בשילוב של סרט קלוע, יציקת יתר ונעילה, Herone מייצרת גל הנעה מקשה אחת, בעלת מומנט גבוה, כמדגימה עבור מגוון רחב של יישומים.
גל הנעה מרוכב מאוחד.Herone משתמש בסרטי Prepreg תרמופלסטיים מרוכבים כקליפים לתהליך שמגבש את הלמינציה של גל ההינע ומעצב יתר על המידה אלמנטים פונקציונליים כגון גלגלי שיניים, ומייצר מבנים מאוחדים אשר מפחיתים משקל, ספירת חלקים, זמן ההרכבה והעלות.מקור לכל התמונות |גיבורה
התחזיות הנוכחיות דורשות הכפלה של צי המטוסים המסחריים במהלך 20 השנים הבאות.כדי להתאים זאת, שיעורי הייצור ב-2019 עבור מטוסי סילון רחב-גוף עתירי חומרים מרוכבים משתנים בין 10 ל-14 לחודש ל-OEM, בעוד ש-narrowbodies כבר עלו ל-60 לחודש ל-OEM.איירבוס עובדת ספציפית עם ספקים כדי להחליף חלקים מסורתיים אך עתירי זמן, עמידה ידנית ב-Prepreg ב-A320 לחלקים שנעשו באמצעות תהליכי מחזור מהירים יותר של 20 דקות כמו יציקת העברת שרף בלחץ גבוה (HP-RTM), ובכך עוזרת לחלק הספקים עומדים בדחיפה נוספת לעבר 100 מטוסים בחודש.בינתיים, שוק הניידות האווירית והתחבורה העירונית המתפתחת צופה צורך ב-3,000 מטוסי המראה ונחיתה אנכיים חשמליים (EVTOL) בשנה (250 לחודש).
"התעשייה דורשת טכנולוגיות ייצור אוטומטיות עם זמני מחזור מקוצרים המאפשרות גם שילוב של פונקציות, המוצעות על ידי חומרים מרוכבים תרמופלסטיים", אומר דניאל ברפוס, מייסד שותף ושותף מנהל של herone (דרזדן, גרמניה), טכנולוגיה מרוכבים וייצור חלקים חברה שמשתמשת בחומרי מטריקס תרמופלסטיים בעלי ביצועים גבוהים, מפוליפניל-סולפיד (PPS) ועד פוליאתתרקטון (PEEK), פוליאתתרקטון (PEKK) ופוליארילתרקטון (PAEK)."המטרה העיקרית שלנו היא לשלב את הביצועים הגבוהים של חומרים מרוכבים תרמופלסטיים (TPC) עם עלות נמוכה יותר, כדי לאפשר חלקים מותאמים למגוון רחב יותר של יישומי ייצור סדרתי ויישומים חדשים", מוסיף ד"ר כריסטיאן גרטהאוס, מייסד ומנהל השני של Herone. בת זוג.
כדי להשיג זאת, החברה פיתחה גישה חדשה, החלה בסרטי סיבים רציפים ספוג מלא, קליעה של סרטים אלה ליצירת "אורגנוטוב" פרופורמי חלול ואיחוד הצינורות האורגניים לפרופילים בעלי חתכים וצורות משתנים.בשלב תהליך שלאחר מכן, הוא משתמש ביכולת הריתוך והצורה התרמית של TPCs כדי לשלב אלמנטים פונקציונליים כגון גלגלי שיניים מרוכבים על גבי גלי הינע, אביזרי קצה על צינורות, או אלמנטים של העברת עומס לתוך תמוכות מתח-דחיסה.ברפוס מוסיף שיש אפשרות להשתמש בתהליך יציקה היברידי - שפותח על ידי ספק מטריצות הקטון Victrex (קליבליס, לנקשייר, בריטניה) וספק החלפים Tri-Mack (בריסטול, RI, ארה"ב) - המשתמש בקלטת PAEK בטמפרטורת נמס נמוכה יותר עבור הפרופילים ו-PEEK עבור יציקת יתר, המאפשרת חומר מותך ויחיד על פני החיבור (ראה "יציקת יתר מרחיבה את מגוון הרכיבים המרוכבים של PEEK")."ההתאמה שלנו מאפשרת גם נעילת צורה גיאומטרית", הוא מוסיף, "שמייצרת מבנים משולבים שיכולים לעמוד בעומסים גבוהים אף יותר".
