Комбинујући плетену траку, преливање и закључавање форме, хероне производи једноделни зупчаник са високим обртним моментом као демонстратор за широк спектар примена.
Уједињени композитни зупчаник-погон.Хероне користи плетене термопластичне композитне препрег траке као предформе за процес који консолидује ламинат погонског вратила и прекрива функционалне елементе као што су зупчаници, производећи јединствене структуре које смањују тежину, број делова, време монтаже и трошкове.Извор за све слике |хероне
Тренутне пројекције захтевају удвостручење флоте комерцијалних авиона у наредних 20 година.Да би се ово прилагодило, стопе производње у 2019. за широкотрупне млазне лајнере који интензивно користе композите варирају од 10 до 14 месечно по ОЕМ-у, док су ускотрупни већ порасли на 60 месечно по ОЕМ-у.Аирбус посебно ради са добављачима на пребацивању традиционалних, али временски интензивних, препрегних делова за ручно полагање на А320 на делове направљене бржим процесима циклуса од 20 минута, као што је пресовање смоле под високим притиском (ХП-РТМ), чиме се помаже део добављачи сусрећу даљи притисак ка 100 авиона месечно.У међувремену, ново тржиште урбане ваздушне мобилности и транспорта предвиђа потребу за 3.000 електричних авиона за вертикално полетање и слетање (ЕВТОЛ) годишње (250 месечно).
„Индустрија захтева аутоматизоване производне технологије са скраћеним периодима циклуса који такође омогућавају интеграцију функција, које нуде термопластични композити“, каже Даниел Барфусс, суоснивач и менаџерски партнер хероне (Дрезден, Немачка), технологије композита и производње делова фирма која користи термопластичне матричне материјале високих перформанси од полифениленсулфида (ППС) до полиетеретеркетона (ПЕЕК), полиетеркетонкетона (ПЕКК) и полиарилетеркетона (ПАЕК).„Наш главни циљ је да комбинујемо високе перформансе термопластичних композита (ТПЦ) са нижим трошковима, како бисмо омогућили прилагођене делове за шири спектар примена у серијској производњи и нових апликација,“ додаје др Кристијан Гартхаус, други суоснивач и директор Хероне-а партнер.
Да би ово постигла, компанија је развила нови приступ, почевши од потпуно импрегнисаних трака са континуираним влакнима, плетења ових трака да би се формирала шупља предформа „органоТубе“ и консолидовања органоцеви у профиле са променљивим попречним пресецима и облицима.У следећем кораку процеса, користи заварљивост и термоформабилност ТПЦ-а да интегрише функционалне елементе као што су композитни зупчаници на погонска вратила, крајњи спојеви на цеви или елементи за пренос оптерећења у затезно-компресионе подупираче.Барфус додаје да постоји могућност коришћења хибридног процеса обликовања — који је развио добављач кетонске матрице Вицтрек (Цлевелеис, Ланцасхире, УК) и добављач делова Три-Мацк (Бристол, РИ, САД) — који користи ПАЕК траку ниже температуре топљења за профиле и ПЕЕК за преливање, омогућавајући спојени, појединачни материјал преко споја (погледајте „Преклапање проширује асортиман ПЕЕК-а у композитима“).„Наша адаптација такође омогућава геометријско закључавање облика“, додаје он, „што производи интегрисане структуре које могу да издрже још већа оптерећења.“
Хероне процес почиње са потпуно импрегнираним термопластичним тракама ојачаним карбонским влакнима које су уплетене у органоцеви и консолидоване.„Почели смо да радимо са овим органоцевима пре 10 година, развијајући композитне хидрауличне цеви за ваздухопловство“, каже Гартхаус.Он објашњава да, пошто нема две хидрауличне цеви за авионе исте геометрије, за сваку би био потребан калуп, користећи постојећу технологију.„Требала нам је цев која би се могла накнадно обрадити да бисмо постигли индивидуалну геометрију цеви.Дакле, идеја је била да се направе континуирани композитни профили, а затим их ЦНЦ савија у жељену геометрију.
Слика 2 Плетене препрег траке обезбеђују преформе у облику мреже које се називају органоТубес за херонов процес ињекционог формирања и омогућавају производњу различитих облика.
Ово звучи слично ономе што ради Сигма Прецисион Цомпонентс (Хинцклеи, УК) (погледајте „Редрессинг аеромоторс витх цомпосите пипес”) са својом облогом од угљеничних влакана/ПЕЕК мотора.„Они гледају сличне делове, али користе другачији метод консолидације“, објашњава Гартхаус.„Са нашим приступом видимо потенцијал за повећање перформанси, као што је мање од 2% порозности за ваздухопловне структуре.
Гартхаус' Пх.Д.дипломски рад на ИЛК-у истраживао је коришћење континуалне термопластичне композитне (ТПЦ) пултрузије за производњу плетених цеви, што је резултирало патентираним континуираним процесом производње ТПЦ цеви и профила.Међутим, за сада, хероне је одлучио да ради са добављачима и купцима у авијацији користећи дисконтинуални процес обликовања.„Ово нам даје слободу да правимо све различите облике, укључујући закривљене профиле и оне са различитим попречним пресеком, као и примену локалних закрпа и спуштања слојева“, објашњава он.„Радимо на аутоматизацији процеса за интеграцију локалних закрпа, а затим их заједно консолидујемо са композитним профилом.У суштини, све што можете да урадите са равним ламинатима и шкољкама, ми можемо да урадимо за цеви и профиле.”
