Combinând banda împletită, supramularea și blocarea formei, herone produce arbore de transmisie dintr-o singură piesă, cu un cuplu ridicat, ca demonstrator pentru o gamă largă de aplicații.
Arborele de transmisie din compozit unificat.Herone folosește benzi preimpregnate din compozit termoplastic împletite ca preforme pentru un proces care consolidează laminatul arborelui de transmisie și supramulează elemente funcționale, cum ar fi roți dințate, producând structuri unitare care reduc greutatea, numărul de piese, timpul și costul de asamblare.Sursa pentru toate imaginile |stârcă
Previziunile actuale cer o dublare a flotei de avioane comerciale în următorii 20 de ani.Pentru a face față acestui lucru, ratele de producție în 2019 pentru avioanele cu caroserie largă cu compozite variază de la 10 la 14 pe lună per OEM, în timp ce caroserii înguste au crescut deja la 60 pe lună per OEM.Airbus lucrează în mod special cu furnizorii pentru a trece piesele preimpregnate tradiționale, dar care necesită mult timp, pe A320, la piese realizate prin procese mai rapide, cu un ciclu de 20 de minute, cum ar fi turnarea prin transfer de rășină de înaltă presiune (HP-RTM), ajutând astfel parte. furnizorii întâmpină un nou impuls către 100 de aeronave pe lună.Între timp, piața emergentă a transportului și mobilității aeriene urbane prognozează o nevoie de 3.000 de avioane electrice cu decolare și aterizare verticală (EVTOL) pe an (250 pe lună).
„Industria necesită tehnologii de producție automatizate cu timpi de ciclu scurtați, care să permită și integrarea funcțiilor, care sunt oferite de compozitele termoplastice”, spune Daniel Barfuss, co-fondator și partener director al Herone (Dresda, Germania), o tehnologie de compozite și producție de piese. firmă care utilizează materiale cu matrice termoplastică de înaltă performanță, de la polifenilensulfură (PPS) la polieteretercetonă (PEEK), polietercetoncetonă (PEKK) și poliariletercetonă (PAEK).„Obiectivul nostru principal este de a combina performanța înaltă a compozitelor termoplastice (TPC) cu costuri mai mici, pentru a permite piese personalizate pentru o varietate mai largă de aplicații de fabricație în serie și aplicații noi”, adaugă dr. Christian Garthaus, al doilea co-fondator și director al Herone. partener.
Pentru a realiza acest lucru, compania a dezvoltat o nouă abordare, pornind de la benzi de fibre continue complet impregnate, împletind aceste benzi pentru a forma un „organoTube” gol din preformă și consolidând organoTube-urile în profile cu secțiuni transversale și forme variabile.Într-o etapă ulterioară a procesului, folosește sudabilitatea și termoformabilitatea TPC-urilor pentru a integra elemente funcționale, cum ar fi roți dințate compozite pe arbori de transmisie, fitinguri pe țevi sau elemente de transfer de sarcină în barele de tracțiune-compresie.Barfuss adaugă că există opțiunea de a utiliza un proces de turnare hibrid - dezvoltat de furnizorul de matrice cetonică Victrex (Cleveleys, Lancashire, Marea Britanie) și furnizorul de piese Tri-Mack (Bristol, RI, SUA) - care utilizează bandă PAEK cu temperatură mai scăzută de topire pentru profile. și PEEK pentru supraturlare, permițând un singur material topit peste îmbinare (vezi „Overmolding extinde gama PEEK în compozite”).„Adaptarea noastră permite, de asemenea, blocarea formei geometrice”, adaugă el, „care produce structuri integrate care pot rezista la sarcini și mai mari.”
Procesul herone începe cu benzi termoplastice armate cu fibră de carbon complet impregnate, care sunt împletite în organoTubes și consolidate.„Am început să lucrăm cu aceste organe în urmă cu 10 ani, dezvoltând țevi hidraulice compozite pentru aviație”, spune Garthaus.El explică că, deoarece nu există două țevi hidraulice de aeronave care au aceeași geometrie, ar fi nevoie de o matriță pentru fiecare, folosind tehnologia existentă.„Aveam nevoie de o țeavă care să poată fi post-procesată pentru a obține geometria țevii individuale.Deci, ideea a fost să facem profile compozite continue și apoi să le îndoiți CNC în geometriile dorite.”
