Door gevlochten tape, overmolding en vormvergrendeling te combineren, produceert Herone een tandwielaandrijfas met hoog koppel uit één stuk als demonstrator voor een breed scala aan toepassingen.
Unitized composiet tandwielaandrijfas.Herone gebruikt gevlochten thermoplastische composiet prepreg-tapes als voorvormen voor een proces dat het laminaat van de aandrijfas consolideert en functionele elementen zoals tandwielen omhult, waardoor eenheidsstructuren ontstaan die het gewicht, het aantal onderdelen, de montagetijd en de kosten verminderen.Bron voor alle afbeeldingen |herone
De huidige projecties vragen om een verdubbeling van de commerciële vliegtuigvloot in de komende twintig jaar.Om hieraan tegemoet te komen variëren de productiecijfers in 2019 voor composietintensieve widebody-jetliners van 10 tot 14 per maand per OEM, terwijl narrowbody-vliegtuigen al zijn opgevoerd tot 60 per maand per OEM.Airbus werkt specifiek samen met leveranciers om traditionele maar tijdrovende, met de hand opgestelde prepreg-onderdelen op de A320 om te zetten naar onderdelen die zijn gemaakt via snellere cyclustijden van 20 minuten, zoals hogedrukharsoverdrachtgieten (HP-RTM), waardoor onderdelen leveranciers voldoen aan een verdere impuls naar 100 vliegtuigen per maand.Ondertussen voorspelt de opkomende markt voor stedelijke luchtmobiliteit en transport een behoefte aan 3.000 elektrische verticale start- en landingsvliegtuigen (EVTOL) per jaar (250 per maand).
“De industrie heeft geautomatiseerde productietechnologieën nodig met kortere cyclustijden die ook de integratie van functies mogelijk maken, die worden geboden door thermoplastische composieten”, zegt Daniel Barfuss, medeoprichter en managing partner van Herone (Dresden, Duitsland), een bedrijf dat composietentechnologie en onderdelen produceert. bedrijf dat hoogwaardige thermoplastische matrixmaterialen gebruikt, van polyfenyleensulfide (PPS) tot polyetheretherketon (PEEK), polyetherketonketon (PEKK) en polyaryletherketon (PAEK).“Ons belangrijkste doel is om de hoge prestaties van thermoplastische composieten (TPC’s) te combineren met lagere kosten, om op maat gemaakte onderdelen mogelijk te maken voor een grotere verscheidenheid aan seriële productietoepassingen en nieuwe toepassingen”, voegt Dr. Christian Garthaus toe, de tweede medeoprichter en directeur van Herone. partner.
Om dit te bereiken heeft het bedrijf een nieuwe aanpak ontwikkeld, te beginnen met volledig geïmpregneerde, doorlopende vezeltapes, deze tapes te vlechten tot een holle voorvorm “organoTube” en de organoTubes te consolideren tot profielen met variabele doorsneden en vormen.In een volgende processtap maakt het gebruik van de lasbaarheid en thermovormbaarheid van TPC's om functionele elementen zoals composiet tandwielen op aandrijfassen, eindfittingen op buizen of belastingoverdrachtselementen in trek-druksteunen te integreren.Barfuss voegt eraan toe dat er de mogelijkheid is om een hybride vormproces te gebruiken – ontwikkeld door ketonmatrixleverancier Victrex (Cleveleys, Lancashire, VK) en onderdelenleverancier Tri-Mack (Bristol, RI, VS) – waarbij PAEK-tape met een lagere smelttemperatuur wordt gebruikt voor de profielen en PEEK voor het overmolding, waardoor een versmolten, enkelvoudig materiaal over de verbinding mogelijk wordt gemaakt (zie "Overmolding breidt het assortiment van PEEK in composieten uit").“Onze aanpassing maakt ook geometrische vormvergrendeling mogelijk”, voegt hij eraan toe, “wat geïntegreerde structuren oplevert die nog hogere belastingen kunnen weerstaan.”
Het Herone-proces begint met volledig geïmpregneerde, met koolstofvezels versterkte thermoplastische tapes die tot organotubes worden gevlochten en geconsolideerd.“We zijn 10 jaar geleden begonnen met het werken met deze organoTubes en ontwikkelden composiet hydraulische leidingen voor de luchtvaart”, zegt Garthaus.Hij legt uit dat, omdat geen twee hydraulische pijpen van vliegtuigen dezelfde geometrie hebben, er voor elk ervan een mal nodig is, waarbij gebruik wordt gemaakt van bestaande technologie.“We hadden een buis nodig die nabewerkt kon worden om de individuele buisgeometrie te bereiken.Het idee was dus om doorlopende composietprofielen te maken en deze vervolgens CNC-gebogen in de gewenste geometrieën.”
