Combinando fita trançada, sobremoldagem e travamento de forma, a herone produz eixo de transmissão de engrenagem de alto torque e peça única como demonstrador para uma ampla gama de aplicações.
Eixo de transmissão composto unitizado.Herone usa fitas pré-impregnadas compostas termoplásticas trançadas como pré-formas para um processo que consolida o laminado do eixo de transmissão e sobremolda elementos funcionais, como engrenagens, produzindo estruturas unificadas que reduzem peso, número de peças, tempo de montagem e custo.Fonte de todas as imagens |heroína
As projeções atuais apontam para uma duplicação da frota de aeronaves comerciais nos próximos 20 anos.Para acomodar isso, as taxas de produção em 2019 para aviões de fuselagem larga com uso intensivo de compósitos variam de 10 a 14 por mês por OEM, enquanto os aviões de fuselagem estreita já aumentaram para 60 por mês por OEM.A Airbus está trabalhando especificamente com fornecedores para trocar peças pré-impregnadas tradicionais, porém demoradas, de disposição manual no A320, por peças feitas por meio de processos de ciclo mais rápidos de 20 minutos, como moldagem por transferência de resina de alta pressão (HP-RTM), ajudando assim a peça os fornecedores enfrentam um novo impulso para 100 aeronaves por mês.Entretanto, o mercado emergente de mobilidade aérea urbana e transporte prevê a necessidade de 3.000 aeronaves eléctricas de descolagem e aterragem vertical (EVTOL) por ano (250 por mês).
“A indústria exige tecnologias de produção automatizadas com tempos de ciclo reduzidos que também permitam a integração de funções, que são oferecidas pelos compósitos termoplásticos”, afirma Daniel Barfuss, cofundador e sócio-gerente da herone (Dresden, Alemanha), uma empresa de tecnologia de compósitos e fabricação de peças. empresa que utiliza materiais de matriz termoplástica de alto desempenho, desde polifenilenossulfeto (PPS) até polieteretercetona (PEEK), polietercetonacetona (PEKK) e poliariletercetona (PAEK).“Nosso principal objetivo é combinar o alto desempenho dos compósitos termoplásticos (TPCs) com menor custo, para permitir peças sob medida para uma ampla variedade de aplicações de fabricação em série e novas aplicações”, acrescenta o Dr. Christian Garthaus, segundo cofundador e gerente da herone. parceiro.
Para conseguir isso, a empresa desenvolveu uma nova abordagem, começando com fitas de fibra contínua totalmente impregnadas, trançando essas fitas para formar um “organoTube” oco de pré-forma e consolidando os organoTubes em perfis com seções transversais e formas variáveis.Em uma etapa subsequente do processo, ele utiliza a soldabilidade e a termoformabilidade dos TPCs para integrar elementos funcionais, como engrenagens compostas em eixos de transmissão, acessórios de extremidade em tubos ou elementos de transferência de carga em amortecedores de tensão-compressão.Barfuss acrescenta que existe a opção de usar um processo de moldagem híbrido - desenvolvido pelo fornecedor de matriz cetônica Victrex (Cleveleys, Lancashire, Reino Unido) e pelo fornecedor de peças Tri-Mack (Bristol, RI, EUA) - que usa fita PAEK de temperatura de fusão mais baixa para os perfis e PEEK para sobremoldagem, permitindo um material único e fundido em toda a junção (consulte “A sobremoldagem expande a gama de PEEK em compósitos”).“Nossa adaptação também permite o travamento geométrico”, acrescenta, “que produz estruturas integradas que podem suportar cargas ainda maiores”.
O processo herone começa com fitas termoplásticas reforçadas com fibra de carbono totalmente impregnadas que são trançadas em organoTubes e consolidadas.“Começamos a trabalhar com esses organoTubes há 10 anos, desenvolvendo tubos hidráulicos compostos para aviação”, diz Garthaus.Ele explica que, como não existem dois tubos hidráulicos de aeronaves com a mesma geometria, seria necessário um molde para cada um, utilizando a tecnologia existente.“Precisávamos de um tubo que pudesse ser pós-processado para atingir a geometria individual do tubo.Então, a ideia era fazer perfis compostos contínuos e depois dobrá-los em CNC nas geometrias desejadas.”
