Сочетая плетеную ленту, формование и формование, компания Herone производит цельный высокомоментный приводной вал в качестве демонстрационного образца для широкого спектра применений.
Унифицированный композитный вал-шестерня.Компания Herone использует плетеные термопластичные композитные ленты-препреги в качестве преформ для процесса, который консолидирует ламинат карданного вала и формует функциональные элементы, такие как шестерни, создавая унифицированные конструкции, которые уменьшают вес, количество деталей, время сборки и стоимость.Источник всех изображений |цапля
Текущие прогнозы предусматривают удвоение парка коммерческих самолетов в течение следующих 20 лет.Чтобы учесть это, темпы производства широкофюзеляжных лайнеров с интенсивным использованием композитов в 2019 году варьируются от 10 до 14 в месяц на одного OEM, в то время как узкофюзеляжные самолеты уже выросли до 60 в месяц на одного OEM.Airbus в частности работает с поставщиками над заменой традиционных, но трудоемких препреговых деталей ручной укладки на А320 на детали, изготовленные с помощью более быстрых, 20-минутных процессов цикла, таких как трансферное формование смолы под высоким давлением (HP-RTM), тем самым помогая детализировать детали. поставщики сталкиваются с дальнейшим стремлением выпускать 100 самолетов в месяц.Между тем, на развивающемся рынке городской воздушной мобильности и транспорта прогнозируется потребность в 3000 электрических самолетов с вертикальным взлетом и посадкой (EVTOL) в год (250 в месяц).
«Отрасль требует автоматизированных производственных технологий с сокращенным временем цикла, которые также позволяют интегрировать функции, предлагаемые термопластичными композитами», — говорит Даниэль Барфусс, соучредитель и управляющий партнер компании herone (Дрезден, Германия), компании, занимающейся технологиями композитов и производством деталей. фирма, которая использует высокоэффективные термопластичные матричные материалы от полифениленсульфида (PPS) до полиэфирэфиркетона (PEEK), полиэфиркетонкетона (PEKK) и полиарилэфиркетона (PAEK).«Наша главная цель — объединить высокие характеристики термопластичных композитов (ТПК) с более низкой стоимостью, чтобы обеспечить возможность изготовления индивидуальных деталей для более широкого спектра серийных производственных применений и новых применений», — добавляет доктор Кристиан Гартхаус, второй соучредитель и управляющий Herone. партнер.
Для достижения этой цели компания разработала новый подход, начиная с полностью пропитанных лент из непрерывного волокна, сплетая эти ленты в полую заготовку «органотрубки» и объединяя органотрубки в профили с переменным поперечным сечением и формой.На следующем этапе процесса компания использует свариваемость и термоформовку TPC для интеграции функциональных элементов, таких как композитные шестерни на карданные валы, концевые фитинги на трубы или элементы передачи нагрузки в стойки растяжения-сжатия.Барфусс добавляет, что существует возможность использовать гибридный процесс формования, разработанный поставщиком кетоновой матрицы Victrex (Кливли, Ланкашир, Великобритания) и поставщиком запчастей Tri-Mack (Бристоль, Род-Айленд, США), в котором для профилей используется лента PAEK с более низкой температурой плавления. и PEEK для формования, позволяющего использовать единый материал по всему соединению (см. «Наложение расширяет ассортимент PEEK в композитах»).«Наша адаптация также обеспечивает геометрическую фиксацию формы», — добавляет он, — «что позволяет создавать интегрированные конструкции, способные выдерживать даже более высокие нагрузки».
Процесс Герона начинается с полностью пропитанных термопластических лент, армированных углеродным волокном, которые сплетаются в органотрубки и скрепляются.«Мы начали работать с этими органотрубками 10 лет назад, разрабатывая композитные гидравлические трубы для авиации», — говорит Гартхаус.Он объясняет, что, поскольку не бывает двух авиационных гидравлических трубок с одинаковой геометрией, для каждой из них потребуется форма с использованием существующей технологии.«Нам нужна была труба, которую можно было бы подвергнуть постобработке для достижения индивидуальной геометрии трубы.Итак, идея заключалась в том, чтобы создавать непрерывные композитные профили, а затем сгибать их на станке с ЧПУ до желаемой геометрии».