Fig. 2 Gevlochten prepreg-tapes bieden voorvormen in netvorm, organoTubes genaamd, voor het injectievormproces van Herone en maken de productie van verschillende vormen mogelijk.
Dit klinkt vergelijkbaar met wat Sigma Precision Components (Hinckley, VK) doet (zie "Vliegtuigmotoren herstellen met composietpijpen") met zijn koolstofvezel/PEEK-motorbekleding.“Ze kijken naar vergelijkbare onderdelen, maar gebruiken een andere consolidatiemethode”, legt Garthaus uit.“Met onze aanpak zien we potentieel voor betere prestaties, zoals een porositeit van minder dan 2% voor lucht- en ruimtevaartconstructies.”
Garthaus' Ph.D.Tijdens mijn afstudeerwerk bij de ILK werd het gebruik van continue thermoplastisch composiet (TPC) pultrusie onderzocht om gevlochten buizen te produceren, wat resulteerde in een gepatenteerd continu productieproces voor TPC-buizen en -profielen.Voorlopig heeft herone er echter voor gekozen om met luchtvaartleveranciers en -klanten te werken volgens een discontinu gietproces.“Dit geeft ons de vrijheid om alle verschillende vormen te maken, inclusief gebogen profielen en profielen met verschillende doorsneden, en om lokale patches en laagdiktes aan te brengen”, legt hij uit.“We werken eraan om het proces voor het integreren van lokale patches te automatiseren en deze vervolgens samen te consolideren met het samengestelde profiel.Kortom, alles wat je kunt doen met vlakke laminaten en schalen, kunnen wij ook doen voor buizen en profielen.”
Het maken van deze holle TPC-profielen was eigenlijk een van de moeilijkste uitdagingen, zegt Garthaus.“Je kunt geen stempelvormen of blaasvormen gebruiken met een siliconen blaas;dus moesten we een nieuw proces ontwikkelen.”Maar dit proces maakt zeer hoogwaardige en op maat gemaakte onderdelen op buis- en asbasis mogelijk, merkt hij op.Het maakte ook het gebruik van het hybride gietwerk mogelijk dat Victrex ontwikkelde, waarbij PAEK met een lagere smelttemperatuur wordt overgoten met PEEK, waardoor de organoplaat en het spuitgieten in één stap worden geconsolideerd.
Een ander opvallend aspect van het gebruik van organoTube gevlochten tape-preforms is dat ze zeer weinig afval produceren.“Bij vlechten hebben we minder dan 2% afval, en omdat het TPC-tape is, kunnen we deze kleine hoeveelheid afval terug in het omgietwerk gebruiken om de materiaalbenuttingsgraad tot 100% te krijgen”, benadrukt Garthaus.
Barfuss en Garthaus begonnen hun ontwikkelingswerk als onderzoekers aan het Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) van de TU Dresden.“Dit is een van de grootste Europese instituten voor composieten en hybride lichtgewichtontwerpen”, merkt Barfuss op.Hij en Garthaus werkten daar bijna 10 jaar aan een aantal ontwikkelingen, waaronder continue TPC-pultrusie en verschillende soorten verbindingen.Dat werk werd uiteindelijk gedestilleerd tot wat nu de herone TPC-procestechnologie is.
“Vervolgens hebben we ons aangemeld voor het Duitse EXIST-programma, dat gericht is op de overdracht van dergelijke technologie aan de industrie en jaarlijks 40 tot 60 projecten financiert op een breed scala aan onderzoeksgebieden”, zegt Barfuss.“We ontvingen financiering voor kapitaalgoederen, vier medewerkers en investeringen voor de volgende stap van opschaling.”Ze vormden Herone in mei 2018 na een tentoonstelling op JEC World.
Tegen JEC World 2019 had Herone een reeks demonstratieonderdelen geproduceerd, waaronder een lichtgewicht, geïntegreerde tandwielaandrijfas met hoog koppel, oftewel tandwielas.“We gebruiken een organoTube-tape van koolstofvezel/PAEK die is gevlochten in de hoeken die nodig zijn voor het onderdeel en consolideren dat tot een buis”, legt Barfuss uit.“Vervolgens verwarmen we de buis voor op 200 °C en gieten we hem om met een tandwiel dat gemaakt is door korte, met koolstofvezel versterkte PEEK te injecteren bij 380 °C.”De overmolding werd gemodelleerd met behulp van Moldflow Insight van Autodesk (San Rafael, Californië, VS).De vultijd van de matrijs werd geoptimaliseerd tot 40,5 seconden en werd bereikt met behulp van een ALLROUNDER-spuitgietmachine uit Arburg (Lossburg, Duitsland).
