S kombinacijo pletenega traku, prelivanja in zaklepanja oblike Herone proizvaja enodelno pogonsko gred z visokim navorom kot demonstracijo za širok spekter uporabe.
Enotni kompozitni zobnik-pogonska gred.Herone uporablja pletene termoplastične kompozitne prepreg trakove kot predoblike za postopek, ki utrdi laminat pogonske gredi in preoblikuje funkcionalne elemente, kot so zobniki, s čimer proizvede enotne strukture, ki zmanjšajo težo, število delov, čas sestavljanja in stroške.Vir za vse slike |junakinja
Trenutne projekcije zahtevajo podvojitev flote komercialnih letal v naslednjih 20 letih.Da bi se temu prilagodili, se stopnje proizvodnje v letu 2019 za širokotrupna letala z intenzivno uporabo kompozitov gibljejo od 10 do 14 na mesec na proizvajalca originalne opreme, medtem ko so se ozkotrupna letala že povečala na 60 na mesec na proizvajalca originalne opreme.Airbus posebej sodeluje z dobavitelji pri zamenjavi tradicionalnih, a časovno intenzivnih prepreg delov na letalu A320 z ročnim polaganjem na dele, izdelane s hitrejšimi 20-minutnimi procesi cikla, kot je visokotlačno ulivanje s smolo (HP-RTM), s čimer pomaga del dobavitelji izpolnjujejo nadaljnji napor proti 100 letalom na mesec.Medtem nastajajoči trg mestne zračne mobilnosti in prometa napoveduje potrebo po 3000 električnih letalih z navpičnim vzletanjem in pristajanjem (EVTOL) na leto (250 na mesec).
»Industrija zahteva avtomatizirane proizvodne tehnologije s skrajšanimi cikličnimi časi, ki omogočajo tudi integracijo funkcij, ki jih ponujajo termoplastični kompoziti,« pravi Daniel Barfuss, soustanovitelj in poslovodni partner herone (Dresden, Nemčija), tehnologije kompozitov in proizvodnje delov. podjetje, ki uporablja visoko zmogljive termoplastične matrične materiale od polifenilensulfida (PPS) do polietereterketona (PEEK), polieterketonketona (PEKK) in poliarileterketona (PAEK).»Naš glavni cilj je združiti visoko zmogljivost termoplastičnih kompozitov (TPC) z nižjimi stroški, da bi omogočili prilagojene dele za širšo paleto serijskih proizvodnih aplikacij in novih aplikacij,« dodaja dr. Christian Garthaus, drugi soustanovitelj in poslovodja podjetja Herone. partner.
Da bi to dosegli, je podjetje razvilo nov pristop, začenši s popolnoma impregniranimi trakovi iz neprekinjenih vlaken, pletenjem teh trakov v votlo predoblikovano "organoTube" in utrjevanjem organoTube v profile s spremenljivimi prečnimi prerezi in oblikami.V naslednjem koraku postopka uporablja varivost in termoformabilnost TPC-jev za integracijo funkcionalnih elementov, kot so kompozitni zobniki, na pogonske gredi, končne spojke na cevi ali elemente za prenos obremenitve v natezno-kompresijske opornike.Barfuss dodaja, da obstaja možnost uporabe hibridnega postopka oblikovanja, ki sta ga razvila dobavitelj ketonske matrice Victrex (Cleveleys, Lancashire, Združeno kraljestvo) in dobavitelj delov Tri-Mack (Bristol, RI, ZDA), ki za profile uporablja trak PAEK z nižjo temperaturo taline. in PEEK za prelivanje, kar omogoča zlit, en sam material čez spoj (glejte »Overmolding širi ponudbo PEEK v kompozitih«)."Naša prilagoditev omogoča tudi geometrijsko zaklepanje oblik," dodaja, "kar proizvaja integrirane strukture, ki lahko prenesejo še večje obremenitve."
Postopek herone se začne s popolnoma impregniranimi termoplastičnimi trakovi, ojačanimi z ogljikovimi vlakni, ki so pleteni v organoTube in utrjeni.»S temi organoTubes smo začeli delati pred 10 leti in razvijali kompozitne hidravlične cevi za letalstvo,« pravi Garthaus.Pojasnjuje, da ker nobena hidravlična cev letala nima enake geometrije, bi bil za vsako potreben kalup z uporabo obstoječe tehnologije.»Potrebovali smo cev, ki bi jo bilo mogoče naknadno obdelati, da bi dosegli individualno geometrijo cevi.Torej je bila ideja izdelati neprekinjene kompozitne profile in jih nato CNC upogniti v želene geometrije.«
Slika 2 Pleteni prepreg trakovi zagotavljajo predoblike mrežaste oblike, imenovane organoTubes, za heronov postopek brizganja in omogočajo izdelavo različnih oblik.
