A fonott szalagot, az öntést és a formarögzítést kombinálva a Herone egy darabból álló, nagy nyomatékú fogaskerekes hajtótengelyt gyárt, amely bemutatja az alkalmazások széles skáláját.
Egységes kompozit fogaskerék-hajtótengely.A Herone fonott, hőre lágyuló kompozit prepreg szalagokat használ előformaként egy olyan folyamathoz, amely megszilárdítja a hajtótengely-laminátumot, és átönt olyan funkcionális elemeket, mint a fogaskerekek, így egységes szerkezeteket állít elő, amelyek csökkentik a súlyt, az alkatrészek számát, az összeszerelési időt és a költségeket.Az összes kép forrása |herone
A jelenlegi előrejelzések szerint az elkövetkező 20 évben megkétszereződik a kereskedelmi repülőgép-flotta.Ennek érdekében 2019-ben a kompozit-intenzív szélestörzsű sugárhajtású repülőgépek gyártási aránya havi 10 és 14 között változik OEM-enként, míg a keskenytesteknél már 60-ra nőtt havonta.Az Airbus kifejezetten azon dolgozik a beszállítókkal, hogy az A320-on hagyományos, de időigényes, kézzel összerakható prepreg alkatrészeket cseréljenek gyorsabb, 20 perces ciklusidővel készült alkatrészekre, mint például a nagynyomású gyantatranszfer-öntés (HP-RTM), így segítve az alkatrészeket. a beszállítók havi 100 repülőgép felé további nyomást teljesítenek.Eközben a feltörekvő városi légi mobilitási és szállítási piac évi 3000 elektromos függőleges fel- és leszálló (EVTOL) repülőgép szükségességét prognosztizálja (havi 250).
„Az ipar automatizált gyártási technológiát igényel lerövidített ciklusidővel, amelyek lehetővé teszik a hőre lágyuló kompozitok által kínált funkciók integrálását is” – mondja Daniel Barfuss, a herone (Drezda, Németország), a kompozittechnológiával és alkatrészgyártó cég társalapítója és ügyvezető partnere. olyan cég, amely nagy teljesítményű hőre lágyuló mátrix anyagokat használ a polifenilénszulfidtól (PPS) a poliéter-éterketonig (PEEK), poliéterketonketonig (PEKK) és poliaril-éterketonig (PAEK).„Fő célunk az, hogy a hőre lágyuló kompozitok (TPC) nagy teljesítményét az alacsonyabb költségekkel kombináljuk, hogy személyre szabott alkatrészeket tegyünk lehetővé sorozatgyártási alkalmazások és új alkalmazások szélesebb köréhez” – teszi hozzá Dr. Christian Garthaus, a herone második társalapítója és ügyvezetője. partner.
Ennek elérése érdekében a vállalat egy új megközelítést dolgozott ki, kezdve a teljesen impregnált, folytonos szálas szalagokkal, ezeket a szalagokat fonva üreges előformát „organoTube”-vé alakítja, majd az organoTubes-eket változó keresztmetszetű és formájú profilokká tömöríti.Egy következő folyamatlépésben a TPC-k hegeszthetőségét és hőformázhatóságát használja fel, hogy olyan funkcionális elemeket integráljon a hajtótengelyekre, mint a kompozit fogaskerekek, a csövek végszerelvényei vagy a terhelés-átvivő elemek feszítő-kompressziós rudakba.Barfuss hozzáteszi, hogy lehetőség van hibrid fröccsöntési eljárás alkalmazására – amelyet a ketonmátrixszállító Victrex (Cleveleys, Lancashire, Egyesült Királyság) és a Tri-Mack alkatrészszállító (Bristol, RI, US) fejlesztett ki –, amely alacsonyabb olvadási hőmérsékletű PAEK szalagot használ a profilokhoz. és PEEK a ráöntéshez, lehetővé téve az összeolvasztott, egyetlen anyagot a csatlakozáson keresztül (lásd: „Az overmolding kiterjeszti a PEEK kínálatát a kompozitokban”).„A mi adaptációnk lehetővé teszi a geometriai alakrögzítést is – teszi hozzá –, amely integrált szerkezeteket hoz létre, amelyek még nagyobb terhelésnek is ellenállnak.”
A herone folyamat teljesen impregnált szénszál-erősítésű hőre lágyuló szalagokkal kezdődik, amelyeket organoTubes-okká fonnak, és megszilárdítanak.„10 évvel ezelőtt kezdtünk el ezekkel az organoTubes-szel dolgozni, és kompozit hidraulika csöveket fejlesztettünk a repülés számára” – mondja Garthaus.Elmondja, hogy mivel nincs két egyforma geometriájú repülőgép-hidraulika cső, mindegyikhez szükség lenne egy öntőformára, a meglévő technológia segítségével.„Olyan csőre volt szükségünk, amelyet utólag meg lehet dolgozni az egyedi csőgeometria eléréséhez.Tehát az volt az ötlet, hogy folytonos kompozit profilokat készítsünk, majd ezeket CNC-vel a kívánt geometriára hajlítsuk.”
