Genom att kombinera flätad tejp, övergjutning och formlåsning, producerar herone en kuggaxel med högt vridmoment i ett stycke som demonstration för ett brett spektrum av applikationer.
Förenad komposit växeldrivaxel.Herone använder flätade termoplastiska kompositprepreg-tejper som förformar för en process som konsoliderar drivaxellaminatet och övergjuter funktionella element som kugghjul, vilket producerar enhetliga strukturer som minskar vikt, antal delar, monteringstid och kostnad.Källa för alla bilder |hjälte
Aktuella prognoser kräver en fördubbling av den kommersiella flygplansflottan under de kommande 20 åren.För att tillgodose detta varierar produktionstakten 2019 för kompositintensiva widebody-jetliners från 10 till 14 per månad per OEM, medan narrowbodies redan har ökat till 60 per månad per OEM.Airbus arbetar specifikt med leverantörer för att byta traditionella men tidsintensiva, handupplagda prepreg-delar på A320 till delar gjorda via snabbare, 20-minuters cykeltidsprocesser såsom högtryckshartsöverföringsgjutning (HP-RTM), vilket hjälper till att göra en del leverantörer möter en ytterligare push mot 100 flygplan per månad.Samtidigt förutspår den framväxande marknaden för flygmobilitet och transport i städer ett behov av 3 000 elektriska vertikala start- och landningsflygplan (EVTOL) per år (250 per månad).
"Industrien kräver automatiserad produktionsteknik med förkortade cykeltider som också möjliggör integrering av funktioner, som erbjuds av termoplastiska kompositer", säger Daniel Barfuss, medgrundare och managing partner för herone (Dresden, Tyskland), en kompositteknologi och delartillverkning företag som använder högpresterande termoplastiska matrismaterial från polyfenylensulfid (PPS) till polyetereterketon (PEEK), polyeterketonketon (PEKK) och polyaryleterketon (PAEK)."Vårt huvudmål är att kombinera högprestanda hos termoplastiska kompositer (TPC) med lägre kostnad, för att möjliggöra skräddarsydda delar för ett bredare utbud av serietillverkningsapplikationer och nya applikationer", tillägger Dr. Christian Garthaus, herones andra medgrundare och chef. partner.
För att uppnå detta har företaget utvecklat ett nytt tillvägagångssätt, som börjar med helt impregnerade, kontinuerliga fibertejper, flätning av dessa tejper till en ihålig preform "organoTube" och konsolidering av organoTubes till profiler med varierande tvärsnitt och former.I ett efterföljande processsteg använder den svetsbarheten och termoformbarheten hos TPC:er för att integrera funktionella element som kompositväxlar på drivaxlar, ändkopplingar på rör eller lastöverföringselement i drag-kompressionsstag.Barfuss tillägger att det finns möjlighet att använda en hybridformningsprocess – utvecklad av ketonmatrisleverantören Victrex (Cleveleys, Lancashire, Storbritannien) och reservdelsleverantören Tri-Mack (Bristol, RI, USA) – som använder PAEK-tejp med lägre smälttemperatur för profilerna och PEEK för övergjutning, vilket möjliggör ett sammansmält, enstaka material över fogen (se "Övergjutning utökar PEEKs utbud av kompositer")."Vår anpassning möjliggör också geometrisk formlåsning", tillägger han, "som producerar integrerade strukturer som tål ännu högre belastningar."
Heroneprocessen börjar med helimpregnerade kolfiberförstärkta termoplasttejper som flätas in i organoTubes och konsolideras."Vi började arbeta med dessa organoTubes för 10 år sedan och utvecklade komposithydraulikrör för flyget", säger Garthaus.Han förklarar att eftersom inga två hydrauliska rör för flygplan har samma geometri, skulle det behövas en form för var och en, med hjälp av befintlig teknik.”Vi behövde ett rör som kunde efterbehandlas för att uppnå den individuella rörgeometrin.Så, tanken var att göra kontinuerliga kompositprofiler och sedan CNC-böja dessa till önskade geometrier."
Fig. 2 Flätade prepreg-tejper ger nätformade förformer som kallas organoTubes för herones injektionsformningsprocess och möjliggör produktion av olika former.
Det här låter liknande det som Sigma Precision Components (Hinckley, Storbritannien) gör (se "Omställning av flygmotorer med kompositrör") med sin kolfiber/PEEK-motorförband."De tittar på liknande delar men använder en annan konsolideringsmetod", förklarar Garthaus."Med vårt tillvägagångssätt ser vi potential för ökad prestanda, som mindre än 2% porositet för flygstrukturer."
Garthaus Ph.D.examensarbetet vid ILK utforskade att använda kontinuerlig termoplastisk komposit (TPC) pultrusion för att producera flätade rör, vilket resulterade i en patenterad kontinuerlig tillverkningsprocess för TPC-rör och profiler.Men för närvarande har herone valt att arbeta med flygleverantörer och kunder genom att använda en diskontinuerlig formningsprocess."Detta ger oss friheten att göra alla de olika formerna, inklusive böjda profiler och de med varierande tvärsnitt, samt att applicera lokala lappar och skiktavfall", förklarar han."Vi arbetar med att automatisera processen för att integrera lokala patchar och sedan samkonsolidera dem med den sammansatta profilen.I princip allt du kan göra med platta laminat och skal kan vi göra för rör och profiler.”
