Kombinearjen fan braided tape, overmolding en form-locking, herone produseart ien-stik, hege koppel gear-driveshaft as demonstrator foar breed oanbod fan tapassingen.
Unitisearre gearstalde gear-driveshaft.Herone brûkt gevlochten thermoplastyske gearstalde prepreg-tapes as foarfoarmen foar in proses dat it laminaat fan 'e oandriuwas konsolidearret en funksjonele eleminten lykas gears oermakket, en produsearret unitized struktueren dy't gewicht, dieltelling, montagetiid en kosten ferminderje.Boarne foar alle ôfbyldings |herone
Aktuele projeksjes freegje om in ferdûbeling fan 'e kommersjele fleantúchfloat oer de kommende 20 jier.Om dit te foldwaan, fariearje de produksjesifers yn 2019 foar kompositen-yntinsive widebody jetliners fan 10 oant 14 per moanne per OEM, wylst narrowbody's al binne omheech gien nei 60 per moanne per OEM.Airbus wurket spesifyk mei leveransiers om tradisjonele, mar tiid-yntinsive, prepreg-ûnderdielen mei de hân op te lizzen op 'e A320 te wikseljen nei dielen makke fia rappere, 20-minuten syklustiidprosessen lykas hege druk hars oerdrachtfoarmjen (HP-RTM), en helpt sa diel leveransiers moetsje in fierdere push nei 100 fleantugen per måned.Underwilens foarsizze de opkommende merk foar stedske loftmobiliteit en ferfier in ferlet fan 3,000 elektryske fertikale start en lâning (EVTOL) fleantugen per jier (250 per moanne).
"De yndustry fereasket automatisearre produksjetechnologyen mei ferkoarte syklustiden dy't ek mooglik meitsje foar yntegrearjen fan funksjes, dy't wurde oanbean troch thermoplastyske kompositen," seit Daniel Barfuss, mei-oprjochter en behearend partner fan herone (Dresden, Dútslân), in kompositetechnology en dielenproduksje firma dat brûkt hege-optreden thermoplastic matrix materialen út polyphenylenesulfide (PPS) to polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) en polyaryletherketone (PAEK)."Us haaddoel is om de hege prestaasjes fan thermoplastyske kompositen (TPC's) te kombinearjen mei legere kosten, om oanpaste dielen mooglik te meitsjen foar in breder ferskaat oan tapassingen foar serial manufacturing en nije applikaasjes," foeget Dr. Christian Garthaus ta, herone's twadde mei-oprjochter en behear kompanjon.
Om dit te berikken hat it bedriuw in nije oanpak ûntwikkele, te begjinnen mei folslein ympregnearre, trochgeande glêstriedbânnen, dizze bânnen te flechten om in holle foarfoarm "organoTube" te foarmjen en de organoTubes te konsolidearjen yn profilen mei fariabele krusingen en foarmen.Yn in folgjende prosesstap brûkt it de weldberens en thermoformabiliteit fan TPC's om funksjonele eleminten te yntegrearjen, lykas gearstalde gears op oandriuwassen, einfittings op pipen, of load-oerdracht eleminten yn spanning-kompresje-struts.Barfuss foeget ta dat d'r de opsje is om in hybride mouldingsproses te brûken - ûntwikkele troch leveransier fan ketonmatrix Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) en leveransier fan dielen Tri-Mack (Bristol, RI, FS) - dat PAEK-tape foar legere smelttemperatuer brûkt foar de profilen en PEEK foar de overmolding, wêrtroch in fusearre, inkele materiaal oer de join (sjoch "Overmolding wreidet it berik fan PEEK yn kompositen út")."Us oanpassing makket ek geometryske foarmbesluting mooglik," foeget hy ta, "dy't yntegreare struktueren produseart dy't noch hegere loads kinne wjerstean."
It heroneproses begjint mei folslein ympregnearre koalstoffaserfersterke thermoplastyske tapes dy't yn organoTubes binne flecht en konsolidearre."Wy begon te wurkjen mei dizze organoTubes 10 jier lyn, it ûntwikkeljen fan gearstalde hydraulyske pipen foar loftfeart," seit Garthaus.Hy leit út dat om't gjin twa fleanmasines hydraulyske pipen deselde mjitkunde hawwe, in mal foar elk nedich wêze soe, mei besteande technology."Wy hiene in piip nedich dy't koe wurde neiferwurke om de yndividuele piipgeometry te berikken.Dat, it idee wie om trochgeande gearstalde profilen te meitsjen en dizze dan CNC te bûgen yn 'e winske geometryen.
figuer 2 Braided prepreg tapes jouwe net-shape preforms neamd organoTubes foar herone syn ynjeksje-foarmjen proses en ynskeakelje produksje fan ferskate foarmen.