2. ábra A fonott prepreg szalagok háló alakú előformákat, úgynevezett organoTubes-eket biztosítanak a herone injektálási folyamatához, és különféle formák előállítását teszik lehetővé.
Ez hasonlóan hangzik ahhoz, amit a Sigma Precision Components (Hinckley, Egyesült Királyság) csinál (lásd: „A légimotorok átszerelése kompozit csövekkel”) a szénszálas/PEEK motorburkolattal.„Hasonló részeket néznek, de más konszolidációs módszert alkalmaznak” – magyarázza Garthaus.„Megközelítésünkkel lehetőséget látunk a teljesítmény növelésére, például a repülőgép-űrszerkezetek 2%-nál kisebb porozitására.”
Garthaus Ph.D.Az ILK-nél végzett szakdolgozat során a folyamatos termoplasztikus kompozit (TPC) pultrúziót kutatták fonott csövek előállítására, amely szabadalmaztatott folyamatos gyártási eljárást eredményezett TPC csövek és profilok számára.Egyelőre azonban a herone úgy döntött, hogy a repülési beszállítókkal és az ügyfelekkel nem folyamatos öntési folyamatot alkalmaz.„Ez lehetővé teszi számunkra, hogy az összes különböző formát elkészítsük, beleértve az ívelt profilokat és a változó keresztmetszetűeket, valamint helyi foltokat és rétegledobásokat” – magyarázza.„Azon dolgozunk, hogy automatizáljuk a helyi javítások integrálásának folyamatát, majd azokat az összetett profillal együtt konszolidáljuk.Alapvetően mindent, amit a lapos laminátumokkal és héjakkal megtehet, megtehetünk csövek és profilok esetében is.”
Ezeknek a TPC üreges profiloknak az elkészítése valójában az egyik legnehezebb kihívás volt, mondja Garthaus.„Nem használhat bélyegformázást vagy fúvást szilikon tömlővel;tehát egy új folyamatot kellett kidolgoznunk.”Ez az eljárás azonban nagyon nagy teljesítményű és testreszabható cső- és tengelyalapú alkatrészeket tesz lehetővé – jegyzi meg.Lehetővé tette a Victrex által kifejlesztett hibrid fröccsöntést is, ahol az alacsonyabb olvadékhőmérsékletű PAEK-et PEEK-el öntik felül, egyetlen lépésben megszilárdítva az organos lapot és a fröccsöntést.
Az organoTube fonott szalag előformák használatának másik figyelemre méltó szempontja, hogy nagyon kevés hulladékot termelnek.„A fonással kevesebb, mint 2% hulladékunk van, és mivel TPC szalagról van szó, ezt a kis mennyiségű hulladékot vissza tudjuk használni a fröccsöntéshez, hogy akár 100%-os anyagfelhasználási arányt érjünk el” – hangsúlyozza Garthaus.
Barfuss és Garthaus a Drezdai TU Könnyűsúlymérnöki és Polimertechnológiai Intézetének (ILK) kutatóiként kezdte meg fejlesztői munkáját.„Ez az egyik legnagyobb európai kompozit és hibrid könnyűszerkezetes intézet” – jegyzi meg Barfuss.Ő és Garthaus közel 10 évig dolgoztak ott számos fejlesztésen, beleértve a folyamatos TPC pultrúziót és a különböző típusú csatlakozásokat.Ezt a munkát végül lepárolták a mai TPC technológiai technológiának.
„Ezután pályáztunk a német EXIST programra, amelynek célja az ilyen technológia ipari átadása, és évente 40-60 projektet finanszírozunk a kutatások széles skáláján” – mondja Barfuss.„Tőkefelszerelésre, négy alkalmazottra és beruházásra kaptunk támogatást a bővítés következő lépéséhez.”2018 májusában a JEC World kiállítása után alakították ki a hőst.
A JEC World 2019-re a herone egy sor bemutató alkatrészt készített, köztük egy könnyű, nagy nyomatékú, integrált fogaskerekes hajtótengelyt vagy hajtótengelyt.„Színszálas/PAEK szalagot használunk, az organoTube-ot az alkatrész által megkívánt szögben fonva, és ezt egy csővé tömörítjük” – magyarázza Barfuss.„Ezután a csövet 200°C-ra előmelegítjük, és 380°C-on rövid szénszál-erősítésű PEEK befecskendezésével készült fogaskerékkel átöntjük."Az öntvényt az Autodesk (San Rafael, Kalifornia, USA) Moldflow Insight segítségével modellezték.Az öntőforma betöltési idejét 40,5 másodpercre optimalizáltuk, és egy Arburg (Lossburg, Németország) ALLROUNDER fröccsöntő géppel érték el.
