Łącząc plecioną taśmę, formowanie obtryskowe i blokowanie kształtu, herone produkuje jednoczęściowy wał napędowy o wysokim momencie obrotowym jako demonstrator szerokiego zakresu zastosowań.
Zunifikowany kompozytowy wał napędowy.Herone wykorzystuje plecione taśmy z prepregów z termoplastycznego kompozytu jako preformy do procesu konsolidacji laminatu wału napędowego i formowania elementów funkcjonalnych, takich jak koła zębate, tworząc jednolite struktury, które zmniejszają wagę, liczbę części, czas montażu i koszty.Źródło wszystkich zdjęć |bohaterka
Obecne prognozy przewidują podwojenie floty samolotów komercyjnych w ciągu najbliższych 20 lat.Aby to uwzględnić, tempo produkcji w 2019 r. szerokokadłubowych odrzutowców intensywnie wykorzystujących kompozyty będzie wahać się od 10 do 14 miesięcznie na producenta OEM, podczas gdy wąskokadłubowe samoloty wąskokadłubowe wzrosły już do 60 miesięcznie na producenta OEM.Airbus współpracuje w szczególności z dostawcami, aby zamienić tradycyjne, ale czasochłonne, ręcznie układane części prepregowane w A320 na części wytwarzane w szybszych procesach trwających 20 minut, takich jak wysokociśnieniowe formowanie przetłoczne żywicy (HP-RTM), pomagając w ten sposób części dostawcy spotykają się z dalszym dążeniem do 100 samolotów miesięcznie.Tymczasem powstający rynek miejskiej mobilności powietrznej i transportu przewiduje zapotrzebowanie na 3000 elektrycznych samolotów pionowego startu i lądowania (EVTOL) rocznie (250 miesięcznie).
„Branża wymaga zautomatyzowanych technologii produkcji o skróconych czasach cykli, które pozwalają również na integrację funkcji oferowanych przez kompozyty termoplastyczne” – mówi Daniel Barfuss, współzałożyciel i partner zarządzający herone (Drezno, Niemcy), firmy zajmującej się technologią kompozytów i produkcją części firma, która wykorzystuje wysokiej jakości termoplastyczne materiały matrycowe, od polifenylenosiarczku (PPS) po polieteroeteroketon (PEEK), polieteroketonoketon (PEKK) i poliaryloeteroketon (PAEK).„Naszym głównym celem jest połączenie wysokiej wydajności kompozytów termoplastycznych (TPC) z niższymi kosztami, aby umożliwić tworzenie dostosowanych części do szerszej gamy zastosowań w produkcji seryjnej i nowych zastosowań” – dodaje dr Christian Garthaus, drugi współzałożyciel i zarządzający firmy herone partner.
Aby to osiągnąć, firma opracowała nowe podejście, zaczynając od całkowicie impregnowanych taśm z włókien ciągłych, splatając te taśmy w celu utworzenia pustej preformy „organoTube” i łącząc organoTube w profile o zmiennych przekrojach i kształtach.Na kolejnym etapie procesu wykorzystuje spawalność i termoformowalność TPC w celu zintegrowania elementów funkcjonalnych, takich jak kompozytowe koła zębate z wałami napędowymi, końcówki z rurami lub elementy przenoszące obciążenie w rozpórkach rozciągających i ściskających.Barfuss dodaje, że istnieje możliwość zastosowania hybrydowego procesu formowania — opracowanego przez dostawcę matrycy ketonowej Victrex (Clevelleys, Lancashire, Wielka Brytania) i dostawcę części Tri-Mack (Bristol, RI, USA) — który wykorzystuje do profili taśmę PAEK o niższej temperaturze topnienia i PEEK do obtrysku, umożliwiając stopienie pojedynczego materiału na łączeniu (patrz „Obtrysk rozszerza gamę PEEK w kompozytach”).„Nasza adaptacja umożliwia również geometryczne blokowanie kształtu” – dodaje – „co pozwala uzyskać zintegrowane konstrukcje wytrzymujące nawet większe obciążenia”.
Proces Herone rozpoczyna się od całkowicie impregnowanych taśm termoplastycznych wzmocnionych włóknem węglowym, które są splatane w organoTubes i konsolidowane.„Zaczęliśmy pracować z organoTubami 10 lat temu, opracowując kompozytowe rury hydrauliczne dla lotnictwa” – mówi Garthaus.Wyjaśnia, że ponieważ żadne dwie rury hydrauliczne samolotu nie mają tej samej geometrii, dla każdej z nich potrzebna byłaby forma wykorzystująca istniejącą technologię.„Potrzebowaliśmy rury, którą można poddać obróbce końcowej w celu uzyskania indywidualnej geometrii rury.Pomysł polegał na wykonaniu ciągłych profili kompozytowych, a następnie wygięciu ich na maszynie CNC do pożądanej geometrii.
