Menggabungkan pita jalinan, cetakan berlebih, dan penguncian bentuk, herone menghasilkan poros penggerak roda gigi torsi tinggi satu bagian sebagai demonstran untuk berbagai aplikasi.
Poros penggerak roda gigi komposit terpadu.Herone menggunakan pita prepreg komposit termoplastik yang dikepang sebagai bentuk awal untuk proses yang mengkonsolidasikan laminasi poros penggerak dan membentuk elemen fungsional seperti roda gigi, menghasilkan struktur unitisasi yang mengurangi berat, jumlah komponen, waktu perakitan, dan biaya.Sumber untuk semua gambar |bangau
Proyeksi saat ini memperkirakan jumlah armada pesawat komersial akan berlipat ganda dalam 20 tahun ke depan.Untuk mengakomodasi hal ini, tingkat produksi pada tahun 2019 untuk pesawat jet berbadan lebar yang banyak mengandung komposit bervariasi dari 10 hingga 14 unit per bulan per OEM, sementara pesawat berbadan sempit telah meningkat menjadi 60 per bulan per OEM.Airbus secara khusus bekerja sama dengan pemasok untuk mengganti suku cadang prepreg tradisional namun memakan waktu yang lama pada A320 ke suku cadang yang dibuat melalui proses waktu siklus 20 menit yang lebih cepat seperti pencetakan transfer resin bertekanan tinggi (HP-RTM), sehingga membantu suku cadang pemasok menghadapi dorongan lebih lanjut menuju 100 pesawat per bulan.Sementara itu, pasar mobilitas dan transportasi udara perkotaan yang sedang berkembang memperkirakan kebutuhan akan 3.000 pesawat lepas landas dan mendarat vertikal listrik (EVTOL) per tahun (250 per bulan).
“Industri memerlukan teknologi produksi otomatis dengan waktu siklus lebih pendek yang juga memungkinkan pengintegrasian fungsi, yang ditawarkan oleh komposit termoplastik,” kata Daniel Barfuss, salah satu pendiri dan mitra pengelola herone (Dresden, Jerman), sebuah perusahaan teknologi komposit dan manufaktur suku cadang. perusahaan yang menggunakan bahan matriks termoplastik berkinerja tinggi dari polifenilensulfida (PPS) hingga polietereterketon (PEEK), polieterketonketon (PEKK) dan poliarileterketon (PAEK).“Tujuan utama kami adalah menggabungkan komposit termoplastik (TPC) berkinerja tinggi dengan biaya lebih rendah, untuk memungkinkan suku cadang khusus untuk beragam aplikasi manufaktur serial dan aplikasi baru,” tambah Dr. Christian Garthaus, salah satu pendiri dan pengelola kedua herone. mitra.
Untuk mencapai hal ini, perusahaan telah mengembangkan pendekatan baru, dimulai dengan pita serat kontinu yang diresapi sepenuhnya, mengepang pita perekat ini untuk membentuk “organoTube” berongga dan menggabungkan organoTube menjadi profil dengan penampang dan bentuk yang bervariasi.Pada langkah proses selanjutnya, ia menggunakan kemampuan las dan thermoformability TPC untuk mengintegrasikan elemen fungsional seperti roda gigi komposit ke poros penggerak, fitting ujung ke pipa, atau elemen pemindah beban ke dalam penyangga kompresi-tegangan.Barfuss menambahkan ada opsi untuk menggunakan proses pencetakan hibrid — yang dikembangkan oleh pemasok matriks keton Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) dan pemasok suku cadang Tri-Mack (Bristol, RI, AS) — yang menggunakan pita PAEK bersuhu leleh lebih rendah untuk profilnya. dan MENGINTIP untuk overmolding, memungkinkan material tunggal menyatu di seluruh sambungan (lihat “Overmolding memperluas jangkauan PEEK dalam komposit”).“Adaptasi kami juga memungkinkan penguncian bentuk geometris,” tambahnya, “yang menghasilkan struktur terintegrasi yang dapat menahan beban lebih tinggi.”
Proses herone dimulai dengan pita termoplastik yang diperkuat serat karbon yang diresapi sepenuhnya yang dijalin ke dalam tabung organo dan dikonsolidasikan.“Kami mulai bekerja dengan organoTube ini 10 tahun lalu, mengembangkan pipa hidrolik komposit untuk penerbangan,” kata Garthaus.Ia menjelaskan, karena tidak ada dua pipa hidrolik pesawat yang memiliki geometri yang sama, maka diperlukan cetakan untuk masing-masing pipa tersebut, dengan menggunakan teknologi yang ada.“Kami membutuhkan pipa yang dapat diproses pasca-pemrosesan untuk mencapai geometri pipa individual.Jadi, idenya adalah membuat profil komposit kontinu dan kemudian CNC membengkokkannya menjadi geometri yang diinginkan.”
