Combinant ruban tressé, surmoulage et verrouillage de forme, Herone produit un arbre d'entraînement monobloc à couple élevé comme démonstrateur pour une large gamme d'applications.
Arbre de transmission à engrenages composites unifiés.Herone utilise des rubans préimprégnés composites thermoplastiques tressés comme préformes pour un processus qui consolide le stratifié de l'arbre de transmission et surmoule des éléments fonctionnels tels que des engrenages, produisant des structures unifiées qui réduisent le poids, le nombre de pièces, le temps d'assemblage et le coût.Source de toutes les images |héron
Les projections actuelles prévoient un doublement de la flotte d'avions commerciaux au cours des 20 prochaines années.Pour répondre à cela, les taux de production en 2019 des gros-porteurs à forte intensité de composites varient de 10 à 14 par mois par OEM, tandis que les avions à fuselage étroit ont déjà grimpé à 60 par mois par OEM.Airbus travaille spécifiquement avec des fournisseurs pour remplacer les pièces préimprégnées traditionnelles mais chronophages de l'A320 par des pièces fabriquées via des processus de cycle plus rapides de 20 minutes tels que le moulage par transfert de résine haute pression (HP-RTM), aidant ainsi la pièce les fournisseurs répondent à une nouvelle poussée vers 100 avions par mois.Parallèlement, le marché émergent de la mobilité aérienne et du transport urbain prévoit un besoin de 3 000 avions électriques à décollage et atterrissage vertical (EVTOL) par an (250 par mois).
« L'industrie a besoin de technologies de production automatisées avec des temps de cycle raccourcis qui permettent également d'intégrer les fonctions offertes par les composites thermoplastiques », explique Daniel Barfuss, co-fondateur et associé directeur de herone (Dresde, Allemagne), une entreprise de technologie des composites et de fabrication de pièces. entreprise qui utilise des matériaux matriciels thermoplastiques de haute performance allant du polyphénylènesulfure (PPS) au polyétheréthercétone (PEEK), au polyéthercétonecétone (PEKK) et au polyaryléthercétone (PAEK)."Notre objectif principal est de combiner la haute performance des composites thermoplastiques (TPC) avec un coût inférieur, afin de permettre des pièces sur mesure pour une plus grande variété d'applications de fabrication en série et de nouvelles applications", ajoute le Dr Christian Garthaus, deuxième co-fondateur et directeur d'herone. partenaire.
Pour y parvenir, l'entreprise a développé une nouvelle approche, en commençant par des bandes de fibres continues entièrement imprégnées, en tressant ces bandes pour former une préforme creuse « organoTube » et en consolidant les organoTubes en profils aux sections et formes variables.Dans une étape ultérieure du processus, il utilise la soudabilité et la thermoformabilité des TPC pour intégrer des éléments fonctionnels tels que des engrenages composites sur des arbres de transmission, des raccords d'extrémité sur des tuyaux ou des éléments de transfert de charge dans des entretoises de tension-compression.Barfuss ajoute qu'il est possible d'utiliser un processus de moulage hybride — développé par le fournisseur de matrice cétonique Victrex (Cleveleys, Lancashire, Royaume-Uni) et le fournisseur de pièces Tri-Mack (Bristol, RI, États-Unis) — qui utilise du ruban PAEK à température de fusion plus basse pour les profilés. et PEEK pour le surmoulage, permettant un matériau unique fusionné à travers la jointure (voir « Le surmoulage élargit la gamme PEEK dans les composites »)."Notre adaptation permet également un verrouillage de forme géométrique", ajoute-t-il, "ce qui produit des structures intégrées capables de supporter des charges encore plus élevées."
Le processus Herone commence avec des rubans thermoplastiques renforcés de fibres de carbone entièrement imprégnés qui sont tressés en organoTubes et consolidés.«Nous avons commencé à travailler avec ces organoTubes il y a 10 ans, en développant des tuyaux hydrauliques composites pour l'aviation», explique Garthaus.Il explique que, comme il n'y a pas deux conduites hydrauliques d'avion ayant la même géométrie, il faudrait un moule pour chacune d'entre elles, en utilisant la technologie existante.« Nous avions besoin d'un tuyau pouvant être post-traité pour obtenir la géométrie individuelle du tuyau.L’idée était donc de fabriquer des profilés composites continus, puis de les plier CNC selon les géométries souhaitées.