Fig. 2 Benzile preimpregnate împletite furnizează preforme în formă de plasă numite organoTube pentru procesul de formare prin injecție a heronei și permit producerea de diferite forme.
Acest lucru sună similar cu ceea ce face Sigma Precision Components (Hinckley, Marea Britanie) (vezi „Repararea motoarelor de aeronavă cu țevi compozite”) cu îmbrăcămintea motorului din fibră de carbon/PEEK.„Se uită la piese similare, dar folosesc o metodă de consolidare diferită”, explică Garthaus.„Prin abordarea noastră, vedem un potențial de performanță crescută, cum ar fi o porozitate mai mică de 2% pentru structurile aerospațiale.”
Dr. Garthaus.Lucrarea de teză la ILK a explorat utilizarea pultruziei compozite termoplastice continue (TPC) pentru a produce tuburi împletite, ceea ce a dus la un proces de fabricație continuă brevetat pentru tuburi și profile TPC.Cu toate acestea, deocamdată, herone a ales să lucreze cu furnizorii și clienții de aviație folosind un proces de turnare discontinuu.„Acest lucru ne oferă libertatea de a realiza toate formele variate, inclusiv profile curbe și cele cu secțiuni transversale diferite, precum și aplicarea de petice locale și drop-off-uri”, explică el.„Lucrăm pentru a automatiza procesul de integrare a patch-urilor locale și apoi de a le consolida împreună cu profilul compozit.Practic, tot ce poți face cu laminate plate și carcase, noi putem face pentru tuburi și profile.”
Realizarea acestor profile goale TPC a fost de fapt una dintre cele mai grele provocări, spune Garthaus.„Nu puteți folosi ștampilarea sau modelarea prin suflare cu o vezică de silicon;deci, a trebuit să dezvoltăm un nou proces.”Dar acest proces permite piese de tuburi și arbore de performanță foarte înaltă și adaptabile, notează el.De asemenea, a permis utilizarea modelului hibrid dezvoltat de Victrex, în care PAEK cu temperatură de topire mai scăzută este supraturnat cu PEEK, consolidând organul foii și turnarea prin injecție într-o singură etapă.
Un alt aspect notabil al utilizării preformelor de bandă împletită organoTube este că produc foarte puține deșeuri.„Cu împletitură, avem mai puțin de 2% deșeuri și, deoarece este bandă TPC, putem folosi această cantitate mică de deșeuri înapoi în supramulare pentru a obține o rată de utilizare a materialului de până la 100%”, subliniază Garthaus.
Barfuss și Garthaus și-au început activitatea de dezvoltare ca cercetători la Institutul de Inginerie Ușoară și Tehnologie a Polimerilor (ILK) de la TU Dresda.„Acesta este unul dintre cele mai mari institute europene pentru compozite și modele hibride ușoare”, notează Barfuss.El și Garthaus au lucrat acolo timp de aproape 10 ani la o serie de dezvoltări, inclusiv pultruziunea TPC continuă și diferite tipuri de îmbinare.Lucrul acesta a fost în cele din urmă distilat în ceea ce este acum tehnologia de proces TPC eroon.
„Am aplicat apoi la programul german EXIST, care are ca scop transferul unei astfel de tehnologii către industrie și finanțează 40-60 de proiecte în fiecare an într-o gamă largă de domenii de cercetare”, spune Barfuss.„Am primit finanțare pentru echipamente de capital, patru angajați și investiții pentru următorul pas de extindere.”Au format herone în mai 2018, după ce au expus la JEC World.
Până la JEC World 2019, herone a produs o gamă de piese demonstrative, inclusiv un arbore de transmisie integrat, ușor, cu cuplu ridicat, sau un arbore de viteză.„Folosim o bandă organoTube din fibră de carbon/PAEK împletită la unghiurile cerute de piesă și o consolidăm într-un tub”, explică Barfuss.„Apoi preîncălzim tubul la 200°C și îl supramulăm cu un angrenaj realizat prin injectarea de PEEK scurt armat cu fibră de carbon la 380°C.”Supramularea a fost modelată folosind Moldflow Insight de la Autodesk (San Rafael, California, SUA).Timpul de umplere a matriței a fost optimizat la 40,5 secunde și a fost realizat folosind o mașină de turnat prin injecție ALLROUNDER Arburg (Lossburg, Germania).