Рис. 2 Плетеные ленты препрега позволяют получать преформы сетчатой формы, называемые органотрубками, для процесса литья под давлением Герона и позволяют производить различные формы.
Это похоже на то, что делает компания Sigma Precision Components (Хинкли, Великобритания) (см. «Ремонт авиационных двигателей с использованием композитных труб») с пропиткой двигателей из углеродного волокна/ПЭЭК.«Они рассматривают схожие детали, но используют другой метод консолидации», — объясняет Гартхаус.«Благодаря нашему подходу мы видим потенциал для повышения производительности, например, снижение пористости менее 2% для аэрокосмических конструкций».
Доктор философии Гартхауса.В диссертационной работе в ILK изучалось использование непрерывной пултрузии термопластичного композита (TPC) для производства плетеных трубок, что привело к созданию запатентованного непрерывного процесса производства труб и профилей TPC.Однако на данный момент Херон предпочел работать с авиационными поставщиками и клиентами, используя прерывистый процесс формования.«Это дает нам свободу создавать любые формы, в том числе изогнутые профили и профили с различным поперечным сечением, а также применять локальные заплатки и обрезки слоев», — объясняет он.«Мы работаем над автоматизацией процесса интеграции локальных исправлений, а затем их совместной консолидации с составным профилем.По сути, все, что вы можете сделать с плоскими ламинатами и оболочками, мы можем сделать с трубами и профилями».
По словам Гартхауса, изготовление этих полых профилей TPC было на самом деле одной из самых сложных задач.«Вы не можете использовать штамповку или выдувное формование с силиконовой камерой;поэтому нам пришлось разработать новый процесс».Но этот процесс позволяет создавать очень высокопроизводительные и адаптируемые детали на основе труб и валов, отмечает он.Это также позволило использовать гибридное формование, разработанное Victrex, при котором PAEK с более низкой температурой плавления формуется поверх PEEK, объединяя органолист и литье под давлением за один этап.
Еще одним примечательным аспектом использования заготовок из плетеной ленты OrganoTube является то, что они производят очень мало отходов.«При плетении у нас остается менее 2% отходов, а поскольку это лента TPC, мы можем использовать это небольшое количество отходов обратно при формовке, чтобы довести коэффициент использования материала до 100%», — подчеркивает Гартхаус.
Барфусс и Гартхаус начали свою исследовательскую работу в качестве исследователей в Институте лёгкой техники и технологии полимеров (ILK) Дрезденского технического университета.«Это один из крупнейших европейских институтов композитов и гибридных легких конструкций», — отмечает Барфусс.Он и Гартхаус работали там почти 10 лет над рядом разработок, включая непрерывную пултрузию TPC и различные типы соединения.Эта работа в конечном итоге воплотилась в то, что сейчас называется технологией процесса Herone TPC.
«Затем мы подали заявку на участие в немецкой программе EXIST, которая направлена на передачу таких технологий промышленности и ежегодно финансирует 40-60 проектов в самых разных областях исследований», — говорит Барфусс.«Мы получили финансирование на капитальное оборудование, четырех сотрудников и инвестиции для следующего этапа расширения».Они сформировали Herone в мае 2018 года после выставки на JEC World.
К JEC World 2019 Херон изготовил ряд демонстрационных деталей, в том числе легкий, высокомоментный, встроенный зубчатый вал или вал-шестерню.«Мы используем органотрубку из углеродного волокна/ленты PAEK, сплетенную под углами, необходимыми для детали, и объединяем ее в трубку», — объясняет Барфусс.«Затем мы предварительно нагреваем трубку до 200 °C и заливаем ее шестерней, изготовленной путем впрыскивания короткого PEEK, армированного углеродным волокном, при температуре 380 °C».Формование было смоделировано с помощью Moldflow Insight от Autodesk (Сан-Рафаэль, Калифорния, США).Время заполнения формы было оптимизировано до 40,5 секунд и достигнуто с использованием литьевой машины ALLROUNDER компании Arburg (Лоссбург, Германия).