Ryc. 2 Plecione taśmy prepregowe zapewniają preformy w kształcie siatki zwane organoTubes do procesu formowania wtryskowego Herone i umożliwiają produkcję różnych kształtów.
Brzmi to podobnie do tego, co robi Sigma Precision Components (Hinckley, Wielka Brytania) (patrz „Renowacja silników lotniczych za pomocą rur kompozytowych”) w zakresie dressingu silnika z włókna węglowego/PEEK.„Przyglądają się podobnym częściom, ale stosują inną metodę konsolidacji” – wyjaśnia Garthaus.„Dzięki naszemu podejściu widzimy potencjał zwiększenia wydajności, na przykład porowatość poniżej 2% w konstrukcjach lotniczych i kosmicznych”.
Doktorat Garthausapraca dyplomowa w ILK dotyczyła zastosowania ciągłej pultruzji z kompozytu termoplastycznego (TPC) do produkcji rurek plecionych, co zaowocowało opatentowaniem ciągłego procesu produkcji rur i profili TPC.Jednak na razie herone zdecydowała się współpracować z dostawcami i klientami z branży lotniczej, stosując nieciągły proces formowania.„Daje nam to swobodę tworzenia najróżniejszych kształtów, w tym profili zakrzywionych i o różnym przekroju, a także stosowania lokalnych łat i spadków warstw” – wyjaśnia.„Pracujemy nad automatyzacją procesu integracji lokalnych poprawek, a następnie współkonsolidowania ich z profilem złożonym.W zasadzie wszystko, co można zrobić z płaskich laminatów i powłok, możemy zrobić dla rur i profili.
Wykonanie pustych profili TPC było właściwie jednym z najtrudniejszych wyzwań, mówi Garthaus.„W przypadku silikonowego pęcherza nie można stosować tłoczenia ani rozdmuchiwania;dlatego musieliśmy opracować nowy proces”.Jednak proces ten umożliwia uzyskanie bardzo wydajnych i dostosowanych do indywidualnych potrzeb części opartych na rurach i wałach, zauważa.Umożliwiło to również zastosowanie formowania hybrydowego opracowanego przez firmę Victrex, w którym PAEK o niższej temperaturze topnienia jest natryskiwany za pomocą PEEK, konsolidując arkusz organiczny i formowanie wtryskowe w jednym etapie.
Innym godnym uwagi aspektem stosowania preform z plecionej taśmy organoTube jest to, że wytwarzają one bardzo mało odpadów.„W przypadku oplotu mamy mniej niż 2% odpadów, a ponieważ jest to taśma TPC, tę niewielką ilość odpadów możemy wykorzystać z powrotem w procesie obtrysku, aby uzyskać stopień wykorzystania materiału aż do 100%” – podkreśla Garthaus.
Barfuss i Garthaus rozpoczęli prace rozwojowe jako badacze w Instytucie Inżynierii Lekkiej i Technologii Polimerów (ILK) na Uniwersytecie Technicznym w Dreźnie.„To jeden z największych europejskich instytutów zajmujących się kompozytami i lekkimi konstrukcjami hybrydowymi” – zauważa Barfuss.On i Garthaus pracowali tam przez prawie 10 lat nad wieloma rozwiązaniami, w tym ciągłym pultruzją TPC i różnymi rodzajami łączenia.Prace te ostatecznie przekształciły się w technologię procesową herone TPC.
„Następnie złożyliśmy wniosek do niemieckiego programu EXIST, którego celem jest transfer takiej technologii do przemysłu i co roku finansujemy 40–60 projektów z różnych dziedzin badawczych” – mówi Barfuss.„Otrzymaliśmy finansowanie na wyposażenie kapitałowe, czterech pracowników i inwestycję na kolejny etap zwiększania skali”.Założyli herone w maju 2018 roku po wystawie w JEC World.
Do targów JEC World 2019 firma herone wyprodukowała szereg części demonstracyjnych, w tym lekki zintegrowany wał napędowy o wysokim momencie obrotowym lub wał zębaty.„Używamy organoTube z taśmy z włókna węglowego/PAEK splecionego pod kątem wymaganym przez część i łączymy ją w rurkę” – wyjaśnia Barfuss.„Następnie podgrzewamy rurkę do temperatury 200°C i obtryskujemy ją przekładnią wykonaną poprzez wtryskiwanie krótkiego PEEK wzmocnionego włóknem węglowym w temperaturze 380°C”.Obtrysk modelowano przy użyciu narzędzia Moldflow Insight firmy Autodesk (San Rafael, Kalifornia, USA).Czas napełniania formy zoptymalizowano do 40,5 sekundy i uzyskano przy użyciu wtryskarki Arburg (Lossburg, Niemcy) ALLROUNDER.
