Combinando cinta trenzada, sobremoldeo e bloqueo de formas, herone produce un eixe de transmisión de engrenaxes de alto par dunha peza como demostrador para unha ampla gama de aplicacións.
Eixe de transmisión de engrenaxes composto unificado.Herone utiliza cintas preimpregnadas de composto termoplástico trenzado como preformas para un proceso que consolida o laminado do eixe de transmisión e sobremolde elementos funcionais como engrenaxes, producindo estruturas unificadas que reducen o peso, o número de pezas, o tempo de montaxe e o custo.Fonte de todas as imaxes |garza
As proxeccións actuais prevén duplicar a flota de avións comerciais nos próximos 20 anos.Para acomodar isto, as taxas de produción en 2019 dos avións de avión de fuselaxe ancho intensivos en compostos varían de 10 a 14 por mes por OEM, mentres que os de fuselaxe estreita xa aumentaron a 60 por mes por OEM.Airbus está a traballar específicamente cos provedores para cambiar as pezas preimpregnadas tradicionais, pero que requiren moito tempo, no A320 por pezas fabricadas mediante procesos de ciclo de 20 minutos máis rápidos, como o moldeado por transferencia de resina a alta presión (HP-RTM), axudando así a parte. Os provedores teñen un novo impulso cara a 100 avións ao mes.Mentres tanto, o mercado emerxente de mobilidade e transporte aéreo urbano prevé unha necesidade de 3.000 avións eléctricos de despegue e aterraxe vertical (EVTOL) ao ano (250 ao mes).
"A industria require tecnoloxías de produción automatizadas con tempos de ciclo reducidos que permitan tamén integrar funcións, que ofrecen os compostos termoplásticos", di Daniel Barfuss, cofundador e socio director de herone (Dresde, Alemaña), unha tecnoloxía de compostos e fabricación de pezas. empresa que utiliza materiais de matriz termoplástica de alto rendemento, desde polifenilenosulfuro (PPS) ata polieteretercetona (PEEK), polietercetonecetona (PEKK) e poliariletercetona (PAEK)."O noso obxectivo principal é combinar o alto rendemento dos compostos termoplásticos (TPC) cun menor custo, para permitir pezas adaptadas para unha variedade máis ampla de aplicacións de fabricación en serie e novas aplicacións", engade o doutor Christian Garthaus, segundo cofundador e xestor de herone. compañeiro.
Para conseguilo, a empresa desenvolveu un novo enfoque, comezando por cintas de fibra continua totalmente impregnadas, trenzando estas cintas para formar un "organoTube" de preforma oca e consolidando os organoTubes en perfís de seccións e formas variables.Nun paso posterior do proceso, utiliza a soldabilidade e termoformabilidade dos TPC para integrar elementos funcionais como engrenaxes compostos en eixes de transmisión, accesorios extremos en tubos ou elementos de transferencia de carga en puntais de tensión-compresión.Barfuss engade que existe a opción de usar un proceso de moldeo híbrido, desenvolvido polo provedor de matriz cetona Victrex (Cleveleys, Lancashire, Reino Unido) e o provedor de pezas Tri-Mack (Bristol, RI, EE. UU.), que usa cinta PAEK de temperatura de fusión máis baixa para os perfís. e PEEK para o sobremoldeo, que permite un único material fundido a través da unión (consulte "O sobremoldeo amplía a gama de PEEK en composites")."A nosa adaptación tamén permite o bloqueo de formas xeométricas", engade, "o que produce estruturas integradas que poden soportar cargas aínda maiores".
O proceso de heroe comeza con cintas termoplásticas reforzadas con fibra de carbono totalmente impregnadas que se trenzan en organoTubes e se consolidan."Comezamos a traballar con estes organoTubes hai 10 anos, desenvolvendo tubos hidráulicos compostos para a aviación", di Garthaus.Explica que como non hai dous tubos hidráulicos de avións que teñan a mesma xeometría, sería necesario un molde para cada un, utilizando a tecnoloxía existente."Necesitabamos un tubo que puidese procesarse posteriormente para conseguir a xeometría individual do tubo.Entón, a idea era facer perfís compostos continuos e logo curvalos por CNC nas xeometrías desexadas.