Gbr. 2 Pita prepreg yang dikepang memberikan bentuk awal berbentuk jaring yang disebut organoTube untuk proses pembentukan injeksi herone dan memungkinkan produksi berbagai bentuk.
Hal ini terdengar mirip dengan apa yang dilakukan Sigma Precision Components (Hinckley, UK) (lihat “Memperbaiki mesin aero dengan pipa komposit”) dengan balutan mesin serat karbon/PEEK.“Mereka melihat bagian yang serupa tetapi menggunakan metode konsolidasi yang berbeda,” jelas Garthaus.“Dengan pendekatan kami, kami melihat potensi peningkatan kinerja, seperti porositas kurang dari 2% untuk struktur ruang angkasa.”
Garthaus Ph.D.tugas tesis di ILK dieksplorasi menggunakan pultrusion komposit termoplastik kontinyu (TPC) untuk memproduksi tabung jalinan, yang menghasilkan proses manufaktur berkelanjutan yang dipatenkan untuk tabung dan profil TPC.Namun, untuk saat ini, herone memilih bekerja sama dengan pemasok dan pelanggan penerbangan menggunakan proses pencetakan diskontinyu.“Hal ini memberi kami kebebasan untuk membuat berbagai macam bentuk, termasuk profil melengkung dan profil dengan penampang yang berbeda-beda, serta menerapkan tambalan lokal dan pelepasan lapisan,” jelasnya.“Kami berupaya mengotomatiskan proses pengintegrasian patch lokal dan kemudian menggabungkannya dengan profil komposit.Pada dasarnya, semua yang dapat Anda lakukan dengan laminasi dan cangkang datar, dapat kami lakukan untuk tabung dan profil.”
Membuat profil berongga TPC ini sebenarnya merupakan salah satu tantangan tersulit, kata Garthaus.“Anda tidak dapat menggunakan cetakan stempel atau cetakan tiup dengan kantung silikon;jadi, kami harus mengembangkan proses baru.”Namun proses ini memungkinkan komponen berbasis tabung dan poros berkinerja sangat tinggi dan dapat disesuaikan, catatnya.Hal ini juga memungkinkan penggunaan cetakan hibrid yang dikembangkan Victrex, di mana PAEK dengan suhu leleh lebih rendah dicetak berlebih dengan PEEK, sehingga mengkonsolidasikan lembaran organo dan cetakan injeksi dalam satu langkah.
Aspek penting lainnya dari penggunaan pita organoTube yang dikepang adalah bahwa mereka menghasilkan limbah yang sangat sedikit.“Dengan mengepang, kami memiliki kurang dari 2% limbah, dan karena ini adalah pita TPC, kami dapat menggunakan sejumlah kecil limbah ini kembali ke dalam cetakan berlebih untuk mendapatkan tingkat pemanfaatan material hingga 100%,” Garthaus menekankan.
Barfuss dan Garthaus memulai pekerjaan pengembangan mereka sebagai peneliti di Institut Teknik Ringan dan Teknologi Polimer (ILK) di TU Dresden.“Ini adalah salah satu institut terbesar di Eropa untuk desain komposit dan hibrida ringan,” kata Barfuss.Dia dan Garthaus bekerja di sana selama hampir 10 tahun dalam sejumlah pengembangan, termasuk pultrusion TPC yang berkelanjutan dan berbagai jenis penyambungan.Pekerjaan tersebut akhirnya disaring menjadi apa yang sekarang menjadi teknologi proses TPC yang terkenal.
“Kami kemudian menerapkan program EXIST Jerman, yang bertujuan untuk mentransfer teknologi tersebut ke industri dan mendanai 40-60 proyek setiap tahun di berbagai bidang penelitian,” kata Barfuss.“Kami menerima dana untuk peralatan modal, empat karyawan, dan investasi untuk langkah peningkatan selanjutnya.”Mereka membentuk herone pada Mei 2018 setelah berpameran di JEC World.
Pada JEC World 2019, herone telah memproduksi berbagai komponen demonstrasi, termasuk poros penggerak roda gigi atau gearshaft yang ringan, bertorsi tinggi, dan terintegrasi.“Kami menggunakan organoTube pita serat karbon/PAEK yang dijalin pada sudut yang dibutuhkan oleh bagian tersebut dan menyatukannya ke dalam sebuah tabung,” jelas Barfuss.“Kami kemudian memanaskan tabung pada suhu 200°C dan mencetaknya secara berlebihan dengan roda gigi yang dibuat dengan menyuntikkan PEEK pendek yang diperkuat serat karbon pada suhu 380°C.”Overmolding dimodelkan menggunakan Moldflow Insight dari Autodesk (San Rafael, California, US).Waktu pengisian cetakan dioptimalkan hingga 40,5 detik dan dicapai dengan menggunakan mesin cetak injeksi ALLROUNDER Arburg (Lossburg, Jerman).