Такое формование не только снижает затраты на сборку, производственные этапы и логистику, но также повышает производительность.Разница в 40°C между температурой расплава вала PAEK и температуры расплава шестерни из PEEK обеспечивает когезионное соединение расплава между ними на молекулярном уровне.Второй тип механизма соединения, фиксирующий форму, достигается за счет использования давления впрыска для одновременного термоформования вала во время формования с целью создания контура фиксирующего формы.На рисунке 1 ниже это можно увидеть как «инжекционное формование».Он создает гофрированную или синусоидальную окружность в месте соединения шестерни, а не гладкое круглое поперечное сечение, что приводит к геометрически фиксирующейся форме.Это еще больше повышает прочность встроенного зубчатого вала, как показали испытания (см. график внизу справа).Рис.1. Разработанный в сотрудничестве с Victrex и ILK, Herone использует давление впрыска во время формования для создания контура фиксации формы на интегрированном валу-шестерне (вверху). Этот процесс формовки позволяет встроенному валу-шестерне с фиксацией формы (зеленая кривая на графике) выдерживать более высокий крутящий момент по сравнению с формованным приводным валом-шестерней без блокировки формы (черная кривая на графике).
«Многие люди добиваются когезионного соединения при плавлении во время формования, — говорит Гартхаус, — а другие используют закрепление формы в композитах, но главное — объединить оба процесса в единый автоматизированный процесс».Он объясняет, что для результатов испытаний на рис. 1 и вал, и шестерня по всей окружности были зажаты отдельно, а затем вращались, чтобы вызвать сдвиговую нагрузку.Первая неисправность на графике отмечена кружком, что указывает на то, что это относится к шестерне из полиэфирэфиркетона (PEEK) без фиксации формы.Второй отказ отмечен гофрированным кружком, напоминающим звезду, что указывает на испытание переформованной шестерни с фиксацией формы.«В этом случае вы получаете как связное, так и герметичное соединение, — говорит Гартхаус, — и вы получаете почти 44%-ное увеличение крутящей нагрузки».По его словам, сейчас задача состоит в том, чтобы заставить блокировку формы воспринимать нагрузку на более ранней стадии, чтобы еще больше увеличить крутящий момент, который этот зубчатый вал выдержит до выхода из строя.
Важным моментом в отношении фиксации формы контура, которого можно достичь с помощью литья под давлением, является то, что он полностью адаптирован к отдельной детали и нагрузке, которую эта деталь должна выдерживать.Например, у зубчатого вала фиксация формы окружная, а в стойках растяжения-сжатия ниже — осевая.«Вот почему мы разработали более широкий подход», — говорит Гартхаус.«То, как мы интегрируем функции и детали, зависит от конкретного приложения, но чем больше мы сможем это сделать, тем больше веса и затрат мы сможем сэкономить».
Кроме того, армированный короткими волокнами кетон, используемый в формованных функциональных элементах, таких как шестерни, обеспечивает превосходные поверхности износа.Компания Victrex доказала это и фактически рекламирует этот факт для своих материалов PEEK и PAEK.
Барфусс отмечает, что интегрированный зубчатый вал, получивший награду JEC World Innovation Award 2019 в аэрокосмической категории, является «демонстрацией нашего подхода, а не просто процесса, ориентированного на одно применение.Мы хотели изучить, насколько мы могли бы оптимизировать производство и использовать свойства TPC для создания функционализированных, интегрированных структур».В настоящее время компания оптимизирует стержни растяжения-сжатия, используемые в таких конструкциях, как стойки.
