هرون با ترکیب نوار بافته، قالب گیری بیش از حد و قفل کردن فرم، میل دنده ای یک تکه و با گشتاور بالا را به عنوان نمایشگر برای طیف وسیعی از کاربردها تولید می کند.
میل دنده کامپوزیت یکپارچه.هرون از نوارهای ترموپلاستیک کامپوزیت پیش‌آغشته بافته شده به عنوان پیش‌فرم برای فرآیندی استفاده می‌کند که ورقه‌ای میل محرک را یکپارچه می‌کند و عناصر کاربردی مانند چرخ دنده‌ها را بیش از حد قالب‌گیری می‌کند و ساختارهای یکپارچه را تولید می‌کند که وزن، تعداد قطعات، زمان مونتاژ و هزینه را کاهش می‌دهد.منبع همه تصاویر |قهرمان
پیش بینی های فعلی نیاز به دو برابر شدن ناوگان هواپیماهای تجاری طی 20 سال آینده دارد.برای تطبیق با این موضوع، نرخ تولید در سال 2019 برای هواپیماهای جت پهن پیکر فشرده کامپوزیت از 10 تا 14 در ماه به ازای هر OEM متغیر است، در حالی که هواپیماهای باریک در حال حاضر به 60 دستگاه در ماه برای هر OEM افزایش یافته است.ایرباس به طور خاص با تامین‌کنندگانی کار می‌کند تا قطعات پیش‌آهنگ سنتی و در عین حال زمان‌بر را در A320 به قطعات ساخته‌شده از طریق فرآیندهای چرخه‌ای سریع‌تر و 20 دقیقه‌ای مانند قالب‌گیری انتقال رزین با فشار بالا (HP-RTM) تغییر دهد، بنابراین به قطعه کمک می‌کند. تامین کنندگان با فشار بیشتری به سمت 100 هواپیما در ماه روبرو می شوند.در همین حال، بازار نوظهور حمل و نقل هوایی و حمل و نقل شهری نیاز به 3000 فروند هواپیمای برخاست و فرود عمودی الکتریکی (EVTOL) در سال (250 در ماه) را پیش بینی می کند.
دانیل بارفوس، یکی از بنیانگذاران و شریک مدیریت هرون (درزدن، آلمان)، یک فناوری کامپوزیت و تولید قطعات، می‌گوید: «صنعت به فناوری‌های تولید خودکار با زمان‌های چرخه کوتاه‌تر نیاز دارد که همچنین امکان یکپارچه‌سازی عملکردها را فراهم می‌کند، که توسط کامپوزیت‌های ترموپلاستیک ارائه می‌شود. شرکتی که از مواد ماتریکس ترموپلاستیک با کارایی بالا از پلی فنیلن سولفید (PPS) تا پلی اترترکتون (PEEK)، پلی اتر کتون کتون (PEKK) و پلی آریل اترکتون (PAEK) استفاده می کند.دکتر کریستین گارتاوس، مؤسس و مدیر دوم هرون، می‌افزاید: «هدف اصلی ما ترکیب عملکرد بالای کامپوزیت‌های ترموپلاستیک (TPC) با هزینه پایین‌تر، برای فعال کردن قطعات متناسب برای طیف گسترده‌تری از کاربردهای ساخت سریال و کاربردهای جدید است. شریک.
برای دستیابی به این هدف، این شرکت رویکرد جدیدی را توسعه داده است، که با نوارهای فیبر کاملا آغشته شده و پیوسته شروع می‌کند، این نوارها را برای تشکیل یک پیش‌فرم توخالی "organoTube" و تثبیت لوله‌های ارگانو به پروفیل‌هایی با سطوح مقطع و شکل‌های متغیر آغاز می‌کند.در مرحله بعدی فرآیند، از جوش‌پذیری و شکل‌پذیری حرارتی TPCها برای ادغام عناصر عملکردی مانند چرخ دنده‌های کامپوزیت روی میل‌های محرک، اتصالات انتهایی روی لوله‌ها یا عناصر انتقال بار در پایه‌های فشاری کششی استفاده می‌کند.Barfuss اضافه می کند که گزینه ای برای استفاده از فرآیند قالب گیری هیبریدی وجود دارد - که توسط تامین کننده ماتریس کتون Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) و تامین کننده قطعات Tri-Mack (بریستول، RI، ایالات متحده) - که از نوار PAEK با دمای ذوب پایین تر برای پروفیل ها استفاده می کند. و PEEK برای قالب گیری بیش از حد، امکان یک ماده ذوب شده و منفرد را در سراسر اتصال فراهم می کند (به "Overmolding محدوده PEEK را در کامپوزیت ها گسترش می دهد" مراجعه کنید).او می افزاید: «انطباق ما همچنین قفل کردن فرم هندسی را امکان پذیر می کند، که ساختارهای یکپارچه ای را تولید می کند که می تواند بارهای بیشتری را تحمل کند.»
