Combinando nastro intrecciato, sovrastampaggio e bloccaggio della forma, herone produce un albero di trasmissione a ingranaggi monopezzo a coppia elevata come dimostratore per un'ampia gamma di applicazioni.
Albero di trasmissione a ingranaggi composito unitizzato.Herone utilizza nastri preimpregnati compositi termoplastici intrecciati come preforme per un processo che consolida il laminato dell'albero di trasmissione e sovrastampa elementi funzionali come gli ingranaggi, producendo strutture unitarie che riducono il peso, il numero delle parti, i tempi e i costi di assemblaggio.Fonte per tutte le immagini |eroina
Le proiezioni attuali prevedono un raddoppio della flotta di aerei commerciali nei prossimi 20 anni.Per far fronte a ciò, i tassi di produzione nel 2019 per gli aerei di linea widebody ad alta intensità di compositi variano da 10 a 14 al mese per OEM, mentre i narrowbody sono già saliti a 60 al mese per OEM.Airbus sta collaborando in particolare con i fornitori per sostituire le parti preimpregnate con layup manuale, tradizionali ma dispendiose in termini di tempo, sull'A320 con parti realizzate tramite processi con tempi di ciclo più rapidi di 20 minuti, come lo stampaggio a trasferimento di resina ad alta pressione (HP-RTM), aiutando così le parti i fornitori incontrano un'ulteriore spinta verso i 100 aerei al mese.Nel frattempo, il mercato emergente della mobilità aerea e dei trasporti urbani prevede la necessità di 3.000 velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (EVTOL) all’anno (250 al mese).
"L'industria richiede tecnologie di produzione automatizzate con tempi di ciclo ridotti che consentano anche di integrare le funzioni offerte dai compositi termoplastici", afferma Daniel Barfuss, cofondatore e socio amministratore di herone (Dresda, Germania), una tecnologia dei compositi e produzione di componenti azienda che utilizza materiali a matrice termoplastica ad alte prestazioni dal polifenilensolfuro (PPS) al polietereterchetone (PEEK), polieterchetonechetone (PEKK) e poliarileterchetone (PAEK)."Il nostro obiettivo principale è combinare le elevate prestazioni dei compositi termoplastici (TPC) con costi inferiori, per realizzare parti su misura per una più ampia varietà di applicazioni di produzione in serie e nuove applicazioni", aggiunge il Dott. Christian Garthaus, secondo cofondatore e amministratore delegato di Herone compagno.
Per raggiungere questo obiettivo, l’azienda ha sviluppato un nuovo approccio, partendo da nastri in fibra continua completamente impregnati, intrecciando questi nastri per formare una preforma cava “organoTube” e consolidando gli organoTubes in profili con sezioni trasversali e forme variabili.In una fase successiva del processo, sfrutta la saldabilità e la termoformabilità dei TPC per integrare elementi funzionali come ingranaggi compositi su alberi di trasmissione, raccordi terminali su tubi o elementi di trasferimento del carico in puntoni di compressione-tensione.Barfuss aggiunge che esiste la possibilità di utilizzare un processo di stampaggio ibrido - sviluppato dal fornitore di matrici chetoniche Victrex (Cleveleys, Lancashire, Regno Unito) e dal fornitore di componenti Tri-Mack (Bristol, RI, Stati Uniti) - che utilizza nastro PAEK a temperatura di fusione inferiore per i profili e PEEK per il sovrastampaggio, che consente di ottenere un unico materiale fuso attraverso la giunzione (vedere “Il sovrastampaggio amplia la gamma di PEEK nei compositi”).“Il nostro adattamento consente anche il bloccaggio della forma geometrica”, aggiunge, “che produce strutture integrate in grado di sopportare carichi ancora più elevati”.
Il processo Herone inizia con nastri termoplastici rinforzati con fibra di carbonio completamente impregnati che vengono intrecciati in organoTubes e consolidati.“Abbiamo iniziato a lavorare con questi organoTubes 10 anni fa, sviluppando tubi idraulici compositi per l’aviazione”, afferma Garthaus.Spiega che, poiché non esistono due tubi idraulici per aerei con la stessa geometria, sarebbe necessario uno stampo per ciascuno di essi, utilizzando la tecnologia esistente.“Avevamo bisogno di un tubo che potesse essere post-lavorato per ottenere la geometria individuale del tubo.Quindi, l’idea era quella di realizzare profili compositi continui e poi piegarli a CNC nelle geometrie desiderate”.