תהליך ה-Herone מתחיל עם סרטים תרמופלסטיים מחוזקים בסיבי פחמן ספוג לחלוטין, שנקלעו לצמה לתוך צינורות אורגניים ומאוחדים."התחלנו לעבוד עם צינורות אורגניים אלו לפני 10 שנים, בפיתוח צינורות הידראוליים מרוכבים לתעופה", אומר גרטהאוס.הוא מסביר שמכיוון שאין שני צינורות הידראוליים של מטוסים בעלי אותה גיאומטריה, יהיה צורך בתבנית עבור כל אחד מהם, תוך שימוש בטכנולוגיה קיימת."היינו זקוקים לצינור שניתן לעבד לאחר מכן כדי להשיג את הגיאומטריה של הצינור הבודד.לכן, הרעיון היה ליצור פרופילים מרוכבים רציפים ואז CNC לכופף אותם לגיאומטריות הרצויות."
איור 2 סרטי Prepreg קלועים מספקים preforms בצורת נטו הנקראים organoTubes לתהליך יצירת ההזרקה של Herone ומאפשרים ייצור של צורות שונות.
זה נשמע דומה למה ש-Sigma Precision Components (Hinckley, בריטניה) עושה (ראה "תיקון מנועי אוויר עם צינורות מרוכבים") עם סיבי הפחמן/PEEK של מנוע ההלבשה."הם מסתכלים על חלקים דומים אבל משתמשים בשיטת קונסולידציה אחרת", מסביר גרטהאוס."עם הגישה שלנו, אנו רואים פוטנציאל לביצועים מוגברים, כגון נקבוביות של פחות מ-2% עבור מבני תעופה וחלל."
הדוקטורט של גרטהאוס.עבודת התזה ב-ILK חקרה שימוש בפולטרוזיה תרמופלסטית רציפה (TPC) לייצור צינורות קלועים, מה שהביא לתהליך ייצור רציף מוגן בפטנט עבור צינורות ופרופילים TPC.עם זאת, לעת עתה, Herone בחרה לעבוד עם ספקי תעופה ולקוחות תוך שימוש בתהליך דפוס לא רציף."זה נותן לנו את החופש ליצור את כל הצורות השונות, כולל פרופילים מעוקלים וכאלה עם חתך רוחב משתנה, כמו גם להחיל טלאים מקומיים ונשירת רובדים", הוא מסביר."אנחנו עובדים על אוטומציה של התהליך לשילוב תיקונים מקומיים ולאחר מכן לאחד אותם יחד עם הפרופיל המרוכב.בעצם, כל מה שאתה יכול לעשות עם למינציה שטוחה וקונכיות, אנחנו יכולים לעשות עבור צינורות ופרופילים."
יצירת פרופילי TPC חלולים אלה היה למעשה אחד האתגרים הקשים ביותר, אומר גרטהאוס."אתה לא יכול להשתמש ביצירת חותמות או בנשיפה עם שלפוחית סיליקון;אז היינו צריכים לפתח תהליך חדש".אבל תהליך זה מאפשר ביצועים גבוהים מאוד וניתנים להתאמה לחלקים מבוססי צינור ופיר, הוא מציין.זה גם אפשר להשתמש ביציקה ההיברידית שפיתחה Victrex, שבה טמפרטורת ההיתוך הנמוכה יותר של PAEK מיובשת יתר על המידה עם PEEK, ומגבשת את הגיליון האורגני ודפוס הזרקה בשלב אחד.