To overmolding nie tylko zmniejsza koszty montażu, etapy produkcji i logistykę, ale także zwiększa wydajność.Różnica 40°C pomiędzy temperaturą stopu wału PAEK i temperaturą formowanej przekładni PEEK umożliwia spójne wiązanie stopu pomiędzy nimi na poziomie molekularnym.Drugi typ mechanizmu łączenia, blokowanie kształtu, osiąga się poprzez wykorzystanie ciśnienia wtrysku do jednoczesnego kształtowania termicznego wału podczas obtrysku w celu utworzenia konturu blokującego kształt.Można to zobaczyć na rys. 1 poniżej jako „formowanie wtryskowe”.Tworzy pofałdowany lub sinusoidalny obwód w miejscu połączenia koła zębatego z gładkim okrągłym przekrojem, co skutkuje geometryczną formą blokującą.To dodatkowo zwiększa wytrzymałość zintegrowanego wału przekładni, co wykazano w testach (patrz wykres w prawym dolnym rogu).1. Opracowany we współpracy z firmami Victrex i ILK, herone wykorzystuje ciśnienie wtrysku podczas obtrysku, aby utworzyć kontur blokujący kształt w zintegrowanym wale przekładni (na górze). Ten proces formowania wtryskowego umożliwia zintegrowanemu wałkowi przekładni z blokowaniem kształtu (zielona krzywa na wykresie) utrzymać wyższy moment obrotowy w porównaniu z nadformowanym półosią napędową bez blokady kształtu (czarna krzywa na wykresie).
„Wiele osób uzyskuje spójne wiązanie stopu podczas obtrysku” – mówi Garthaus, „a inni stosują blokowanie kształtu w kompozytach, ale kluczem jest połączenie obu w jeden, zautomatyzowany proces”.Wyjaśnia, że dla wyników badań przedstawionych na rys. 1 zarówno wał, jak i pełny obwód koła zębatego zostały zaciśnięte oddzielnie, a następnie obrócone w celu wywołania obciążenia ścinającego.Pierwsza usterka na wykresie jest oznaczona kółkiem, co wskazuje, że dotyczy ona przeformowanej przekładni PEEK bez blokady kształtu.Druga awaria jest oznaczona zaciśniętym okręgiem przypominającym gwiazdę, co wskazuje na testowanie przeformowanej przekładni z blokadą kształtu.„W tym przypadku mamy do czynienia zarówno ze spójnym, jak i zamkniętym w formie połączeniem” – mówi Garthaus – „oraz można uzyskać prawie 44% wzrost obciążenia momentem obrotowym”.Obecnie wyzwaniem, mówi, jest doprowadzenie do tego, aby blokowanie kształtowe przejęło obciążenie na wcześniejszym etapie, aby jeszcze bardziej zwiększyć moment obrotowy, jaki wytrzyma wał przekładni przed awarią.
Ważną kwestią związaną z blokowaniem kształtu konturu, jaką osiąga firma Herone dzięki formowaniu wtryskowemu, jest to, że jest ona całkowicie dostosowana do indywidualnej części i obciążenia, jakie ta część musi wytrzymać.Na przykład w wale zębatym blokowanie kształtowe jest obwodowe, ale w rozpórkach naciągowo-dociskowych znajdujących się poniżej jest osiowe.„Dlatego opracowaliśmy szersze podejście” – mówi Garthaus.„Sposób integrowania funkcji i części zależy od indywidualnego zastosowania, ale im więcej możemy to zrobić, tym więcej możemy zaoszczędzić na wadze i kosztach”.
Ponadto keton wzmocniony krótkimi włóknami stosowany w formowanych elementach funkcjonalnych, takich jak koła zębate, zapewnia doskonałe powierzchnie ścieralne.Firma Victrex udowodniła to i faktycznie promuje ten fakt w odniesieniu do swoich materiałów PEEK i PAEK.
Barfuss zwraca uwagę, że zintegrowany wał przekładniowy, który został nagrodzony nagrodą JEC World Innovation Award 2019 w kategorii lotniczej, stanowi „demonstrację naszego podejścia, a nie tylko procesu skupionego na jednym zastosowaniu.Chcieliśmy zbadać, w jakim stopniu możemy usprawnić produkcję i wykorzystać właściwości TPC do produkcji funkcjonalizowanych, zintegrowanych struktur”.Firma pracuje obecnie nad optymalizacją prętów rozciąganych i ściskanych, stosowanych w takich zastosowaniach jak rozpórki.
Rys. 3 Rozpórki rozciągane i ściskające Formowanie wtryskowe obejmuje również rozpórki, gdzie Herone wtłacza metalowy element przenoszący obciążenie w konstrukcję części za pomocą osiowego blokowania kształtowego w celu zwiększenia wytrzymałości połączenia.