Dit klinkt fergelykber mei wat Sigma Precision Components (Hinckley, UK) docht (sjoch "Redressing aeromotors mei gearstalde pipen") mei syn koalstoffaser / PEEK motor dressing."Se sjogge nei ferlykbere dielen, mar brûke in oare konsolidaasjemetoade," ferklearret Garthaus."Mei ús oanpak sjogge wy potinsjeel foar ferhege prestaasjes, lykas minder dan 2% porositeit foar loftfeartstruktueren."
Garthaus' Ph.D.proefskriftwurk by de ILK ûndersocht mei it brûken fan trochgeande thermoplastyske gearstalde (TPC) pultrusion om flechte buizen te produsearjen, wat resultearre yn in patintearre trochgeande produksjeproses foar TPC-buizen en profilen.Lykwols, foar no, Herone hat keazen om te wurkjen mei loftfeart leveransiers en klanten mei help fan in diskontinu maling proses."Dit jout ús de frijheid om alle ferskate foarmen te meitsjen, ynklusyf bûgde profilen en dy mei wikseljende dwerstrochsneed, en ek it tapassen fan pleatslike patches en ply drop-offs," ferklearret hy."Wy wurkje oan it automatisearjen fan it proses foar it yntegrearjen fan lokale patches en se dan gear te konsolidearjen mei it gearstalde profyl.Yn prinsipe, alles wat jo kinne dwaan mei platte laminaten en skulpen, kinne wy dwaan foar buizen en profilen. ”
It meitsjen fan dizze TPC-holle profilen wie eins ien fan 'e hurdste útdagings, seit Garthaus."Jo kinne gjin stimpelfoarmjen of blaasfoarmjen brûke mei in silikonblaas;dus wy moasten in nij proses ûntwikkelje. ”Mar dit proses makket it mooglik om hiel hege-optreden en op maat buis en shaft-basearre dielen, hy merkt op.It makke ek it mooglik om de hybride moulding te brûken dy't Victrex ûntwikkele, wêrby't legere smelttemperatuer PAEK wurdt overmolde mei PEEK, it konsolidearjen fan it organoblêd en it ynjeksjefoarmjen yn ien stap.
In oar opmerklik aspekt fan it brûken fan organoTube braided tape preforms is dat se heul lyts ôffal produsearje."Mei braiding hawwe wy minder as 2% ôffal, en om't it TPC-tape is, kinne wy dizze lytse hoemannichte ôffal werom brûke yn 'e overmolding om it materiaal gebrûksnivo oant 100% te krijen," beklammet Garthaus.
Barfuss en Garthaus begûnen har ûntwikkelingswurk as ûndersikers by it Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) by TU Dresden."Dit is ien fan 'e grutste Jeropeeske ynstituten foar kompositen en hybride lichtgewicht ûntwerpen," merkt Barfuss op.Hy en Garthaus wurken dêr foar hast 10 jier oan in oantal ûntwikkelings, ynklusyf trochgeande TPC pultrusion en ferskate soarten joining.Dat wurk waard úteinlik destillearre yn wat no de held is TPC-prosestechnology.
"Wy hawwe doe oanfrege foar it Dútske EXIST-programma, dat rjochte is op it oerdragen fan sokke technology oan 'e yndustry en finansiert 40-60 projekten elk jier yn in breed skala oan ûndersyksfjilden," seit Barfuss."Wy krigen finansiering foar kapitaalapparatuer, fjouwer meiwurkers en ynvestearring foar de folgjende stap fan skaalfergrutting."Se foarmen held yn maaie 2018 nei't se eksposearre hawwe by JEC World.
Troch JEC World 2019 hie herone in ferskaat oan demonstraasjeûnderdielen produsearre, ynklusyf in lichtgewicht, heech koppel, yntegreare gear driveshaft, as gearshaft."Wy brûke in organoTube fan koalstoffaser / PAEK-tape flecht yn 'e hoeken dy't nedich binne troch it diel en konsolidearje dat yn in buis," ferklearret Barfuss."Dan ferwaarmje wy de buis op 200 ° C en oermeitsje it mei in gear makke troch ynjeksje fan koarte koalstoffaser-fersterke PEEK op 380 ° C."De overmolding waard modeleare mei Moldflow Insight fan Autodesk (San Rafael, Kalifornje, FS).Mold fill tiid waard optimalisearre nei 40,5 sekonden en berikt mei help fan in Arburg (Lossburg, Dútslân) ALLROUNDER spuitgietmasine.
