Menggabungkan pita jalinan, overmolding dan penguncian bentuk, heroon menghasilkan satu keping, aci pemacu gear tork tinggi sebagai penunjuk untuk pelbagai aplikasi.
Aci pemacu gear komposit bersatu.Herone menggunakan pita prepreg komposit termoplastik jalinan sebagai prabentuk untuk proses yang menyatukan lamina aci pemacu dan acuan lebihan elemen berfungsi seperti gear, menghasilkan struktur bersatu yang mengurangkan berat, kiraan bahagian, masa pemasangan dan kos.Sumber untuk semua imej |heroon
Unjuran semasa memerlukan penggandaan armada pesawat komersial dalam tempoh 20 tahun akan datang.Untuk menampung ini, kadar pengeluaran pada 2019 untuk pesawat jet badan lebar intensif komposit berbeza dari 10 hingga 14 sebulan bagi setiap OEM, manakala badan sempit telah meningkat kepada 60 sebulan bagi setiap OEM.Airbus secara khusus sedang bekerjasama dengan pembekal untuk menukar bahagian prepreg letak tangan tradisional namun intensif masa pada A320 kepada bahagian yang dibuat melalui proses masa kitaran 20 minit yang lebih pantas seperti pengacuan pemindahan resin tekanan tinggi (HP-RTM), sekali gus membantu sebahagian pembekal memenuhi dorongan selanjutnya ke arah 100 pesawat setiap bulan.Sementara itu, pasaran mobiliti udara dan pengangkutan udara bandar yang sedang berkembang meramalkan keperluan untuk 3,000 pesawat berlepas dan mendarat menegak elektrik (EVTOL) setahun (250 sebulan).
"Industri ini memerlukan teknologi pengeluaran automatik dengan masa kitaran yang dipendekkan yang juga membolehkan untuk menyepadukan fungsi, yang ditawarkan oleh komposit termoplastik," kata Daniel Barfuss, pengasas bersama dan rakan kongsi pengurusan herone (Dresden, Jerman), teknologi komposit dan pembuatan alat ganti. firma yang menggunakan bahan matriks termoplastik berprestasi tinggi daripada polyphenylenesulfide (PPS) kepada polyetherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) dan polyaryletherketone (PAEK)."Objektif utama kami adalah untuk menggabungkan prestasi tinggi komposit termoplastik (TPC) dengan kos yang lebih rendah, untuk membolehkan bahagian yang disesuaikan untuk pelbagai aplikasi pembuatan bersiri dan aplikasi baharu yang lebih luas," tambah Dr. Christian Garthaus, pengasas bersama dan pengurusan kedua herone. pasangan.
Untuk mencapai matlamat ini, syarikat telah membangunkan pendekatan baharu, bermula dengan pita gentian berterusan yang diresapi sepenuhnya, menjalin pita ini untuk membentuk "organoTube" prabentuk berongga dan menyatukan organoTube ke dalam profil dengan keratan rentas dan bentuk berubah-ubah.Dalam langkah proses seterusnya, ia menggunakan kebolehkimpalan dan kebolehbentukan termoform bagi TPC untuk menyepadukan elemen berfungsi seperti gear komposit pada aci pemacu, pemasangan hujung pada paip atau elemen pemindahan beban ke dalam tupang mampatan tegangan.Barfuss menambah terdapat pilihan untuk menggunakan proses pengacuan hibrid — dibangunkan oleh pembekal matriks keton Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) dan pembekal alat ganti Tri-Mack (Bristol, RI, AS) — yang menggunakan pita PAEK suhu cair yang lebih rendah untuk profil dan PEEK untuk overmolding, mendayakan bahan tunggal bercantum merentasi cantuman (lihat “Overmolding mengembangkan julat PEEK dalam komposit”)."Penyesuaian kami juga membolehkan penguncian bentuk geometri," tambahnya, "yang menghasilkan struktur bersepadu yang boleh menahan beban yang lebih tinggi lagi."
Proses herone bermula dengan pita termoplastik bertetulang gentian karbon yang diresapi sepenuhnya yang dijalin menjadi organoTiub dan disatukan."Kami mula bekerja dengan organoTubes ini 10 tahun lalu, membangunkan paip hidraulik komposit untuk penerbangan," kata Garthaus.Beliau menjelaskan bahawa kerana tiada dua paip hidraulik pesawat mempunyai geometri yang sama, acuan akan diperlukan untuk setiap satu, menggunakan teknologi sedia ada."Kami memerlukan paip yang boleh diproses pasca untuk mencapai geometri paip individu.Jadi, ideanya adalah untuk membuat profil komposit berterusan dan kemudian CNC membengkokkannya ke dalam geometri yang dikehendaki.
