Kombinirajući pletenu traku, prelivanje i zaključavanje oblika, herone proizvodi jednodijelno pogonsko vratilo zupčanika visokog zakretnog momenta kao demonstrator za širok raspon primjena.
Jedinični kompozitni zupčanik-pogonsko vratilo.Herone koristi pletene termoplastične kompozitne prepreg trake kao predforme za proces koji konsolidira laminat pogonskog vratila i preliva funkcionalne elemente kao što su zupčanici, proizvodeći jedinstvene strukture koje smanjuju težinu, broj dijelova, vrijeme sklapanja i troškove.Izvor za sve slike |junakinja
Trenutne projekcije zahtijevaju udvostručenje flote komercijalnih zrakoplova u sljedećih 20 godina.Kako bi se to prilagodilo, proizvodne stope u 2019. za širokotrupne mlaznice s intenzivnim korištenjem kompozita variraju od 10 do 14 mjesečno po OEM-u, dok su uskotrupne već porasle na 60 mjesečno po OEM-u.Airbus konkretno radi s dobavljačima na prelasku tradicionalnih, ali vremenski intenzivnih dijelova preprega za ručno postavljanje na A320 na dijelove izrađene bržim procesima ciklusa od 20 minuta, kao što je visokotlačno prešanje smole (HP-RTM), čime se pomaže dio dobavljači ispunjavaju daljnji napor prema 100 zrakoplova mjesečno.U međuvremenu, tržište urbane zračne mobilnosti i prijevoza u nastajanju predviđa potrebu za 3000 električnih zrakoplova s vertikalnim uzlijetanjem i slijetanjem (EVTOL) godišnje (250 mjesečno).
"Industrija zahtijeva automatizirane proizvodne tehnologije sa skraćenim vremenima ciklusa koje također omogućuju integraciju funkcija koje nude termoplastični kompoziti", kaže Daniel Barfuss, suosnivač i izvršni partner herone (Dresden, Njemačka), tehnologije kompozita i proizvodnje dijelova tvrtka koja koristi visokoučinkovite termoplastične matrične materijale od polifenilensulfida (PPS) do polietereterketona (PEEK), polieterketonketona (PEKK) i poliarileterketona (PAEK)."Naš glavni cilj je kombinirati visoku učinkovitost termoplastičnih kompozita (TPC) s nižom cijenom, kako bismo omogućili prilagođene dijelove za veći izbor serijskih proizvodnih primjena i novih primjena", dodaje dr. Christian Garthaus, drugi suosnivač i direktor heronea partner.
Kako bi to postigla, tvrtka je razvila novi pristup, počevši s potpuno impregniranim, neprekinutim vlaknastim trakama, pletenjem tih traka kako bi se formirala šuplja predforma "organoTube" i konsolidacijom organoTube u profile s promjenjivim poprečnim presjecima i oblicima.U sljedećem koraku procesa koristi se zavarljivost i termoformabilnost TPC-a za integraciju funkcionalnih elemenata kao što su kompozitni zupčanici na pogonska vratila, završni spojevi na cijevi ili elementi za prijenos opterećenja u zatezno-kompresijske podupirače.Barfuss dodaje da postoji mogućnost korištenja hibridnog procesa kalupljenja — koji su razvili dobavljač ketonske matrice Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) i dobavljač dijelova Tri-Mack (Bristol, RI, SAD) — koji koristi PAEK traku niže temperature taljenja za profile i PEEK za prelijevanje, omogućavajući stopljeni, jedan materijal preko spoja (pogledajte “Prelijevanje proširuje PEEK-ov asortiman u kompozitima”)."Naša prilagodba također omogućuje geometrijsko zaključavanje oblika", dodaje on, "što proizvodi integrirane strukture koje mogu izdržati čak i veća opterećenja."
Herone proces počinje s potpuno impregniranim termoplastičnim trakama ojačanim ugljičnim vlaknima koje su upletene u organoTube i konsolidirane.“Počeli smo raditi s ovim organoTubes prije 10 godina, razvijajući kompozitne hidraulične cijevi za zrakoplovstvo,” kaže Garthaus.Objašnjava da bi, budući da ne postoje dvije hidraulične cijevi zrakoplova iste geometrije, bio potreban kalup za svaku od njih, koristeći postojeću tehnologiju.„Trebali smo cijev koja se može naknadno obraditi kako bismo postigli individualnu geometriju cijevi.Dakle, ideja je bila napraviti kontinuirane kompozitne profile i zatim ih CNC saviti u željene geometrije.”