היבט בולט נוסף של שימוש בתבניות סרט קלוע של organoTube הוא שהם מייצרים מעט מאוד פסולת."עם שזירה, יש לנו פחות מ-2% פסולת, ובגלל שזה סרט TPC, אנחנו יכולים להשתמש בכמות הקטנה הזו של פסולת בחזרה בצורת יתר כדי להגיע לשיעור ניצול החומר עד ל-100%", מדגיש גרטהאוס.
ברפוס וגארטהאוס החלו את עבודת הפיתוח שלהם כחוקרים במכון להנדסת משקל קל וטכנולוגיית פולימרים (ILK) ב-TU דרזדן."זהו אחד המכונים הגדולים באירופה לחומרים מרוכבים ועיצובים היברידיים קלים", מציין ברפוס.הוא וגארטהאוס עבדו שם במשך כמעט 10 שנים על מספר פיתוחים, כולל ציפוי TPC מתמשך וסוגים שונים של הצטרפות.העבודה הזו זוקקה בסופו של דבר למה שהיא כיום טכנולוגיית תהליך ה-TPC הגיבורה.
"לאחר מכן פנינו לתוכנית EXIST הגרמנית, שמטרתה להעביר טכנולוגיה כזו לתעשייה ומממנת 40-60 פרויקטים מדי שנה במגוון רחב של תחומי מחקר", אומר ברפוס."קיבלנו מימון לציוד הון, ארבעה עובדים והשקעה לשלב הבא של הסקאלה".הם הקימו גיבורה במאי 2018 לאחר שהציגו ב-JEC World.
עד JEC World 2019, Herone ייצרה מגוון חלקי הדגמה, כולל גל הנעה משולב של הילוכים קל משקל, בעל מומנט גבוה."אנחנו משתמשים בסיבי פחמן/קלטת PAEK organoTube קלועה בזוויות הנדרשות על ידי החלק ומאחדים את זה לצינור", מסביר ברפוס."לאחר מכן אנו מחממים את הצינור ב-200 מעלות צלזיוס ומעצבים אותו יתר על המידה עם ציוד שנוצר על ידי הזרקת PEEK קצרה מחוזק בסיבי פחמן ב-380 מעלות צלזיוס."יציקת היתר עוצבה באמצעות Moldflow Insight מבית Autodesk (סן רפאל, קליפורניה, ארה"ב).זמן מילוי התבנית עבר אופטימיזציה ל-40.5 שניות והושג באמצעות מכונת הזרקה של ארבורג (לוסבורג, גרמניה) ALLROUNDER.
עיצוב יתר זה לא רק מפחית את עלויות ההרכבה, שלבי הייצור והלוגיסטיקה, אלא הוא גם משפר את הביצועים.ההבדל של 40 מעלות צלזיוס בין טמפרטורת ההיתוך של ציר ה-PAEK לזו של ציוד ה-PEEK המעוצב יתר על המידה, מאפשר חיבור נמס מלוכד בין השניים ברמה המולקולרית.סוג שני של מנגנון חיבור, צורת נעילה, מושג על ידי שימוש בלחץ ההזרקה כדי בו-זמנית טרמופורמציה של הפיר במהלך יציקת יתר ליצירת קו מתאר נעילה צורה.ניתן לראות זאת באיור 1 להלן כ"יוצר הזרקה".הוא יוצר היקף גלי או סינוסואידי שבו הציוד מחובר לעומת חתך עגול חלק, מה שמביא לצורת נעילה גיאומטרית.זה משפר עוד יותר את החוזק של גל ההילוכים המשולב, כפי שהוכח בבדיקה (ראה גרף בצד ימין למטה). איור.1. פותח בשיתוף פעולה עם Victrex ו-ILK, Herone משתמש בלחץ הזרקה במהלך יציקת יתר כדי ליצור קו מתאר נועל צורה בגל ההילוכים המשולב (עליון). תהליך יצירת הזרקה זה מאפשר לגלגל ההזרקה המשולב עם נעילת צורה (עקומה ירוקה על הגרף) לשמור על מומנט גבוה יותר לעומת גל הילוכים מעוצב יתר על המידה ללא נעילה צורה (עקומה שחורה בגרף).