Rajah 2 Pita prepreg jalinan menyediakan prabentuk bentuk jaring yang dipanggil organoTubes untuk proses pembentukan suntikan herone dan membolehkan penghasilan pelbagai bentuk.
Ini kedengaran sama dengan apa yang Sigma Precision Components (Hinckley, UK) lakukan (lihat "Memperbaiki enjin aeroesin dengan paip komposit") dengan gentian karbon/PEEK pembalut enjinnya."Mereka melihat bahagian yang sama tetapi menggunakan kaedah penyatuan yang berbeza," jelas Garthaus."Dengan pendekatan kami, kami melihat potensi peningkatan prestasi, seperti keliangan kurang daripada 2% untuk struktur aeroangkasa."
Garthaus' Ph.D.kerja tesis di ILK diteroka menggunakan pultrusion komposit termoplastik berterusan (TPC) untuk menghasilkan tiub jalinan, yang menghasilkan proses pembuatan berterusan yang dipatenkan untuk tiub dan profil TPC.Walau bagaimanapun, buat masa ini, herone telah memilih untuk bekerjasama dengan pembekal dan pelanggan penerbangan menggunakan proses pengacuan tidak berterusan."Ini memberi kami kebebasan untuk membuat semua pelbagai bentuk, termasuk profil melengkung dan yang mempunyai keratan rentas yang berbeza-beza, serta menggunakan tampalan tempatan dan lepasan lapis," jelasnya.“Kami sedang berusaha untuk mengautomasikan proses untuk menyepadukan patch tempatan dan kemudian menggabungkannya bersama dengan profil komposit.Pada asasnya, semua yang anda boleh lakukan dengan lamina dan cengkerang rata, kami boleh lakukan untuk tiub dan profil.
Membuat profil kosong TPC ini sebenarnya merupakan salah satu cabaran yang paling sukar, kata Garthaus.“Anda tidak boleh menggunakan pembentuk setem atau pengacuan tamparan dengan pundi kencing silikon;jadi, kami terpaksa membangunkan proses baharu.”Tetapi proses ini membolehkan bahagian tiub dan aci yang berprestasi tinggi dan boleh disesuaikan, katanya.Ia juga mendayakan penggunaan acuan hibrid yang dibangunkan oleh Victrex, di mana PAEK suhu cair yang lebih rendah ditindih dengan PEEK, menyatukan lembaran organo dan acuan suntikan dalam satu langkah.
Satu lagi aspek ketara dalam menggunakan prabentuk pita jalinan organoTube ialah ia menghasilkan sisa yang sangat sedikit."Dengan jalinan, kami mempunyai kurang daripada 2% sisa, dan kerana ia adalah pita TPC, kami boleh menggunakan sejumlah kecil sisa ini kembali dalam acuan untuk mendapatkan kadar penggunaan bahan sehingga 100%," Garthaus menekankan.
Barfuss dan Garthaus memulakan kerja pembangunan mereka sebagai penyelidik di Institut Kejuruteraan Ringan dan Teknologi Polimer (ILK) di TU Dresden."Ini adalah salah satu institut Eropah terbesar untuk komposit dan reka bentuk ringan hibrid," kata Barfuss.Dia dan Garthaus bekerja di sana selama hampir 10 tahun dalam beberapa perkembangan, termasuk pultrusion TPC berterusan dan jenis penyambungan yang berbeza.Kerja itu akhirnya disuling menjadi teknologi proses TPC yang kini menjadi wira.
"Kami kemudiannya memohon kepada program EXIST Jerman, yang bertujuan untuk memindahkan teknologi sedemikian kepada industri dan membiayai 40-60 projek setiap tahun dalam pelbagai bidang penyelidikan," kata Barfuss."Kami menerima pembiayaan untuk peralatan modal, empat pekerja dan pelaburan untuk langkah peningkatan seterusnya."Mereka membentuk wira pada Mei 2018 selepas mempamerkan di JEC World.
Menjelang JEC World 2019, herone telah menghasilkan pelbagai bahagian demonstrasi, termasuk aci pemacu gear bersepadu atau aci gear yang ringan, tork tinggi, bersepadu."Kami menggunakan organoTube pita gentian karbon/PAEK yang dijalin pada sudut yang diperlukan oleh bahagian itu dan menyatukannya ke dalam tiub," jelas Barfuss."Kami kemudiannya memanaskan tiub pada 200°C dan membentuknya terlebih dahulu dengan gear yang dibuat dengan menyuntik PEEK bertetulang gentian karbon pendek pada 380°C."Overacuan telah dimodelkan menggunakan Moldflow Insight daripada Autodesk (San Rafael, Calif., AS).Masa pengisian acuan telah dioptimumkan kepada 40.5 saat dan dicapai menggunakan mesin pengacuan suntikan ALLROUNDER Arburg (Lossburg, Jerman).