Fig. 2 As fitas pré-impregnadas trançadas fornecem pré-formas em formato de rede chamadas organoTubes para o processo de formação por injeção de herone e permitem a produção de vários formatos.
Isso parece semelhante ao que a Sigma Precision Components (Hinckley, Reino Unido) está fazendo (consulte “Revestindo motores aeronáuticos com tubos compostos”) com seu revestimento de motor de fibra de carbono/PEEK.“Eles estão analisando peças semelhantes, mas usam um método de consolidação diferente”, explica Garthaus.“Com nossa abordagem, vemos potencial para aumento de desempenho, como menos de 2% de porosidade para estruturas aeroespaciais.”
Ph.D. de Garthaus.trabalho de tese no ILK explorou o uso de pultrusão contínua de compósito termoplástico (TPC) para produzir tubos trançados, o que resultou em um processo de fabricação contínua patenteado para tubos e perfis TPC.No entanto, por enquanto, a herone optou por trabalhar com fornecedores e clientes de aviação utilizando um processo de moldagem descontínuo.“Isso nos dá a liberdade de fazer todos os formatos, incluindo perfis curvos e aqueles com seções transversais variadas, bem como aplicar remendos locais e quedas de camadas”, explica ele.“Estamos trabalhando para automatizar o processo de integração de patches locais e depois co-consolidá-los com o perfil composto.Basicamente, tudo o que você pode fazer com laminados planos e cascas, nós podemos fazer com tubos e perfis.”
Fazer esses perfis ocos de TPC foi, na verdade, um dos desafios mais difíceis, diz Garthaus.“Você não pode usar moldagem por carimbo ou moldagem por sopro com uma bexiga de silicone;então, tivemos que desenvolver um novo processo.”Mas esse processo permite peças baseadas em tubos e eixos de alto desempenho e personalizáveis, observa ele.Também possibilitou o uso da moldagem híbrida desenvolvida pela Victrex, onde o PAEK com temperatura de fusão mais baixa é sobremoldado com PEEK, consolidando a organosheet e a moldagem por injeção em uma única etapa.
Outro aspecto notável do uso de pré-formas de fita trançada organoTube é que elas produzem muito pouco desperdício.“Com o trançado temos menos de 2% de desperdício e, por se tratar de fita TPC, podemos aproveitar essa pequena quantidade de desperdício na sobremoldagem para obter uma taxa de aproveitamento do material de até 100%”, enfatiza Garthaus.
Barfuss e Garthaus começaram seu trabalho de desenvolvimento como pesquisadores no Instituto de Engenharia Leve e Tecnologia de Polímeros (ILK) da TU Dresden.“Este é um dos maiores institutos europeus para compósitos e designs híbridos leves”, observa Barfuss.Ele e Garthaus trabalharam lá por quase 10 anos em diversos desenvolvimentos, incluindo pultrusão contínua de TPC e diferentes tipos de união.Esse trabalho acabou sendo destilado no que hoje é a principal tecnologia de processo TPC.
“Nós então nos inscrevemos no programa alemão EXIST, que visa transferir essa tecnologia para a indústria e financia de 40 a 60 projetos por ano em uma ampla gama de campos de pesquisa”, diz Barfuss.“Recebemos financiamento para equipamentos de capital, quatro funcionários e investimento para a próxima etapa de expansão.”Eles formaram o herone em maio de 2018, após expor no JEC World.