To zveni podobno temu, kar počne Sigma Precision Components (Hinckley, Združeno kraljestvo) (glejte »Preoblikovanje letalskih motorjev s kompozitnimi cevmi«) s svojo oblogo motorja iz ogljikovih vlaken/PEEK."Iščejo podobne dele, vendar uporabljajo drugačno metodo konsolidacije," pojasnjuje Garthaus."Z našim pristopom vidimo potencial za večjo učinkovitost, kot je manj kot 2-odstotna poroznost za letalske in vesoljske strukture."
Garthausov doktoratDiplomsko delo na ILK je raziskalo uporabo neprekinjenega termoplastičnega kompozita (TPC) pultruzije za izdelavo pletenih cevi, kar je privedlo do patentiranega neprekinjenega proizvodnega procesa za TPC cevi in profile.Vendar se je Herone za zdaj odločil za sodelovanje z letalskimi dobavitelji in strankami z uporabo diskontinuiranega postopka oblikovanja.»To nam daje svobodo pri izdelavi vseh različnih oblik, vključno z ukrivljenimi profili in tistimi z različnimi prečnimi prerezi, kot tudi pri uporabi lokalnih zaplat in odpadnih slojev,« pojasnjuje.»Prizadevamo si avtomatizirati postopek za integracijo lokalnih popravkov in njihovo sokonsolidacijo s sestavljenim profilom.V bistvu lahko vse, kar lahko naredite z ravnimi laminati in lupinami, naredimo mi za cevi in profile.«
Izdelava teh votlih profilov TPC je bil pravzaprav eden najtežjih izzivov, pravi Garthaus.»Ne morete uporabiti oblikovanja žigov ali pihanja s silikonskim mehom;zato smo morali razviti nov proces.«Toda ta postopek omogoča zelo visoko zmogljive in prilagojene dele na osnovi cevi in gredi, ugotavlja.Omogočil je tudi uporabo hibridnega oblikovanja, ki ga je razvil Victrex, kjer se PAEK z nižjo temperaturo taline prelije s PEEK, s čimer se organoplošče in brizganje utrdi v enem samem koraku.
Drug pomemben vidik uporabe predoblik pletenega traku organoTube je, da proizvajajo zelo malo odpadkov.»Pri pletenju imamo manj kot 2 % odpadkov in ker gre za trak TPC, lahko to majhno količino odpadkov uporabimo nazaj v prelivanje, da dosežemo stopnjo izkoristka materiala do 100 %,« poudarja Garthaus.
Barfuss in Garthaus sta svoje razvojno delo začela kot raziskovalca na Inštitutu za lahko inženirstvo in tehnologijo polimerov (ILK) na TU Dresden.»To je eden največjih evropskih inštitutov za kompozite in hibridne lahke modele,« ugotavlja Barfuss.On in Garthaus sta tam delala skoraj 10 let na številnih razvojnih področjih, vključno z neprekinjenim TPC pultruzijo in različnimi vrstami spajanja.To delo je bilo sčasoma destilirano v to, kar je zdaj procesna tehnologija herone TPC.
»Nato smo se prijavili na nemški program EXIST, ki je namenjen prenosu takšne tehnologije v industrijo in vsako leto financira 40–60 projektov na številnih raziskovalnih področjih,« pravi Barfuss."Prejeli smo sredstva za kapitalsko opremo, štiri zaposlene in naložbo za naslednji korak širitve."Herone so ustanovili maja 2018 po razstavljanju na JEC World.
Do JEC World 2019 je Herone izdelal vrsto demonstracijskih delov, vključno z lahkim, z visokim navorom, integrirano pogonsko gredjo ali zobniško gredjo.»Uporabljamo trak organoTube iz ogljikovih vlaken/PAEK, pleten pod kotom, ki ga zahteva del, in ga utrdimo v cev,« pojasnjuje Barfuss."Cev nato predhodno segrejemo na 200 °C in jo preoblikujemo z orodjem, narejenim z brizganjem kratkega PEEK-a, ojačanega z ogljikovimi vlakni, pri 380 °C."Prelivanje je bilo modelirano z uporabo Moldflow Insight podjetja Autodesk (San Rafael, Kalifornija, ZDA).Čas polnjenja kalupa je bil optimiziran na 40,5 sekunde in dosežen z uporabo stroja za brizganje Arburg (Lossburg, Nemčija) ALLROUNDER.