Overacuan ini bukan sahaja mengurangkan kos pemasangan, langkah pembuatan dan logistik, tetapi ia juga meningkatkan prestasi.Perbezaan 40°C antara suhu lebur aci PAEK dan gear PEEK terlampau membolehkan ikatan lebur yang padu antara kedua-duanya pada tahap molekul.Jenis kedua mekanisme cantuman, penguncian bentuk, dicapai dengan menggunakan tekanan suntikan untuk secara serentak termoform aci semasa overmolding untuk mencipta kontur pengunci bentuk.Ini boleh dilihat dalam Rajah 1 di bawah sebagai "membentuk suntikan".Ia menghasilkan lilitan beralun atau sinusoidal di mana gear dicantum berbanding keratan rentas bulat yang licin, yang menghasilkan bentuk penguncian geometri.Ini meningkatkan lagi kekuatan aci gear bersepadu, seperti yang ditunjukkan dalam ujian (lihat graf di bahagian bawah sebelah kanan).1. Dibangunkan dengan kerjasama Victrex dan ILK, heroon menggunakan tekanan suntikan semasa overmolding untuk mencipta kontur pengunci bentuk dalam aci gear bersepadu (atas). Proses pembentukan suntikan ini membolehkan aci gear bersepadu dengan pengunci bentuk (lengkung hijau pada graf) untuk mengekalkan tork yang lebih tinggi berbanding aci pemacu gear terlebih acuan tanpa pengunci bentuk (lengkung hitam pada graf).
"Ramai orang mencapai ikatan cair yang padu semasa overmolding," kata Garthaus, "dan yang lain menggunakan penguncian bentuk dalam komposit, tetapi kuncinya ialah menggabungkan kedua-duanya menjadi satu proses automatik."Beliau menerangkan bahawa untuk keputusan ujian dalam Rajah 1, kedua-dua aci dan lilitan penuh gear telah diapit secara berasingan, kemudian diputar untuk mendorong beban ricih.Kegagalan pertama pada graf ditandakan dengan bulatan untuk menunjukkan ia adalah untuk gear PEEK terlampau tanpa penguncian bentuk.Kegagalan kedua ditandakan dengan bulatan berkelim yang menyerupai bintang, menunjukkan ujian gear terlampau dengan penguncian bentuk."Dalam kes ini, anda mempunyai gabungan yang padu dan terkunci bentuk," kata Garthaus, "dan anda memperoleh hampir 44% peningkatan dalam beban tork."Cabarannya sekarang, katanya, adalah untuk mendapatkan pengunci bentuk untuk mengambil beban pada peringkat awal untuk meningkatkan lagi tork yang akan dikendalikan oleh aci gear ini sebelum kegagalan.
Satu perkara penting tentang penguncian bentuk kontur yang dicapai oleh heroin dengan pembentukan suntikannya ialah ia disesuaikan sepenuhnya dengan bahagian individu dan beban bahagian itu mesti tahan.Sebagai contoh, dalam aci gear, pengunci bentuk adalah lilitan, tetapi dalam tupang mampatan tegangan di bawah, ia adalah paksi."Inilah sebabnya apa yang telah kami bangunkan adalah pendekatan yang lebih luas," kata Garthaus."Cara kami mengintegrasikan fungsi dan bahagian bergantung pada aplikasi individu, tetapi lebih banyak kita boleh melakukan ini, lebih banyak berat dan kos yang boleh kita jimatkan."
Selain itu, keton bertetulang gentian pendek yang digunakan dalam unsur fungsi terlampau seperti gear menyediakan permukaan haus yang sangat baik.Victrex telah membuktikannya dan sebenarnya, memasarkan fakta ini untuk bahan PEEK dan PAEKnya.
Barfuss menegaskan bahawa aci gear bersepadu, yang diiktiraf dengan Anugerah Inovasi Dunia JEC 2019 dalam kategori aeroangkasa, adalah "demonstrasi pendekatan kami, bukan hanya proses yang tertumpu pada satu aplikasi.Kami ingin meneroka sejauh mana kami boleh menyelaraskan pembuatan dan mengeksploitasi sifat TPC untuk menghasilkan struktur bersepadu yang berfungsi."Syarikat itu kini sedang mengoptimumkan rod mampatan ketegangan, digunakan dalam aplikasi seperti tupang.
