Kombináciou pletenej pásky, prelisovania a tvarového zaistenia vyrába herone jednodielny ozubený hnací hriadeľ s vysokým krútiacim momentom ako demonštrátor pre širokú škálu aplikácií.
Jednotný kompozitný prevodový hriadeľ.Herone používa spletené termoplastické kompozitné predimpregnované pásky ako predlisky pre proces, ktorý konsoliduje laminát hnacieho hriadeľa a prelisuje funkčné prvky, ako sú ozubené kolesá, čím sa vytvárajú zjednotené štruktúry, ktoré znižujú hmotnosť, počet dielov, čas montáže a náklady.Zdroj pre všetky obrázky |hrdinka
Súčasné prognózy hovoria o zdvojnásobení flotily komerčných lietadiel v priebehu nasledujúcich 20 rokov.Aby sme tomu vyhoveli, miera výroby v roku 2019 pre širokotrupové prúdové vlečky náročné na kompozity sa pohybuje od 10 do 14 za mesiac na OEM, zatiaľ čo úzke korpusy sa už zvýšili na 60 za mesiac na OEM.Airbus konkrétne spolupracuje s dodávateľmi na zmene tradičných, no časovo náročných predimpregnovaných dielov na A320 na diely vyrobené pomocou rýchlejších procesov s 20-minútovým cyklom, ako je vysokotlakové lisovanie živice (HP-RTM), čím pomáha dielu. dodávatelia spĺňajú ďalší tlak na 100 lietadiel mesačne.Medzitým vznikajúci trh mestskej leteckej mobility a dopravy predpovedá potrebu 3 000 elektrických lietadiel s vertikálnym vzletom a pristátím (EVTOL) ročne (250 za mesiac).
„Odvetvie vyžaduje automatizované výrobné technológie so skrátenými dobami cyklu, ktoré tiež umožňujú integráciu funkcií, ktoré ponúkajú termoplastické kompozity,“ hovorí Daniel Barfuss, spoluzakladateľ a vedúci partner spoločnosti herone (Drážďany, Nemecko), technológie kompozitov a výroby dielov. firma, ktorá používa vysokovýkonné termoplastické matricové materiály od polyfenylénsulfidu (PPS) po polyéteréterketón (PEEK), polyéterketónketón (PEKK) a polyaryléterketón (PAEK).„Naším hlavným cieľom je spojiť vysoký výkon termoplastických kompozitov (TPC) s nižšími nákladmi, aby sme umožnili prispôsobené diely pre širšiu škálu aplikácií sériovej výroby a nových aplikácií,“ dodáva Dr. Christian Garthaus, druhý spoluzakladateľ a manažér spoločnosti herone. partnera.
Na dosiahnutie tohto cieľa spoločnosť vyvinula nový prístup, počnúc plne impregnovanými páskami z nekonečných vlákien, opletením týchto pások do dutého predlisku „organoTube“ a konsolidáciou organoTrubíc do profilov s rôznymi prierezmi a tvarmi.V nasledujúcom kroku procesu využíva zvárateľnosť a tepelnú tvarovateľnosť TPC na integráciu funkčných prvkov, ako sú kompozitné ozubené kolesá na hnacie hriadele, koncové armatúry na potrubiach alebo prvky na prenos zaťaženia do ťahovo-kompresných vzpier.Barfuss dodáva, že existuje možnosť použiť hybridný proces formovania – vyvinutý dodávateľom ketónovej matrice Victrex (Cleveleys, Lancashire, Spojené kráľovstvo) a dodávateľom dielov Tri-Mack (Bristol, RI, USA), ktorý používa pásku PAEK s nižšou teplotou topenia pre profily. a PEEK pre prelisovanie, čo umožňuje tavený, jediný materiál naprieč spojom (pozri „Prelisovanie rozširuje sortiment PEEK v oblasti kompozitov“).„Naša adaptácia umožňuje aj geometrické uzamykanie tvaru,“ dodáva, „čo vytvára integrované štruktúry, ktoré vydržia ešte vyššie zaťaženie.
Herone proces začína plne impregnovanými termoplastickými páskami vystuženými uhlíkovými vláknami, ktoré sú spletené do organoTrubíc a spevnené.„S týmito organoTrubicami sme začali pracovať pred 10 rokmi, pri vývoji kompozitných hydraulických potrubí pre letectvo,“ hovorí Garthaus.Vysvetľuje, že keďže žiadne dve letecké hydraulické rúrky nemajú rovnakú geometriu, pre každé z nich by bola potrebná forma s využitím existujúcej technológie.„Potrebovali sme potrubie, ktoré by sa dalo dodatočne spracovať, aby sa dosiahla individuálna geometria potrubia.Myšlienkou teda bolo vyrobiť súvislé kompozitné profily a následne ich CNC ohnúť do požadovaných geometrií.