Overmolding ini tidak hanya mengurangi biaya perakitan, tahapan produksi dan logistik, namun juga meningkatkan kinerja.Perbedaan 40°C antara suhu leleh poros PAEK dan suhu leleh roda gigi PEEK yang dicetak berlebih memungkinkan ikatan leleh yang kohesif antara keduanya pada tingkat molekuler.Jenis mekanisme sambungan yang kedua, penguncian bentuk, dicapai dengan menggunakan tekanan injeksi untuk secara bersamaan melakukan thermoform pada poros selama pencetakan berlebih untuk menciptakan kontur penguncian bentuk.Hal ini dapat dilihat pada Gambar 1 di bawah sebagai “pembentukan injeksi”.Ini menciptakan lingkaran bergelombang atau sinusoidal tempat roda gigi digabungkan versus penampang melingkar halus, yang menghasilkan bentuk penguncian geometris.Hal ini semakin meningkatkan kekuatan poros roda gigi terintegrasi, seperti yang ditunjukkan dalam pengujian (lihat grafik di kanan bawah).Gbr.1. Dikembangkan bekerja sama dengan Victrex dan ILK, herone menggunakan tekanan injeksi selama overmolding untuk menciptakan kontur penguncian bentuk pada poros roda gigi terintegrasi (atas). Proses pembentukan injeksi ini memungkinkan poros roda gigi terintegrasi dengan penguncian bentuk (kurva hijau pada grafik) menjadi mempertahankan torsi yang lebih tinggi vs. poros penggerak roda gigi yang dibentuk berlebihan tanpa penguncian bentuk (kurva hitam pada grafik).
“Banyak orang mencapai ikatan leleh yang kohesif selama proses overmolding,” kata Garthaus, “dan yang lain menggunakan penguncian bentuk pada komposit, namun kuncinya adalah menggabungkan keduanya menjadi satu proses otomatis.”Dijelaskannya, untuk hasil pengujian pada Gambar 1, baik poros maupun lingkar penuh roda gigi dijepit secara terpisah, kemudian diputar untuk menginduksi pembebanan geser.Kegagalan pertama pada grafik ditandai dengan lingkaran untuk menunjukkan bahwa itu adalah roda gigi PEEK yang mengalami overmolded tanpa penguncian bentuk.Kegagalan kedua ditandai dengan lingkaran berkerut yang menyerupai bintang, yang menunjukkan pengujian roda gigi yang mengalami overmolded dengan penguncian bentuk.“Dalam hal ini, Anda memiliki sambungan yang kohesif dan terkunci bentuknya,” kata Garthaus, “dan Anda mendapatkan peningkatan beban torsi hampir 44%.”Tantangannya sekarang, katanya, adalah mendapatkan penguncian bentuk untuk mengambil beban pada tahap awal untuk lebih meningkatkan torsi yang dapat ditangani oleh poros roda gigi ini sebelum terjadi kegagalan.
Poin penting tentang penguncian bentuk kontur yang dicapai herone dengan pembentukan injeksinya adalah bahwa ia sepenuhnya disesuaikan dengan masing-masing bagian dan beban yang harus ditahan oleh bagian tersebut.Misalnya, pada poros roda gigi, penguncian bentuk bersifat melingkar, tetapi pada penyangga tarik-kompresi di bawahnya, bersifat aksial.“Inilah sebabnya apa yang kami kembangkan adalah pendekatan yang lebih luas,” kata Garthaus.“Cara kami mengintegrasikan fungsi dan suku cadang bergantung pada aplikasi masing-masing, namun semakin kami dapat melakukan hal ini, semakin banyak bobot dan biaya yang dapat kami hemat.”
Selain itu, keton yang diperkuat serat pendek yang digunakan dalam elemen fungsional yang dibentuk secara berlebihan seperti roda gigi memberikan permukaan keausan yang sangat baik.Victrex telah membuktikan hal ini dan faktanya, memasarkan fakta ini untuk materi PEEK dan PAEK-nya.
Barfuss menekankan bahwa poros roda gigi terintegrasi, yang dianugerahi JEC World Innovation Award 2019 dalam kategori kedirgantaraan, merupakan “demonstrasi pendekatan kami, bukan sekadar proses yang berfokus pada satu aplikasi.Kami ingin mengeksplorasi seberapa besar kami dapat menyederhanakan produksi dan memanfaatkan properti TPC untuk menghasilkan struktur yang fungsional dan terintegrasi.”Perusahaan saat ini mengoptimalkan batang kompresi tegangan, yang digunakan dalam aplikasi seperti penyangga.