Elementem funkcjonalnym rozpórek napinająco-dociskowych jest metalowa część łącząca, która przenosi obciążenia z i do metalowego widelca na rurę kompozytową (patrz ilustracja poniżej).Formowanie wtryskowe służy do zintegrowania metalowego elementu wprowadzającego obciążenie z kompozytowym korpusem rozpórki.
„Główną korzyścią, jaką zapewniamy, jest zmniejszenie liczby części” – zauważa.„Ułatwia to zmęczenie, co jest dużym wyzwaniem w zastosowaniach z kolumnami lotniczymi.Łączenie kształtowe jest już stosowane w kompozytach termoutwardzalnych z wkładką z tworzywa sztucznego lub metalu, ale nie ma tam spoistego połączenia, więc można uzyskać niewielki ruch pomiędzy częściami.Jednak nasze podejście zapewnia jednolitą strukturę bez takiego ruchu.
Garthaus jako kolejne wyzwanie dla tych części wymienia tolerancję na uszkodzenia.„Trzeba uderzyć w rozpórki, a następnie przeprowadzić testy zmęczeniowe” – wyjaśnia.„Ponieważ używamy wysokowydajnych termoplastycznych materiałów matrycowych, możemy osiągnąć aż o 40% wyższą tolerancję na uszkodzenia w porównaniu z tworzywami termoutwardzalnymi, a także wszelkie mikropęknięcia powstałe na skutek uderzenia zmniejszają się wraz z obciążeniem zmęczeniowym”.
Chociaż rozpórki demonstracyjne mają wkładkę metalową, firma Herone opracowuje obecnie rozwiązanie całkowicie termoplastyczne, umożliwiające spójne połączenie pomiędzy kompozytowym korpusem rozpórki a elementem wprowadzającym obciążenie.„Jeśli to możliwe, wolimy pozostać w całości kompozytowymi i dostosowywać właściwości, zmieniając rodzaj wzmocnionych włókien, w tym węglowych, szklanych, ciągłych i krótkich” – mówi Garthaus.„W ten sposób minimalizujemy złożoność i problemy z interfejsem.Na przykład mamy znacznie mniej problemów w porównaniu z łączeniem tworzyw termoutwardzalnych i termoplastycznych”.Ponadto wiązanie pomiędzy PAEK i PEEK zostało przetestowane przez firmę Tri-Mack, a wyniki wykazały, że ma ono 85% wytrzymałości bazowego jednokierunkowego laminatu CF/PAEK i jest dwukrotnie mocniejsze niż połączenia klejowe przy użyciu standardowego kleju epoksydowego.
Barfuss twierdzi, że Herone zatrudnia obecnie dziewięciu pracowników i przechodzi z dostawcy zajmującego się rozwojem technologii na dostawcę części lotniczych.Kolejnym dużym krokiem jest budowa nowej fabryki w Dreźnie.„Do końca 2020 roku będziemy mieli pilotażowy zakład produkujący części pierwszej serii” – mówi.„Współpracujemy już z producentami OEM z branży lotniczej i kluczowymi dostawcami Tier 1, demonstrując projekty do wielu różnych typów zastosowań”.
Firma współpracuje również z dostawcami eVTOL i różnymi współpracownikami w USA. W miarę udoskonalania zastosowań lotniczych, Herone zdobywa także doświadczenie w produkcji artykułów sportowych, w tym nietoperzy i komponentów rowerowych.„Nasza technologia umożliwia produkcję szerokiej gamy złożonych części, co zapewnia lepszą wydajność, krótszy czas cyklu i koszty” – mówi Garthaus.„Nasz czas cyklu przy użyciu PEEK wynosi 20 minut w porównaniu do 240 minut przy użyciu prepregu utwardzanego w autoklawie.Widzimy szerokie pole możliwości, ale na razie skupiamy się na wprowadzeniu do produkcji naszych pierwszych zastosowań i zademonstrowaniu wartości takich części na rynku”.
Herone będzie również obecna na Carbon Fibre 2019. Dowiedz się więcej o wydarzeniu na carbonfiberevent.com.
Koncentrując się na optymalizacji tradycyjnego układu ręcznego, producenci gondoli i odwracaczy ciągu przyjrzeli się przyszłemu wykorzystaniu automatyzacji i formowania zamkniętego.
System broni lotniczej zyskuje wysoką wydajność węgla/epoksydu przy wydajności formowania tłocznego.
Metody obliczania wpływu kompozytów na środowisko umożliwiają oparte na danych porównania z tradycyjnymi materiałami na równych warunkach.
Czas publikacji: 19 sierpnia 2019 r