Slika 2 Pletene prepreg trake daju predforme mrežastog oblika koje se nazivaju organoTubes za heronov proces injekcijskog oblikovanja i omogućuju proizvodnju različitih oblika.
Ovo zvuči slično onome što radi tvrtka Sigma Precision Components (Hinckley, UK) (pogledajte “Ponovna obrada zrakoplovnih motora s kompozitnim cijevima”) sa svojim presvlačenjem motora karbonskim vlaknima/PEEK."Promatraju slične dijelove, ali koriste drugačiju metodu konsolidacije", objašnjava Garthaus."S našim pristupom vidimo potencijal za povećanje performansi, kao što je manje od 2% poroznosti za zrakoplovne strukture."
Garthausov doktoratZavršni rad na ILK-u istraživao je korištenje kontinuirane termoplastične kompozitne (TPC) pultruzije za proizvodnju pletenih cijevi, što je rezultiralo patentiranim kontinuiranim proizvodnim procesom za TPC cijevi i profile.Međutim, za sada je Herone odlučio raditi s dobavljačima i kupcima u zrakoplovstvu koristeći diskontinuirani proces kalupljenja."To nam daje slobodu izrade svih različitih oblika, uključujući zakrivljene profile i one s različitim poprečnim presjekom, kao i primjenu lokalnih zakrpa i ispadanja slojeva", objašnjava.“Radimo na automatizaciji procesa za integraciju lokalnih zakrpa i njihovu konsolidaciju sa složenim profilom.Uglavnom, sve što možete učiniti s ravnim laminatima i školjkama, mi možemo učiniti za cijevi i profile.”
Izrada tih TPC šupljih profila zapravo je bio jedan od najtežih izazova, kaže Garthaus.“Ne možete koristiti oblikovanje pečata ili puhanje sa silikonskim mjehurom;pa smo morali razviti novi proces.”Ali ovaj proces omogućuje vrlo visoke performanse i dijelove koji se temelje na cijevi i vratilu, napominje on.Također je omogućio korištenje hibridnog kalupljenja koje je razvio Victrex, gdje se PAEK s nižom temperaturom taljenja prelije preko PEEK-a, konsolidirajući organolist i injekcijsko prešanje u jednom koraku.
Još jedan značajan aspekt korištenja preformi organoTube pletene trake je da proizvode vrlo malo otpada."S pletenicom imamo manje od 2% otpada, a budući da se radi o TPC traci, ovu malu količinu otpada možemo upotrijebiti natrag u prelijevanje kako bismo dobili stopu iskorištenja materijala do 100%", naglašava Garthaus.
Barfuss i Garthaus započeli su svoj razvojni rad kao istraživači na Institutu za laganu tehniku i tehnologiju polimera (ILK) na TU Dresden."Ovo je jedan od najvećih europskih instituta za kompozite i hibridne lagane dizajne", napominje Barfuss.On i Garthaus tamo su radili gotovo 10 godina na nizu razvoja, uključujući kontinuiranu TPC pultruziju i različite vrste spajanja.Taj je rad na kraju destiliran u ono što je sada herone TPC procesna tehnologija.
“Tada smo se prijavili na njemački program EXIST, koji je usmjeren na prijenos takve tehnologije u industriju i financira 40-60 projekata svake godine u širokom rasponu istraživačkih polja,” kaže Barfuss."Dobili smo sredstva za kapitalnu opremu, četiri zaposlenika i ulaganja za sljedeći korak povećanja."Osnovali su herone u svibnju 2018. nakon izlaganja na JEC World.
Do JEC World 2019, herone je proizveo niz demonstracijskih dijelova, uključujući laganu pogonsku osovinu s integriranim zupčanikom ili mjenjačku osovinu visokog okretnog momenta."Koristimo organoTube traku od karbonskih vlakana/PAEK upletenu pod kutovima koje zahtijeva dio i konsolidiramo to u cijev", objašnjava Barfuss."Zatim prethodno zagrijavamo cijev na 200°C i oblikujemo je preko zupčanika napravljenog ubrizgavanjem kratkog PEEK-a ojačanog ugljičnim vlaknima na 380°C."Prelijevanje je modelirano korištenjem Moldflow Insight tvrtke Autodesk (San Rafael, Kalifornija, SAD).Vrijeme punjenja kalupa optimizirano je na 40,5 sekundi i postignuto pomoću Arburg (Lossburg, Njemačka) stroja za injekcijsko prešanje ALLROUNDER.