Fig. 2 Les rubans préimprégnés tressés fournissent des préformes en forme de filet appelées organoTubes pour le processus de formage par injection de Herone et permettent la production de diverses formes.
Cela ressemble à ce que fait Sigma Precision Components (Hinckley, Royaume-Uni) (voir « Redressage des moteurs d'avion avec des tuyaux composites ») avec son habillage moteur en fibre de carbone/PEEK.« Ils examinent des éléments similaires mais utilisent une méthode de consolidation différente », explique Garthaus."Grâce à notre approche, nous voyons un potentiel d'augmentation des performances, comme une porosité inférieure à 2 % pour les structures aérospatiales."
Le doctorat de Garthaus.les travaux de thèse à l'ILK ont exploré l'utilisation de la pultrusion de composites thermoplastiques continus (TPC) pour produire des tubes tressés, ce qui a abouti à un processus de fabrication continue breveté pour les tubes et profilés TPC.Cependant, pour l’instant, Herone a choisi de travailler avec les fournisseurs et les clients du secteur aéronautique en utilisant un procédé de moulage discontinu.«Cela nous donne la liberté de créer toutes les formes, y compris les profils courbes et ceux à section transversale variable, ainsi que d'appliquer des correctifs locaux et des chutes de plis», explique-t-il.« Nous travaillons à automatiser le processus d'intégration des correctifs locaux, puis à les co-consolider avec le profil composite.En gros, tout ce que vous pouvez faire avec des stratifiés plats et des coques, nous pouvons le faire avec des tubes et des profilés.
La fabrication de ces profilés creux TPC était en fait l'un des défis les plus difficiles, explique Garthaus.« Vous ne pouvez pas utiliser le formage par tampon ou le moulage par soufflage avec une vessie en silicone ;nous avons donc dû développer un nouveau processus.Mais ce processus permet d'obtenir des pièces à base de tubes et d'arbres de très hautes performances et personnalisables, note-t-il.Cela a également permis d'utiliser le moulage hybride développé par Victrex, dans lequel le PAEK à température de fusion inférieure est surmoulé avec du PEEK, consolidant ainsi la feuille organique et le moulage par injection en une seule étape.
Un autre aspect notable de l’utilisation de préformes en ruban tressé organoTube est qu’elles produisent très peu de déchets.« Avec le tressage, nous avons moins de 2 % de déchets, et comme il s'agit de ruban TPC, nous pouvons réutiliser cette petite quantité de déchets dans le surmoulage pour obtenir un taux d'utilisation du matériau jusqu'à 100 % », souligne Garthaus.
Barfuss et Garthaus ont commencé leurs travaux de développement en tant que chercheurs à l'Institut d'ingénierie légère et de technologie des polymères (ILK) de la TU Dresden."Il s'agit de l'un des plus grands instituts européens spécialisés dans les composites et les conceptions hybrides légères", note Barfuss.Lui et Garthaus y ont travaillé pendant près de 10 ans sur un certain nombre de développements, notamment la pultrusion continue TPC et différents types d'assemblage.Ce travail a finalement été distillé dans ce qui est aujourd’hui la technologie de procédé Herone TPC.
«Nous avons ensuite postulé au programme allemand EXIST, qui vise à transférer cette technologie à l'industrie et finance chaque année 40 à 60 projets dans un large éventail de domaines de recherche», explique Barfuss.« Nous avons reçu un financement pour des biens d'équipement, quatre employés et des investissements pour la prochaine étape de mise à l'échelle. »Ils se sont formés en mai 2018 après avoir exposé au JEC World.