Рис. 3. Стойки растяжения-сжатия. Метод литья под давлением распространяется и на стойки, при котором металлический элемент передачи нагрузки запрессовывается в конструкцию детали с использованием осевого формовочного соединения для увеличения прочности соединения.
Функциональным элементом стоек растяжения-сжатия является металлическая соединительная деталь, которая передает нагрузки от металлической вилки на композитную трубу и от нее (см. рисунок ниже).Литье под давлением используется для интеграции металлического элемента восприятия нагрузки в корпус композитной стойки.
«Основное преимущество, которое мы даем, — это уменьшение количества деталей», — отмечает он.«Это упрощает усталость, которая является большой проблемой для авиационных стоек.Формофиксация уже используется в термореактивных композитах с пластиковой или металлической вставкой, но когезионного соединения нет, поэтому можно получить небольшое перемещение между деталями.Наш подход, однако, обеспечивает единую структуру без такого движения».
Гартхаус называет устойчивость к повреждениям еще одной проблемой для этих частей.«Нужно воздействовать на стойки, а затем проводить испытания на усталость», — объясняет он.«Поскольку мы используем высокоэффективные термопластичные матричные материалы, мы можем добиться на 40% большей устойчивости к повреждениям по сравнению с термореактивными материалами, а также любые микротрещины от ударов меньше растут при усталостной нагрузке».
Несмотря на то, что демонстрационные стойки имеют металлическую вставку, в настоящее время компания Herone разрабатывает полностью термопластическое решение, обеспечивающее когезионное соединение между корпусом композитной стойки и элементом передачи нагрузки.«Когда мы можем, мы предпочитаем оставаться полностью композитными и корректировать свойства, изменяя тип армирования волокна, включая углеродное, стеклянное, непрерывное и короткое волокно», — говорит Гартхаус.«Таким образом, мы минимизируем сложность и проблемы интерфейса.Например, у нас гораздо меньше проблем по сравнению с сочетанием реактопластов и термопластов».Кроме того, соединение между ПАЭК и ПЭЭК было протестировано компанией Tri-Mack, и результаты показали, что его прочность составляет 85 % от прочности основного однонаправленного ламината CF/PAEK и в два раза прочнее, чем клеевые соединения с использованием стандартного эпоксидного пленочного клея.
Барфусс говорит, что сейчас у нее девять сотрудников, и она переходит от поставщика технологических разработок к поставщику авиационных запчастей.Следующим большим шагом компании является строительство нового завода в Дрездене.«К концу 2020 года у нас будет опытный завод по производству деталей первой серии», — говорит он.«Мы уже работаем с авиационными OEM-производителями и ключевыми поставщиками первого уровня, демонстрируя конструкции для самых разных типов применений».
Компания также работает с поставщиками eVTOL и различными партнерами в США. По мере развития авиационных приложений компания Herone также приобретает опыт производства спортивных товаров, включая биты и компоненты велосипедов.«Наша технология позволяет производить широкий спектр сложных деталей с высокой производительностью, временем цикла и экономичностью», — говорит Гартхаус.«Наше время цикла при использовании PEEK составляет 20 минут по сравнению с 240 минутами при использовании препрега, отверждаемого в автоклаве.Мы видим широкое поле возможностей, но на данный момент мы сосредоточены на запуске наших первых приложений в производство и демонстрации ценности таких деталей на рынке».
Херон также примет участие в выставке Carbon Fiber 2019. Узнайте больше о мероприятии на сайте Carbonfiberevent.com.
Сосредоточившись на оптимизации традиционной ручной укладки, производители гондол и реверсоров тяги обращают внимание на будущее использование автоматизации и закрытого формования.
Система авиационного вооружения сочетает в себе высокие характеристики карбона и эпоксидной смолы с эффективностью компрессионного формования.
Методы расчета воздействия композитов на окружающую среду позволяют проводить сравнение с традиционными материалами на основе данных на равных условиях.
Время публикации: 19 августа 2019 г.