Ovo prelijevanje ne samo da smanjuje troškove montaže, proizvodne korake i logistiku, već također poboljšava performanse.Razlika od 40°C između temperature taline PAEK osovine i one prelivenog PEEK zupčanika omogućuje kohezivno taljenje veza između njih na molekularnoj razini.Druga vrsta mehanizma spajanja, zaključavanje oblika, postiže se korištenjem tlaka ubrizgavanja za istovremeno termoformiranje osovine tijekom prelivanja kako bi se stvorila kontura zaključavanja oblika.To se može vidjeti na slici 1 u nastavku kao "injektiranje".On stvara valoviti ili sinusoidni opseg gdje je zupčanik spojen nasuprot glatkom kružnom presjeku, što rezultira geometrijski zaključanim oblikom.Ovo dodatno povećava čvrstoću integriranog mjenjača, kao što je pokazano u testiranju (vidi grafikon dolje desno). Sl.1. Razvijen u suradnji s Victrexom i ILK-om, herone koristi tlak ubrizgavanja tijekom prelivanja kako bi stvorio konturu za zaključavanje oblika u integriranom mjenjaču (gore). Ovaj postupak oblikovanja ubrizgavanjem omogućuje integriranom mjenjaču s zaključavanjem oblika (zelena krivulja na grafikonu) da izdržati veći okretni moment u odnosu na prelivenu pogonsku osovinu zupčanika bez zaključavanja oblika (crna krivulja na grafikonu).
"Mnogi ljudi postižu kohezivno spajanje taljenjem tijekom prelijevanja", kaže Garthaus, "a drugi koriste zaključavanje oblika u kompozitima, ali ključ je kombinirati oboje u jedan, automatizirani proces."Objašnjava da su za rezultate ispitivanja na slici 1 i osovina i cijeli opseg zupčanika stegnuti odvojeno, zatim rotirani kako bi izazvali opterećenje smicanja.Prvi kvar na grafikonu označen je kružićem kako bi se naznačilo da se radi o prelivenom PEEK zupčaniku bez zaključavanja oblika.Drugi kvar označen je naboranim krugom nalik zvijezdi, što ukazuje na ispitivanje prelivenog zupčanika s zaključavanjem oblika."U ovom slučaju, imate i kohezivni i oblik zaključani spoj," kaže Garthaus, "i dobivate gotovo 44% povećanje opterećenja momentom."Izazov je sada, kaže on, postići da zaključavanje oblika preuzme opterećenje u ranijoj fazi kako bi se dodatno povećao okretni moment koji će ovaj mjenjač podnijeti prije kvara.
Važna točka u vezi s konturnim oblikovanjem koje herone postiže svojim injekcijskim oblikovanjem je da je potpuno prilagođeno pojedinačnom dijelu i opterećenju koje taj dio mora izdržati.Na primjer, u mjenjaču, zaključavanje oblika je obodno, ali u zatezno-kompresivnim podupiračima ispod, ono je aksijalno."Zato je ono što smo razvili širi pristup", kaže Garthaus."Način na koji ćemo integrirati funkcije i dijelove ovisi o pojedinačnoj primjeni, ali što više to možemo učiniti, to možemo uštedjeti na težini i troškovima."
Također, keton ojačan kratkim vlaknima koji se koristi u prelivenim funkcionalnim elementima kao što su zupčanici osigurava izvrsne habajuće površine.Victrex je to dokazao i zapravo tu činjenicu reklamira za svoje PEEK i PAEK materijale.
Barfuss ističe da je integrirana mjenjačka osovina, koja je 2019. prepoznata s JEC Svjetskom nagradom za inovacije u kategoriji zrakoplovstva, „demonstracija našeg pristupa, a ne samo proces usmjeren na jednu aplikaciju.Htjeli smo istražiti koliko bismo mogli pojednostaviti proizvodnju i iskoristiti svojstva TPC-a za proizvodnju funkcionaliziranih, integriranih struktura.”Tvrtka trenutačno optimizira zatezno-kompresivne šipke koje se koriste u aplikacijama poput podupirača.