"הרבה אנשים משיגים חיבור נמס מלוכד במהלך יציקת יתר", אומר גרטהאוס, "ואחרים משתמשים בנעילת צורה בחומרים מרוכבים, אבל המפתח הוא לשלב את שניהם לתהליך אחד, אוטומטי".הוא מסביר כי עבור תוצאות הבדיקה באיור 1, הן הציר והן ההיקף המלא של גלגל השיניים הוצמדו בנפרד, ואז סובבו כדי לגרום לעומס גזירה.הכשל הראשון בגרף מסומן על ידי עיגול כדי לציין שהוא מיועד לגיר PEEK מעוצב יתר על המידה ללא נעילה צורה.הכשל השני מסומן על ידי עיגול מכווץ הדומה לכוכב, המצביע על בדיקה של גלגל שיניים מעוצב יתר על המידה עם נעילה צורה."במקרה הזה, יש לך גם חיבור מלוכד וגם צורה נעולה", אומר גרטהאוס, "ואתה מרוויח כמעט 44% עלייה בעומס המומנט."האתגר כעת, הוא אומר, הוא לגרום לנעילת הצורה לתפוס עומס בשלב מוקדם יותר כדי להגדיל עוד יותר את המומנט שיתמודד גל ההילוכים הזה לפני כשל.
נקודה חשובה לגבי נעילת הצורה שה-Herone משיגה עם יצירת ההזרקה שלה היא שהיא מותאמת לחלוטין לחלק האישי ולעומס שחלק זה צריך לעמוד.לדוגמה, בגל ההילוכים, נעילת הצורה היא היקפית, אך בתמוכות הדחיסה של המתח למטה היא צירית."זו הסיבה שמה שפיתחנו היא גישה רחבה יותר", אומר גרטהאוס."האופן שבו אנו משלבים פונקציות וחלקים תלוי באפליקציה האישית, אבל ככל שנוכל לעשות זאת יותר, כך נוכל לחסוך במשקל ובעלויות".
כמו כן, הקטון המחזק בסיבים קצרים המשמש באלמנטים פונקציונליים מעוצבים מדי כמו גלגלי שיניים מספק משטחי שחיקה מצוינים.Victrex הוכיחה זאת ולמעשה, משווקת עובדה זו עבור חומרי PEEK ו-PAEK שלה.
ברפוס מציין שגל ההילוכים המשולב, שזכה להכרה בפרס החדשנות העולמית של JEC לשנת 2019 בקטגוריית התעופה והחלל, הוא "הדגמה של הגישה שלנו, לא רק תהליך המתמקד ביישום אחד.רצינו לחקור עד כמה נוכל לייעל את הייצור ולנצל את המאפיינים של TPCs כדי לייצר מבנים פונקציונליים ומשולבים."החברה מייעלת כיום מוטות דחיסה במתח, המשמשים ביישומים כמו תמוכות.
איור 3 תמוכות מתח-דחיסה יצירת הזרקה מורחבת לתמוכות, כאשר ה-Herone מייצרת אלמנט העברת עומס מתכתי לתוך מבנה החלק באמצעות נעילת צורה צירית כדי להגביר את חוזק החיבור.
האלמנט הפונקציונלי עבור תמוכות המתח-דחיסה הוא חלק ממשק מתכתי המעביר עומסים אל וממזלג המתכת אל הצינור המרוכב (ראה איור למטה).יצירת הזרקה משמשת לשילוב אלמנט החדרת העומס המתכתי בגוף התמוך המרוכב.
"היתרון העיקרי שאנו נותנים הוא להקטין את מספר החלקים", הוא מציין."זה מפשט את העייפות, שהיא אתגר גדול עבור יישומי תמיכה במטוסים.צורת נעילת כבר משמשת בתרמוסיטים מרוכבים עם תוספת פלסטיק או מתכת, אך אין הדבקה מלוכדת, כך שניתן לקבל תנועה קלה בין החלקים.הגישה שלנו, לעומת זאת, מספקת מבנה מאוחד ללא תנועה כזו".