Fig. 2 I nastri preimpregnati intrecciati forniscono preforme a forma di rete chiamate organoTubes per il processo di formatura a iniezione dell'herone e consentono la produzione di varie forme.
Sembra simile a quello che sta facendo Sigma Precision Components (Hinckley, Regno Unito) (vedi “Rivestimento di motori aeronautici con tubi compositi”) con il suo rivestimento per motori in fibra di carbonio/PEEK."Stanno esaminando parti simili ma utilizzano un metodo di consolidamento diverso", spiega Garthaus.“Con il nostro approccio, vediamo il potenziale per un aumento delle prestazioni, come una porosità inferiore al 2% per le strutture aerospaziali”.
Dottorato di ricerca di GarthausIl lavoro di tesi presso l'ILK ha esplorato l'utilizzo della pultrusione continua di compositi termoplastici (TPC) per produrre tubi intrecciati, che ha portato a un processo di produzione continuo brevettato per tubi e profili TPC.Tuttavia, per ora, herone ha scelto di lavorare con fornitori e clienti del settore aeronautico utilizzando un processo di stampaggio discontinuo."Questo ci dà la libertà di realizzare tutte le varie forme, compresi i profili curvi e quelli con sezione trasversale variabile, nonché di applicare toppe locali e scarti di strati", spiega.“Stiamo lavorando per automatizzare il processo di integrazione delle patch locali e quindi di co-consolidamento con il profilo composito.In sostanza, tutto quello che si può fare con i laminati piani e i gusci, noi lo possiamo fare con tubi e profili”.
Realizzare questi profili cavi TPC è stata in realtà una delle sfide più difficili, afferma Garthaus.“Non è possibile utilizzare la formatura a stampo o il soffiaggio con una vescica in silicone;quindi, abbiamo dovuto sviluppare un nuovo processo”.Ma questo processo consente parti basate su tubi e alberi ad altissime prestazioni e personalizzabili, osserva.Ha inoltre consentito l'utilizzo dello stampaggio ibrido sviluppato da Victrex, in cui il PAEK a temperatura di fusione inferiore viene sovrastampato con PEEK, consolidando il foglio organico e lo stampaggio a iniezione in un unico passaggio.
Un altro aspetto degno di nota dell'utilizzo delle preforme di nastro intrecciato OrganTube è che producono pochissimi scarti."Con la trecciatura, abbiamo meno del 2% di scarto e, poiché si tratta di nastro TPC, possiamo riutilizzare questa piccola quantità di scarto nel sovrastampaggio per ottenere un tasso di utilizzo del materiale fino al 100%", sottolinea Garthaus.
Barfuss e Garthaus hanno iniziato il loro lavoro di sviluppo come ricercatori presso l'Istituto di ingegneria leggera e tecnologia dei polimeri (ILK) della TU Dresden."Si tratta di uno dei più grandi istituti europei per i compositi e la progettazione ibrida leggera", osserva Barfuss.Lui e Garthaus hanno lavorato lì per quasi 10 anni su una serie di sviluppi, tra cui la pultrusione continua di TPC e diversi tipi di giunzione.Quel lavoro alla fine è stato distillato in quella che oggi è la tecnologia di processo TPC più utilizzata.
«Abbiamo poi fatto domanda per il programma tedesco EXIST, che mira a trasferire tale tecnologia all’industria e finanzia 40-60 progetti ogni anno in un’ampia gamma di campi di ricerca», afferma Barfuss.“Abbiamo ricevuto finanziamenti per beni strumentali, quattro dipendenti e investimenti per la fase successiva di espansione”.Hanno formato gli herone nel maggio 2018 dopo aver esposto al JEC World.
