Ved å kombinere flettet tape, overstøping og formlåsing, produserer herone ett stykke gir-drivaksel med høyt dreiemoment som demonstrator for et bredt spekter av bruksområder.
Forent kompositt gir-drivaksel.Herone bruker flettede termoplastiske kompositt-prepreg-tape som preforms for en prosess som konsoliderer drivaksellaminatet og overstøper funksjonelle elementer som gir, og produserer enhetlige strukturer som reduserer vekt, antall deler, monteringstid og kostnad.Kilde for alle bilder |herone
Nåværende anslag krever en dobling av den kommersielle flyflåten i løpet av de neste 20 årene.For å imøtekomme dette varierer produksjonsratene i 2019 for kompositt-intensive widebody-jetfly fra 10 til 14 per måned per OEM, mens narrowbodies allerede har økt til 60 per måned per OEM.Airbus jobber spesifikt med leverandører for å bytte tradisjonelle, men tidkrevende, håndopplagde prepreg-deler på A320 til deler laget via raskere 20-minutters syklustidsprosesser som høytrykksharpiksoverføringsstøping (HP-RTM), og dermed bidra til en del leverandørene møter et ytterligere press mot 100 fly per måned.I mellomtiden anslår det fremvoksende urbane luftmobilitets- og transportmarkedet et behov for 3000 elektriske vertikale start- og landingsfly (EVTOL) per år (250 per måned).
"Bransjen krever automatiserte produksjonsteknologier med forkortede syklustider som også muliggjør integrering av funksjoner, som tilbys av termoplastiske kompositter," sier Daniel Barfuss, medgründer og administrerende partner av herone (Dresden, Tyskland), en komposittteknologi og delerproduksjon firma som bruker høyytelses termoplastiske matrisematerialer fra polyfenylensulfid (PPS) til polyetereterketon (PEEK), polyeterketonketon (PEKK) og polyaryleterketon (PAEK)."Vårt hovedmål er å kombinere den høye ytelsen til termoplastiske kompositter (TPC) med lavere kostnader, for å muliggjøre skreddersydde deler for et bredere utvalg av serieproduksjonsapplikasjoner og nye applikasjoner," legger Dr. Christian Garthaus, herones andre medgründer og administrerende direktør. samboer.
For å oppnå dette har selskapet utviklet en ny tilnærming, som starter med fullt impregnerte, kontinuerlige fiberbånd, flette disse båndene til en hul preform "organoTube" og konsolidere organoTubes til profiler med variable tverrsnitt og former.I et påfølgende prosesstrinn bruker den sveisbarheten og termoformbarheten til TPC-er for å integrere funksjonelle elementer som komposittgir på drivaksler, endekoblinger på rør eller lastoverføringselementer i strekk-kompresjonsstag.Barfuss legger til at det er muligheten til å bruke en hybridstøpeprosess – utviklet av ketonmatriseleverandøren Victrex (Cleveleys, Lancashire, Storbritannia) og deleleverandøren Tri-Mack (Bristol, RI, USA) – som bruker PAEK-tape med lavere smeltetemperatur for profilene og PEEK for overstøpingen, noe som muliggjør et sammensmeltet, enkelt materiale over skjøten (se "Overstøping utvider PEEKs utvalg av kompositter")."Vår tilpasning muliggjør også geometrisk formlåsing," legger han til, "som produserer integrerte strukturer som tåler enda høyere belastninger."
Heroneprosessen starter med helimpregnert karbonfiberforsterket termoplastbånd som flettes inn i organoTubes og konsolideres."Vi begynte å jobbe med disse organoTubes for 10 år siden, og utviklet kompositthydraulikkrør for luftfart," sier Garthaus.Han forklarer at fordi ingen to flyhydraulikkrør har samme geometri, vil det være nødvendig med en form for hver av dem, ved bruk av eksisterende teknologi.«Vi trengte et rør som kunne etterbehandles for å oppnå den individuelle rørgeometrien.Så ideen var å lage kontinuerlige komposittprofiler og deretter CNC-bøye disse til de ønskede geometriene."