Fig. 2 As cintas preimpregnadas trenzadas proporcionan preformas en forma de rede chamadas organoTubes para o proceso de formación por inxección de herone e permiten a produción de varias formas.
Isto parece semellante ao que está a facer Sigma Precision Components (Hinckley, Reino Unido) (consulta "Reparación de motores de aeronaves con tubos compostos") co seu revestimento de motor de fibra de carbono/PEEK."Están mirando pezas similares pero usan un método de consolidación diferente", explica Garthaus."Co noso enfoque, vemos potencial para aumentar o rendemento, como unha porosidade inferior ao 2% para as estruturas aeroespaciais".
Doutoramento de Garthaus.O traballo de tese no ILK explorou a pultrusión continua de compostos termoplásticos (TPC) para producir tubos trenzados, o que deu lugar a un proceso patentado de fabricación continua para tubos e perfís TPC.Non obstante, polo momento, Herone optou por traballar con provedores e clientes de aviación mediante un proceso de moldeo descontinuo."Isto dános a liberdade de facer todas as formas, incluídos os perfís curvos e os de sección transversal variable, así como aplicar parches locais e caídas de capas", explica."Estamos a traballar para automatizar o proceso de integración de parches locais e despois co-consolidándoos co perfil composto.Basicamente, todo o que podes facer con laminados planos e cunchas, podemos facelo por tubos e perfís.
Facer estes perfís ocos TPC foi en realidade un dos retos máis difíciles, di Garthaus.“Non se pode usar selado ou soplado cunha vexiga de silicona;así que tivemos que desenvolver un novo proceso”.Pero este proceso permite pezas baseadas en tubos e eixos de moi alto rendemento e adaptables, sinala.Tamén permitiu empregar o moldeado híbrido que desenvolveu Victrex, onde se sobremolde con PEEK PAEK a menor temperatura de fusión, consolidando a folla orgánica e o moldeado por inxección nun só paso.
Outro aspecto destacable do uso de preformas de cinta trenzada organoTube é que producen moi poucos residuos."Coa trenza, temos menos do 2% de residuos e, como é cinta TPC, podemos utilizar esta pequena cantidade de residuos no sobremoldeado para conseguir que a taxa de utilización do material sexa de ata o 100%", subliña Garthaus.
Barfuss e Garthaus comezaron o seu traballo de desenvolvemento como investigadores no Instituto de Enxeñaría Lixeira e Tecnoloxía de Polímeros (ILK) da TU Dresden."Este é un dos maiores institutos europeos de deseños compostos e híbridos lixeiros", sinala Barfuss.El e Garthaus traballaron alí durante case 10 anos nunha serie de desenvolvementos, incluíndo pultrusión continua de TPC e diferentes tipos de unión.Ese traballo finalmente foi destilado no que agora é a tecnoloxía de proceso herone TPC.
"Entón solicitamos o programa alemán EXIST, que ten como obxectivo transferir esa tecnoloxía á industria e financia 40-60 proxectos cada ano nunha ampla gama de campos de investigación", di Barfuss."Recibimos financiamento para equipos de capital, catro empregados e investimento para o seguinte paso de ampliación".Formaron herone en maio de 2018 despois de exhibir en JEC World.
En JEC World 2019, herone producira unha serie de pezas de demostración, incluíndo un eixe de transmisión de engrenaxes integrado ou lixeiro de alto par."Utilizamos unha cinta organoTube de fibra de carbono/PAEK trenzada nos ángulos requiridos pola peza e consolidámola nun tubo", explica Barfuss."A continuación, prequentamos o tubo a 200 °C e o sobremoldeamos cunha engrenaxe feita mediante a inxección de PEEK curto reforzado con fibra de carbono a 380 °C".O sobremoldeo foi modelado usando Moldflow Insight de Autodesk (San Rafael, California, EE. UU.).O tempo de recheo do molde optimizouse a 40,5 segundos e conseguiuse mediante unha máquina de moldeo por inxección ALLROUNDER de Arburg (Lossburg, Alemaña).