فرآیند هرون با نوارهای ترموپلاستیک تقویت شده با فیبر کربن کاملا آغشته شده شروع می شود که در لوله های ارگانو بافته شده و یکپارچه می شوند.Garthaus می‌گوید: ما 10 سال پیش کار با این لوله‌های ارگانو را آغاز کردیم و لوله‌های هیدرولیک کامپوزیت را برای هوانوردی توسعه دادیم.او توضیح می دهد که چون هیچ دو لوله هیدرولیک هواپیما هندسه یکسانی ندارند، با استفاده از فناوری موجود، برای هر کدام یک قالب لازم است.ما به لوله‌ای نیاز داشتیم که بتوان آن را پس‌فرآوری کرد تا به هندسه لوله‌ها دست پیدا کنیم.بنابراین، ایده این بود که پروفیل های کامپوزیت پیوسته بسازیم و سپس CNC آنها را به شکل هندسی مورد نظر خم کنیم.
شکل 2 نوارهای پیش آغشته بافته، پریفرم‌های شبکه‌ای به نام لوله‌های ارگانو را برای فرآیند تشکیل تزریق هرون فراهم می‌کنند و امکان تولید اشکال مختلف را فراهم می‌کنند.
این به نظر شبیه کاری است که Sigma Precision Components (هینکلی، انگلستان) انجام می‌دهد (به «ترمیم موتورهای هوایی با لوله‌های کامپوزیت» مراجعه کنید) با پانسمان موتور فیبر کربن/PEEK.گارتاس توضیح می‌دهد: «آنها به بخش‌های مشابه نگاه می‌کنند اما از روش تلفیق متفاوتی استفاده می‌کنند.با رویکرد ما، پتانسیل افزایش عملکرد، مانند تخلخل کمتر از ۲ درصد برای سازه‌های هوافضا را می‌بینیم.»
دکترای گارتاوسکار پایان نامه در ILK با استفاده از ترموپلاستیک کامپوزیت پیوسته (TPC) برای تولید لوله های بافته شده مورد بررسی قرار گرفت که منجر به یک فرآیند تولید پیوسته ثبت شده برای لوله ها و پروفیل های TPC شد.با این حال، در حال حاضر، هرون انتخاب کرده است که با تامین کنندگان و مشتریان هواپیمایی با استفاده از فرآیند قالب گیری ناپیوسته کار کند.او توضیح می‌دهد: «این به ما این آزادی را می‌دهد که تمام اشکال مختلف، از جمله پروفیل‌های منحنی و آن‌هایی که سطح مقطع متفاوتی دارند، و همچنین استفاده از تکه‌های محلی و لایه‌های ریزش را بسازیم.ما در حال کار برای خودکارسازی فرآیند ادغام وصله‌های محلی و سپس ادغام آنها با نمایه ترکیبی هستیم.اساساً هر کاری که می توانید با لمینت ها و پوسته های تخت انجام دهید، ما می توانیم برای لوله ها و پروفیل ها انجام دهیم.
Garthaus می گوید که ساخت این پروفایل های توخالی TPC در واقع یکی از سخت ترین چالش ها بود.«شما نمی توانید از شکل دهی یا قالب گیری بادی با مثانه سیلیکونی استفاده کنید.بنابراین، ما باید یک فرآیند جدید را توسعه می‌دادیم.»او خاطرنشان می کند، اما این فرآیند قطعات لوله و شافت را با عملکرد بسیار بالا و قابل تنظیم می دهد.همچنین استفاده از قالب‌گیری هیبریدی که Victrex توسعه داده است، که در آن PAEK با دمای ذوب پایین‌تر با PEEK بیش از حد قالب‌گیری می‌شود، ورق و قالب‌گیری تزریقی را در یک مرحله یکپارچه می‌کند.