Израда ових ТПЦ шупљих профила заправо је био један од најтежих изазова, каже Гартхаус.„Не можете користити обликовање штампе или дување са силиконском бешиком;па смо морали да развијемо нови процес."Али овај процес омогућава веома високе перформансе и делове засноване на цевима и осовинама, напомиње он.Такође је омогућило коришћење хибридног калупа који је Вицтрек развио, где се ПАЕК са нижом температуром топљења прелива са ПЕЕК-ом, консолидујући органолист и бризгање у једном кораку.
Још један значајан аспект употребе органоТубе плетених предформи траке је да производе врло мало отпада.„Са плетењем имамо мање од 2% отпада, а пошто је то ТПЦ трака, ову малу количину отпада можемо да искористимо назад у преливу да бисмо степен искоришћења материјала довели до 100%“, наглашава Гартхаус.
Барфус и Гартхаус су започели свој развојни рад као истраживачи на Институту за лаку инжињерингу и технологију полимера (ИЛК) у ТУ Дрездену.„Ово је један од највећих европских института за композите и хибридне лаке дизајне“, напомиње Барфусс.Он и Гартхаус су тамо радили скоро 10 година на бројним развојима, укључујући континуирану ТПЦ пултрузију и различите врсте спајања.Тај рад је на крају дестилован у оно што је сада херонска ТПЦ процесна технологија.
„Потом смо се пријавили за немачки програм ЕКСИСТ, који има за циљ преношење такве технологије у индустрију и финансира 40-60 пројеката сваке године у широком спектру истраживачких области“, каже Барфус.„Добили смо средства за капиталну опрему, четири запослена и инвестицију за следећи корак повећања.”Они су формирали херону у мају 2018. након излагања на ЈЕЦ Ворлд.
До ЈЕЦ Ворлд 2019, хероне је произвео низ демонстрационих делова, укључујући лагану осовину са интегрисаним зупчаником или зупчаник са великим обртним моментом.„Користимо органоТубе траку од угљеничних влакана/ПАЕК уплетену под угловима које захтева део и консолидујемо то у цев,“ објашњава Барфусс.„Затим претходно загревамо цев на 200 ° Ц и преликујемо је помоћу зупчаника направљеног убризгавањем ПЕЕК-а ојачаног кратким угљеничним влакнима на 380 ° Ц.Преливање је моделовано коришћењем Молдфлов Инсигхт из Аутодеска (Сан Рафаел, Калифорнија, САД).Време пуњења калупа је оптимизовано на 40,5 секунди и постигнуто употребом Арбург (Лосбург, Немачка) АЛЛРОУНДЕР машине за бризгање.
Ово преливање не само да смањује трошкове монтаже, производне кораке и логистику, већ и побољшава перформансе.Разлика од 40°Ц између температуре растапања ПАЕК осовине и оне преливеног ПЕЕК зупчаника омогућава кохезивно спајање растопа између њих на молекуларном нивоу.Други тип механизма за спајање, закључавање форме, постиже се коришћењем притиска убризгавања да се истовремено термоформира осовина током преливања како би се створила контура која закључава форму.Ово се може видети на слици 1 испод као „формирање убризгавањем“.Он ствара валовити или синусоидни обим где је зупчаник спојен у односу на глатки кружни попречни пресек, што резултира геометријски закључаном формом.Ово додатно повећава снагу интегрисаног зупчаника, као што је показано током тестирања (погледајте графикон доле десно).Сл.1. Развијен у сарадњи са Вицтрек-ом и ИЛК-ом, хероне користи притисак убризгавања током преливања како би створио контуру за закључавање форме у интегрисаном зупчанику (горе). Овај процес ињекционог обликовања омогућава интегрисаном зупчанику са закључавањем облика (зелена крива на графикону) да одржавају већи обртни момент у односу на прекомерно изливену погонску осовину без блокирања облика (црна крива на графикону).
„Многи људи постижу кохезивно спајање растопа током преливања“, каже Гартхаус, „а други користе закључавање облика у композитима, али кључ је комбиновати обоје у један, аутоматизовани процес.“Он објашњава да су за резултате испитивања на слици 1, и осовина и пуни обим зупчаника били одвојено стегнути, а затим ротирани да би се изазвало смично оптерећење.Први квар на графикону је означен кругом који означава да се ради о преливеном ПЕЕК зупчанику без закључавања облика.Други квар је обележен савијеним кругом који подсећа на звезду, што указује на тестирање преливеног зупчаника са закључавањем облика.„У овом случају, имате и кохезивни спој и спој који је закључан у облику“, каже Гартхаус, „и добијате скоро 44% повећање обртног момента.“Изазов је сада, каже он, да натерамо блокаду форме да преузме оптерећење у ранијој фази како би се додатно повећао обртни момент који ће овај мењач поднети пре квара.
