Combinando cinta trenzada, sobremoldeado y bloqueo de forma, herone produce un eje de transmisión de engranajes de una sola pieza y de alto torque como demostrador para una amplia gama de aplicaciones.
Eje de transmisión de engranajes compuesto unificado.Herone utiliza cintas preimpregnadas de compuestos termoplásticos trenzados como preformas para un proceso que consolida el laminado del eje de transmisión y sobremolde elementos funcionales como engranajes, produciendo estructuras unificadas que reducen el peso, el número de piezas, el tiempo de montaje y el coste.Fuente de todas las imágenes |heroína
Las proyecciones actuales exigen que la flota de aviones comerciales se duplique en los próximos 20 años.Para adaptarse a esto, las tasas de producción en 2019 para aviones de fuselaje ancho con uso intensivo de compuestos varían de 10 a 14 por mes por OEM, mientras que los aviones de fuselaje estrecho ya han aumentado a 60 por mes por OEM.Airbus está trabajando específicamente con proveedores para cambiar las piezas preimpregnadas tradicionales pero que consumen mucho tiempo en el A320 por piezas fabricadas mediante procesos más rápidos con ciclos de 20 minutos, como el moldeo por transferencia de resina a alta presión (HP-RTM), ayudando así a que Los proveedores se enfrentan a un nuevo impulso hacia los 100 aviones al mes.Mientras tanto, el mercado emergente de transporte y movilidad aérea urbana pronostica una necesidad de 3.000 aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (EVTOL) por año (250 por mes).
"La industria requiere tecnologías de producción automatizadas con tiempos de ciclo más cortos que también permitan integrar funciones que ofrecen los compuestos termoplásticos", dice Daniel Barfuss, cofundador y socio director de herone (Dresde, Alemania), una empresa de tecnología de compuestos y fabricación de piezas. empresa que utiliza materiales de matriz termoplástica de alto rendimiento, desde polifenilensulfuro (PPS) hasta polieteretercetona (PEEK), polietercetonacetona (PEKK) y poliariletercetona (PAEK)."Nuestro principal objetivo es combinar el alto rendimiento de los compuestos termoplásticos (TPC) con un menor coste, para permitir piezas personalizadas para una variedad más amplia de aplicaciones de fabricación en serie y nuevas aplicaciones", añade el Dr. Christian Garthaus, segundo cofundador y director de herone. pareja.
Para lograr esto, la compañía ha desarrollado un nuevo enfoque, comenzando con cintas de fibra continua completamente impregnadas, trenzando estas cintas para formar una preforma hueca "organoTube" y consolidando los organoTubes en perfiles con secciones transversales y formas variables.En un paso posterior del proceso, utiliza la soldabilidad y la termoformabilidad de los TPC para integrar elementos funcionales como engranajes compuestos en ejes de transmisión, terminales en tuberías o elementos de transferencia de carga en puntales de tracción y compresión.Barfuss añade que existe la opción de utilizar un proceso de moldeo híbrido, desarrollado por el proveedor de matriz cetónica Victrex (Cleveleys, Lancashire, Reino Unido) y el proveedor de piezas Tri-Mack (Bristol, Rhode Island, EE. UU.), que utiliza cinta PAEK con una temperatura de fusión más baja para los perfiles. y PEEK para el sobremoldeo, lo que permite fusionar un solo material a lo largo de la unión (consulte “El sobremoldeo amplía la gama de PEEK en compuestos”)."Nuestra adaptación también permite el bloqueo de forma geométrica", añade, "lo que produce estructuras integradas que pueden soportar cargas aún mayores".
El proceso de herone comienza con cintas termoplásticas reforzadas con fibra de carbono totalmente impregnadas que se trenzan en organotubos y se consolidan."Empezamos a trabajar con estos organoTubes hace 10 años, desarrollando tubos hidráulicos compuestos para la aviación", dice Garthaus.Explica que como no hay dos tubos hidráulicos de avión que tengan la misma geometría, se necesitaría un molde para cada uno, utilizando la tecnología existente.“Necesitábamos una tubería que pudiera posprocesarse para lograr la geometría de tubería individual.Entonces, la idea era hacer perfiles compuestos continuos y luego doblarlos mediante CNC en las geometrías deseadas”.
