編組テープ、オーバーモールディング、フォームロックを組み合わせて、ヘローネは幅広い用途向けのデモンストレーションとして一体型の高トルクギアドライブシャフトを製造しています。
一体化された複合ギヤドライブシャフト。Herone は、ドライブシャフトの積層体を強化し、ギアなどの機能要素をオーバーモールドするプロセスのプリフォームとして編組熱可塑性複合プリプレグ テープを使用し、重量、部品数、組み立て時間とコストを削減するユニット化された構造を製造します。すべての画像のソース |ヒロイン
現在の予測では、今後 20 年間で民間航空機の保有数が 2 倍になると予想されています。これに対応するため、複合材を多用した広胴ジェット旅客機の 2019 年の生産率は OEM あたり月産 10 ～ 14 機となっていますが、狭胴機はすでに OEM あたり月あたり 60 機まで増加しています。エアバスは特にサプライヤーと協力して、A320 機の従来型ではあるが時間のかかる手作業によるレイアップ プリプレグ部品を、高圧レジン トランスファー成形 (HP-RTM) などのより高速な 20 分のサイクル タイム プロセスで製造された部品に切り替え、部品の供給を支援しています。サプライヤーは、月産 100 機へのさらなる推進に応えています。一方、新興の都市航空モビリティおよび輸送市場では、年間 3,000 機 (月あたり 250 機) の電動垂直離着陸 (EVTOL) 航空機の必要性が予測されています。
「業界は、熱可塑性複合材料によって提供される機能の統合も可能にする、サイクルタイムが短縮された自動生産技術を必要としています」と、複合材料技術および部品製造会社であるヘローネ (ドイツ、ドレスデン) の共同創設者兼マネージングパートナーであるダニエル・バーフス氏は述べています。ポリフェニレンスルフィド (PPS) からポリエーテルエーテルケトン (PEEK)、ポリエーテルケトンケトン (PEKK)、ポリアリールエーテルケトン (PAEK) までの高性能熱可塑性マトリックス材料を使用する企業です。「私たちの主な目的は、熱可塑性複合材料 (TPC) の高性能と低コストを組み合わせて、さまざまな連続製造用途や新しい用途向けにカスタマイズされた部品を提供できるようにすることです。」と、herone の 2 番目の共同創設者で経営者のクリスチャン・ガートハウス博士は付け加えました。相棒。
これを達成するために、同社は、完全含浸の連続繊維テープから始めて、これらのテープを編んで中空プリフォーム「オルガノチューブ」を形成し、オルガノチューブをさまざまな断面と形状のプロファイルに統合するという新しいアプローチを開発しました。後続のプロセスステップでは、TPC の溶接性と熱成形性を利用して、ドライブシャフトへの複合ギア、パイプへのエンドフィッティング、または張力圧縮ストラットへの荷重伝達要素などの機能要素を統合します。Barfuss 氏は、ケトン マトリックス サプライヤーの Victrex (英国ランカシャー州クリーブリーズ) と部品サプライヤー Tri-Mack (米国ロードアイランド州ブリストル) が開発したハイブリッド成形プロセスを使用するオプションがあると付け加えました。このプロセスでは、プロファイルに溶融温度の低い PAEK テープを使用します。オーバーモールディングには PEEK を使用し、接合部全体で単一の材料を融合させることができます (「オーバーモールディングにより複合材料における PEEK の範囲が拡大」を参照)。「私たちの適応により、幾何学的形状の固定も可能になります。これにより、さらに高い負荷に耐えることができる統合構造が生成されます。」と彼は付け加えました。
Herone プロセスは、完全に含浸させた炭素繊維強化熱可塑性テープをオルガノチューブに編んで固めることから始まります。「私たちは 10 年前にこれらのオルガノチューブの使用を開始し、航空用の複合油圧パイプを開発しました」と Garthaus 氏は言います。同氏は、航空機の油圧パイプは 2 つとして同じ形状を持たないため、既存の技術を使用してそれぞれに金型が必要になると説明しています。「個々のパイプの形状を実現するために後処理できるパイプが必要でした。そこで、連続した複合プロファイルを作成し、それを CNC で曲げて希望の形状にするというアイデアが生まれました。」
図 2 編組プリプレグ テープは、herone の射出成形プロセスにオルガノチューブと呼ばれるネット形状のプリフォームを提供し、さまざまな形状の製造を可能にします。
これは、Sigma Precision Components (英国ヒンクレー) がカーボンファイバー/PEEK エンジンのドレッシングで行っていること (「複合パイプによる航空エンジンのドレッシング」を参照) に似ているように思えます。「彼らは同様の部品を検討していますが、異なる統合方法を使用しています」と Garthaus 氏は説明します。「私たちのアプローチにより、航空宇宙構造の気孔率が 2% 未満になるなど、性能向上の可能性が見えてきました。」