Această supramulare nu numai că reduce costurile de asamblare, etapele de fabricație și logistica, dar mărește și performanța.Diferența de 40°C între temperatura de topire a arborelui PAEK și cea a angrenajului PEEK supraturnat permite o legătură coerentă între cele două la nivel molecular.Un al doilea tip de mecanism de îmbinare, blocarea formei, este realizat prin utilizarea presiunii de injecție pentru a termoforma simultan arborele în timpul supraturării pentru a crea un contur de blocare a formei.Acest lucru poate fi văzut în Fig. 1 de mai jos ca „formare prin injecție”.Acesta creează o circumferință ondulată sau sinusoidală în care angrenajul este îmbinat față de o secțiune transversală circulară netedă, ceea ce are ca rezultat o formă de blocare geometrică.Acest lucru îmbunătățește și mai mult rezistența arborelui de viteză integrat, așa cum sa demonstrat în testare (vezi graficul din dreapta jos).Fig.1. Dezvoltat în colaborare cu Victrex și ILK, herone folosește presiunea de injecție în timpul supraturării pentru a crea un contur de blocare a formei în arborele de viteză integrat (sus). Acest proces de formare prin injecție permite arborelui de viteză integrat cu blocare a formei (curba verde pe grafic) să susține un cuplu mai mare față de un arbore de transmisie supraturnat fără blocare a formei (curba neagră pe grafic).
„Mulți oameni obțin o lipire coerentă prin topire în timpul supramulării”, spune Garthaus, „și alții folosesc blocarea formei în compozite, dar cheia este să le combinăm pe ambele într-un singur proces automatizat.”El explică că, pentru rezultatele testelor din Fig. 1, atât arborele, cât și circumferința completă a angrenajului au fost prinse separat, apoi au fost rotite pentru a induce încărcarea de forfecare.Prima defecțiune de pe grafic este marcată de un cerc pentru a indica că este pentru un angrenaj PEEK supramulat fără blocare a formei.A doua defecțiune este marcată de un cerc ondulat asemănător cu o stea, indicând testarea unui angrenaj supramulat cu blocare a formei.„În acest caz, aveți atât o îmbinare coerentă, cât și blocată în formă”, spune Garthaus, „și obțineți o creștere de aproape 44% a sarcinii cuplului.”Provocarea acum, spune el, este de a face blocarea formei să preia sarcina într-un stadiu mai devreme pentru a crește și mai mult cuplul pe care îl va gestiona acest arbore de viteză înainte de defecțiune.
Un punct important despre blocarea formei conturului pe care herone îl realizează prin formarea prin injecție este că este complet adaptat piesei individuale și încărcării acelei piese pe care trebuie să o reziste.De exemplu, în arborele de viteză, blocarea formei este circumferențială, dar în barele de tracțiune-compresie de mai jos, este axială.„De aceea, ceea ce am dezvoltat este o abordare mai largă”, spune Garthaus.„Modul în care integrăm funcțiile și piesele depinde de aplicația individuală, dar cu cât putem face acest lucru mai mult, cu atât mai multă greutate și costuri putem economisi.”
De asemenea, cetona armată cu fibre scurte utilizată în elementele funcționale supraturlate precum angrenajele oferă suprafețe excelente de uzură.Victrex a dovedit acest lucru și, de fapt, comercializează acest fapt pentru materialele sale PEEK și PAEK.
Barfuss subliniază că arborele de viteză integrat, care a fost recunoscut cu un JEC World Innovation Award 2019 la categoria aerospațială, este o „demonstrație a abordării noastre, nu doar un proces concentrat pe o singură aplicație.Am vrut să explorăm cât de mult am putea eficientiza producția și să exploatam proprietățile TPC-urilor pentru a produce structuri funcționalizate, integrate.”Compania optimizează în prezent tijele de tensiune-compresie, utilizate în aplicații precum barele.