یکی دیگر از جنبه های قابل توجه استفاده از پریفرم های نوار بافته organoTube این است که زباله های بسیار کمی تولید می کنند.Garthaus تاکید می‌کند: «با بافندگی، کمتر از 2 درصد ضایعات داریم و چون نوار TPC است، می‌توانیم از این مقدار کمی ضایعات دوباره در قالب‌سازی استفاده کنیم تا نرخ استفاده از مواد را تا 100 درصد برسانیم».
Barfuss و Garthaus کار توسعه خود را به عنوان محقق در موسسه مهندسی سبک وزن و فناوری پلیمر (ILK) در TU Dresden آغاز کردند.بارفوس خاطرنشان می کند: «این یکی از بزرگترین مؤسسات اروپایی برای کامپوزیت ها و طراحی های سبک هیبریدی است.او و گارتاس تقریباً 10 سال در آنجا روی تعدادی پیشرفت کار کردند، از جمله انقباض مداوم TPC و انواع مختلف اتصال.این کار در نهایت به آنچه که اکنون فناوری فرآیند herone TPC است تقطیر شد.
بارفوس می‌گوید: «سپس ما به برنامه آلمانی EXIST که با هدف انتقال چنین فناوری به صنعت و تأمین مالی 40 تا 60 پروژه در سال در طیف گسترده‌ای از زمینه‌های تحقیقاتی است، درخواست دادیم.ما برای تجهیزات سرمایه‌ای، چهار کارمند و سرمایه‌گذاری برای مرحله بعدی افزایش سرمایه دریافت کردیم.»آنها در ماه می 2018 پس از نمایشگاه در JEC World، Herone را تشکیل دادند.
تا JEC World 2019، هرون طیف وسیعی از قطعات نمایشی، از جمله میل دنده‌ای یکپارچه، سبک وزن، با گشتاور بالا، یا میل دنده را تولید کرده بود.بارفوس توضیح می‌دهد: «ما از فیبر کربن/نوار PAEK که در زوایای مورد نیاز قطعه بافته شده استفاده می‌کنیم و آن را در یک لوله تثبیت می‌کنیم.سپس لوله را در 200 درجه سانتی گراد گرم می کنیم و آن را با چرخ دنده ای که با تزریق PEEK تقویت شده با فیبر کربن کوتاه در دمای 380 درجه سانتی گراد ساخته شده است، قالب می زنیم.قالب گیری بیش از حد با استفاده از Moldflow Insight از Autodesk (سن رافائل، کالیفرنیا، ایالات متحده) مدل سازی شد.زمان پر شدن قالب تا 40.5 ثانیه بهینه شد و با استفاده از دستگاه قالب گیری تزریقی ALLROUNDER Arburg (Lossburg، آلمان) به دست آمد.
این بیش از حد نه تنها هزینه های مونتاژ، مراحل ساخت و تدارکات را کاهش می دهد، بلکه عملکرد را نیز افزایش می دهد.تفاوت 40 درجه سانتی گراد بین دمای مذاب شفت PAEK و چرخ دنده PEEK که بیش از حد قالب گیری شده است، اتصال مذاب منسجم بین این دو را در سطح مولکولی امکان پذیر می کند.نوع دوم مکانیزم اتصال، قفل کردن فرم، با استفاده از فشار تزریق برای فرم دهی همزمان شفت در حین قالب گیری بیش از حد برای ایجاد یک کانتور قفل کننده به دست می آید.این را می توان در شکل 1 زیر به عنوان "تشکیل تزریق" مشاهده کرد.این یک محیط موجدار یا سینوسی ایجاد می کند که در آن چرخ دنده در مقابل یک مقطع دایره ای صاف به هم متصل می شود که منجر به یک فرم قفل هندسی می شود.همانطور که در آزمایش نشان داده شد، این استحکام میل دنده یکپارچه را بیشتر افزایش می دهد (نمودار پایین سمت راست را ببینید).1. Herone که با همکاری Victrex و ILK توسعه یافته است، از فشار تزریق در طول قالب گیری بیش از حد برای ایجاد یک کانتور قفل کننده در میل دنده یکپارچه (بالا) استفاده می کند. در مقابل میل چرخ دنده بیش از حد قالب گیری شده بدون قفل شدن فرم (منحنی سیاه روی نمودار) گشتاور بیشتری را حفظ کنید.