ガートハウス博士号ILK での論文研究では、連続熱可塑性複合材 (TPC) 引抜成形を使用して編組チューブを製造することを検討し、その結果、TPC チューブと異形材の特許取得済みの連続製造プロセスが誕生しました。しかし今のところ、ヘローネは不連続成形プロセスを使用して航空サプライヤーおよび顧客と協力することを選択しました。「これにより、湾曲したプロファイルやさまざまな断面を持つ形状を含むさまざまな形状を自由に作成できるだけでなく、局所的なパッチや層のドロップオフを適用することもできます」と彼は説明します。「私たちは、ローカル パッチを統合し、それらを複合プロファイルと共同統合するプロセスの自動化に取り組んでいます。基本的に、フラットラミネートやシェルでできることはすべて、チューブやプロファイルでもできます。」
これらの TPC 中空プロファイルの作成は、実際には最も困難な課題の 1 つであったと Garthaus 氏は言います。「シリコンブラダーではスタンプ成形やブロー成形を使用できません。そのため、新しいプロセスを開発する必要がありました。」しかし、このプロセスにより、非常に高性能でカスタマイズ可能なチューブおよびシャフトベースの部品が可能になる、と同氏は指摘する。また、Victrex が開発したハイブリッド成形の使用も可能になり、より低い溶融温度の PAEK を PEEK でオーバーモールドし、オルガノシートと射出成形を 1 つのステップで統合します。
オルガノチューブ編組テーププリフォームを使用するもう 1 つの注目すべき点は、廃棄物がほとんど発生しないことです。「編組の場合、廃棄物は 2% 未満であり、TPC テープであるため、この少量の廃棄物をオーバーモールディングに再利用して、材料利用率を最大 100% まで高めることができます」と Garthaus 氏は強調します。
Barfuss と Garthaus は、ドレスデン工科大学の軽量工学およびポリマー技術研究所 (ILK) の研究者として開発作業を開始しました。「これは、複合材料とハイブリッド軽量設計に関するヨーロッパ最大の研究所の 1 つです」と Barfuss 氏は述べています。彼とガートハウスはそこで約 10 年間、連続 TPC 引抜成形やさまざまな種類の接合など、数多くの開発に取り組みました。その研究は最終的に、現在の主要な TPC プロセス テクノロジに発展しました。
「その後、私たちはドイツの EXIST プログラムに申請しました。このプログラムは、そのような技術を産業界に移転することを目的としており、幅広い研究分野で毎年 40 ～ 60 件のプロジェクトに資金を提供しています」と Barfuss 氏は言います。「資本設備、従業員4名、そしてスケールアップの次のステップのための投資のための資金を受け取りました。」JEC Worldへの出展をきっかけに2018年5月にheroneを結成。
JEC World 2019 までに、ヘローネは軽量、高トルク、一体型ギア ドライブシャフト、つまりギアシャフトを含むさまざまなデモンストレーション部品を製造していました。「部品に必要な角度で編まれたカーボンファイバー/PAEK テープのオルガノチューブを使用し、それをチューブに統合します」と Barfuss 氏は説明します。「その後、チューブを 200 °C で予熱し、短い炭素繊維で強化された PEEK を 380 °C で射出成形して作られたギアでオーバーモールドします。」オーバーモールディングは、Autodesk (米国カリフォルニア州サンラファエル) の Moldflow Insight を使用してモデル化されました。金型充填時間は、Arburg (ドイツ、ロスブルグ) ALLROUNDER 射出成形機を使用して 40.5 秒に最適化されました。
このオーバーモールディングは、組み立てコスト、製造工程、物流を削減するだけでなく、性能も向上します。PAEK シャフトの溶融温度とオーバーモールドされた PEEK ギアの溶融温度間の 40°C の差により、分子レベルで 2 つの間の凝集溶融結合が可能になります。2 番目のタイプの結合機構であるフォームロックは、オーバーモールド中に射出圧力を使用して同時にシャフトを熱成形し、フォームロック輪郭を作成することによって実現されます。これは、以下の図 1 に「射出成形」として示されています。滑らかな円形の断面ではなく、ギアが接続される波形または正弦波の円周が作成され、幾何学的にロックされた形状が得られます。これにより、テストで実証されたように、一体型ギアシャフトの強度がさらに向上します（右下のグラフを参照）。1. Victrex および ILK と共同開発した herone は、オーバーモールディング中に射出圧力を使用して、一体型ギアシャフト (上) にフォーム ロック輪郭を作成します。この射出成形プロセスにより、フォーム ロック付き一体型ギアシャフト (グラフの緑色の曲線) が可能になります。フォームロックのないオーバーモールドギアドライブシャフトと比較して、より高いトルクを維持します (グラフ上の黒い曲線)。
「多くの人がオーバーモールディング中に凝集溶融結合を実現しています。また、複合材料でフォームロックを使用している人もいます。しかし重要なのは、両方を単一の自動化プロセスに統合することです。」とガートハウス氏は言います。同氏は、図 1 のテスト結果について、シャフトとギアの全周の両方を別々にクランプし、回転させてせん断荷重を誘発したと説明しています。グラフ上の最初の故障は円でマークされており、形状ロックのないオーバーモールド PEEK ギアの故障であることを示しています。2 番目の失敗は、星に似たクリンプされた円によってマークされ、フォームロックを備えたオーバーモールドギアのテストを示しています。「この場合、結合力と形状ロックの両方が得られ、トルク負荷がほぼ 44% 増加します。」と Garthaus 氏は言います。現在の課題は、フォームロックに早い段階で負荷をかけて、故障する前にこのギアシャフトが処理できるトルクをさらに高めることだと彼は言います。