Este sobremoldeo non só reduce os custos de montaxe, os pasos de fabricación e a loxística, senón que tamén mellora o rendemento.A diferenza de 40 °C entre a temperatura de fusión do eixe de PAEK e a do engrenaxe PEEK sobremoldeado permite a unión cohesiva de fusión entre ambos a nivel molecular.Un segundo tipo de mecanismo de unión, o bloqueo de forma, conséguese utilizando a presión de inxección para termoformar simultaneamente o eixe durante o sobremoldeo para crear un contorno de bloqueo de forma.Isto pódese ver na figura 1 a continuación como "formación por inxección".Crea unha circunferencia ondulada ou sinusoidal onde a engrenaxe está unida fronte a unha sección transversal circular lisa, o que resulta nunha forma de bloqueo xeométrico.Isto mellora aínda máis a resistencia do eixe de engrenaxes integrado, como se demostrou nas probas (ver gráfico na parte inferior dereita).Fig.1. Desenvolvido en colaboración con Victrex e ILK, herone usa presión de inxección durante o sobremoldeado para crear un contorno de bloqueo de forma no eixe de engrenaxes integrado (arriba). Este proceso de formación por inxección permite que o eixe de engrenaxes integrado con bloqueo de forma (curva verde no gráfico) manter un par máis alto fronte a un eixe de transmisión sobremoldeado sen bloqueo da forma (curva negra no gráfico).
"Moita xente está a conseguir unha unión de fusión cohesiva durante o sobremoldeo", di Garthaus, "e outras están a usar o bloqueo de forma en compostos, pero a clave é combinar ambas nun único proceso automatizado".Explica que para os resultados das probas da figura 1, tanto o eixe como a circunferencia completa da engrenaxe foron fixados por separado, despois xiraron para inducir a carga de cizallamento.O primeiro fallo no gráfico está marcado por un círculo para indicar que se trata dunha engrenaxe PEEK sobremoldeada sen bloqueo de forma.O segundo fallo está marcado por un círculo engarzado que se asemella a unha estrela, o que indica a proba dunha engrenaxe sobremoldeada con bloqueo de forma."Neste caso, tes unha unión cohesiva e bloqueada na forma", di Garthaus, "e gañas case un 44% de aumento na carga de par".O reto agora, di, é conseguir que o bloqueo de forma tome carga nunha fase anterior para aumentar aínda máis o par que manexará este eixe de engrenaxes antes do fallo.
Un punto importante sobre o bloqueo da forma de contorno que consegue herone coa súa formación por inxección é que está completamente adaptado á parte individual e á carga que debe soportar esa parte.Por exemplo, no eixe de engrenaxes, o bloqueo da forma é circunferencial, pero nos puntais de tensión-compresión de abaixo, é axial."Por iso o que desenvolvemos é un enfoque máis amplo", di Garthaus."A forma en que integramos funcións e pezas depende da aplicación individual, pero canto máis poidamos facelo, máis peso e custo poderemos aforrar".
Ademais, a cetona reforzada con fibras curtas utilizada en elementos funcionais sobremoldeados como engrenaxes proporciona excelentes superficies de desgaste.Victrex demostrou isto e, de feito, comercializa este feito polos seus materiais PEEK e PAEK.
Barfuss sinala que o eixe de engrenaxes integrado, que foi recoñecido cun JEC World Innovation Award 2019 na categoría aeroespacial, é unha "demostración do noso enfoque, non só un proceso centrado nunha única aplicación.Queriamos explorar ata que punto podíamos racionalizar a fabricación e explotar as propiedades dos TPC para producir estruturas funcionalizadas e integradas.Actualmente a empresa está a optimizar varillas de tensión-compresión, utilizadas en aplicacións como puntales.
