“, fügt er hinzu, „der zu integrierten Strukturen führt, die noch höheren Belastungen standhalten.“
Der Herone-Prozess beginnt mit vollständig imprägnierten kohlenstofffaserverstärkten Thermoplastbändern, die zu OrganoTubes geflochten und verfestigt werden.„Wir haben vor zehn Jahren begonnen, mit diesen OrganoTubes zu arbeiten und hydraulische Verbundrohre für die Luftfahrt zu entwickeln“, sagt Garthaus.Er erklärt, dass, da keine zwei Flugzeughydraulikrohre die gleiche Geometrie haben, unter Verwendung der vorhandenen Technologie für jedes einzelne eine Form erforderlich wäre.„Wir brauchten ein Rohr, das nachbearbeitet werden konnte, um die individuelle Rohrgeometrie zu erreichen.Die Idee bestand also darin, durchgehende Verbundprofile herzustellen und diese dann per CNC in die gewünschten Geometrien zu biegen.“
Abb. 2 Geflochtene Prepreg-Bänder liefern netzförmige Vorformen, sogenannte OrganoTubes, für den Spritzgussprozess von Herone und ermöglichen die Herstellung verschiedener Formen.
Das klingt ähnlich wie das, was Sigma Precision Components (Hinckley, Großbritannien) mit seiner Kohlefaser/PEEK-Triebwerksausrüstung macht (siehe „Neugestaltung von Flugzeugtriebwerken mit Verbundrohren“).„Sie betrachten ähnliche Teile, verwenden aber eine andere Konsolidierungsmethode“, erklärt Garthaus.„Mit unserem Ansatz sehen wir Potenzial für eine Leistungssteigerung, beispielsweise eine Porosität von weniger als 2 % für Luft- und Raumfahrtstrukturen.“
Garthaus‘ Ph.D.In seiner Abschlussarbeit am ILK wurde die Verwendung der kontinuierlichen Pultrusion aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen (TPC) zur Herstellung von geflochtenen Rohren untersucht, was zu einem patentierten kontinuierlichen Herstellungsverfahren für TPC-Rohre und -Profile führte.Allerdings hat sich herone vorerst für die Zusammenarbeit mit Luftfahrtzulieferern und -kunden im diskontinuierlichen Formverfahren entschieden.„Das gibt uns die Freiheit, alle verschiedenen Formen herzustellen, einschließlich gebogener Profile und solcher mit unterschiedlichem Querschnitt, sowie lokale Flicken und Lagenabfälle anzubringen“, erklärt er.„Wir arbeiten daran, den Prozess zur Integration lokaler Patches zu automatisieren und sie dann gemeinsam mit dem Verbundprofil zu konsolidieren.Im Grunde alles, was man mit flachen Laminaten und Schalen machen kann, können wir auch für Rohre und Profile machen.“
Die Herstellung dieser TPC-Hohlprofile sei tatsächlich eine der größten Herausforderungen gewesen, sagt Garthaus.„Sie können kein Stempelformen oder Blasformen mit einer Silikonblase verwenden;Also mussten wir einen neuen Prozess entwickeln.“Aber dieses Verfahren ermögliche sehr leistungsstarke und anpassbare Teile auf Rohr- und Wellenbasis, stellt er fest.Es ermöglichte auch die Verwendung des von Victrex entwickelten Hybridformens, bei dem PAEK mit niedrigerer Schmelztemperatur mit PEEK umspritzt wird, wodurch das Organoblech konsolidiert und der Spritzguss in einem einzigen Schritt durchgeführt wird.
Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt bei der Verwendung von OrganoTube-Geflechtband-Vorformlingen ist, dass sie sehr wenig Abfall produzieren.„Beim Flechten haben wir weniger als 2 % Abfall, und da es sich um TPC-Band handelt, können wir diese kleine Abfallmenge wieder beim Umspritzen verwenden, um die Materialausnutzung auf bis zu 100 % zu steigern“, betont Garthaus.
Barfuß und Garthaus begannen ihre Entwicklungsarbeit als Forscher am Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK) der TU Dresden.„Dies ist eines der größten europäischen Institute für Verbundwerkstoffe und hybride Leichtbaukonstruktionen“, sagt Barfuß.Er und Garthaus arbeiteten dort fast zehn Jahre lang an einer Reihe von Entwicklungen, darunter der kontinuierlichen TPC-Pultrusion und verschiedenen Verbindungsarten.Diese Arbeit wurde schließlich in die heutige herone TPC-Prozesstechnologie umgewandelt.
„Wir haben uns dann beim deutschen EXIST-Programm beworben, das den Technologietransfer in die Industrie zum Ziel hat und jedes Jahr 40 bis 60 Projekte in den unterschiedlichsten Forschungsfeldern fördert“, sagt Barfuß.„Wir haben Mittel für Investitionsgüter, vier Mitarbeiter und Investitionen für den nächsten Schritt der Skalierung erhalten.“Sie gründeten herone im Mai 2018 nach einer Ausstellung auf der JEC World.