Dizze overmolding ferleget net allinich assemblagekosten, produksjestappen en logistyk, mar it ferbettert ek prestaasjes.It ferskil fan 40 ° C tusken de smelttemperatuer fan 'e PAEK-as en dy fan' e oerfoarme PEEK-gear makket gearhingjende meltbinding tusken de twa mooglik op molekulêr nivo.In twadde soarte fan join meganisme, foarm-locking, wurdt berikt troch it brûken fan de ynjeksje druk te simultan thermoform de skacht ûnder overmolding te meitsjen in foarm-locking kontoer.Dit kin sjoen wurde yn figuer 1 hjirûnder as "ynjeksje-foarmjen".It soarget foar in corrugated of sinusoidal omtrek dêr't de gear wurdt joined fersus in glêde sirkulêre dwerstrochsneed, dy't resultearret yn in geometrysk locking foarm.Dit fierder fersterket de sterkte fan de yntegrearre gearshaft, lykas oantoand yn testen (sjoch grafyk rjochts ûnder). Fig.1. Ûntwikkele yn gearwurking mei Victrex en ILK, herone brûkt ynjeksje druk ûnder overmolding foar it meitsjen fan in foarm-locking kontoer yn de yntegrearre gearshaft (top). ûnderhâld in heger koppel vs.
"In protte minsken berikke gearhingjende smeltbonding tidens oermolding," seit Garthaus, "en oaren brûke foarmbeskoattelje yn kompositen, mar de kaai is om beide te kombinearjen yn ien, automatisearre proses."Hy leit út dat foar de test resultaten yn Fig.. 1, sawol de skacht en folsleine omtrek fan it gear waarden clamped apart, dan draaide te induce shear lading.De earste mislearring op de grafyk wurdt markearre troch in sirkel om oan te jaan dat it is foar in overmolded PEEK gear sûnder foarm-locking.De twadde mislearring wurdt markearre troch in krimpde sirkel dy't liket op in stjer, wat oanjout op it testen fan in overmolde gear mei formuliersluting."Yn dit gefal hawwe jo sawol in gearhingjende as foarmbeskoattele join," seit Garthaus, "en jo krije hast in 44% ferheging fan koppellast."De útdaging no, seit er, is om de foarm-beskoattelje te krijen om lading op in earder stadium op te nimmen om it koppel fierder te fergrutsjen dy't dizze gearshaft sil behannelje foardat it mislearret.
In wichtich punt oangeande de kontoerfoarming dy't herone mei syn ynjeksjefoarming berikt is dat it folslein ôfstimd is op it yndividuele diel en de lading dat dat diel ferneare moat.Bygelyks, yn 'e gearshaft, de foarm-locking is circumferential, mar yn de spanning-kompresje struts hjirûnder, it is axial."Dêrom is wat wy hawwe ûntwikkele in bredere oanpak," seit Garthaus."Hoe't wy funksjes en dielen yntegrearje hinget ôf fan 'e yndividuele applikaasje, mar hoe mear wy dit kinne dwaan, hoe mear gewicht en kosten kinne wy besparje."
Ek it mei koarte vezels fersterke keton brûkt yn overmolde funksjonele eleminten lykas gears leveret poerbêste wear oerflakken.Victrex hat dit bewiisd en yn feite merkt dit feit foar har PEEK- en PAEK-materialen.
Barfuss wiist derop dat de yntegreare gearshaft, dy't waard erkend mei in 2019 JEC World Innovation Award yn 'e loftfeartkategory, in "demonstraasje is fan ús oanpak, net allinich in proses rjochte op ien applikaasje.Wy woenen ûndersykje hoefolle wy de fabrikaazje kinne streamline en de eigenskippen fan TPC's kinne benutte om funksjonalisearre, yntegreare struktueren te produsearjen.It bedriuw optimalisearret op it stuit spanning-kompresjestangen, brûkt yn applikaasjes lykas struts.
figuer 3 Tension-compression strutsInjection-foarmjen wurdt útwreide nei struts, dêr't herone overmolds in metalen load oerdracht elemint yn it diel struktuer mei help fan axial form-locking te fergrutsjen de join sterkte.