Fig. 3 Puntales de tensión e compresión. A formación por inxección esténdese aos puntais, onde a herna sobremoldea un elemento metálico de transferencia de carga na estrutura da peza usando bloqueo de forma axial para aumentar a resistencia da unión.
O elemento funcional dos puntais de tensión-compresión é unha parte metálica de interface que transfire as cargas desde e dende o garfo metálico ata o tubo composto (ver a ilustración a continuación).O conformado por inxección úsase para integrar o elemento de introdución de carga metálica no corpo do puntal composto.
"O principal beneficio que damos é diminuír o número de pezas", sinala."Isto simplifica a fatiga, que é un gran desafío para as aplicacións de puntales de avións.O bloqueo de forma xa se usa en compostos termoestables cunha inserción de plástico ou metal, pero non hai unión cohesiva, polo que podes conseguir un lixeiro movemento entre as pezas.Non obstante, o noso enfoque ofrece unha estrutura unitaria sen tal movemento".
Garthaus cita a tolerancia ao dano como outro desafío para estas pezas."Hai que impactar nos puntais e despois facer probas de fatiga", explica."Debido a que estamos a usar materiais de matriz termoplástica de alto rendemento, podemos acadar ata un 40% máis de tolerancia ao dano en comparación con termoestables, e tamén as microgrietas por impacto crecen menos coa carga de fatiga".
Aínda que os puntais de demostración mostran unha inserción metálica, Herone está a desenvolver actualmente unha solución totalmente termoplástica, que permite a unión cohesiva entre o corpo do puntal composto e o elemento de introdución de carga."Cando podemos, preferimos manternos totalmente compostos e axustar as propiedades modificando o tipo de reforzo de fibra, incluíndo carbono, vidro, fibra continua e curta", di Garthaus.“Deste xeito, minimizamos os problemas de complexidade e interface.Por exemplo, temos moito menos problemas en comparación coa combinación de termoestables e termoplásticos".Ademais, a unión entre o PAEK e o PEEK foi probado por Tri-Mack e os resultados mostran que ten o 85% da resistencia dun laminado CF/PAEK unidireccional base e é dúas veces máis forte que as unións adhesivas usando adhesivo de película epoxi estándar da industria.
Barfuss di que Herone agora ten nove empregados e está a pasar dun provedor de desenvolvemento tecnolóxico a un provedor de pezas de aviación.O seu seguinte gran paso é o desenvolvemento dunha nova fábrica en Dresde."A finais de 2020 teremos unha planta piloto que producirá pezas da primeira serie", di."Xa estamos traballando con fabricantes de equipos originales de aviación e provedores clave de nivel 1, demostrando deseños para moitos tipos diferentes de aplicacións".
A compañía tamén está a traballar con provedores de eVTOL e unha variedade de colaboradores en EE. UU. A medida que herone madura as aplicacións de aviación, tamén está gañando experiencia de fabricación con aplicacións de artigos deportivos, incluíndo murciélagos e compoñentes de bicicletas."A nosa tecnoloxía pode producir unha ampla gama de pezas complexas con rendemento, tempo de ciclo e beneficios de custo", di Garthaus."O noso tempo de ciclo usando PEEK é de 20 minutos, fronte aos 240 minutos usando preimpregnado curado en autoclave.Vemos un amplo campo de oportunidades, pero de momento, o noso foco está en levar a produción das nosas primeiras aplicacións e demostrar o valor destas pezas para o mercado".
Herone tamén se presentará en Carbon Fiber 2019. Obtén máis información sobre o evento en carbonfiberevent.com.
Centrados na optimización da colocación manual tradicional, os fabricantes de góndolas e inversores de empuxe poñen un ollo no futuro uso da automatización e do moldeado pechado.
O sistema de armas do avión gaña o alto rendemento do carbono/epoxi coa eficiencia do moldeado por compresión.
Os métodos para calcular o impacto que teñen os compostos sobre o medio ambiente permiten realizar comparacións baseadas en datos cos materiais tradicionais en condicións de igualdade.
Hora de publicación: 19-Ago-2019