To preoblikovanje ne le zmanjša stroške sestavljanja, proizvodne korake in logistiko, ampak tudi izboljša zmogljivost.Razlika 40 °C med temperaturo taline gredi PAEK in temperaturo preoblikovanega orodja PEEK omogoča kohezivno talilno vez med obema na molekularni ravni.Druga vrsta spojnega mehanizma, zaklepanje oblike, se doseže z uporabo tlaka vbrizgavanja za hkratno toplotno oblikovanje gredi med prelivanjem, da se ustvari kontura zaklepanja oblike.To lahko vidite na sliki 1 spodaj kot "brizganje".Ustvari valovit ali sinusoidni obod, kjer je zobnik združen v primerjavi z gladkim krožnim prečnim prerezom, kar ima za posledico geometrijsko zaklenjeno obliko.To dodatno poveča trdnost integriranega menjalnika, kot je prikazano pri testiranju (glejte graf spodaj desno).Sl.1. Herone, razvit v sodelovanju z Victrexom in ILK, uporablja tlak vbrizgavanja med prelivanjem, da ustvari konturo zaklepanja oblike v integriranem zobniku (zgoraj). Ta postopek oblikovanja z vbrizgavanjem omogoča, da integrirani zobnik z zaklepanjem oblike (zelena krivulja na grafu) vzdrževati večji navor v primerjavi s preveč oblikovanim zobnikom-pogonsko gredjo brez zaklepanja oblike (črna krivulja na grafu).
"Veliko ljudi dosega kohezivno talilno lepljenje med prelivanjem," pravi Garthaus, "in drugi uporabljajo zaklepanje oblike v kompozitih, vendar je ključno združiti oboje v en sam, avtomatiziran postopek."Pojasnjuje, da sta bila za rezultate preskusa na sliki 1 tako gred kot celoten obseg zobnika ločeno vpeta, nato pa zavrtena, da se povzroči strižna obremenitev.Prva napaka na grafu je označena s krogom, kar pomeni, da gre za preoblikovano orodje PEEK brez zaklepanja oblike.Druga napaka je označena z nagubanim krogom, ki spominja na zvezdo, kar kaže na testiranje preoblikovanega zobnika z zaklepanjem oblike."V tem primeru imate koheziven in oblikovno zaklenjen spoj," pravi Garthaus, "in pridobite skoraj 44-odstotno povečanje obremenitve navora."Sedaj je izziv, pravi, doseči, da zaklepanje oblike prevzame obremenitev v zgodnejši fazi, da se dodatno poveča navor, ki ga bo ta menjalnik prenesel pred odpovedjo.
Pomembna točka pri konturnem oblikovanju, ki ga herone doseže s svojim brizganjem, je, da je popolnoma prilagojen posameznemu delu in obremenitvi, ki jo mora ta del prenesti.Na primer, v zobniški gredi je zaklepanje oblike obodno, pri natezno-stiskalnih opornikih spodaj pa aksialno."Zato je tisto, kar smo razvili, širši pristop," pravi Garthaus."Kako integriramo funkcije in dele, je odvisno od posamezne aplikacije, a bolj kot lahko to storimo, več teže in stroškov lahko prihranimo."
Poleg tega keton, ojačan s kratkimi vlakni, ki se uporablja v prelitih funkcionalnih elementih, kot so zobniki, zagotavlja odlične obrabne površine.Victrex je to dokazal in dejansko trži to dejstvo za svoje materiale PEEK in PAEK.
Barfuss poudarja, da je integrirano gonilo, ki je bilo leta 2019 nagrajeno s svetovno nagrado JEC za inovacije v vesoljski kategoriji, »demonstracija našega pristopa, ne le postopek, osredotočen na eno samo aplikacijo.Želeli smo raziskati, v kolikšni meri bi lahko racionalizirali proizvodnjo in izkoristili lastnosti TPC za izdelavo funkcionaliziranih integriranih struktur.«Podjetje trenutno optimizira natezno-kompresijske palice, ki se uporabljajo v aplikacijah, kot so oporniki.