Obr. 2 Splietané predimpregnované pásky poskytujú sieťové predlisky nazývané organoTrubice pre proces vstrekovania Herone a umožňujú výrobu rôznych tvarov.
Znie to podobne ako to, čo robí Sigma Precision Components (Hinckley, Veľká Británia) (pozri „Oprava leteckých motorov s kompozitným potrubím“) s úpravou motora z uhlíkových vlákien/PEEK.„Pozerajú sa na podobné časti, ale používajú inú metódu konsolidácie,“ vysvetľuje Garthaus."S naším prístupom vidíme potenciál na zvýšenie výkonu, ako napríklad pórovitosť menej ako 2% pre letecké konštrukcie."
Garthaus' Ph.D.dizertačná práca v ILK skúmala použitie kontinuálnej pultrúzie termoplastických kompozitov (TPC) na výrobu opletených rúrok, čo viedlo k patentovanému kontinuálnemu výrobnému procesu TPC rúr a profilov.V súčasnosti sa však spoločnosť herone rozhodla spolupracovať s leteckými dodávateľmi a zákazníkmi pomocou procesu diskontinuálneho formovania.„To nám dáva voľnosť pri vytváraní všetkých rôznych tvarov vrátane zakrivených profilov a profilov s rôznym prierezom, ako aj pri aplikovaní lokálnych záplat a odpadových vrstiev,“ vysvetľuje.„Pracujeme na automatizácii procesu integrácie lokálnych opráv a ich následnej konsolidácii so zloženým profilom.V podstate všetko, čo môžete urobiť s plochými laminátmi a škrupinami, môžeme urobiť pre rúry a profily.“
Výroba týchto dutých profilov TPC bola v skutočnosti jednou z najťažších výziev, hovorí Garthaus.„So silikónovým mechúrom nemôžete použiť formovanie alebo vyfukovanie;takže sme museli vyvinúť nový proces."Tento proces však umožňuje veľmi výkonné a prispôsobiteľné časti na báze rúr a hriadeľov, poznamenáva.Umožnilo to tiež použitie hybridného tvarovania, ktoré vyvinula spoločnosť Victrex, kde sa PAEK s nižšou teplotou topenia prelisuje PEEK, čím sa spevní organolist a vstrekovanie v jednom kroku.
Ďalším pozoruhodným aspektom používania predforiem splietaných pások organoTube je, že produkujú veľmi málo odpadu.„S opletením máme menej ako 2 % odpadu, a keďže ide o TPC pásku, môžeme toto malé množstvo odpadu použiť späť pri prelisovaní, aby sme dosiahli mieru využitia materiálu až 100 %,“ zdôrazňuje Garthaus.
Barfuss a Garthaus začali svoju vývojovú prácu ako výskumníci v Inštitúte ľahkého inžinierstva a technológie polymérov (ILK) na TU Dresden.„Ide o jeden z najväčších európskych inštitútov pre kompozitné a hybridné ľahké konštrukcie,“ poznamenáva Barfuss.Spolu s Garthausom tam pracovali takmer 10 rokov na množstve vývoja, vrátane kontinuálnej TPC pultrúzie a rôznych typov spájania.Táto práca bola nakoniec destilovaná do toho, čo je teraz hlavnou procesnou technológiou TPC.
„Potom sme sa prihlásili do nemeckého programu EXIST, ktorý je zameraný na prenos takejto technológie do priemyslu a každoročne financuje 40-60 projektov v širokej škále oblastí výskumu,“ hovorí Barfuss."Získali sme finančné prostriedky na kapitálové vybavenie, štyroch zamestnancov a investície do ďalšieho kroku rozširovania."Herone sa sformovali v máji 2018 po vystavovaní na JEC World.
Do JEC World 2019 spoločnosť herone vyrobila celý rad demonštračných dielov vrátane ľahkého integrovaného hnacieho hriadeľa ozubeného kolesa alebo ozubeného hriadeľa s vysokým krútiacim momentom.„Používame organoTrubicu z uhlíkových vlákien/PAEK pásku opletenú v uhloch požadovaných dielom a konsolidujeme ju do trubice,“ vysvetľuje Barfuss."Potom trubicu predhrejeme na 200 °C a zaformujeme ju ozubením vyrobeným vstrekovaním krátkeho PEEK vystuženého uhlíkovými vláknami pri 380 °C."Prelisovanie bolo modelované pomocou Moldflow Insight od Autodesk (San Rafael, Kalifornia, USA).Čas plnenia formy bol optimalizovaný na 40,5 sekundy a dosiahol sa pomocou vstrekovacieho stroja Arburg (Lossburg, Nemecko) ALLROUNDER.