Fig. 2 Flettede prepreg-tape gir nettformede preformer kalt organoTubes for herones injeksjonsformende prosess og muliggjør produksjon av ulike former.
Dette høres ut som det Sigma Precision Components (Hinckley, Storbritannia) gjør (se "Redressing aeromotors with composite pipes") med sin karbonfiber/PEEK-motordressing."De ser på lignende deler, men bruker en annen konsolideringsmetode," forklarer Garthaus."Med vår tilnærming ser vi potensial for økt ytelse, for eksempel mindre enn 2% porøsitet for romfartsstrukturer."
Garthaus' Ph.D.oppgavearbeid ved ILK utforsket bruk av kontinuerlig termoplastisk kompositt (TPC) pultrudering for å produsere flettede rør, noe som resulterte i en patentert kontinuerlig produksjonsprosess for TPC-rør og -profiler.Men foreløpig har herone valgt å jobbe med luftfartsleverandører og kunder ved å bruke en diskontinuerlig støpeprosess."Dette gir oss friheten til å lage alle de forskjellige formene, inkludert buede profiler og de med varierende tverrsnitt, i tillegg til å bruke lokale lapper og lagavfall," forklarer han."Vi jobber med å automatisere prosessen for å integrere lokale oppdateringer og deretter konsolidere dem med den sammensatte profilen.I utgangspunktet, alt du kan gjøre med flate laminater og skall, kan vi gjøre for rør og profiler."
Å lage disse hule TPC-profilene var faktisk en av de vanskeligste utfordringene, sier Garthaus.«Du kan ikke bruke stempelforming eller blåsestøping med en silikonblære;så vi måtte utvikle en ny prosess.»Men denne prosessen muliggjør svært høy ytelse og skreddersydde rør- og akselbaserte deler, bemerker han.Det muliggjorde også bruk av hybridstøpingen som Victrex utviklet, der PAEK med lavere smeltetemperatur overstøpes med PEEK, og konsoliderer organoplaten og sprøytestøpingen i ett enkelt trinn.
Et annet bemerkelsesverdig aspekt ved bruk av organoTube flettede tapepreformer er at de produserer svært lite avfall."Med fletting har vi mindre enn 2 % avfall, og fordi det er TPC-tape, kan vi bruke denne lille mengden avfall tilbake i overstøpingen for å få materialutnyttelsesgraden opp til 100 %," understreker Garthaus.
Barfuss og Garthaus begynte sitt utviklingsarbeid som forskere ved Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) ved TU Dresden."Dette er et av de største europeiske instituttene for kompositter og hybrid lettvektsdesign," bemerker Barfuss.Han og Garthaus jobbet der i nesten 10 år med en rekke utviklinger, inkludert kontinuerlig TPC-pultrudering og forskjellige typer sammenføyninger.Dette arbeidet ble til slutt destillert til det som nå er helten TPC-prosessteknologi.
"Vi søkte deretter på det tyske EXIST-programmet, som tar sikte på å overføre slik teknologi til industrien og finansierer 40-60 prosjekter hvert år innen et bredt spekter av forskningsfelt," sier Barfuss."Vi mottok midler til kapitalutstyr, fire ansatte og investering for neste trinn i oppskalering."De dannet herone i mai 2018 etter å ha stilt ut på JEC World.
Ved JEC World 2019 hadde herone produsert en rekke demonstrasjonsdeler, inkludert en lett, høyt dreiemoment, integrert girdrivaksel eller giraksel."Vi bruker et karbonfiber/PAEK-tape organoTube flettet i vinklene som kreves av delen og konsoliderer det til et rør," forklarer Barfuss."Vi forvarmer deretter røret ved 200 °C og overstøper det med et gir laget ved å injisere kort karbonfiberforsterket PEEK ved 380 °C."Overstøpingen ble modellert ved hjelp av Moldflow Insight fra Autodesk (San Rafael, California, USA).Formfyllingstiden ble optimalisert til 40,5 sekunder og oppnådd ved bruk av en Arburg (Lossburg, Tyskland) ALLROUNDER sprøytestøpemaskin.