Garthaus می گوید: «بسیاری از مردم در طول قالب گیری بیش از حد به مذاب منسجم می رسند، و دیگران از قفل کردن فرم در کامپوزیت ها استفاده می کنند، اما نکته کلیدی این است که هر دو را در یک فرآیند واحد و خودکار ترکیب کنیم.»او توضیح می دهد که برای نتایج آزمایش در شکل 1، هم شفت و هم محیط کامل چرخ دنده به طور جداگانه بسته شدند، سپس برای ایجاد بار برشی چرخانده شدند.اولین شکست در نمودار با یک دایره مشخص می شود که نشان می دهد برای یک چرخ دنده PEEK بیش از حد قالب گیری شده بدون قفل شدن فرم است.شکست دوم با یک دایره چین خورده شبیه به یک ستاره مشخص می شود که نشان دهنده آزمایش یک چرخ دنده بیش از حد قالب گیری شده با قفل شدن فرم است.Garthaus می‌گوید: «در این مورد، شما هم پیوستگی منسجم و هم قفل شده دارید و تقریباً 44 درصد افزایش در بار گشتاور به دست می‌آورید».او می‌گوید که اکنون چالش این است که قفل فرم را در مرحله‌ای زودتر تحمل کنیم تا گشتاوری که این میل دنده قبل از شکست تحمل می‌کند، بیشتر شود.
یک نکته مهم در مورد قفل شدن کانتور که هرون با شکل دهی تزریقی خود به آن دست می یابد این است که کاملاً متناسب با قسمت جداگانه است و بارگذاری آن قطعه باید تحمل کند.به عنوان مثال، در میل دنده، قفل فرم محیطی است، اما در استرات های فشاری کششی زیر، محوری است.گارتاس می‌گوید: «به همین دلیل چیزی که ما توسعه داده‌ایم رویکردی گسترده‌تر است.نحوه ادغام توابع و قطعات بستگی به برنامه فردی دارد، اما هر چه بیشتر بتوانیم این کار را انجام دهیم، وزن و هزینه بیشتری می توانیم صرفه جویی کنیم.
همچنین، کتون تقویت‌شده با الیاف کوتاه که در عناصر عملکردی بیش از حد قالب‌گیری شده مانند چرخ دنده‌ها استفاده می‌شود، سطوح سایش عالی را فراهم می‌کند.Victrex این را ثابت کرده است و در واقع این واقعیت را برای مواد PEEK و PAEK خود به بازار عرضه می کند.
بارفوس خاطرنشان می کند که میل دنده یکپارچه، که با جایزه نوآوری جهانی JEC 2019 در رده هوافضا به رسمیت شناخته شد، «نمایش رویکرد ما است، نه فقط یک فرآیند متمرکز بر یک برنامه واحد.ما می‌خواستیم بررسی کنیم که چقدر می‌توانیم تولید را ساده‌سازی کنیم و از ویژگی‌های TPC برای تولید ساختارهای یکپارچه و عملکردی استفاده کنیم.»این شرکت در حال حاضر در حال بهینه سازی میله های فشاری کششی است که در کاربردهایی مانند پایه ها استفاده می شود.
شکل 3 پایه های فشاری کششی شکل دهی تزریق به پایه ها گسترش یافته است، جایی که هرون یک عنصر انتقال بار فلزی را به ساختار قطعه با استفاده از قفل محوری برای افزایش استحکام اتصال قالب می کند.
عنصر عملکردی برای پایه های کششی-فشرده، یک قسمت رابط فلزی است که بارها را به و از چنگال فلزی به لوله کامپوزیت منتقل می کند (تصویر زیر را ببینید).شکل دهی تزریقی برای ادغام عنصر ورود بار فلزی به بدنه کامپوزیت استفاده می شود.
او خاطرنشان می کند: «مزای اصلی ما کاهش تعداد قطعات است."این خستگی را ساده می کند، که یک چالش بزرگ برای کاربردهای استرات هواپیما است.قفل فرم قبلاً در کامپوزیت های گرماسخت با درج پلاستیکی یا فلزی استفاده می شود، اما هیچ اتصال منسجمی وجود ندارد، بنابراین می توانید حرکتی جزئی بین قطعات داشته باشید.با این حال، رویکرد ما یک ساختار واحد را بدون چنین حرکتی فراهم می‌کند.»