Ez az öntözés nemcsak az összeszerelési költségeket, a gyártási lépéseket és a logisztikát csökkenti, hanem a teljesítményt is javítja.A PAEK tengely és a ráöntött PEEK hajtómű olvadási hőmérséklete közötti 40°C-os különbség lehetővé teszi a kettő közötti kohéziós olvadékkötést molekuláris szinten.Az összeillesztési mechanizmus egy másik típusa, az alakrögzítés úgy érhető el, hogy a befecskendezési nyomást egyidejűleg hőformázzák a tengelyen az átöntés során, így alakítják ki az alakzáró kontúrt.Ez az alábbi 1. ábrán „injektálás-formálásként” látható.Hullámos vagy szinuszos kerületet hoz létre, ahol a fogaskerekek össze vannak kötve a sima kör keresztmetszethez képest, ami geometriailag záródó formát eredményez.Ez tovább növeli az integrált hajtótengely szilárdságát, amint azt a tesztelés is kimutatta (lásd a grafikont a jobb alsó sarokban).1. A Victrex-szel és az ILK-val együttműködésben kifejlesztett herone fröccsöntési nyomást használ az átöntés során, hogy alakzáró kontúrt hozzon létre az integrált hajtóműben (fent). Ez a fröccsöntő-alakítási eljárás lehetővé teszi, hogy az integrált fogaskerék alakrögzítéssel (zöld görbe a grafikonon) nagyobb nyomatékot tartanak fenn, mint az öntött fogaskerekes hajtótengely alakrögzítés nélkül (fekete görbe a grafikonon).
„Sok ember kohéziós olvadékkötést ér el a túlöntés során” – mondja Garthaus –, „mások pedig alakrögzítést alkalmaznak a kompozitokban, de a kulcs az, hogy a kettőt egyetlen automatizált folyamatban egyesítsék.”Elmagyarázza, hogy az 1. ábrán látható vizsgálati eredményekhez a fogaskerék tengelyét és teljes kerületét külön-külön befogták, majd elforgatták a nyírási terhelés előidézésére.A grafikonon az első meghibásodást egy kör jelöli, jelezve, hogy formazárás nélküli, túlformázott PEEK fogaskerékre vonatkozik.A második meghibásodást egy csillagra emlékeztető préselt kör jelzi, jelezve, hogy egy felülöntött fogaskerék alakzáróval tesztelték.„Ebben az esetben egy összefüggő és formarögzített csatlakozással rendelkezik – mondja Garthaus –, és csaknem 44%-kal nő a nyomatékterhelés.”Azt mondja, hogy most az a kihívás, hogy az alakrögzítést egy korábbi szakaszban felvegyük, hogy tovább növeljük a forgatónyomatékot, amelyet a fogaskerék meghibásodása előtt kezelni fog.
A herone által a befecskendezéssel elért kontúrforma-rögzítés fontos szempontja, hogy teljesen az egyes alkatrészre szabott, és az alkatrésznek el kell viselnie a terhelést.Például a hajtóműben az alakrögzítés kerületi, de az alatta lévő feszítő-nyomó rudaknál axiális.„Ezért egy tágabb megközelítést fejlesztettünk ki” – mondja Garthaus.„A funkciók és alkatrészek integrálása az egyedi alkalmazástól függ, de minél többet tehetjük meg, annál nagyobb súlyt és költséget takaríthatunk meg.”
Ezenkívül a túlformázott funkcionális elemekben, például fogaskerekekben használt rövidszálas megerősített keton kiváló kopási felületeket biztosít.A Victrex bebizonyította ezt, sőt, ezt a tényt a PEEK és PAEK anyagaival is értékesíti.
Barfuss rámutat, hogy az integrált hajtómű, amelyet 2019-ben a JEC World Innovation Award díjjal ismertek el a repülőgép-kategóriában, „szemléletünk demonstrációja, nem csupán egyetlen alkalmazásra összpontosító folyamat.Azt akartuk feltárni, hogy mennyire tudjuk egyszerűsíteni a gyártást és kihasználni a TPC-k tulajdonságait funkcionalizált, integrált szerkezetek előállítására.A vállalat jelenleg optimalizálja a feszítő-nyomó rudakat, amelyeket olyan alkalmazásokban használnak, mint a rugóstagok.