Toto prelisovanie nielen znižuje náklady na montáž, výrobné kroky a logistiku, ale tiež zvyšuje výkon.Rozdiel 40 °C medzi teplotou tavenia hriadeľa PAEK a prelisovaného kolesa PEEK umožňuje súdržné spojenie taveniny medzi týmito dvoma na molekulárnej úrovni.Druhý typ spojovacieho mechanizmu, uzamykanie tvaru, sa dosahuje použitím vstrekovacieho tlaku na súčasné tepelné tvarovanie hriadeľa počas tvarovania, aby sa vytvoril obrys uzamykajúci tvar.Toto je možné vidieť na obr. 1 nižšie ako „vstrekovanie“.Vytvára vlnitý alebo sínusový obvod, kde je ozubené koleso spojené, oproti hladkému kruhovému prierezu, čo má za následok geometricky uzamykajúci tvar.To ďalej zvyšuje pevnosť integrovaného ozubeného hriadeľa, ako sa ukázalo pri testovaní (pozri graf vpravo dole). Obr.1. Herone, vyvinutý v spolupráci so spoločnosťami Victrex a ILK, využíva vstrekovací tlak počas prelisovania na vytvorenie tvaru s tvarovým stykom v integrovanom ozubenom hriadeli (hore). Tento proces vstrekovania umožňuje integrovanému ozubenému hriadeľu s tvarovým zamykaním (zelená krivka na grafe). udržať vyšší krútiaci moment v porovnaní s prelisovaným ozubeným hriadeľom bez tvarového blokovania (čierna krivka na grafe).
"Veľa ľudí dosahuje súdržné spojenie taveniny počas prelisovania," hovorí Garthaus, "a iní používajú tvarové uzamknutie v kompozitoch, ale kľúčom je spojiť oboje do jedného automatizovaného procesu."Vysvetľuje, že pre výsledky testu na obr. 1 boli hriadeľ aj celý obvod ozubeného kolesa upnuté oddelene a potom sa otáčali, aby sa vyvolalo šmykové zaťaženie.Prvá porucha na grafe je označená krúžkom, ktorý označuje, že ide o prelisované ozubené koleso PEEK bez tvarového zaistenia.Druhé zlyhanie je označené zvlneným kruhom pripomínajúcim hviezdu, čo naznačuje testovanie prelisovaného ozubeného kolesa s tvarovým blokovaním."V tomto prípade máte súdržný a tvarovo uzamknutý spoj," hovorí Garthaus, "a získate takmer 44% nárast zaťaženia krútiaceho momentu."Teraz je podľa neho výzvou zabezpečiť, aby tvarové zamykanie prevzalo zaťaženie v skoršej fáze, aby sa ďalej zvýšil krútiaci moment, ktorý tento prevodový hriadeľ zvládne pred poruchou.
Dôležitým bodom tvarového zaistenia obrysu, ktorý herone dosahuje pomocou vstrekovania, je, že je úplne prispôsobený jednotlivému dielu a zaťaženiu, ktoré musí tento diel vydržať.Napríklad v prevodovom hriadeli je tvarové uzamykanie obvodové, ale v ťažno-kompresných vzperách nižšie je axiálne.„To je dôvod, prečo sme vyvinuli širší prístup,“ hovorí Garthaus.„To, ako integrujeme funkcie a diely, závisí od konkrétnej aplikácie, ale čím viac toho dokážeme, tým väčšiu váhu a náklady môžeme ušetriť.“
Tiež ketón vystužený krátkymi vláknami používaný v prelisovaných funkčných prvkoch, ako sú ozubené kolesá, poskytuje vynikajúce opotrebiteľné povrchy.Victrex to dokázal a v skutočnosti túto skutočnosť predáva pre svoje materiály PEEK a PAEK.
Barfuss poukazuje na to, že integrovaný prevodový hriadeľ, ktorý bol v roku 2019 ocenený cenou JEC World Innovation Award v kategórii letectva, je „ukážkou nášho prístupu, nie iba procesom zameraným na jedinú aplikáciu.Chceli sme preskúmať, do akej miery by sme mohli zefektívniť výrobu a využiť vlastnosti TPC na výrobu funkcionalizovaných integrovaných štruktúr.Spoločnosť v súčasnosti optimalizuje ťahovo-kompresné tyče používané v aplikáciách, ako sú vzpery.