Att tillverka dessa TPC ihåliga profiler var faktiskt en av de svåraste utmaningarna, säger Garthaus."Du kan inte använda stämpelformning eller formblåsning med en silikonblåsa;så vi var tvungna att utveckla en ny process.”Men denna process möjliggör mycket högpresterande och anpassningsbara rör- och axelbaserade delar, konstaterar han.Det gjorde det också möjligt att använda hybridformningen som Victrex utvecklade, där PAEK med lägre smälttemperatur övergjuts med PEEK, vilket konsoliderar organiska arket och formsprutningen i ett enda steg.
En annan anmärkningsvärd aspekt av att använda organoTube flätade tejpförformar är att de producerar väldigt lite avfall."Med flätning har vi mindre än 2% avfall, och eftersom det är TPC-tejp kan vi använda denna lilla mängd avfall tillbaka i övergjutningen för att få materialutnyttjandet upp till 100%", betonar Garthaus.
Barfuss och Garthaus började sitt utvecklingsarbete som forskare vid Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) vid TU Dresden."Detta är ett av de största europeiska instituten för kompositer och hybrid lättviktskonstruktioner", konstaterar Barfuss.Han och Garthaus arbetade där i nästan 10 år med ett antal utvecklingar, inklusive kontinuerlig TPC-pultrusion och olika typer av sammanfogning.Det arbetet destillerades så småningom till vad som nu är hjältens TPC-processteknik.
"Vi ansökte sedan till det tyska EXIST-programmet, som syftar till att överföra sådan teknik till industrin och finansierar 40-60 projekt varje år inom en lång rad forskningsområden", säger Barfuss."Vi fick finansiering för kapitalutrustning, fyra anställda och investeringar för nästa steg av uppskalning."De bildade hjälte i maj 2018 efter att ha ställt ut på JEC World.
Genom JEC World 2019 hade herone producerat en rad demonstrationsdelar, inklusive en lätt, högt vridmoment, integrerad växeldrivaxel eller växelaxel."Vi använder ett organoTube av kolfiber/PAEK-tejp flätat i de vinklar som delen kräver och konsoliderar det till ett rör," förklarar Barfuss."Vi förvärmer sedan röret vid 200°C och övergjuter det med en växel som tillverkas genom att injicera kort kolfiberförstärkt PEEK vid 380°C."Övergjutningen modellerades med hjälp av Moldflow Insight från Autodesk (San Rafael, Kalifornien, USA).Formfyllningstiden optimerades till 40,5 sekunder och uppnåddes med en Arburg (Lossburg, Tyskland) ALLROUNDER formsprutningsmaskin.
Denna övergjutning minskar inte bara monteringskostnader, tillverkningssteg och logistik, utan den förbättrar också prestandan.Skillnaden på 40°C mellan smälttemperaturen för PAEK-axeln och den för det övergjutna PEEK-drevet möjliggör kohesiv smältbindning mellan de två på molekylnivå.En andra typ av sammanfogningsmekanism, formlåsning, uppnås genom att använda insprutningstrycket för att samtidigt termoforma axeln under övergjutning för att skapa en formlåsande kontur.Detta kan ses i fig. 1 nedan som "injektionsbildande".Det skapar en korrugerad eller sinusformad omkrets där kugghjulet är sammanfogat mot ett jämnt cirkulärt tvärsnitt, vilket resulterar i en geometriskt låsande form.Detta förstärker ytterligare styrkan hos den integrerade växelaxeln, som demonstrerats vid testning (se diagram längst ner till höger). Fig.1. Utvecklad i samarbete med Victrex och ILK, använder herone insprutningstryck under övergjutning för att skapa en formlåsande kontur i den integrerade växelaxeln (överst). upprätthålla ett högre vridmoment jämfört med en övergjuten växeldrivaxel utan formlåsning (svart kurva på grafen).
"Många människor uppnår sammanhängande smältbindning under övergjutning", säger Garthaus, "och andra använder formlåsning i kompositer, men nyckeln är att kombinera båda till en enda, automatiserad process."Han förklarar att för testresultaten i fig. 1 klämdes både axeln och hela omkretsen av kugghjulet separat och roterades sedan för att inducera skjuvbelastning.Det första felet på grafen är markerat med en cirkel för att indikera att det är för en övergjuten PEEK-växel utan formlåsning.Det andra felet markeras av en krusad cirkel som liknar en stjärna, vilket indikerar testning av ett övergjutet kugghjul med formlåsning."I det här fallet har du både en sammanhängande och formlåst sammanfogning", säger Garthaus, "och du får nästan 44 % ökning av vridmomentbelastningen."Utmaningen nu, säger han, är att få formlåsningen att ta upp belastningen i ett tidigare skede för att ytterligare öka vridmomentet som denna växelaxel klarar innan fel.