Fig. 2 Las cintas preimpregnadas trenzadas proporcionan preformas con forma de red llamadas organotubos para el proceso de formación por inyección de herone y permiten la producción de varias formas.
Esto suena similar a lo que está haciendo Sigma Precision Components (Hinckley, Reino Unido) (ver “Reparación de motores de avión con tubos compuestos”) con su revestimiento de motor de fibra de carbono/PEEK."Están analizando piezas similares pero utilizan un método de consolidación diferente", explica Garthaus."Con nuestro enfoque, vemos potencial para un mayor rendimiento, como menos del 2% de porosidad para las estructuras aeroespaciales".
Doctorado de Garthaus.El trabajo de tesis en el ILK exploró el uso de pultrusión continua de compuestos termoplásticos (TPC) para producir tubos trenzados, lo que dio como resultado un proceso patentado de fabricación continua para tubos y perfiles de TPC.Sin embargo, por ahora, herone ha optado por trabajar con proveedores y clientes de aviación mediante un proceso de moldeo discontinuo."Esto nos da la libertad de crear distintas formas, incluidos perfiles curvos y aquellos con sección transversal variable, así como aplicar parches locales y caídas de capas", explica.“Estamos trabajando para automatizar el proceso de integración de parches locales y luego co-consolidarlos con el perfil compuesto.Básicamente, todo lo que se puede hacer con laminados planos y carcasas, lo podemos hacer con tubos y perfiles”.
En realidad, fabricar estos perfiles huecos de TPC fue uno de los desafíos más difíciles, afirma Garthaus.“No se puede estampar ni moldear por soplado con una vejiga de silicona;entonces, tuvimos que desarrollar un nuevo proceso”.Pero este proceso permite piezas basadas en tubos y ejes adaptables y de muy alto rendimiento, señala.También permitió utilizar el moldeo híbrido que desarrolló Victrex, donde el PAEK de temperatura de fusión más baja se sobremoldea con PEEK, consolidando la organolámina y el moldeo por inyección en un solo paso.
Otro aspecto notable del uso de preformas de cinta trenzada de organoTube es que producen muy pocos residuos."Con el trenzado, tenemos menos del 2 % de desperdicio y, como se trata de cinta TPC, podemos utilizar esta pequeña cantidad de desperdicio nuevamente en el sobremolde para lograr una tasa de utilización del material de hasta el 100 %", enfatiza Garthaus.
Barfuss y Garthaus comenzaron su trabajo de desarrollo como investigadores en el Instituto de Ingeniería Ligera y Tecnología de Polímeros (ILK) de la Universidad Técnica de Dresde."Este es uno de los mayores institutos europeos de compuestos y diseños híbridos ligeros", señala Barfuss.Él y Garthaus trabajaron allí durante casi 10 años en una serie de desarrollos, incluida la pultrusión continua de TPC y diferentes tipos de unión.Ese trabajo finalmente se destiló en lo que ahora es la exclusiva tecnología de proceso TPC.
"Luego presentamos nuestra solicitud para el programa alemán EXIST, que tiene como objetivo transferir esta tecnología a la industria y financia entre 40 y 60 proyectos cada año en una amplia gama de campos de investigación", dice Barfuss."Recibimos financiación para bienes de capital, cuatro empleados e inversiones para el siguiente paso de ampliación".Formaron herone en mayo de 2018 después de exponer en JEC World.