Gambar 3 Penopang tegangan-kompresiPembentukan injeksi diperluas ke penopang, di mana herone mencetak elemen pemindah beban logam ke dalam struktur bagian menggunakan penguncian bentuk aksial untuk meningkatkan kekuatan sambungan.
Elemen fungsional untuk penyangga tegangan-kompresi adalah bagian antarmuka logam yang memindahkan beban ke dan dari garpu logam ke tabung komposit (lihat ilustrasi di bawah).Pembentuk injeksi digunakan untuk mengintegrasikan elemen pengantar beban logam ke dalam bodi penyangga komposit.
“Manfaat utama yang kami berikan adalah mengurangi jumlah suku cadang,” ujarnya.“Ini menyederhanakan kelelahan, yang merupakan tantangan besar dalam aplikasi penyangga pesawat.Penguncian bentuk sudah digunakan dalam komposit termoset dengan sisipan plastik atau logam, namun tidak ada ikatan kohesif, sehingga terdapat sedikit pergerakan antar bagian.Pendekatan kami, bagaimanapun, memberikan struktur kesatuan tanpa adanya gerakan seperti itu.”
Garthaus menyebut toleransi kerusakan sebagai tantangan lain untuk bagian ini.“Anda harus memberi dampak pada struts dan kemudian melakukan pengujian kelelahan,” jelasnya.“Karena kami menggunakan material matriks termoplastik berperforma tinggi, kami dapat mencapai toleransi kerusakan 40% lebih tinggi dibandingkan termoset, dan retakan mikro apa pun akibat benturan akan berkurang seiring dengan pembebanan kelelahan.”
Meskipun penyangga demonstrasi menunjukkan sisipan logam, herone saat ini sedang mengembangkan solusi termoplastik, yang memungkinkan ikatan kohesif antara badan penyangga komposit dan elemen pengantar beban.“Jika memungkinkan, kami memilih untuk tetap menggunakan bahan komposit dan menyesuaikan properti dengan mengubah jenis penguat serat, termasuk karbon, kaca, serat kontinu dan serat pendek,” kata Garthaus.“Dengan cara ini, kami meminimalkan kompleksitas dan masalah antarmuka.Misalnya, masalah yang kita hadapi jauh lebih sedikit dibandingkan dengan menggabungkan termoset dan termoplastik.”Selain itu, ikatan antara PAEK dan PEEK telah diuji oleh Tri-Mack dan hasilnya menunjukkan bahwa ia memiliki kekuatan 85% dari kekuatan dasar laminasi CF/PAEK searah dan dua kali lebih kuat dari ikatan perekat yang menggunakan perekat film epoksi standar industri.
Barfuss mengatakan herone kini memiliki sembilan karyawan dan sedang bertransisi dari pemasok pengembangan teknologi menjadi pemasok suku cadang penerbangan.Langkah besar berikutnya adalah pembangunan pabrik baru di Dresden.“Pada akhir tahun 2020 kami akan memiliki pabrik percontohan yang memproduksi suku cadang seri pertama,” katanya.“Kami telah bekerja sama dengan OEM penerbangan dan pemasok utama Tier 1, mendemonstrasikan desain untuk berbagai jenis aplikasi.”
Perusahaan ini juga bekerja sama dengan pemasok eVTOL dan berbagai kolaborator di AS. Seiring dengan semakin matangnya aplikasi penerbangan, herone juga memperoleh pengalaman manufaktur dengan aplikasi perlengkapan olahraga termasuk alat pemukul dan komponen sepeda.“Teknologi kami dapat menghasilkan berbagai komponen kompleks dengan kinerja, waktu siklus, dan keunggulan biaya,” kata Garthaus.“Waktu siklus kami menggunakan PEEK adalah 20 menit, dibandingkan 240 menit menggunakan prepreg yang diawetkan secara autoklaf.Kami melihat peluang yang sangat luas, namun untuk saat ini, fokus kami adalah menerapkan aplikasi pertama kami ke dalam produksi dan menunjukkan nilai suku cadang tersebut ke pasar.”
Herone juga akan tampil di Carbon Fiber 2019. Pelajari lebih lanjut tentang acara tersebut di carbonfiberevent.com.
Berfokus pada optimalisasi hand layup tradisional, produsen nacelle dan pembalik dorong memperhatikan penggunaan otomatisasi dan pencetakan tertutup di masa depan.
Sistem senjata pesawat memperoleh kinerja karbon/epoksi yang tinggi dengan efisiensi pencetakan kompresi.
Metode untuk menghitung dampak komposit terhadap lingkungan memungkinkan perbandingan berbasis data dengan material tradisional dengan tingkat persaingan yang setara.
Waktu posting: 19 Agustus-2019