Важна ствар у вези контурног закључавања форме коју хероне постиже својим ињекционим обликовањем је да је потпуно прилагођен појединачном делу и оптерећење које тај део мора да издржи.На пример, код зупчаника, блокада облика је ободна, али у затезно-компресионим подупирачима испод, она је аксијална.„Зато је оно што смо развили шири приступ“, каже Гартхаус.„Начин на који интегришемо функције и делове зависи од појединачне апликације, али што више можемо да урадимо ово, више тежине и трошкова можемо да уштедимо.“
Такође, кетон ојачан кратким влакнима који се користи у преливеним функционалним елементима попут зупчаника пружа одличне површине за хабање.Вицтрек је то доказао и заправо продаје ову чињеницу за своје ПЕЕК и ПАЕК материјале.
Барфус истиче да интегрисана осовина зупчаника, која је награђена светском наградом за иновације ЈЕЦ 2019. у категорији ваздухопловства, представља „демонстрацију нашег приступа, а не само процес фокусиран на једну примену.Желели смо да истражимо колико бисмо могли да поједноставимо производњу и искористимо својства ТПЦ-а за производњу функционализованих, интегрисаних структура.Компанија тренутно оптимизује затезно-компресионе шипке, које се користе у апликацијама попут подупирача.
Слика 3 Затезно-компресиони подупирачи Ињекционо обликовање се проширује на подупираче, где херон преобликује метални елемент за пренос оптерећења у структуру дела коришћењем аксијалног закључавања облика како би се повећала чврстоћа споја.
Функционални елемент за затезно-компресионе подупираче је метални део интерфејса који преноси оптерећење на и са металне виљушке на композитну цев (погледајте илустрацију испод).Ињекционо обликовање се користи за интеграцију металног елемента за увођење оптерећења у тело композитног стуба.
„Главна предност коју дајемо је смањење броја делова“, примећује он.„Ово поједностављује замор, што је велики изазов за апликације подупирача у авиону.Затварање облика се већ користи у термореактивним композитима са пластичним или металним уметком, али нема кохезивног везивања, тако да можете добити благо померање између делова.Наш приступ, међутим, пружа јединствену структуру без таквог покрета."
Гартхаус наводи толеранцију оштећења као још један изазов за ове делове.„Морате да утичете на подупираче, а затим да урадите тестирање на замор“, објашњава он.„Пошто користимо термопластичне матричне материјале високих перформанси, можемо постићи чак 40% већу толеранцију оштећења у односу на термосет, а такође и микропукотине од удара мање расту са оптерећењем од замора.“
Иако демонстрациони подупирачи показују метални уметак, хероне тренутно развија потпуно термопластично решење, које омогућава кохезивно спајање између композитног тела подупирача и елемента за увођење оптерећења.„Када можемо, више волимо да останемо потпуно композитни и прилагодимо својства променом типа ојачања влакнима, укључујући угљеник, стакло, континуирана и кратка влакна“, каже Гартхаус.„На овај начин минимизирамо сложеност и проблеме са интерфејсом.На пример, имамо много мање проблема у поређењу са комбиновањем термосета и термопластике."Поред тога, везу између ПАЕК-а и ПЕЕК-а је тестирао Три-Мацк са резултатима који показују да има 85% чврстоће основног једносмерног ЦФ/ПАЕК ламината и двоструко је чвршће од лепљивих веза које користе индустријски стандардни епоксидни филм лепка.
Барфус каже да Хероне сада има девет запослених и да прелази од добављача развоја технологије до добављача делова за авијацију.Његов следећи велики корак је развој нове фабрике у Дрездену.„До краја 2020. имаћемо пилот постројење за производњу делова прве серије“, каже он.„Већ радимо са произвођачима оригиналне опреме за ваздухопловство и кључним добављачима Тиер 1, демонстрирајући дизајне за многе различите врсте апликација.“
Компанија такође сарађује са добављачима еВТОЛ-а и разним сарадницима у САД. Како хероне сазрева у ваздухопловним апликацијама, такође стиче искуство у производњи са апликацијама за спортску опрему, укључујући палице и компоненте за бицикле.„Наша технологија може да произведе широк спектар сложених делова са перформансама, временом циклуса и повољнијим трошковима“, каже Гартхаус.„Наше време циклуса са ПЕЕК-ом је 20 минута, у односу на 240 минута када користимо препрег осушен у аутоклаву.Видимо широко поље могућности, али за сада, наш фокус је на томе да наше прве апликације уведемо у производњу и покажемо вредност таквих делова на тржишту.”
Хероне ће такође бити представљен на Царбон Фибер 2019. Сазнајте више о догађају на царбонфиберевент.цом.
Фокусирани на оптимизацију традиционалног распореда руку, произвођачи гондола и реверсера потиска бацају око на будућу употребу аутоматизације и затвореног калупа.
Систем наоружања авиона добија високе перформансе угљеника/епоксида уз ефикасност компресијског обликовања.
Методе за израчунавање утицаја композита на животну средину омогућавају поређења заснована на подацима са традиционалним материјалима на једнаким условима.
Време објаве: 19.08.2019