Obr. 3 Ťahovo-kompresné vzpery Injektážne tvarovanie je rozšírené na vzpery, kde Herone zalisuje kovový prvok prenášajúci zaťaženie do konštrukcie dielu pomocou axiálneho tvarového zaistenia na zvýšenie pevnosti spoja.
Funkčným prvkom pre ťahovo-kompresné vzpery je kovová styčná časť, ktorá prenáša zaťaženie do a z kovovej vidlice na kompozitnú rúrku (pozri obrázok nižšie).Na integráciu kovového prvku na zavedenie zaťaženia do telesa kompozitnej vzpery sa používa vstrekovanie.
„Hlavnou výhodou, ktorú poskytujeme, je zníženie počtu dielov,“ poznamenáva.„Toto zjednodušuje únavu, čo je veľká výzva pre aplikácie vzpier lietadiel.Form-locking sa už používa v termosetových kompozitoch s plastovou alebo kovovou vložkou, ale nedochádza k žiadnemu súdržnému spojeniu, takže medzi časťami môžete dosiahnuť mierny pohyb.Náš prístup však poskytuje jednotnú štruktúru bez takéhoto pohybu."
Garthaus uvádza toleranciu poškodenia ako ďalšiu výzvu pre tieto diely."Musíte zasiahnuť vzpery a potom vykonať test únavy," vysvetľuje.„Pretože používame vysokovýkonné materiály z termoplastickej matrice, môžeme dosiahnuť až o 40 % vyššiu toleranciu voči poškodeniu v porovnaní s termosetmi a tiež akékoľvek mikrotrhliny spôsobené nárazom rastú menej s únavovým zaťažením.“
Aj keď demonštračné vzpery zobrazujú kovovú vložku, spoločnosť herone v súčasnosti vyvíja celotermoplastické riešenie, ktoré umožňuje súdržné spojenie medzi kompozitným telom vzpery a prvkom zavádzania záťaže.„Keď je to možné, uprednostňujeme zostať celokompozitnými a upravíme vlastnosti zmenou typu vystuženia vláknami, vrátane uhlíkových, sklenených, súvislých a krátkych vlákien,“ hovorí Garthaus.„Týmto spôsobom minimalizujeme zložitosť a problémy s rozhraním.Napríklad v porovnaní s kombinovaním termosetov a termoplastov máme oveľa menej problémov.“Okrem toho spojenie medzi PAEK a PEEK bolo testované spoločnosťou Tri-Mack s výsledkami, ktoré ukazujú, že má 85 % pevnosti základného jednosmerného laminátu CF/PAEK a je dvakrát pevnejšie ako lepené spoje s použitím priemyselného štandardného epoxidového filmového lepidla.
Barfuss hovorí, že herone má teraz deväť zamestnancov a prechádza z dodávateľa technologického vývoja na dodávateľa leteckých dielov.Ďalším veľkým krokom je výstavba novej továrne v Drážďanoch.„Do konca roka 2020 budeme mať pilotný závod na výrobu dielov prvej série,“ hovorí.„Už pracujeme s leteckými výrobcami OEM a kľúčovými dodávateľmi úrovne 1 a predvádzame návrhy pre mnoho rôznych typov aplikácií.“
Spoločnosť tiež spolupracuje s dodávateľmi eVTOL a rôznymi spolupracovníkmi v USA. Herone dospieva v leteckých aplikáciách a zároveň získava výrobné skúsenosti s aplikáciami športových potrieb vrátane netopierov a komponentov pre bicykle.„Naša technológia dokáže produkovať širokú škálu zložitých dielov s výkonom, časom cyklu a nákladovými výhodami,“ hovorí Garthaus.„Náš čas cyklu s použitím PEEK je 20 minút oproti 240 minútam pri použití predimpregnovaného laminátu vytvrdeného v autokláve.Vidíme široké pole príležitostí, ale zatiaľ sa zameriavame na uvedenie našich prvých aplikácií do výroby a demonštráciu hodnoty takýchto dielov na trhu.“
Herone sa predstaví aj na Carbon Fiber 2019. Viac informácií o podujatí nájdete na stránke carbonfiberevent.com.
Výrobcovia zameraní na optimalizáciu tradičného rozloženia rúk, gondol a obraceča ťahu dávajú pozor na budúce využitie automatizácie a uzavretého lisovania.
Zbraňový systém lietadla získava vysoký výkon uhlík/epoxid s účinnosťou lisovania.
Metódy na výpočet vplyvu kompozitov na životné prostredie umožňujú porovnávanie na základe údajov s tradičnými materiálmi za rovnakých podmienok.
Čas odoslania: 19. augusta 2019