Au JEC World 2019, Herone avait produit une gamme de pièces de démonstration, notamment un arbre de transmission ou arbre de transmission léger, à couple élevé et à engrenages intégrés.«Nous utilisons un organoTube en fibre de carbone/ruban PAEK tressé aux angles requis par la pièce et le consolidons dans un tube», explique Barfuss.« Nous préchauffons ensuite le tube à 200°C et le surmoulons avec un engrenage réalisé par injection de PEEK court renforcé de fibres de carbone à 380°C. »Le surmoulage a été modélisé à l'aide de Moldflow Insight d'Autodesk (San Rafael, Californie, États-Unis).Le temps de remplissage du moule a été optimisé à 40,5 secondes et obtenu à l'aide d'une machine de moulage par injection ALLROUNDER d'Arburg (Lossburg, Allemagne).
Ce surmoulage réduit non seulement les coûts d’assemblage, les étapes de fabrication et la logistique, mais il améliore également les performances.La différence de 40 °C entre la température de fusion de l'arbre en PAEK et celle de l'engrenage en PEEK surmoulé permet une liaison fondue cohésive entre les deux au niveau moléculaire.Un deuxième type de mécanisme d'assemblage, le verrouillage de forme, est obtenu en utilisant la pression d'injection pour thermoformer simultanément la tige pendant le surmoulage afin de créer un contour de verrouillage de forme.Ceci peut être vu sur la figure 1 ci-dessous sous le nom de « formation par injection ».Il crée une circonférence ondulée ou sinusoïdale où l'engrenage est joint par rapport à une section transversale circulaire lisse, ce qui donne une forme de verrouillage géométrique.Cela améliore encore la résistance de l'arbre de transmission intégré, comme démontré lors des tests (voir graphique en bas à droite).Fig.1. Développé en collaboration avec Victrex et ILK, herone utilise la pression d'injection lors du surmoulage pour créer un contour de verrouillage de forme dans l'arbre de transmission intégré (en haut). Ce processus de formage par injection permet à l'arbre de transmission intégré avec verrouillage de forme (courbe verte sur le graphique) de supporter un couple plus élevé par rapport à un arbre de transmission à engrenages surmoulé sans verrouillage de forme (courbe noire sur le graphique).
"Beaucoup de gens parviennent à réaliser une liaison par fusion cohésive lors du surmoulage", explique Garthaus, "et d'autres utilisent le verrouillage de forme dans les composites, mais la clé est de combiner les deux en un seul processus automatisé."Il explique que pour les résultats des tests de la figure 1, l'arbre et toute la circonférence de l'engrenage ont été serrés séparément, puis tournés pour induire une charge de cisaillement.La première défaillance sur le graphique est marquée par un cercle pour indiquer qu'il s'agit d'un engrenage PEEK surmoulé sans verrouillage de forme.La deuxième défaillance est marquée par un cercle serti ressemblant à une étoile, indiquant le test d'un engrenage surmoulé avec verrouillage de forme."Dans ce cas, vous disposez d'un assemblage à la fois cohésif et verrouillé en forme", explique Garthaus, "et vous obtenez une augmentation de près de 44 % de la charge de couple."Le défi maintenant, dit-il, est de faire en sorte que le verrouillage de forme prenne la charge plus tôt afin d'augmenter encore le couple que cet arbre de transmission supportera avant la défaillance.
Un point important concernant le verrouillage de forme obtenu par le formage par injection est qu'il est entièrement adapté à la pièce individuelle et à la charge que cette pièce doit supporter.Par exemple, dans l'arbre de transmission, le verrouillage de forme est circonférentiel, mais dans les entretoises de tension-compression situées en dessous, il est axial.«C'est pourquoi nous avons développé une approche plus large», explique Garthaus.« La manière dont nous intégrons les fonctions et les pièces dépend de l'application individuelle, mais plus nous pouvons le faire, plus nous pouvons économiser du poids et des coûts. »
De plus, la cétone renforcée de fibres courtes utilisée dans les éléments fonctionnels surmoulés tels que les engrenages offre d'excellentes surfaces d'usure.Victrex l'a prouvé et commercialise en fait ce fait pour ses matériaux PEEK et PAEK.