De funksjonele elemint foar de spanning-kompresje struts is in metallysk ynterface diel dat oerstappen loads fan en nei de metalen foarke oan de gearstalde buis (sjoch yllustraasje hjirûnder).Ynjeksjefoarmjen wurdt brûkt om it metalen load-yntroduksje-elemint te yntegrearjen yn it gearstalde strutlichem.
"It wichtichste foardiel dat wy jouwe is om it oantal dielen te ferminderjen," merkt hy op."Dit ferienfâldiget wurgens, wat in grutte útdaging is foar tapassingen fan fleantugen.Form-locking wurdt al brûkt yn thermoset composites mei in plestik of metalen ynfoegje, mar der is gjin gearhingjende bonding, sadat jo krije in lichte beweging tusken de dielen.Us oanpak leveret lykwols in ienige struktuer sûnder sa'n beweging.
Garthaus neamt skea tolerânsje as in oare útdaging foar dizze dielen."Jo moatte ynfloed hawwe op 'e struts en dan wurgenstests dwaan," ferklearret hy."Om't wy thermoplastyske matrixmaterialen mei hege prestaasjes brûke, kinne wy safolle as 40% hegere skeatolerânsje berikke yn fergeliking mei thermosets, en ek alle mikrobarsten fan ynfloed groeie minder mei wurgensladen."
Alhoewol't demonstraasjestraten in metalen ynfoegje sjen litte, ûntwikkelet Herone op it stuit in all-termoplastyske oplossing, wêrtroch gearhingjende ferbining mooglik is tusken it gearstalde strutlichaam en it elemint foar ladingyntroduksje."As wy kinne, wy leaver te bliuwen all-composite en oanpasse eigenskippen troch feroarjen it type fan glêstried fersterking, ynklusyf koalstof, glês, trochgeande en koarte fiber,"Says Garthaus."Op dizze manier minimalisearje wy kompleksiteit en ynterfaceproblemen.Wy hawwe bygelyks folle minder problemen yn ferliking mei it kombinearjen fan thermosets en thermoplasten.Derneist, de bân tusken PAEK en PEEK is hifke troch Tri-Mack mei resultaten sjen litte dat it hat 85% fan 'e sterkte fan in basis unidirectional CF / PAEK laminaat en is twa kear sa sterk as adhesive obligaasjes mei help yndustry-standert epoksy film adhesive.
Barfuss seit dat herone no njoggen meiwurkers hat en giet oer fan in leveransier fan technologyûntwikkeling nei in leveransier fan loftfeartûnderdielen.De folgjende grutte stap is de ûntwikkeling fan in nij fabryk yn Dresden."Tsjin it ein fan 2020 sille wy in pilotfabryk hawwe dy't dielen fan 'e earste searje produsearret," seit hy."Wy wurkje al mei loftfeart-OEM's en wichtige Tier 1-leveransiers, en demonstrearje ûntwerpen foar in protte ferskillende soarten applikaasjes."
It bedriuw wurket ek mei eVTOL-leveransiers en in ferskaat oan kollaborateurs yn 'e FS."Us technology kin in breed oanbod fan komplekse dielen produsearje mei prestaasjes, syklustiid en kostenfoardielen," seit Garthaus."Us syklustiid mei PEEK is 20 minuten, tsjin 240 minuten mei autoklaaf-genezen prepreg.Wy sjogge in breed fjild oan kânsen, mar foar no is ús fokus op it krijen fan ús earste applikaasjes yn produksje en it demonstrearjen fan de wearde fan sokke dielen oan 'e merk.
Herone sil ek presintearje by Carbon Fiber 2019. Learje mear oer it evenemint op carbonfiberevent.com.
Rjochte op it optimalisearjen fan tradisjonele hân layup, nacelle en thrust reverser fabrikanten in each op takomstich gebrûk fan automatisearring en sletten moulding.
Fleantúchwapensysteem wint de hege prestaasjes fan koalstof / epoksy mei de effisjinsje fan kompresjefoarmjen.
Metoaden foar it berekkenjen fan de ynfloed dy't kompositen hawwe op it miljeu meitsje gegevensoandreaune fergelikingen mei tradisjonele materialen op in gelyk spielfjild mooglik.
Post tiid: Aug-19-2019