Denne overstøpingen reduserer ikke bare monteringskostnader, produksjonstrinn og logistikk, men den forbedrer også ytelsen.Forskjellen på 40°C mellom smeltetemperaturen til PAEK-akselen og den til det overstøpte PEEK-giret muliggjør sammenhengende smeltebinding mellom de to på molekylnivå.En annen type sammenføyningsmekanisme, formlåsing, oppnås ved å bruke injeksjonstrykket til samtidig å termoforme akselen under overstøping for å skape en formlåsende kontur.Dette kan sees i fig. 1 nedenfor som "injeksjonsdannende".Det skaper en korrugert eller sinusformet omkrets der giret er sammenføyd mot et jevnt sirkulært tverrsnitt, noe som resulterer i en geometrisk låsende form.Dette øker styrken til den integrerte girakselen ytterligere, som demonstrert i testing (se grafen nederst til høyre). Fig.1. Herone er utviklet i samarbeid med Victrex og ILK, og bruker injeksjonstrykk under overstøping for å skape en formlåsende kontur i den integrerte girakselen (øverst). Denne injeksjonsformingsprosessen lar den integrerte girakselen med formlåsing (grønn kurve på grafen) opprettholde et høyere dreiemoment sammenlignet med en overstøpt gir-drivaksel uten formlåsing (svart kurve på grafen).
"Mange mennesker oppnår sammenhengende smeltebinding under overstøping," sier Garthaus, "og andre bruker formlåsing i kompositter, men nøkkelen er å kombinere begge i en enkelt, automatisert prosess."Han forklarer at for testresultatene i fig. 1 ble både akselen og hele omkretsen av giret klemt separat, deretter rotert for å indusere skjærbelastning.Den første feilen på grafen er markert med en sirkel for å indikere at den er for et overstøpt PEEK-gir uten formlåsing.Den andre feilen er markert med en krympet sirkel som ligner en stjerne, noe som indikerer testing av et overstøpt gir med formlåsing."I dette tilfellet har du både en sammenhengende og formlåst skjøt," sier Garthaus, "og du får nesten 44 % økning i dreiemomentbelastningen."Utfordringen nå, sier han, er å få formlåsingen til å ta opp belastning på et tidligere stadium for ytterligere å øke dreiemomentet denne girakselen vil håndtere før svikt.
Et viktig poeng med konturformlåsingen som herone oppnår med sin injeksjonsforming er at den er helt tilpasset den enkelte del og belastningen den delen skal tåle.For eksempel i girakselen er formlåsingen periferisk, men i strekk-kompresjonsstiverne under er den aksial."Dette er grunnen til at det vi har utviklet er en bredere tilnærming," sier Garthaus."Hvordan vi integrerer funksjoner og deler avhenger av den enkelte applikasjonen, men jo mer vi kan gjøre dette, jo mer vekt og kostnader kan vi spare."
Dessuten gir den kortfiberforsterkede ketonen som brukes i overstøpte funksjonelle elementer som gir utmerkede sliteoverflater.Victrex har bevist dette og markedsfører faktisk dette for sine PEEK- og PAEK-materialer.
Barfuss påpeker at den integrerte girakselen, som ble anerkjent med en 2019 JEC World Innovation Award i kategorien romfart, er en "demonstrasjon av vår tilnærming, ikke bare en prosess fokusert på en enkelt applikasjon.Vi ønsket å utforske hvor mye vi kunne strømlinjeforme produksjonen og utnytte egenskapene til TPC-er for å produsere funksjonaliserte, integrerte strukturer."Selskapet optimaliserer for tiden strekk-kompresjonsstenger, brukt i applikasjoner som stivere.