Bis zur JEC World 2019 hatte herone eine Reihe von Demonstrationsteilen produziert, darunter eine leichte, drehmomentstarke, integrierte Getriebeantriebswelle oder Getriebewelle.„Wir verwenden ein OrganoTube aus Kohlefaser/PAEK-Band, das in den für das Teil erforderlichen Winkeln geflochten ist, und konsolidieren es zu einem Rohr“, erklärt Barfuß.„Anschließend heizen wir das Rohr auf 200 °C vor und umspritzen es mit einem Zahnrad, das durch Einspritzen von mit kurzen Kohlenstofffasern verstärktem PEEK bei 380 °C hergestellt wird.“Die Umspritzung wurde mit Moldflow Insight von Autodesk (San Rafael, Kalifornien, USA) modelliert.Die Formfüllzeit wurde auf 40,5 Sekunden optimiert und mit einer ALLROUNDER-Spritzgießmaschine von Arburg (Loßburg, Deutschland) erreicht.
Dieses Umspritzen reduziert nicht nur Montagekosten, Fertigungsschritte und Logistik, sondern steigert auch die Leistung.Der Unterschied von 40 °C zwischen der Schmelztemperatur der PAEK-Welle und der des umspritzten PEEK-Zahnrads ermöglicht eine kohäsive Schmelzbindung zwischen beiden auf molekularer Ebene.Eine zweite Art des Fügemechanismus, der Formschluss, wird dadurch erreicht, dass beim Umspritzen der Schaft durch den Einspritzdruck gleichzeitig tiefgezogen wird, um eine formschlüssige Kontur zu erzeugen.Dies ist in Abb. 1 unten als „Injektionsformung“ zu sehen.Es erzeugt einen gewellten oder sinusförmigen Umfang an der Stelle, an der das Zahnrad verbunden ist, gegenüber einem glatten kreisförmigen Querschnitt, was zu einer geometrisch verriegelnden Form führt.Dadurch wird die Festigkeit der integrierten Getriebewelle weiter erhöht, wie Tests gezeigt haben (siehe Grafik unten rechts).Abb.1. Herone wurde in Zusammenarbeit mit Victrex und ILK entwickelt und nutzt den Spritzdruck beim Umspritzen, um eine formschlüssige Kontur in der integrierten Getriebewelle (oben) zu erzeugen. Durch diesen Spritzgussprozess kann die integrierte Getriebewelle formschlüssig (grüne Kurve im Diagramm) werden Halten Sie ein höheres Drehmoment aufrecht im Vergleich zu einer umspritzten Getriebe-Antriebswelle ohne Formschluss (schwarze Kurve im Diagramm).
„Viele Menschen erreichen beim Umspritzen eine kohäsive Schmelzverbindung“, sagt Garthaus, „und andere nutzen Formschluss bei Verbundwerkstoffen, aber der Schlüssel liegt darin, beides in einem einzigen, automatisierten Prozess zu kombinieren.“Er erklärt, dass für die Testergebnisse in Abb. 1 sowohl die Welle als auch der gesamte Umfang des Zahnrads separat eingespannt und dann gedreht wurden, um eine Scherbelastung zu induzieren.Der erste Fehler in der Grafik ist durch einen Kreis markiert, um anzuzeigen, dass es sich um ein umspritztes PEEK-Zahnrad ohne Formschluss handelt.Der zweite Fehler ist durch einen gekräuselten Kreis gekennzeichnet, der einem Stern ähnelt, was auf die Prüfung eines umspritzten Zahnrads mit Formschluss hinweist.„In diesem Fall entsteht sowohl eine stoffschlüssige als auch eine formschlüssige Verbindung“, sagt Garthaus, „und die Drehmomentbelastung steigt um fast 44 %.“Die Herausforderung bestehe nun darin, den Formschluss zu einem früheren Zeitpunkt in die Lage zu versetzen, die Last aufzunehmen, um das Drehmoment, das diese Getriebewelle bewältigen kann, noch weiter zu erhöhen, bevor sie ausfällt.
Ein wichtiger Punkt des Konturformschlusses, den herone durch das Spritzgießen erreicht, ist, dass er vollständig auf das einzelne Teil und die Belastung abgestimmt ist, der dieses Teil standhalten muss.Beispielsweise ist der Formschluss bei der Getriebewelle umlaufend, bei den Zug-Druck-Streben darunter jedoch axial.„Deshalb haben wir einen breiteren Ansatz entwickelt“, sagt Garthaus.„Wie wir Funktionen und Teile integrieren, hängt von der jeweiligen Anwendung ab, aber je mehr wir das können, desto mehr Gewicht und Kosten können wir einsparen.“
Darüber hinaus sorgt das kurzfaserverstärkte Keton, das in umspritzten Funktionselementen wie Zahnrädern verwendet wird, für hervorragende Verschleißoberflächen.Victrex hat dies bewiesen und vermarktet diese Tatsache auch für seine PEEK- und PAEK-Materialien.