Dit omspuiten vermindert niet alleen de montagekosten, productiestappen en logistiek, maar verbetert ook de prestaties.Het verschil van 40°C tussen de smelttemperatuur van de PAEK-as en die van het overgegoten PEEK-tandwiel maakt een samenhangende smeltverbinding tussen de twee op moleculair niveau mogelijk.Een tweede type verbindingsmechanisme, vormsluitend, wordt bereikt door de injectiedruk te gebruiken om tegelijkertijd de schacht thermisch te vormen tijdens het overgieten om een vormsluitende contour te creëren.Dit is in figuur 1 hieronder te zien als “injectievormend”.Het creëert een gegolfde of sinusoïdale omtrek waar het tandwiel is verbonden versus een gladde cirkelvormige dwarsdoorsnede, wat resulteert in een geometrisch vergrendelende vorm.Dit vergroot de sterkte van de geïntegreerde tandwielas verder, zoals blijkt uit tests (zie grafiek rechtsonder).1. Herone is ontwikkeld in samenwerking met Victrex en ILK en gebruikt injectiedruk tijdens het overmolding om een vormsluitende contour te creëren in de geïntegreerde tandwielas (boven). Door dit spuitgietproces kan de geïntegreerde tandwielas met vormvergrendeling (groene curve op de grafiek) een hoger koppel behouden dan een overgegoten aandrijfas zonder vormvergrendeling (zwarte curve in de grafiek).
“Veel mensen bereiken een samenhangende smeltverbinding tijdens het overmolding”, zegt Garthaus, “en anderen gebruiken vormvergrendeling in composieten, maar de sleutel is om beide te combineren in één enkel geautomatiseerd proces.”Hij legt uit dat voor de testresultaten in figuur 1 zowel de as als de volledige omtrek van het tandwiel afzonderlijk werden vastgeklemd en vervolgens werden geroteerd om schuifbelasting te veroorzaken.De eerste fout in de grafiek wordt gemarkeerd door een cirkel om aan te geven dat het om een overgegoten PEEK-tandwiel gaat zonder vormvergrendeling.De tweede mislukking wordt gemarkeerd door een gekrompen cirkel die op een ster lijkt, wat aangeeft dat een overgegoten tandwiel met vormvergrendeling is getest.“In dit geval heb je zowel een samenhangende als vormsluitende verbinding”, zegt Garthaus, “en krijg je een toename van bijna 44% in koppelbelasting.”De uitdaging nu, zegt hij, is om de vormvergrendeling in een eerder stadium belasting te laten opnemen, zodat het koppel dat deze tandwielas aankan voordat deze kapot gaat, verder wordt vergroot.
Een belangrijk punt bij de contourvormvastheid die Herone met het spuitgieten bereikt, is dat deze geheel is afgestemd op het individuele onderdeel en de belasting die dat onderdeel moet kunnen weerstaan.In de tandwielas is de vormsluitende vorm bijvoorbeeld rondlopend, maar in de daaronder gelegen trek-druksteunen is deze axiaal.“Daarom hebben wij een bredere aanpak ontwikkeld”, zegt Garthaus.“Hoe we functies en onderdelen integreren, hangt af van de individuele toepassing, maar hoe meer we dit kunnen doen, hoe meer gewicht en kosten we kunnen besparen.”
Ook zorgt het met korte vezels versterkte keton dat wordt gebruikt in omgevormde functionele elementen zoals tandwielen voor uitstekende slijtoppervlakken.Victrex heeft dit bewezen en brengt dit feit ook op de markt voor zijn PEEK- en PAEK-materialen.
Barfuss wijst erop dat de geïntegreerde tandwielas, die in 2019 werd erkend met een JEC World Innovation Award in de categorie lucht- en ruimtevaart, een “demonstratie is van onze aanpak, en niet slechts een proces gericht op een enkele toepassing.We wilden onderzoeken in hoeverre we de productie konden stroomlijnen en de eigenschappen van TPC’s konden benutten om gefunctionaliseerde, geïntegreerde structuren te produceren.”Het bedrijf optimaliseert momenteel trek-compressiestaven, die worden gebruikt in toepassingen zoals stutten.