3. ábra Feszítő-nyomó rugóstagok A fröccsöntő formázást kiterjesztik a támasztékokra, ahol a herone egy fém teherátvivő elemet önt be az alkatrészszerkezetbe tengelyirányú alakrögzítéssel a csatlakozási szilárdság növelése érdekében.
A feszítő-nyomó rugóstagok funkcionális eleme egy fém interfész alkatrész, amely a terhelést a fémvillára és a fémvilláról a kompozit csőre továbbítja (lásd az alábbi ábrát).A befecskendezést a fém teherbevezető elemnek a kompozit rugóstag testbe történő integrálására használják.
„A fő előnyünk, hogy csökkentjük az alkatrészek számát” – jegyzi meg.„Ez leegyszerűsíti a kifáradást, ami nagy kihívást jelent a repülőgépek rugóstagjainál.A műanyag vagy fém betétes hőre keményedő kompozitoknál már alkalmazzák a formazárást, de nincs kohéziós kötés, így enyhe mozgást lehet elérni az alkatrészek között.A mi megközelítésünk azonban egységes szerkezetet biztosít, ilyen mozgás nélkül.”
Garthaus a sérüléstűrést említi másik kihívásként ezeknél az alkatrészeknél.„Meg kell ütni a rugóstagokat, majd el kell végezni a fáradási tesztet” – magyarázza.„Mivel nagy teljesítményű, hőre lágyuló mátrixanyagokat használunk, akár 40%-kal nagyobb sérüléstűrést érhetünk el a hőre keményedő anyagokkal szemben, és az ütközésből származó mikrorepedések is kevésbé nőnek a fáradási terhelés hatására.”
Annak ellenére, hogy a bemutató rugóstagokon fémbetét látható, a Herone jelenleg egy teljesen hőre lágyuló megoldást fejleszt, amely lehetővé teszi a kompozit rugóstag test és a teherbevezető elem közötti kohéziós kötést.„Amikor tehetjük, inkább maradjunk teljesen kompozitok, és módosítsuk a tulajdonságokat a szálerősítés típusának megváltoztatásával, beleértve a karbon-, üveg-, folyamatos és rövidszálas szálakat” – mondja Garthaus.„Ily módon minimalizáljuk a bonyolultságot és a felületi problémákat.Például sokkal kevesebb problémánk van, mint a hőre keményedő anyagok és a hőre lágyuló műanyagok kombinálásával.”Ezenkívül a PAEK és a PEEK közötti kötést a Tri-Mack tesztelte, és az eredmények azt mutatják, hogy az alap egyirányú CF/PAEK laminátum szilárdságának 85%-a, és kétszer olyan erős, mint az ipari szabvány epoxi filmragasztót használó ragasztó kötések.
Barfuss elmondása szerint a Herone-nak jelenleg kilenc alkalmazottja van, és technológiai fejlesztési beszállítóból repülési alkatrészek szállítójává vált.Következő nagy lépése egy új gyár fejlesztése Drezdában.„2020 végére lesz egy kísérleti üzemünk, amely az első szériás alkatrészeket fogja gyártani” – mondja.„Már dolgozunk a légiközlekedési OEM-ekkel és a kulcsfontosságú Tier 1-beszállítókkal, bemutatva a terveket számos különböző típusú alkalmazáshoz.”
A vállalat az eVTOL beszállítóival és számos munkatárssal is együttműködik az Egyesült Államokban. Ahogy a herone kidolgozza a légiközlekedési alkalmazásokat, gyártási tapasztalatokat szerez a sportszer-alkalmazások terén is, beleértve az ütőket és a kerékpár-alkatrészeket.„Technológiánk összetett alkatrészek széles skáláját képes előállítani teljesítmény, ciklusidő és költségelőnyök mellett” – mondja Garthaus.„A ciklusidőnk PEEK használatával 20 perc, szemben az autoklávban keményített prepreg 240 perccel.A lehetőségek széles tárházát látjuk, de egyelőre arra összpontosítunk, hogy első alkalmazásainkat gyártásba kezdjük, és bemutassuk az ilyen alkatrészek értékét a piacon.”
A Herone a Carbon Fiber 2019 rendezvényen is bemutatkozik. További információ az eseményről a carbonfiberevent.com oldalon.
A hagyományos kézi elrendezés optimalizálására összpontosítva a gondola- és tolóerő-visszafordító gyártók az automatizálás és a zárt fröccsöntés jövőbeli alkalmazását szem előtt tartják.
A repülőgép-fegyverrendszer a karbon/epoxi nagy teljesítményét a kompressziós öntés hatékonyságával éri el.
A kompozitok környezetre gyakorolt hatásának kiszámítására szolgáló módszerek lehetővé teszik a hagyományos anyagokkal való adatvezérelt összehasonlítást egyenlő feltételek mellett.
Feladás időpontja: 2019.08.19