Fig. 3 Strekk-kompresjonsstag Injeksjonsformingen utvides til stag, hvor herone overstøper et metalllastoverføringselement inn i delstrukturen ved hjelp av aksial formlåsing for å øke sammenføyningsstyrken.
Det funksjonelle elementet for strekk-kompresjonsstiverne er en metallisk grensesnittdel som overfører belastninger til og fra metallgaffelen til komposittrøret (se illustrasjonen nedenfor).Injeksjonsforming brukes til å integrere det metalliske lastinnføringselementet i komposittstaglegemet.
"Den største fordelen vi gir er å redusere antall deler," bemerker han."Dette forenkler tretthet, noe som er en stor utfordring for applikasjoner med støtte på fly.Formlåsing brukes allerede i herdede kompositter med plast- eller metallinnsats, men det er ingen sammenhengende binding, slik at du kan få en liten bevegelse mellom delene.Vår tilnærming gir imidlertid en enhetlig struktur uten slik bevegelse.»
Garthaus siterer skadetoleranse som en annen utfordring for disse delene."Du må påvirke stiverne og deretter gjøre utmattelsestesting," forklarer han."Fordi vi bruker termoplastiske matrisematerialer med høy ytelse, kan vi oppnå så mye som 40 % høyere skadetoleranse sammenlignet med herdeplast, og også eventuelle mikrosprekker fra støt vokser mindre med tretthetsbelastning."
Selv om demonstrasjonsstag viser en metallinnsats, utvikler herone for tiden en hel-termoplastisk løsning som muliggjør sammenhengende binding mellom komposittstagkroppen og lastinnføringselementet."Når vi kan, foretrekker vi å være sammensatte og justere egenskapene ved å endre typen fiberarmering, inkludert karbon, glass, kontinuerlig og kort fiber," sier Garthaus."På denne måten minimerer vi kompleksitet og grensesnittproblemer.For eksempel har vi mye mindre problemer sammenlignet med å kombinere herdeplast og termoplast.»I tillegg har bindingen mellom PAEK og PEEK blitt testet av Tri-Mack med resultater som viser at den har 85 % av styrken til et basis enveis CF/PAEK-laminat og er dobbelt så sterk som limbindinger ved bruk av industristandard epoksyfilmlim.
Barfuss sier herone nå har ni ansatte og går over fra leverandør av teknologiutvikling til leverandør av flydeler.Det neste store skrittet er utviklingen av en ny fabrikk i Dresden."Innen utgangen av 2020 vil vi ha et pilotanlegg som produserer deler i første serie," sier han."Vi jobber allerede med luftfarts-OEM-er og viktige Tier 1-leverandører, og demonstrerer design for mange forskjellige typer applikasjoner."
Selskapet jobber også med eVTOL-leverandører og en rekke samarbeidspartnere i USA Etter hvert som herone modner luftfartsapplikasjoner, får det også produksjonserfaring med sportsutstyrsapplikasjoner, inkludert flaggermus og sykkelkomponenter."Vår teknologi kan produsere et bredt spekter av komplekse deler med ytelse, syklustid og kostnadsfordeler," sier Garthaus.«Vår syklustid med PEEK er 20 minutter, mot 240 minutter med autoklavherdet prepreg.Vi ser et bredt felt av muligheter, men foreløpig fokuserer vi på å få våre første applikasjoner i produksjon og demonstrere verdien av slike deler for markedet.»
Herone vil også presentere på Carbon Fiber 2019. Lær mer om arrangementet på carbonfiberevent.com.
Fokusert på å optimalisere tradisjonelle håndopplegg, har produsenter av nacelle- og skyvevendere kastet et øye med fremtidig bruk av automatisering og lukket støping.
Flyvåpensystem får den høye ytelsen til karbon/epoksy med effektiviteten til kompresjonsstøping.
Metoder for å beregne påvirkningen kompositter har på miljøet muliggjør datadrevne sammenligninger med tradisjonelle materialer på like vilkår.
Innleggstid: 19. august 2019