Slika 3 Natezno-kompresijski oporniki. Brizganje je razširjeno na opornike, kjer herone preoblikuje kovinski element za prenos obremenitve v strukturo dela z uporabo aksialnega zaklepanja oblike za povečanje trdnosti spoja.
Funkcionalni element za natezno-kompresijske opornike je kovinski vmesnik, ki prenaša obremenitve na kovinske vilice in iz njih na kompozitno cev (glejte spodnjo sliko).Brizganje se uporablja za integracijo kovinskega elementa za uvajanje obremenitve v kompozitno telo opornika.
»Glavna prednost, ki jo nudimo, je zmanjšanje števila delov,« ugotavlja.»To poenostavlja utrujenost, ki je velik izziv za uporabo letalskih opornikov.Zaklepanje oblike se že uporablja v duroplastnih kompozitih s plastičnim ali kovinskim vložkom, vendar ni kohezivne vezi, tako da lahko dobite rahlo gibanje med deli.Naš pristop pa zagotavlja enotno strukturo brez takšnega gibanja.«
Garthaus navaja odpornost na poškodbe kot še en izziv za te dele."Morate udariti po opornikih in nato opraviti testiranje utrujenosti," pojasnjuje.»Ker uporabljamo visoko zmogljive termoplastične matrične materiale, lahko dosežemo kar 40 % višjo toleranco na poškodbe v primerjavi z duroplasti, prav tako pa morebitne mikrorazpoke zaradi udarcev manj rastejo z obremenitvijo zaradi utrujenosti.«
Čeprav predstavitvene opornice prikazujejo kovinski vložek, Herone trenutno razvija popolnoma termoplastično rešitev, ki omogoča kohezivno povezavo med kompozitnim ohišjem opornika in elementom za prenos obremenitve.»Ko lahko, raje ostanemo v celoti kompozitni in prilagodimo lastnosti s spreminjanjem vrste ojačitve z vlakni, vključno z ogljikovimi, steklenimi, neprekinjenimi in kratkimi vlakni,« pravi Garthaus.»Na ta način minimiziramo kompleksnost in težave z vmesnikom.Na primer, imamo veliko manj težav v primerjavi s kombiniranjem duroplastov in termoplastov.«Poleg tega je Tri-Mack testiral vez med PAEK in PEEK z rezultati, ki so pokazali, da ima 85 % trdnosti osnovnega enosmernega laminata CF/PAEK in je dvakrat močnejša od lepilnih vezi z uporabo industrijskega standardnega epoksi filmskega lepila.
Barfuss pravi, da ima herone zdaj devet zaposlenih in prehaja iz dobavitelja tehnološkega razvoja v dobavitelja letalskih delov.Njegov naslednji velik korak je razvoj nove tovarne v Dresdnu.»Do konca leta 2020 bomo imeli pilotno tovarno, ki bo izdelovala prve serijske dele,« pravi."Že sodelujemo z proizvajalci originalne opreme v letalstvu in ključnimi dobavitelji stopnje 1 ter prikazujemo modele za številne različne vrste aplikacij."
Podjetje sodeluje tudi z dobavitelji eVTOL in številnimi sodelavci v ZDA. Ker herone razvija letalske aplikacije, pridobiva tudi proizvodne izkušnje z aplikacijami za športno opremo, vključno z netopirji in komponentami za kolesa.»Naša tehnologija lahko proizvede široko paleto kompleksnih delov z zmogljivostjo, časom cikla in stroškovnimi ugodnostmi,« pravi Garthaus.»Naš čas cikla z uporabo PEEK je 20 minut v primerjavi z 240 minutami z uporabo v avtoklavu strjenega preprega.Vidimo široko polje priložnosti, a zaenkrat se osredotočamo na to, da naše prve aplikacije uvedemo v proizvodnjo in trgu pokažemo vrednost takih delov.«
Herone se bo predstavil tudi na Carbon Fiber 2019. Več o dogodku na carbonfiberevent.com.
Proizvajalci gondol in reverzorjev potiska, ki so osredotočeni na optimizacijo tradicionalne ročne postavitve, se osredotočajo na prihodnjo uporabo avtomatizacije in zaprtega oblikovanja.
Letalski orožni sistem pridobi visoko zmogljivost ogljika/epoksida z učinkovitostjo kompresijskega oblikovanja.
Metode za izračun vpliva, ki ga imajo kompoziti na okolje, omogočajo primerjave na podlagi podatkov s tradicionalnimi materiali pod enakimi pogoji.
Čas objave: 19. avgusta 2019