Barfuss souligne que l'arbre de transmission intégré, qui a été récompensé par un JEC World Innovation Award 2019 dans la catégorie aérospatiale, est une « démonstration de notre approche, et pas seulement un processus axé sur une seule application ».Nous voulions explorer dans quelle mesure nous pouvions rationaliser la fabrication et exploiter les propriétés des TPC pour produire des structures fonctionnalisées et intégrées.L'entreprise optimise actuellement les tiges de tension-compression, utilisées dans des applications telles que les jambes de force.
Fig. 3 Entretoises de traction-compressionLe formage par injection est étendu aux entretoises, où Herone surmoule un élément de transfert de charge métallique dans la structure de la pièce en utilisant un verrouillage de forme axial pour augmenter la résistance de l'assemblage.
L'élément fonctionnel des jambes de force de traction-compression est une pièce d'interface métallique qui transfère les charges vers et depuis la fourche métallique vers le tube composite (voir illustration ci-dessous).Le formage par injection est utilisé pour intégrer l'élément d'introduction de charge métallique dans le corps de jambe de force composite.
« Le principal avantage que nous apportons est de réduire le nombre de pièces », note-t-il.« Cela simplifie la fatigue, qui constitue un défi majeur pour les applications de jambes de force dans les avions.Le verrouillage de forme est déjà utilisé dans les composites thermodurcis avec un insert en plastique ou en métal, mais il n'y a pas de liaison cohésive, vous pouvez donc obtenir un léger mouvement entre les pièces.Notre approche, cependant, fournit une structure unifiée sans un tel mouvement.
Garthaus cite la tolérance aux dommages comme un autre défi pour ces pièces.« Il faut impacter les jambes de force puis faire des tests de fatigue », explique-t-il.« Comme nous utilisons des matériaux à matrice thermoplastique haute performance, nous pouvons atteindre une tolérance aux dommages jusqu'à 40 % supérieure à celle des thermodurcissables, et les microfissures dues à l'impact augmentent également moins avec la charge de fatigue. »
Même si les jambes de démonstration présentent un insert métallique, Herone développe actuellement une solution entièrement thermoplastique, permettant une liaison cohésive entre le corps de la jambe de force composite et l'élément d'introduction de charge.« Lorsque nous le pouvons, nous préférons rester entièrement composites et ajuster les propriétés en modifiant le type de renfort en fibres, notamment en carbone, en verre, en fibres continues et courtes », explique Garthaus.« De cette façon, nous minimisons la complexité et les problèmes d’interface.Par exemple, nous rencontrons beaucoup moins de problèmes qu’en combinant des thermodurcissables et des thermoplastiques.De plus, la liaison entre le PAEK et le PEEK a été testée par Tri-Mack avec des résultats montrant qu'elle possède 85 % de la résistance d'un stratifié de base unidirectionnel CF/PAEK et est deux fois plus résistante que les liaisons adhésives utilisant un film adhésif époxy standard.
Barfuss affirme que Herone compte désormais neuf employés et est en train de passer du statut de fournisseur de développement technologique à celui de fournisseur de pièces aéronautiques.La prochaine grande étape est le développement d'une nouvelle usine à Dresde.« D’ici fin 2020, nous aurons une usine pilote produisant des pièces de première série », dit-il."Nous travaillons déjà avec des équipementiers aéronautiques et des fournisseurs clés de niveau 1, démontrant des conceptions pour de nombreux types d'applications différents."
La société travaille également avec des fournisseurs d'eVTOL et divers collaborateurs aux États-Unis. À mesure que Herone développe ses applications aéronautiques, elle acquiert également une expérience en matière de fabrication d'applications d'articles de sport, notamment des raquettes et des composants de vélo.« Notre technologie peut produire une large gamme de pièces complexes avec des avantages en termes de performances, de temps de cycle et de coûts », explique Garthaus.« Notre temps de cycle avec le PEEK est de 20 minutes, contre 240 minutes avec un préimprégné durci en autoclave.Nous voyons un large champ d’opportunités, mais pour l’instant, notre objectif est de mettre nos premières applications en production et de démontrer la valeur de ces pièces sur le marché.
Herone sera également présent à Carbon Fiber 2019. Apprenez-en davantage sur l'événement sur carbonfiberevent.com.
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Heure de publication : 19 août 2019