Fig. 3 Trek-compressie-steunen Injectievormen wordt uitgebreid tot stutten, waarbij men een metalen belastingoverdrachtselement in de onderdeelstructuur giet met behulp van axiale vormvergrendeling om de verbindingssterkte te vergroten.
Het functionele element voor de trek-druksteunen is een metalen interfacedeel dat belastingen van en naar de metalen vork overbrengt naar de composietbuis (zie onderstaande afbeelding).Er wordt gebruik gemaakt van spuitgieten om het metalen belastingintroductie-element in het composiet veerpootlichaam te integreren.
“Het belangrijkste voordeel dat we bieden is het verminderen van het aantal onderdelen”, merkt hij op.“Dit vereenvoudigt vermoeidheid, wat een grote uitdaging is voor toepassingen met vliegtuigsteunen.Vormvergrendeling wordt al gebruikt bij thermohardende composieten met een kunststof of metalen inzetstuk, maar er is geen cohesieve verbinding, waardoor je een lichte beweging tussen de onderdelen kunt krijgen.Onze aanpak biedt echter een verenigde structuur zonder een dergelijke beweging.”
Garthaus noemt schadetolerantie als een andere uitdaging voor deze onderdelen.“Je moet de stutten indrukken en dan vermoeidheidstesten doen”, legt hij uit.“Omdat we hoogwaardige thermoplastische matrixmaterialen gebruiken, kunnen we maar liefst 40% hogere schadetolerantie bereiken vergeleken met thermoharders, en ook worden eventuele microscheuren als gevolg van impact minder naarmate de vermoeiingsbelasting toeneemt.”
Hoewel demonstratiesteunen een metalen inzetstuk vertonen, ontwikkelt Herone momenteel een volledig thermoplastische oplossing, die een samenhangende verbinding tussen het composietsteunlichaam en het lastinvoerelement mogelijk maakt.“Als we kunnen, geven we er de voorkeur aan volledig samengesteld te blijven en de eigenschappen aan te passen door het type vezelversterking te veranderen, inclusief koolstof-, glas-, continue en korte vezels”, zegt Garthaus.“Op deze manier minimaliseren we de complexiteit en interfaceproblemen.We hebben bijvoorbeeld veel minder problemen vergeleken met het combineren van thermoharders en thermoplasten.”Bovendien is de verbinding tussen PAEK en PEEK getest door Tri-Mack, waarbij de resultaten aantonen dat deze 85% van de sterkte heeft van een unidirectioneel CF/PAEK-basislaminaat en twee keer zo sterk is als lijmverbindingen met industriestandaard epoxyfilmkleefstof.
Barfuss vertelt dat Herone nu negen medewerkers heeft en aan het evolueren is van een leverancier van technologieontwikkeling naar een leverancier van luchtvaartonderdelen.De volgende grote stap is de ontwikkeling van een nieuwe fabriek in Dresden.“Eind 2020 zullen we een proeffabriek hebben waar de eerste serieonderdelen worden geproduceerd”, zegt hij.“We werken al samen met luchtvaart-OEM’s en belangrijke Tier 1-leveranciers, waarbij we ontwerpen voor veel verschillende soorten toepassingen demonstreren.”
Het bedrijf werkt ook samen met eVTOL-leveranciers en een verscheidenheid aan samenwerkingspartners in de VS. Naarmate herone luchtvaarttoepassingen volwassener maakt, doet het ook productie-ervaring op met toepassingen voor sportartikelen, waaronder knuppels en fietsonderdelen.“Onze technologie kan een breed scala aan complexe onderdelen produceren met prestatie-, cyclustijd- en kostenvoordelen”, zegt Garthaus.“Onze cyclustijd met PEEK is 20 minuten, tegenover 240 minuten met autoclaaf-uitgeharde prepreg.We zien een breed scala aan kansen, maar voorlopig ligt onze focus op het in productie nemen van onze eerste toepassingen en het demonstreren van de waarde van dergelijke onderdelen op de markt.”
Herone zal ook aanwezig zijn op Carbon Fiber 2019. Lees meer over het evenement op carbonfiberevent.com.
Gericht op het optimaliseren van de traditionele handoplegging, werpen fabrikanten van gondels en stuwkrachtomkeerinrichtingen de blik op toekomstig gebruik van automatisering en gesloten gieten.
Vliegtuigwapensystemen profiteren van de hoge prestaties van koolstof/epoxy met de efficiëntie van compressiegieten.
Methoden voor het berekenen van de impact die composieten hebben op het milieu maken datagestuurde vergelijkingen met traditionele materialen op een gelijk speelveld mogelijk.
Posttijd: 19 augustus 2019