ヘローネが射出成形で実現する輪郭形状のロックに関する重要な点は、個々の部品とその部品が耐えなければならない荷重に合わせて完全に調整されていることです。たとえば、ギアシャフトでは形状ロックは円周方向ですが、以下の引張圧縮ストラットでは軸方向です。「これが、私たちが開発したアプローチがより広範なアプローチである理由です」と Garthaus 氏は言います。「機能と部品をどのように統合するかは個々のアプリケーションによって異なりますが、これをより多く行うことができれば、より多くの重量とコストを削減できます。」
また、ギアなどのオーバーモールド機能要素に使用される短繊維強化ケトンは、優れた摩耗表面を提供します。Victrex はこれを証明しており、実際にこの事実を PEEK および PAEK 素材として販売しています。
Barfuss 氏は、航空宇宙部門で 2019 年の JEC World Innovation Award を受賞した一体型ギアシャフトは、「単一の用途に焦点を当てたプロセスではなく、当社のアプローチを実証するものである」と指摘しています。私たちは、製造をどの程度合理化し、TPC の特性を活用して機能化された統合構造を製造できるかを検討したかったのです。」同社は現在、ストラットなどの用途に使用される張力圧縮ロッドの最適化を行っています。
図 3 引張圧縮ストラット射出成形はストラットにも拡張されており、ヘローネは接合強度を高めるために軸方向の形状ロックを使用して金属荷重伝達要素を部品構造にオーバーモールドしています。
引張圧縮ストラットの機能要素は、金属フォークと複合チューブの間で荷重を伝達する金属インターフェース部品です (下の図を参照)。射出成形は、金属製の荷重導入要素を複合ストラット本体に統合するために使用されます。
「私たちが提供する主な利点は、部品の数が減ることです」と彼は言います。「これにより、航空機の支柱用途にとって大きな課題である疲労が軽減されます。フォームロックは、プラスチックまたは金属インサートを備えた熱硬化性複合材料ですでに使用されていますが、凝集結合がないため、部品間にわずかな動きが発生する可能性があります。しかし、私たちのアプローチは、そのような動きのない統一された構造を提供します。」
Garthaus 氏は、これらの部品のもう 1 つの課題として損傷耐性を挙げています。「支柱に衝撃を与えてから疲労試験を行う必要があります」と彼は説明します。「当社は高性能の熱可塑性マトリックス材料を使用しているため、熱硬化性樹脂と比較して最大 40% 高い損傷耐性を達成することができ、衝撃による微小亀裂も疲労負荷によって増大することが少なくなります。」
デモンストレーションのストラットには金属インサートが示されていますが、ヘローネは現在、複合ストラット本体と荷重導入要素の間の凝集結合を可能にする全熱可塑性ソリューションを開発中です。「可能な限り、私たちはすべて複合材料のままで、カーボン、ガラス、連続繊維、短繊維などの繊維強化材の種類を変えることで特性を調整することを好みます」とガートハウス氏は言います。「このようにして、複雑さとインターフェースの問題を最小限に抑えます。たとえば、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を組み合わせる場合に比べて、問題がはるかに少なくなります。」さらに、PAEK と PEEK 間の接着は Tri-Mack によってテストされ、その結果、ベースの一方向 CF/PAEK ラミネートの強度の 85% を有し、業界標準のエポキシ フィルム接着剤を使用した接着の 2 倍の強度があることが示されました。
バーファス氏によると、ヘローネには現在従業員が9名おり、技術開発のサプライヤーから航空部品のサプライヤーに移行しつつあるという。次の大きなステップは、ドレスデンでの新しい工場の開発です。「2020年末までに、最初のシリーズ部品を生産するパイロットプラントを建設する予定です」と彼は言います。「私たちはすでに航空 OEM や主要な Tier 1 サプライヤーと協力しており、さまざまな種類のアプリケーション向けの設計を実証しています。」
同社はまた、米国の eVTOL サプライヤーやさまざまな協力会社とも協力しています。ヘローネは航空用途を成熟させる一方で、バットや自転車コンポーネントなどのスポーツ用品用途での製造経験も積んでいます。「当社の技術は、性能、サイクルタイム、コスト面でメリットのある幅広い複雑な部品を生産できます」と Garthaus 氏は言います。「PEEK を使用した場合のサイクル時間は 20 分ですが、オートクレーブ硬化プリプレグを使用した場合は 240 分です。私たちは幅広い分野にチャンスがあると考えていますが、今のところ私たちの焦点は、最初のアプリケーションを量産環境に導入し、そのような部品の価値を市場に実証することにあります。」
Herone は、Carbon Fiber 2019 でもプレゼンテーションを行います。イベントの詳細については、carbonfiberevent.com をご覧ください。
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投稿日時: 2019 年 8 月 19 日