Garthaus تحمل آسیب را به عنوان چالش دیگری برای این قطعات ذکر می کند.او توضیح می‌دهد: «شما باید روی پایه‌ها ضربه بزنید و سپس تست خستگی انجام دهید.از آنجایی که ما از مواد ماتریس ترموپلاستیک با کارایی بالا استفاده می‌کنیم، می‌توانیم تا 40 درصد تحمل آسیب بالاتری نسبت به گرماسخت داشته باشیم و همچنین هرگونه ریزترک ناشی از ضربه با بارگذاری خستگی کمتر رشد می‌کند.»
اگرچه پایه‌های نمایشی یک درج فلزی را نشان می‌دهند، هرون در حال حاضر در حال توسعه یک محلول تمام ترموپلاستیک است که اتصال منسجمی را بین بدنه کامپوزیت پایه و عنصر واردکننده بار ایجاد می‌کند.Garthaus می‌گوید: «زمانی که می‌توانیم، ترجیح می‌دهیم کاملاً کامپوزیت بمانیم و خواص را با تغییر نوع تقویت‌کننده الیاف، از جمله کربن، شیشه، فیبر پیوسته و کوتاه تنظیم کنیم.به این ترتیب، پیچیدگی و مسائل رابط را به حداقل می‌رسانیم.به عنوان مثال، ما در مقایسه با ترکیب ترموست و ترموپلاستیک، مشکلات بسیار کمتری داریم.علاوه بر این، پیوند بین PAEK و PEEK توسط Tri-Mack آزمایش شده است و نتایج نشان می دهد که دارای 85٪ از استحکام یک لایه لایه پایه CF/PAEK یک جهته است و دو برابر باندهای چسب با استفاده از چسب فیلم اپوکسی استاندارد صنعتی است.
بارفوس می گوید که هرون اکنون 9 کارمند دارد و در حال انتقال از یک تامین کننده توسعه فناوری به تامین کننده قطعات هوانوردی است.گام بزرگ بعدی آن توسعه یک کارخانه جدید در درسدن است.او می گوید: «تا پایان سال 2020 ما یک کارخانه آزمایشی خواهیم داشت که قطعات سری اول را تولید می کند."ما در حال حاضر با OEM های هوانوردی و تامین کنندگان کلیدی سطح 1 کار می کنیم و طرح هایی را برای انواع مختلف برنامه ها نشان می دهیم."
این شرکت همچنین با تامین کنندگان eVTOL و همکاران مختلف در ایالات متحده کار می کند، همانطور که herone برنامه های هوانوردی را بالغ می کند، همچنین در حال به دست آوردن تجربه تولید با برنامه های کاربردی کالاهای ورزشی از جمله خفاش ها و قطعات دوچرخه است.Garthaus می گوید: "فناوری ما می تواند طیف گسترده ای از قطعات پیچیده را با عملکرد، زمان چرخه و مزایای هزینه تولید کند.""زمان چرخه ما با استفاده از PEEK 20 دقیقه است، در مقابل 240 دقیقه با استفاده از prepreg پخت شده با اتوکلاو.ما زمینه های گسترده ای از فرصت ها را می بینیم، اما در حال حاضر، تمرکز ما بر روی تولید اولین برنامه های کاربردی و نشان دادن ارزش چنین قطعاتی به بازار است.
Herone همچنین در Carbon Fiber 2019 ارائه خواهد شد. در مورد این رویداد در carbonfiberevent.com بیشتر بدانید.
با تمرکز بر بهینه‌سازی چیدمان دستی سنتی، سازندگان ناسل و معکوس‌کننده‌های رانش، استفاده آینده از اتوماسیون و قالب‌گیری بسته را مورد توجه قرار دادند.
سیستم تسلیحاتی هواپیما با کارایی قالب گیری فشرده، عملکرد بالای کربن/اپوکسی را به دست می آورد.
روش‌های محاسبه تأثیر کامپوزیت‌ها بر محیط زیست، مقایسه‌های مبتنی بر داده‌ها را با مواد سنتی در یک زمین بازی برابر امکان‌پذیر می‌سازد.
زمان ارسال: اوت-19-2019