Para JEC World 2019, herone había producido una gama de piezas de demostración, incluido un eje de transmisión de engranajes integrado, liviano y de alto torque."Utilizamos un organoTube de cinta de fibra de carbono/PAEK trenzado en los ángulos requeridos por la pieza y lo consolidamos en un tubo", explica Barfuss."Luego precalentamos el tubo a 200°C y lo sobremoldeamos con un engranaje fabricado inyectando PEEK corto reforzado con fibra de carbono a 380°C".El sobremoldeado se modeló utilizando Moldflow Insight de Autodesk (San Rafael, California, EE. UU.).El tiempo de llenado del molde se optimizó a 40,5 segundos y se logró utilizando una máquina de moldeo por inyección ALLROUNDER de Arburg (Lossburg, Alemania).
Este sobremoldeado no sólo reduce los costos de ensamblaje, los pasos de fabricación y la logística, sino que también mejora el rendimiento.La diferencia de 40°C entre la temperatura de fusión del eje de PAEK y la del engranaje de PEEK sobremoldeado permite una unión fundida cohesiva entre los dos a nivel molecular.Un segundo tipo de mecanismo de unión, el bloqueo de forma, se logra utilizando la presión de inyección para termoformar simultáneamente el eje durante el sobremoldeo para crear un contorno de bloqueo de forma.Esto se puede ver en la Fig. 1 a continuación como "formación de inyección".Crea una circunferencia corrugada o sinusoidal donde se une el engranaje frente a una sección transversal circular suave, lo que da como resultado una forma de bloqueo geométrico.Esto mejora aún más la resistencia del eje de engranajes integrado, como se demostró en las pruebas (ver gráfico en la parte inferior derecha).Fig.1. Desarrollado en colaboración con Victrex e ILK, herone utiliza presión de inyección durante el sobremoldeo para crear un contorno de bloqueo de forma en el eje de engranajes integrado (arriba). Este proceso de formación de inyección permite que el eje de engranajes integrado con bloqueo de forma (curva verde en el gráfico) Sostiene un par más alto en comparación con un eje de transmisión de engranajes sobremoldeado sin bloqueo de forma (curva negra en el gráfico).
"Mucha gente está logrando una unión fundida cohesiva durante el sobremoldeado", dice Garthaus, "y otros están utilizando el bloqueo de forma en compuestos, pero la clave es combinar ambos en un solo proceso automatizado".Explica que para los resultados de la prueba en la Fig. 1, tanto el eje como la circunferencia completa del engranaje se sujetaron por separado y luego se rotaron para inducir una carga de corte.La primera falla en el gráfico está marcada con un círculo para indicar que se trata de un engranaje PEEK sobremoldeado sin bloqueo de forma.La segunda falla está marcada por un círculo ondulado que se asemeja a una estrella, lo que indica una prueba de un engranaje sobremoldeado con bloqueo de forma."En este caso, se tiene una unión cohesiva y de forma bloqueada", dice Garthaus, "y se obtiene casi un aumento del 44 % en la carga de torsión".El desafío ahora, dice, es lograr que el bloqueo de forma asuma la carga en una etapa más temprana para aumentar aún más el torque que este eje de engranajes manejará antes de fallar.
Un punto importante sobre el bloqueo del contorno que se logra con el moldeado por inyección es que se adapta completamente a la pieza individual y a la carga que debe soportar esa pieza.Por ejemplo, en el eje de engranajes, el bloqueo de forma es circunferencial, pero en los puntales de tensión-compresión inferiores es axial."Por eso hemos desarrollado un enfoque más amplio", afirma Garthaus."La forma en que integramos funciones y piezas depende de la aplicación individual, pero cuanto más podamos hacer esto, más peso y costos podremos ahorrar".
Además, la cetona reforzada con fibra corta utilizada en elementos funcionales sobremoldeados, como engranajes, proporciona excelentes superficies de desgaste.Victrex lo ha demostrado y, de hecho, lo comercializa para sus materiales PEEK y PAEK.
Barfuss señala que el eje de engranaje integrado, que fue reconocido con el Premio Mundial a la Innovación JEC 2019 en la categoría aeroespacial, es una “demostración de nuestro enfoque, no solo un proceso centrado en una sola aplicación.Queríamos explorar hasta qué punto podíamos agilizar la fabricación y explotar las propiedades de los TPC para producir estructuras integradas y funcionalizadas”.Actualmente, la empresa está optimizando las varillas de tensión-compresión, utilizadas en aplicaciones como puntales.