Slika 3 Vlačno-kompresivni podupirači. Injekcijsko oblikovanje prošireno je na podupirače, gdje herone preliva metalni element za prijenos opterećenja u strukturu dijela koristeći aksijalno zaključavanje oblika za povećanje čvrstoće spoja.
Funkcionalni element za zatezno-kompresijske podupirače je metalni dio sučelja koji prenosi opterećenja na i s metalne vilice na kompozitnu cijev (vidi sliku u nastavku).Injektiranje se koristi za integraciju metalnog elementa za uvođenje opterećenja u kompozitno tijelo podupirača.
"Glavna prednost koju pružamo je smanjenje broja dijelova", napominje.“Ovo pojednostavljuje zamor, što je veliki izazov za primjene upornih nosača zrakoplova.Zaključavanje oblika već se koristi u duroplastičnim kompozitima s plastičnim ili metalnim umetkom, ali nema kohezivnog povezivanja, tako da možete dobiti lagano pomicanje između dijelova.Naš pristup, međutim, pruža jedinstvenu strukturu bez takvog kretanja.”
Garthaus navodi toleranciju na oštećenja kao još jedan izazov za ove dijelove."Morate djelovati na podupirače i zatim obaviti ispitivanje zamora", objašnjava."Budući da koristimo termoplastične matrične materijale visokih performansi, možemo postići čak 40% veću toleranciju na oštećenja u odnosu na duroplaste, a također sve mikropukotine od udara rastu manje s opterećenjem od zamora."
Iako pokazne opružne noge pokazuju metalni umetak, Herone trenutno razvija potpuno termoplastično rješenje, omogućavajući kohezivno spajanje kompozitnog tijela opružne noge i elementa za uvođenje opterećenja."Kad možemo, radije ostajemo potpuno kompozitni i prilagođavamo svojstva mijenjanjem vrste ojačanja vlaknima, uključujući ugljična, staklena, kontinuirana i kratka vlakna", kaže Garthaus.“Na taj način minimiziramo složenost i probleme sa sučeljem.Na primjer, imamo puno manje problema u usporedbi s kombiniranjem duroplasta i termoplasta.”Osim toga, vezu između PAEK-a i PEEK-a ispitao je Tri-Mack s rezultatima koji pokazuju da ima 85% čvrstoće osnovnog jednosmjernog CF/PAEK laminata i dvostruko je čvršći od ljepljivih spojeva koji koriste industrijsko standardno ljepilo za epoksidni film.
Barfuss kaže da herone sada ima devet zaposlenih i prelazi iz dobavljača tehnološkog razvoja u dobavljača dijelova za zrakoplovstvo.Njegov sljedeći veliki korak je razvoj nove tvornice u Dresdenu."Do kraja 2020. imat ćemo pilot tvornicu koja će proizvoditi dijelove prve serije", kaže."Već radimo s proizvođačima originalne opreme u zrakoplovstvu i ključnim dobavljačima prve razine, demonstrirajući dizajne za mnoge različite vrste aplikacija."
Tvrtka također surađuje s dobavljačima eVTOL-a i nizom suradnika u SAD-u. Kako herone sazrijeva u zrakoplovnim aplikacijama, također stječe proizvodno iskustvo s aplikacijama sportske opreme, uključujući palice i komponente za bicikle."Naša tehnologija može proizvesti širok raspon složenih dijelova s performansama, vremenom ciklusa i isplativim troškovima", kaže Garthaus.“Vrijeme našeg ciklusa uz PEEK je 20 minuta, naspram 240 minuta kod upotrebe preprega stvrdnutog u autoklavu.Vidimo široko polje mogućnosti, ali za sada nam je fokus na puštanju naših prvih aplikacija u proizvodnju i demonstriranju vrijednosti takvih dijelova tržištu.”
Herone će također predstavljati na Carbon Fiber 2019. Saznajte više o događaju na carbonfiberevent.com.
Usredotočeni na optimizaciju tradicionalnog postavljanja ruku, proizvođači gondola i reverzera potiska bacili su oko na buduću upotrebu automatizacije i zatvorenog oblikovanja.
Zrakoplovni oružani sustav dobiva visoke performanse ugljika/epoksida s učinkovitošću kompresijskog kalupljenja.
Metode za izračunavanje utjecaja kompozita na okoliš omogućuju usporedbe temeljene na podacima s tradicionalnim materijalima pod jednakim uvjetima.
Vrijeme objave: 19. kolovoza 2019