En viktig poäng med den konturformlåsning som herone uppnår med sin injektionsformning är att den är helt skräddarsydd för den enskilda delen och den belastning som delen ska tåla.Till exempel i växelaxeln är formlåsningen periferiell, men i drag-kompressionsstagen nedan är den axiell."Det är därför det vi har utvecklat är ett bredare tillvägagångssätt", säger Garthaus."Hur vi integrerar funktioner och delar beror på den individuella applikationen, men ju mer vi kan göra detta, desto mer vikt och kostnad kan vi spara."
Dessutom ger den kortfiberförstärkta ketonen som används i övergjutna funktionella element som kugghjul utmärkta slitytor.Victrex har bevisat detta och marknadsför faktiskt detta faktum för sina PEEK- och PAEK-material.
Barfuss påpekar att den integrerade växelaxeln, som belönades med ett 2019 JEC World Innovation Award i flygkategorin, är en "demonstration av vårt tillvägagångssätt, inte bara en process fokuserad på en enda applikation.Vi ville utforska hur mycket vi kunde effektivisera tillverkningen och utnyttja egenskaperna hos TPC:er för att producera funktionaliserade, integrerade strukturer."Företaget optimerar för närvarande drag-kompressionsstänger, som används i applikationer som stag.
Fig. 3 Drag-kompressionsstag. Injektionsformningen utökas till stag, där herone övergjuter ett lastöverföringselement av metall i delstrukturen med hjälp av axiell formlåsning för att öka foghållfastheten.
Det funktionella elementet för drag-kompressionsstagen är en metallisk gränssnittsdel som överför laster till och från metallgaffeln till kompositröret (se bild nedan).Injektionsformning används för att integrera det metalliska lastinförande elementet i kompositsträvans kropp.
"Den största fördelen vi ger är att minska antalet delar", konstaterar han."Detta förenklar utmattning, vilket är en stor utmaning för flygplansstödapplikationer.Formlåsning används redan i härdplastkompositer med plast- eller metallinlägg, men det finns ingen sammanhängande bindning, så du kan få en liten rörelse mellan delarna.Vårt tillvägagångssätt ger dock en enhetlig struktur utan någon sådan rörelse.”
Garthaus nämner skadetolerans som en annan utmaning för dessa delar."Du måste påverka stöttorna och sedan göra utmattningstestning," förklarar han."Eftersom vi använder högpresterande termoplastiska matrismaterial kan vi uppnå så mycket som 40 % högre skadetolerans jämfört med härdplaster, och även eventuella mikrosprickor från stöten växer mindre med utmattningsbelastning."
Även om demonstrationsstag visar en metallinsats, utvecklar herone för närvarande en helt termoplastisk lösning som möjliggör sammanhängande bindning mellan kompositsträvans kropp och lastinförande element."När vi kan föredrar vi att förbli helt sammansatta och justera egenskaper genom att ändra typen av fiberförstärkning, inklusive kol, glas, kontinuerliga och korta fibrer", säger Garthaus.”På detta sätt minimerar vi komplexitet och gränssnittsproblem.Vi har till exempel mycket mindre problem jämfört med att kombinera härdplaster och termoplaster.”Dessutom har bindningen mellan PAEK och PEEK testats av Tri-Mack med resultat som visar att den har 85 % av styrkan hos ett enkelriktat CF/PAEK-laminat och är dubbelt så stark som limbindningar med industristandard epoxifilmlim.
Barfuss säger att herone nu har nio anställda och går över från en leverantör av teknikutveckling till en leverantör av flygdelar.Nästa stora steg är utvecklingen av en ny fabrik i Dresden."I slutet av 2020 kommer vi att ha en pilotanläggning som producerar de första serierna", säger han."Vi arbetar redan med flyg-OEM och viktiga Tier 1-leverantörer, och visar design för många olika typer av applikationer."
Företaget arbetar också med eVTOL-leverantörer och en mängd olika samarbetspartners i USA. Allteftersom herone mognar flygtillämpningar, får det också tillverkningserfarenhet av sportartiklar, inklusive fladdermöss och cykelkomponenter."Vår teknik kan producera ett brett utbud av komplexa delar med prestanda, cykeltid och kostnadsfördelar", säger Garthaus."Vår cykeltid med PEEK är 20 minuter, jämfört med 240 minuter med autoklavhärdad prepreg.Vi ser ett brett fält av möjligheter, men för tillfället ligger vårt fokus på att få våra första applikationer i produktion och att visa värdet av sådana delar för marknaden.”
Herone kommer också att presentera på Carbon Fiber 2019. Läs mer om evenemanget på carbonfiberevent.com.
Inriktade på att optimera traditionella handuppläggningar, kastade tillverkare av gondol- och tryckomkastare ett öga på framtida användning av automation och sluten formning.
Flygplansvapensystem får den höga prestandan av kol/epoxi med effektiviteten av formpressning.
Metoder för att beräkna vilken påverkan kompositer har på miljön möjliggör datadrivna jämförelser med traditionella material på lika villkor.
Posttid: 2019-aug-19