Fig. 3 Puntales de tensión-compresión La conformación por inyección se extiende a los puntales, donde uno sobremoldea un elemento metálico de transferencia de carga en la estructura de la pieza utilizando un bloqueo de forma axial para aumentar la resistencia de la unión.
El elemento funcional de los puntales de tracción y compresión es una pieza de interfaz metálica que transfiere cargas hacia y desde la horquilla metálica al tubo compuesto (ver ilustración a continuación).La conformación por inyección se utiliza para integrar el elemento metálico de introducción de carga en el cuerpo de puntal compuesto.
"El principal beneficio que ofrecemos es la disminución del número de piezas", señala.“Esto simplifica la fatiga, que es un gran desafío para las aplicaciones de puntales de aviones.El bloqueo de forma ya se utiliza en compuestos termoestables con un inserto de plástico o metal, pero no existe una unión cohesiva, por lo que se puede lograr un ligero movimiento entre las piezas.Nuestro enfoque, sin embargo, proporciona una estructura unificada sin tal movimiento”.
Garthaus cita la tolerancia al daño como otro desafío para estas piezas."Hay que impactar los puntales y luego realizar pruebas de fatiga", explica."Debido a que utilizamos materiales de matriz termoplástica de alto rendimiento, podemos lograr hasta un 40% más de tolerancia al daño en comparación con los termoestables, y también cualquier microfisura por impacto disminuye con la carga de fatiga".
Aunque los puntales de demostración muestran un inserto metálico, herone está desarrollando actualmente una solución totalmente termoplástica, que permite la unión cohesiva entre el cuerpo compuesto del puntal y el elemento de introducción de carga."Cuando podemos, preferimos seguir siendo totalmente compuestos y ajustar las propiedades alterando el tipo de refuerzo de fibra, incluyendo carbono, vidrio, fibra continua y corta", dice Garthaus.“De esta manera minimizamos la complejidad y los problemas de interfaz.Por ejemplo, tenemos muchos menos problemas en comparación con la combinación de termoestables y termoplásticos”.Además, Tri-Mack ha probado la unión entre PAEK y PEEK y los resultados muestran que tiene el 85% de la resistencia de un laminado CF/PAEK unidireccional base y es dos veces más fuerte que las uniones adhesivas que utilizan un adhesivo de película epoxi estándar de la industria.
Barfuss dice que ahora tiene nueve empleados y está pasando de ser un proveedor de desarrollo de tecnología a un proveedor de piezas de aviación.Su próximo gran paso es el desarrollo de una nueva fábrica en Dresde.“A finales de 2020 tendremos una planta piloto que producirá las primeras piezas de serie”, afirma."Ya estamos trabajando con fabricantes de equipos originales de aviación y proveedores clave de nivel 1, demostrando diseños para muchos tipos diferentes de aplicaciones".
La compañía también está trabajando con proveedores de eVTOL y una variedad de colaboradores en los EE. UU. A medida que herone madura en aplicaciones de aviación, también está ganando experiencia en fabricación con aplicaciones de artículos deportivos, incluidos murciélagos y componentes de bicicletas."Nuestra tecnología puede producir una amplia gama de piezas complejas con beneficios de rendimiento, tiempo de ciclo y costes", afirma Garthaus.“Nuestro tiempo de ciclo con PEEK es de 20 minutos, frente a 240 minutos con el preimpregnado curado en autoclave.Vemos un amplio campo de oportunidades, pero por ahora, nuestro enfoque es poner en producción nuestras primeras aplicaciones y demostrar el valor de dichas piezas al mercado”.
Herone también estará presente en Carbon Fiber 2019. Obtenga más información sobre el evento en carbonfiberevent.com.
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Hora de publicación: 19-ago-2019