No JEC World 2019, a herone produziu uma série de peças de demonstração, incluindo um eixo de transmissão de engrenagem integrado, leve e de alto torque, ou eixo de engrenagem.“Usamos um organoTube de fibra de carbono/fita PAEK trançado nos ângulos exigidos pela peça e o consolidamos em um tubo”, explica Barfuss.“Em seguida, pré-aquecemos o tubo a 200°C e o moldamos com uma engrenagem feita pela injeção de PEEK curto reforçado com fibra de carbono a 380°C.”A sobremoldagem foi modelada usando Moldflow Insight da Autodesk (San Rafael, Califórnia, EUA).O tempo de preenchimento do molde foi otimizado para 40,5 segundos e obtido usando uma injetora ALLROUNDER da Arburg (Lossburg, Alemanha).
Esta sobremoldagem não só reduz os custos de montagem, as etapas de fabricação e a logística, mas também melhora o desempenho.A diferença de 40°C entre a temperatura de fusão do eixo PAEK e a da engrenagem PEEK sobremoldada permite uma ligação coesa por fusão entre os dois em nível molecular.Um segundo tipo de mecanismo de união, o travamento de forma, é obtido usando a pressão de injeção para termoformar simultaneamente o eixo durante a sobremoldagem para criar um contorno de travamento de forma.Isso pode ser visto na Fig. 1 abaixo como “formação de injeção”.Ele cria uma circunferência ondulada ou sinusoidal onde a engrenagem é unida versus uma seção transversal circular lisa, o que resulta em uma forma de travamento geométrico.Isto aumenta ainda mais a resistência do eixo de engrenagem integrado, conforme demonstrado nos testes (ver gráfico no canto inferior direito).Fig.1. Desenvolvido em colaboração com Victrex e ILK, herone usa pressão de injeção durante a sobremoldagem para criar um contorno de travamento de forma no eixo de engrenagem integrado (parte superior). Este processo de conformação por injeção permite que o eixo de engrenagem integrado com travamento de forma (curva verde no gráfico) seja sustentar um torque mais alto em comparação com um eixo de transmissão de engrenagem sobremoldado sem travamento de forma (curva preta no gráfico).
“Muitas pessoas estão conseguindo uma ligação por fusão coesa durante a sobremoldagem”, diz Garthaus, “e outras estão usando o bloqueio de forma em compósitos, mas a chave é combinar ambos em um processo único e automatizado”.Ele explica que para os resultados do teste na Fig. 1, tanto o eixo quanto a circunferência completa da engrenagem foram fixados separadamente e depois girados para induzir carga de cisalhamento.A primeira falha no gráfico é marcada por um círculo para indicar que se trata de uma engrenagem PEEK sobremoldada sem travamento de forma.A segunda falha é marcada por um círculo ondulado semelhante a uma estrela, indicando o teste de uma engrenagem sobremoldada com travamento de forma.“Neste caso, você tem uma união coesa e com trava de forma”, diz Garthaus, “e você ganha quase 44% de aumento na carga de torque”.O desafio agora, diz ele, é fazer com que o travamento de forma assuma a carga em um estágio anterior para aumentar ainda mais o torque que esse eixo de engrenagem suportará antes da falha.
Um ponto importante sobre o travamento da forma do contorno que o herone consegue com sua moldagem por injeção é que ele é completamente adaptado à peça individual e à carga que a peça deve suportar.Por exemplo, no eixo de engrenagem, o travamento de forma é circunferencial, mas nas escoras de tensão-compressão abaixo, é axial.“É por isso que desenvolvemos uma abordagem mais ampla”, diz Garthaus.“A forma como integramos funções e peças depende da aplicação individual, mas quanto mais pudermos fazer isso, mais peso e custos poderemos economizar.”
Além disso, a cetona reforçada com fibra curta usada em elementos funcionais sobremoldados, como engrenagens, proporciona excelentes superfícies de desgaste.A Victrex provou isso e, de fato, comercializa esse fato para seus materiais PEEK e PAEK.