גרטהאוס מציין את סובלנות הנזק כאתגר נוסף עבור חלקים אלה."צריך להשפיע על התמוכות ואז לעשות בדיקות עייפות", הוא מסביר."מכיוון שאנו משתמשים בחומרי מטריצה תרמופלסטיים בעלי ביצועים גבוהים, אנו יכולים להשיג סבילות נזק גבוהה ב-40% לעומת תרמוספירות, וגם כל מיקרו-סדקים כתוצאה מהשפעה גדלים פחות עם העמסת עייפות."
למרות שתמוכות הדגמה מציגות תוספת מתכת, Herone מפתחת כעת פתרון תרמופלסטי כולו, המאפשר חיבור מלוכד בין גוף התמוך המרוכב ואלמנט הכנסת העומס."כשאנחנו יכולים, אנחנו מעדיפים להישאר מורכבים ולהתאים את המאפיינים על ידי שינוי סוג חיזוק הסיבים, כולל פחמן, זכוכית, סיבים רציפים וקצרים", אומר גרטהאוס."בדרך זו, אנו ממזערים את המורכבות ואת בעיות הממשק.למשל, יש לנו הרבה פחות בעיות בהשוואה לשילוב של תרמוסטיים ותרמופלסטיים".בנוסף, הקשר בין PAEK ל-PEEK נבדק על ידי Tri-Mack עם תוצאות המראות שיש לו 85% מהחוזק של לרבד CF/PAEK בסיס חד-כיווני והוא חזק פי שניים מחיבורי דבק באמצעות דבק סרט אפוקסי בתקן התעשייה.
ברפוס אומר כי להרון יש כעת תשעה עובדים והיא עוברת מספק של פיתוח טכנולוגי לספק של חלקי תעופה.הצעד הגדול הבא שלה הוא פיתוח מפעל חדש בדרזדן."עד סוף 2020 יהיה לנו מפעל פיילוט שייצר חלקי סדרה ראשונים", הוא אומר."אנחנו כבר עובדים עם יצרני OEM תעופה וספקי מפתח Tier 1, ומדגימים עיצובים עבור סוגים רבים ושונים של יישומים."
החברה עובדת גם עם ספקי eVTOL ומגוון משתפי פעולה בארה"ב, כאשר Herone מתבגרת ביישומי תעופה, היא גם צוברת ניסיון בייצור עם יישומי מוצרי ספורט לרבות מחבטים ורכיבי אופניים."הטכנולוגיה שלנו יכולה לייצר מגוון רחב של חלקים מורכבים עם ביצועים, זמן מחזור ויתרונות עלות", אומר Garthaus."זמן המחזור שלנו בשימוש ב-PEEK הוא 20 דקות, לעומת 240 דקות בשימוש ב-prepreg שנרפא באוטוקלאב.אנו רואים שדה רחב של הזדמנויות, אך לעת עתה, ההתמקדות שלנו היא בהכנסת היישומים הראשונים שלנו לייצור והדגמת הערך של חלקים כאלה לשוק."
Herone תציג גם ב-Carbon Fiber 2019. למידע נוסף על האירוע ב-carbonfiberevent.com.
התמקדו באופטימיזציה של פריסת היד המסורתית, יצרני תא גלגלים והיפוך דחף שמים עין על שימוש עתידי באוטומציה ודפוס סגור.
מערכת נשק במטוסים משיגה את הביצועים הגבוהים של פחמן/אפוקסי עם היעילות של דפוס דחיסה.
שיטות לחישוב ההשפעה שיש לחומרים מרוכבים על הסביבה מאפשרות השוואה מונעת נתונים לחומרים מסורתיים במגרש שווה.
זמן פרסום: 19 באוגוסט 2019