Al JEC World 2019, herone aveva prodotto una gamma di parti dimostrative, tra cui un albero di trasmissione a ingranaggi integrato leggero, a coppia elevata o un albero a ingranaggi."Utilizziamo un organoTube con nastro in fibra di carbonio/PAEK intrecciato secondo gli angoli richiesti dalla parte e lo consolidiamo in un tubo", spiega Barfuss.“Quindi preriscaldiamo il tubo a 200°C e lo sovrastampamo con un ingranaggio realizzato iniettando PEEK corto rinforzato con fibra di carbonio a 380°C.”Il sovrastampaggio è stato modellato utilizzando Moldflow Insight di Autodesk (San Rafael, California, Stati Uniti).Il tempo di riempimento dello stampo è stato ottimizzato a 40,5 secondi ed è stato ottenuto con una pressa ad iniezione ALLROUNDER di Arburg (Lossburg, Germania).
Questo sovrastampaggio non solo riduce i costi di assemblaggio, le fasi di produzione e la logistica, ma migliora anche le prestazioni.La differenza di 40°C tra la temperatura di fusione dell'albero in PAEK e quella dell'ingranaggio in PEEK sovrastampato consente un legame coesivo tra i due a livello molecolare.Un secondo tipo di meccanismo di giunzione, il bloccaggio della forma, si ottiene utilizzando la pressione di iniezione per termoformare contemporaneamente l'albero durante il sovrastampaggio per creare un contorno con bloccaggio della forma.Questo può essere visto nella Fig. 1 qui sotto come “formatura per iniezione”.Crea una circonferenza ondulata o sinusoidale in cui si unisce l'ingranaggio rispetto a una sezione trasversale circolare liscia, che si traduce in una forma geometricamente bloccante.Ciò aumenta ulteriormente la resistenza dell'albero del cambio integrato, come dimostrato nei test (vedere il grafico in basso a destra).Fig.1. Sviluppato in collaborazione con Victrex e ILK, herone utilizza la pressione di iniezione durante il sovrastampaggio per creare un contorno con bloccaggio della forma nell'albero dell'ingranaggio integrato (in alto). Questo processo di formatura ad iniezione consente all'albero dell'ingranaggio integrato con bloccaggio della forma (curva verde sul grafico) di sostenere una coppia più elevata rispetto a un albero di trasmissione a ingranaggi sovrastampato senza bloccaggio della forma (curva nera sul grafico).
“Molte persone stanno ottenendo un legame di fusione coeso durante il sovrastampaggio”, afferma Garthaus, “e altri utilizzano il bloccaggio della forma nei compositi, ma la chiave è combinare entrambi in un unico processo automatizzato”.Spiega che per i risultati del test in Fig. 1, sia l'albero che l'intera circonferenza dell'ingranaggio sono stati bloccati separatamente, quindi ruotati per indurre un carico di taglio.Il primo cedimento sul grafico è contrassegnato da un cerchio per indicare che si tratta di un ingranaggio in PEEK sovrastampato senza bloccaggio della forma.Il secondo cedimento è contrassegnato da un cerchio aggraffato che ricorda una stella, che indica il test di un ingranaggio sovrastampato con bloccaggio della forma."In questo caso, hai sia una giunzione coesiva che bloccata nella forma", afferma Garthaus, "e ottieni un aumento di quasi il 44% nel carico di coppia."La sfida ora, dice, è fare in modo che il bloccaggio della forma assorba il carico in una fase precedente per aumentare ulteriormente la coppia che questo albero a ingranaggi sarà in grado di gestire prima del cedimento.
Un punto importante del bloccaggio della forma del contorno che herone ottiene con la sua formatura ad iniezione è che è completamente adattato al singolo pezzo e al carico che il pezzo deve sopportare.Ad esempio, nell'albero del cambio, il bloccaggio della forma è circonferenziale, ma nei montanti di tensionamento-compressione sottostanti è assiale.“Ecco perché quello che abbiamo sviluppato è un approccio più ampio”, afferma Garthaus.“Il modo in cui integriamo funzioni e parti dipende dalla singola applicazione, ma quanto più possiamo farlo, tanto maggiore sarà il risparmio di peso e costi”.
Inoltre, il chetone rinforzato con fibre corte utilizzato negli elementi funzionali sovrastampati come gli ingranaggi fornisce eccellenti superfici antiusura.Victrex lo ha dimostrato e, di fatto, commercializza questo fatto per i suoi materiali PEEK e PAEK.