Barfuss destaca que o eixo de engrenagem integrado, que foi reconhecido com o JEC World Innovation Award 2019 na categoria aeroespacial, é uma “demonstração de nossa abordagem, não apenas um processo focado em uma única aplicação.Queríamos explorar o quanto poderíamos agilizar a fabricação e explorar as propriedades dos TPCs para produzir estruturas integradas e funcionalizadas.”A empresa está atualmente otimizando hastes de tensão-compressão, utilizadas em aplicações como escoras.
Fig. 3 Suportes de tensão-compressão A formação por injeção é estendida aos suportes, onde o herone sobremolda um elemento de transferência de carga de metal na estrutura da peça usando travamento de forma axial para aumentar a resistência da união.
O elemento funcional das escoras de tensão-compressão é uma peça metálica de interface que transfere cargas de e para o garfo metálico para o tubo composto (veja a ilustração abaixo).A moldagem por injeção é usada para integrar o elemento metálico de introdução de carga no corpo da escora composta.
“O principal benefício que proporcionamos é a diminuição do número de peças”, observa.“Isso simplifica a fadiga, que é um grande desafio para aplicações em suportes de aeronaves.O bloqueio de forma já é utilizado em compósitos termofixos com inserto de plástico ou metal, mas não há ligação coesiva, portanto é possível obter um leve movimento entre as peças.Nossa abordagem, no entanto, fornece uma estrutura unificada sem tal movimento.”
Garthaus cita a tolerância a danos como outro desafio para essas peças.“É preciso impactar os suportes e depois fazer testes de fadiga”, explica ele.“Como estamos usando materiais de matriz termoplástica de alto desempenho, podemos alcançar uma tolerância a danos até 40% maior em comparação com os termofixos, e também quaisquer microfissuras causadas por impacto crescem menos com a carga de fadiga.”
Embora as escoras de demonstração apresentem uma inserção metálica, a herone está atualmente desenvolvendo uma solução totalmente termoplástica, permitindo uma ligação coesa entre o corpo da escora composta e o elemento de introdução de carga.“Quando podemos, preferimos permanecer totalmente compostos e ajustar as propriedades alterando o tipo de reforço de fibra, incluindo carbono, vidro, fibra contínua e curta”, diz Garthaus.“Dessa forma, minimizamos a complexidade e os problemas de interface.Por exemplo, temos muito menos problemas em comparação com a combinação de termofixos e termoplásticos.”Além disso, a ligação entre PAEK e PEEK foi testada pela Tri-Mack com resultados mostrando que tem 85% da resistência de um laminado CF/PAEK unidirecional de base e é duas vezes mais forte que ligações adesivas usando filme epóxi padrão da indústria.
Barfuss diz que a herone agora tem nove funcionários e está fazendo a transição de fornecedora de desenvolvimento de tecnologia para fornecedora de peças de aviação.O próximo grande passo é o desenvolvimento de uma nova fábrica em Dresden.“Até o final de 2020 teremos uma planta piloto produzindo peças de primeira série”, afirma.“Já estamos trabalhando com OEMs de aviação e principais fornecedores de nível 1, demonstrando projetos para diversos tipos de aplicações.”
A empresa também está trabalhando com fornecedores de eVTOL e uma variedade de colaboradores nos EUA. À medida que a herone amadurece em aplicações de aviação, ela também ganha experiência na fabricação de aplicações de artigos esportivos, incluindo morcegos e componentes de bicicletas.“Nossa tecnologia pode produzir uma ampla gama de peças complexas com desempenho, tempo de ciclo e benefícios de custo”, afirma Garthaus.“Nosso tempo de ciclo usando PEEK é de 20 minutos, versus 240 minutos usando pré-impregnado curado em autoclave.Vemos um amplo campo de oportunidades, mas, por enquanto, nosso foco está em colocar nossas primeiras aplicações em produção e demonstrar o valor dessas peças ao mercado.”
Herone também fará uma apresentação no Carbon Fiber 2019. Saiba mais sobre o evento em carbonfiberevent.com.
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Horário da postagem: 19 de agosto de 2019