Rajah 3 Topang mampatan tegang Pembentukan suntikan dilanjutkan kepada tupang, di mana heroon membentuk unsur pemindahan beban logam ke dalam struktur bahagian menggunakan pengunci bentuk paksi untuk meningkatkan kekuatan cantuman.
Elemen berfungsi untuk tupang mampatan tegangan ialah bahagian antara muka logam yang memindahkan beban ke dan dari garpu logam ke tiub komposit (lihat ilustrasi di bawah).Pembentukan suntikan digunakan untuk menyepadukan elemen pengenalan beban logam ke dalam badan tupang komposit.
"Faedah utama yang kami berikan ialah mengurangkan bilangan bahagian," katanya.“Ini memudahkan keletihan, yang merupakan cabaran besar untuk aplikasi topang pesawat.Penguncian bentuk sudah digunakan dalam komposit termoset dengan sisipan plastik atau logam, tetapi tiada ikatan yang padu, jadi anda boleh mendapatkan sedikit pergerakan antara bahagian.Pendekatan kami, bagaimanapun, menyediakan struktur bersatu tanpa pergerakan sedemikian."
Garthaus menyebut toleransi kerosakan sebagai satu lagi cabaran untuk bahagian ini."Anda perlu memberi kesan pada tupang dan kemudian melakukan ujian keletihan," jelasnya."Oleh kerana kami menggunakan bahan matriks termoplastik berprestasi tinggi, kami boleh mencapai toleransi kerosakan sebanyak 40% lebih tinggi berbanding termoset, dan juga sebarang retakan mikro daripada impak semakin berkurangan dengan pemuatan keletihan."
Walaupun tupang demonstrasi menunjukkan sisipan logam, herone sedang membangunkan penyelesaian semua-termoplastik, membolehkan ikatan padu antara badan tupang komposit dan elemen pengenalan beban."Apabila kami boleh, kami lebih suka kekal komposit dan menyesuaikan sifat dengan mengubah jenis tetulang gentian, termasuk karbon, kaca, gentian berterusan dan pendek," kata Garthaus.“Dengan cara ini, kami meminimumkan kerumitan dan isu antara muka.Sebagai contoh, kami mempunyai lebih sedikit masalah berbanding dengan menggabungkan termoset dan termoplastik."Selain itu, ikatan antara PAEK dan PEEK telah diuji oleh Tri-Mack dengan keputusan menunjukkan ia mempunyai 85% kekuatan laminat CF/PAEK satu arah asas dan dua kali lebih kuat daripada ikatan pelekat menggunakan pelekat filem epoksi standard industri.
Barfuss berkata herone kini mempunyai sembilan pekerja dan sedang beralih daripada pembekal pembangunan teknologi kepada pembekal alat ganti penerbangan.Langkah besar seterusnya ialah pembangunan kilang baharu di Dresden."Menjelang akhir 2020 kami akan mempunyai kilang perintis yang mengeluarkan bahagian siri pertama," katanya."Kami sudah bekerjasama dengan OEM penerbangan dan pembekal Tahap 1 utama, menunjukkan reka bentuk untuk pelbagai jenis aplikasi."
Syarikat itu juga bekerjasama dengan pembekal eVTOL dan pelbagai kolaborator di AS Memandangkan herone mematangkan aplikasi penerbangan, ia juga memperoleh pengalaman pembuatan dengan aplikasi barangan sukan termasuk kelawar dan komponen basikal."Teknologi kami boleh menghasilkan pelbagai bahagian yang kompleks dengan prestasi, masa kitaran dan faedah kos," kata Garthaus.“Masa kitaran kami menggunakan PEEK ialah 20 minit, berbanding 240 minit menggunakan prepreg yang diawet dengan autoklaf.Kami melihat peluang yang luas, tetapi buat masa ini, tumpuan kami adalah untuk mendapatkan aplikasi pertama kami ke dalam pengeluaran dan menunjukkan nilai bahagian tersebut ke pasaran."
Herone juga akan membuat pembentangan di Carbon Fiber 2019. Ketahui lebih lanjut tentang acara di carbonfiberevent.com.
Memfokuskan pada pengoptimuman reka bentuk tangan tradisional, pengeluar nacelle dan penunggang tujahan memerhatikan penggunaan automasi dan acuan tertutup pada masa hadapan.
Sistem senjata pesawat memperoleh prestasi tinggi karbon/epoksi dengan kecekapan pengacuan mampatan.
Kaedah untuk mengira impak komposit terhadap alam sekitar membolehkan perbandingan dipacu data dengan bahan tradisional pada bidang permainan yang sama rata.
Masa siaran: 19 Ogos 2019