Barfuss sottolinea che l’albero del cambio integrato, che è stato premiato con un JEC World Innovation Award 2019 nella categoria aerospaziale, è una “dimostrazione del nostro approccio, non solo un processo focalizzato su una singola applicazione.Volevamo esplorare quanto avremmo potuto semplificare la produzione e sfruttare le proprietà dei TPC per produrre strutture funzionalizzate e integrate”.L'azienda sta attualmente ottimizzando le aste di tensione-compressione, utilizzate in applicazioni come i montanti.
Fig. 3 Puntoni di compressione-tensione La formatura ad iniezione è estesa ai puntoni, dove herone sovrastampa un elemento metallico di trasferimento del carico nella struttura della parte utilizzando il bloccaggio assiale della forma per aumentare la resistenza della giunzione.
L'elemento funzionale per i puntoni di tensione-compressione è una parte di interfaccia metallica che trasferisce i carichi da e verso la forcella metallica al tubo composito (vedere l'illustrazione sotto).La formatura ad iniezione viene utilizzata per integrare l'elemento metallico di introduzione del carico nel corpo del montante composito.
"Il vantaggio principale che offriamo è quello di ridurre il numero di parti", osserva.“Ciò semplifica la fatica, che rappresenta una grande sfida per le applicazioni dei montanti degli aerei.Il bloccaggio della forma è già utilizzato nei compositi termoindurenti con inserto in plastica o metallo, ma non esiste un legame coesivo, quindi è possibile ottenere un leggero movimento tra le parti.Il nostro approccio, tuttavia, fornisce una struttura unitaria senza tale movimento”.
Garthaus cita la tolleranza ai danni come un'altra sfida per queste parti."Bisogna colpire i montanti e poi eseguire le prove di fatica", spiega.“Poiché utilizziamo materiali a matrice termoplastica ad alte prestazioni, possiamo ottenere una tolleranza ai danni fino al 40% più elevata rispetto ai materiali termoindurenti, e inoltre eventuali microfessurazioni dovute all’impatto si riducono con il carico di fatica”.
Anche se i puntoni dimostrativi mostrano un inserto metallico, herone sta attualmente sviluppando una soluzione completamente termoplastica, che consente un legame coeso tra il corpo del puntone composito e l'elemento di introduzione del carico.“Quando possiamo, preferiamo rimanere completamente compositi e adattare le proprietà alterando il tipo di rinforzo delle fibre, tra cui carbonio, vetro, fibra continua e corta”, afferma Garthaus.“In questo modo riduciamo al minimo la complessità e i problemi di interfaccia.Ad esempio, abbiamo molti meno problemi rispetto alla combinazione di materiali termoindurenti e termoplastici”.Inoltre, il legame tra PAEK e PEEK è stato testato da Tri-Mack con risultati che mostrano che ha l'85% della resistenza di un laminato CF/PAEK unidirezionale di base ed è due volte più forte dei legami adesivi utilizzando un adesivo a pellicola epossidica standard del settore.
Barfuss afferma che Herone ora ha nove dipendenti e sta passando da fornitore di sviluppo tecnologico a fornitore di componenti per l'aviazione.Il prossimo grande passo sarà lo sviluppo di un nuovo stabilimento a Dresda.“Entro la fine del 2020 avremo un impianto pilota per la produzione dei pezzi della prima serie”, afferma.“Stiamo già lavorando con gli OEM del settore aeronautico e i principali fornitori di livello 1, dimostrando progetti per molti tipi diversi di applicazioni”.
L'azienda sta anche lavorando con fornitori di eVTOL e una serie di collaboratori negli Stati Uniti Man mano che herone matura le applicazioni aeronautiche, sta anche acquisendo esperienza nella produzione di applicazioni per articoli sportivi, tra cui mazze e componenti per biciclette.“La nostra tecnologia può produrre un’ampia gamma di parti complesse con vantaggi in termini di prestazioni, tempi di ciclo e costi”, afferma Garthaus.“Il nostro tempo di ciclo utilizzando il PEEK è di 20 minuti, contro i 240 minuti utilizzando il preimpregnato polimerizzato in autoclave.Vediamo un ampio campo di opportunità, ma per ora il nostro obiettivo è mettere in produzione le nostre prime applicazioni e dimostrare il valore di tali parti sul mercato”.
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Orario di pubblicazione: 19 agosto 2019