Fig. 3 Strut de tracțiune-compresie Formarea prin injecție este extinsă la bare, unde herone supramulează un element metalic de transfer de sarcină în structura piesei folosind blocarea axială a formei pentru a crește rezistența îmbinării.
Elementul funcțional pentru barele de tracțiune-compresie este o piesă de interfață metalică care transferă sarcinile către și de la furca metalică la tubul compozit (vezi ilustrația de mai jos).Formarea prin injecție este utilizată pentru a integra elementul metalic de introducere a sarcinii în corpul barei compozit.
„Principalul beneficiu pe care îl oferim este reducerea numărului de piese”, notează el.„Acest lucru simplifică oboseala, ceea ce reprezintă o mare provocare pentru aplicațiile cu lonjeroane aeronavelor.Blocarea formei este deja utilizată în compozitele termorigide cu o inserție din plastic sau metal, dar nu există o lipire coerentă, astfel încât puteți obține o ușoară mișcare între părți.Abordarea noastră, totuși, oferă o structură unitară fără o astfel de mișcare.”
Garthaus menționează toleranța la deteriorare ca o altă provocare pentru aceste piese.„Trebuie să loviți barele și apoi să faceți teste de oboseală”, explică el.„Deoarece folosim materiale termoplastice cu matrice de înaltă performanță, putem obține o toleranță mai mare la deteriorare cu până la 40% față de termorezistente și, de asemenea, orice microfisuri de la impact cresc mai puțin odată cu încărcarea la oboseală.”
Chiar dacă suporturile de demonstrație prezintă o inserție metalică, herone dezvoltă în prezent o soluție integral termoplastică, care să permită o legătură coerentă între corpul suportului compozit și elementul de introducere a sarcinii.„Când putem, preferăm să rămânem complet compozit și să ajustăm proprietățile modificând tipul de armătură cu fibre, inclusiv carbon, sticlă, fibre continue și scurte”, spune Garthaus.„În acest fel, minimizăm problemele de complexitate și interfață.De exemplu, avem mult mai puține probleme în comparație cu combinarea termorezistentelor și a materialelor termoplastice.”În plus, legătura dintre PAEK și PEEK a fost testată de Tri-Mack, rezultatele arătând că are 85% din rezistența unui laminat de bază CF/PAEK unidirecțional și este de două ori mai puternică decât legăturile adezive folosind adeziv film epoxidic standard.
Barfuss spune că Herone are acum nouă angajați și trece de la un furnizor de dezvoltare tehnologică la un furnizor de piese de aviație.Următorul său mare pas este dezvoltarea unei noi fabrici în Dresda.„Până la sfârșitul anului 2020 vom avea o fabrică pilot care va produce piese din prima serie”, spune el.„Colaborăm deja cu OEM-uri de aviație și furnizori cheie de nivel 1, demonstrând design-uri pentru multe tipuri diferite de aplicații.”
Compania lucrează, de asemenea, cu furnizori eVTOL și o varietate de colaboratori din SUA Pe măsură ce herone maturizează aplicațiile aviatice, câștigă, de asemenea, experiență în producție cu aplicații de articole sportive, inclusiv lilieci și componente pentru biciclete.„Tehnologia noastră poate produce o gamă largă de piese complexe cu performanță, timp ciclului și costuri”, spune Garthaus.„Timpul nostru ciclului folosind PEEK este de 20 de minute, față de 240 de minute utilizând preimpregnat întărit în autoclav.Vedem un domeniu larg de oportunități, dar deocamdată ne concentrăm pe introducerea primelor noastre aplicații în producție și pe demonstrarea valorii acestor piese pe piață.”
Herone va prezenta și la Carbon Fiber 2019. Aflați mai multe despre eveniment pe carbonfiberevent.com.
Concentrați pe optimizarea așezării mâinilor tradiționale, producătorii de nacele și inversoare de tracțiune aruncă un ochi asupra utilizării viitoare a automatizării și turnării închise.
Sistemul de arme aeronavei câștigă performanța ridicată a carbonului/epoxidicii cu eficiența turnării prin compresie.
Metodele de calcul al impactului pe care compozitele îl au asupra mediului permit comparații bazate pe date cu materialele tradiționale pe condiții echitabile.
Ora postării: 19-aug-2019