Barfuss weist darauf hin, dass die integrierte Getriebewelle, die 2019 mit dem JEC World Innovation Award in der Kategorie Luft- und Raumfahrt ausgezeichnet wurde, eine „Demonstration unseres Ansatzes und nicht nur ein Prozess ist, der sich auf eine einzelne Anwendung konzentriert.“Wir wollten herausfinden, wie sehr wir die Herstellung rationalisieren und die Eigenschaften von TPCs nutzen können, um funktionalisierte, integrierte Strukturen herzustellen.“Das Unternehmen optimiert derzeit Zug-Druck-Stäbe, die beispielsweise in Streben zum Einsatz kommen.
Abb. 3 Zug-Druck-StrebenDas Spritzgießen wird auf Streben ausgeweitet, bei denen Herone ein metallisches Lastübertragungselement durch axialen Formschluss in die Teilestruktur einformt, um die Verbindungsfestigkeit zu erhöhen.
Das Funktionselement für die Zug-Druckstreben ist ein metallisches Schnittstellenteil, das Lasten von und zur Metallgabel auf das Verbundrohr überträgt (siehe Abbildung unten).Durch Spritzgießen wird das metallische Lasteinleitungselement in den Verbundstrebenkörper integriert.
„Der Hauptvorteil, den wir bieten, besteht darin, die Anzahl der Teile zu verringern“, stellt er fest.„Dies verringert die Ermüdungserscheinungen, die bei Flugzeug-Strebenanwendungen eine große Herausforderung darstellen.Bei duroplastischen Verbundwerkstoffen mit einer Kunststoff- oder Metalleinlage kommt der Formschluss bereits zum Einsatz, es erfolgt jedoch keine stoffschlüssige Verbindung, sodass es zu einer leichten Bewegung zwischen den Teilen kommen kann.Unser Ansatz bietet jedoch eine einheitliche Struktur ohne eine solche Bewegung.“
Als weitere Herausforderung für diese Teile nennt Garthaus die Schadenstoleranz.„Man muss auf die Streben einwirken und dann Ermüdungstests durchführen“, erklärt er.„Da wir hochleistungsfähige thermoplastische Matrixmaterialien verwenden, können wir im Vergleich zu Duroplasten eine um bis zu 40 % höhere Schadenstoleranz erreichen, und auch Mikrorisse durch Stöße wachsen bei Ermüdungsbelastung weniger.“
Auch wenn Demonstrationsstreben eine Metalleinlage aufweisen, entwickelt Herone derzeit eine vollständig thermoplastische Lösung, die eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbundstrebenkörper und dem Lasteinleitungselement ermöglicht.„Wenn wir können, bleiben wir lieber vollständig aus Verbundwerkstoffen und passen die Eigenschaften an, indem wir die Art der Faserverstärkung ändern, einschließlich Kohlenstoff-, Glas-, Endlos- und Kurzfasern“, sagt Garthaus.„Auf diese Weise minimieren wir Komplexität und Schnittstellenprobleme.Beispielsweise haben wir im Vergleich zur Kombination von Duroplasten und Thermoplasten deutlich weniger Probleme.“Darüber hinaus wurde die Verbindung zwischen PAEK und PEEK von Tri-Mack getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass sie 85 % der Festigkeit eines unidirektionalen CF/PAEK-Basislaminats aufweist und doppelt so stark ist wie Klebeverbindungen mit branchenüblichem Epoxidfilmklebstoff.
Barfuß sagt, Herone habe mittlerweile neun Mitarbeiter und wandele sich von einem Anbieter für Technologieentwicklung zu einem Anbieter von Luftfahrtteilen.Der nächste große Schritt ist der Aufbau einer neuen Fabrik in Dresden.„Bis Ende 2020 werden wir eine Pilotanlage haben, die erste Serienteile produzieren wird“, sagt er.„Wir arbeiten bereits mit Luftfahrt-OEMs und wichtigen Tier-1-Zulieferern zusammen und demonstrieren Designs für viele verschiedene Arten von Anwendungen.“
Das Unternehmen arbeitet auch mit eVTOL-Lieferanten und einer Vielzahl von Kooperationspartnern in den USA zusammen. Während Herone Luftfahrtanwendungen reift, sammelt es auch Fertigungserfahrung mit Sportartikelanwendungen, einschließlich Schlägern und Fahrradkomponenten.„Unsere Technologie kann ein breites Spektrum komplexer Teile mit Leistungs-, Zykluszeit- und Kostenvorteilen produzieren“, sagt Garthaus.„Unsere Zykluszeit mit PEEK beträgt 20 Minuten, im Vergleich zu 240 Minuten mit autoklavgehärtetem Prepreg.Wir sehen ein breites Feld an Möglichkeiten, aber im Moment liegt unser Fokus darauf, unsere ersten Anwendungen in die Produktion zu bringen und den Wert dieser Teile für den Markt zu demonstrieren.“
Herone wird auch auf der Carbon Fiber 2019 präsentieren. Erfahren Sie mehr über die Veranstaltung unter carbonfiberevent.com.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 19. August 2019