Pinagsasama ang braided tape, overmolding at form-locking, gumagawa ang herone ng one-piece, high-torque gear-driveshaft bilang demonstrator para sa malawak na hanay ng mga application.
Pinagkaisa composite gear-driveshaft.Gumagamit si Herone ng braided thermoplastic composite prepreg tape bilang mga preform para sa isang proseso na pinagsasama-sama ang driveshaft laminate at nag-overmolds ng mga functional na elemento tulad ng mga gear, na gumagawa ng mga unitized na istruktura na nagpapababa ng timbang, bilang ng bahagi, oras ng pagpupulong at gastos.Pinagmulan para sa lahat ng mga larawan |bayani
Ang mga kasalukuyang projection ay nangangailangan ng pagdodoble ng commercial aircraft fleet sa susunod na 20 taon.Upang matugunan ito, ang mga rate ng produksyon sa 2019 para sa mga composite-intensive widebody jetliner ay nag-iiba mula 10 hanggang 14 bawat buwan bawat OEM, habang ang mga makitid na katawan ay umaakyat na sa 60 bawat buwan bawat OEM.Partikular na nakikipagtulungan ang Airbus sa mga supplier upang ilipat ang tradisyonal ngunit masinsinang oras, hand layup prepreg na bahagi sa A320 sa mga bahaging ginawa sa pamamagitan ng mas mabilis, 20 minutong cycle time na proseso gaya ng high-pressure resin transfer molding (HP-RTM), kaya nakakatulong sa bahagi natutugunan ng mga supplier ang karagdagang pagtulak patungo sa 100 sasakyang panghimpapawid bawat buwan.Samantala, ang umuusbong na urban air mobility at transport market ay nagtataya ng pangangailangan para sa 3,000 electric vertical takeoff and landing (EVTOL) aircraft bawat taon (250 bawat buwan).
"Ang industriya ay nangangailangan ng mga automated na teknolohiya sa produksyon na may pinaikling cycle na nagbibigay-daan din sa pagsasama-sama ng mga function, na inaalok ng mga thermoplastic composite," sabi ni Daniel Barfuss, co-founder at managing partner ng herone (Dresden, Germany), isang composite technology at mga parts manufacturing firm na gumagamit ng high-performance na mga thermoplastic matrix na materyales mula sa polyphenylenesulfide (PPS) hanggang sa polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) at polyaryletherketone (PAEK)."Ang aming pangunahing layunin ay upang pagsamahin ang mataas na pagganap ng mga thermoplastic composites (TPCs) na may mas mababang gastos, upang paganahin ang mga iniangkop na bahagi para sa mas malawak na iba't ibang mga serial manufacturing application at mga bagong application," dagdag ni Dr. Christian Garthaus, ang pangalawang co-founder at namamahala ng herone partner.
Upang makamit ito, ang kumpanya ay bumuo ng isang bagong diskarte, simula sa ganap na pinapagbinhi, tuluy-tuloy na fiber tape, tinirintas ang mga tape na ito upang bumuo ng hollow preform na "organoTube" at pinagsama-sama ang mga organoTubes sa mga profile na may variable na cross-section at mga hugis.Sa isang kasunod na hakbang sa proseso, ginagamit nito ang weldability at thermoformability ng mga TPC upang isama ang mga functional na elemento tulad ng mga composite gear sa mga driveshaft, end-fittings sa mga pipe, o load transfer elements sa tension-compression struts.Idinagdag ni Barfuss na mayroong opsyon na gumamit ng hybrid molding process — na binuo ng ketone matrix supplier Victrex (Cleveleys, Lancashire, UK) at parts supplier Tri-Mack (Bristol, RI, US) — na gumagamit ng mas mababang melt temperature na PAEK tape para sa mga profile at PEEK para sa overmolding, na nagpapagana ng fused, solong materyal sa kabuuan ng joint (tingnan ang "Overmolding ay nagpapalawak ng saklaw ng PEEK sa mga composite")."Ang aming adaptation ay nagbibigay-daan din sa geometrical form-locking," idinagdag niya, "na gumagawa ng pinagsama-samang mga istraktura na maaaring makatiis ng mas mataas na pagkarga."
Ang proseso ng herone ay nagsisimula sa ganap na pinapagbinhi na carbon fiber-reinforced thermoplastic tape na tinirintas sa organoTubes at pinagsama-sama."Nagsimula kaming magtrabaho kasama ang mga organoTubes na ito 10 taon na ang nakakaraan, bumuo ng mga composite hydraulic pipe para sa aviation," sabi ni Garthaus.Ipinaliwanag niya na dahil walang dalawang hydraulic pipe ng sasakyang panghimpapawid na may parehong geometry, kakailanganin ng isang amag para sa bawat isa, gamit ang umiiral na teknolohiya."Kailangan namin ng pipe na maaaring i-post-process para makamit ang indibidwal na pipe geometry.Kaya, ang ideya ay gumawa ng tuluy-tuloy na mga composite profile at pagkatapos ay ibaluktot ito ng CNC sa nais na mga geometries.
Fig. 2 Ang mga braided prepreg tape ay nagbibigay ng net-shape preform na tinatawag na organoTubes para sa proseso ng pag-injection ng herone at nagbibigay-daan sa paggawa ng iba't ibang hugis.
Ito ay parang katulad ng ginagawa ng Sigma Precision Components (Hinckley, UK) (tingnan ang “Redressing aeroengines with composite pipes”) gamit ang carbon fiber/PEEK engine dressing nito."Tinitingnan nila ang mga katulad na bahagi ngunit gumagamit ng ibang paraan ng pagsasama-sama," paliwanag ni Garthaus."Sa aming diskarte, nakikita namin ang potensyal para sa mas mataas na pagganap, tulad ng mas mababa sa 2% porosity para sa mga istruktura ng aerospace."
Garthaus' Ph.D.thesis work sa ILK explored gamit ang tuluy-tuloy na thermoplastic composite (TPC) pultrusion upang makagawa ng mga tinirintas na tubo, na nagresulta sa isang patentadong tuluy-tuloy na proseso ng pagmamanupaktura para sa mga tubo at profile ng TPC.Gayunpaman, sa ngayon, pinili ni herone na makipagtulungan sa mga supplier at customer ng aviation gamit ang hindi tuloy-tuloy na proseso ng paghubog."Ito ay nagbibigay sa amin ng kalayaan na gawin ang lahat ng iba't ibang mga hugis, kabilang ang mga curved profile at ang mga may iba't ibang cross-section, pati na rin ang paglalapat ng mga lokal na patch at ply drop-off," paliwanag niya.“Nagsusumikap kaming i-automate ang proseso para sa pagsasama-sama ng mga lokal na patch at pagkatapos ay pagsasama-samahin ang mga ito sa composite profile.Karaniwan, lahat ng magagawa mo sa mga flat laminate at shell, magagawa namin para sa mga tubo at profile."
Ang paggawa ng mga TPC na hollow profile na ito ay talagang isa sa pinakamahirap na hamon, sabi ni Garthaus.“Hindi ka maaaring gumamit ng stamp-forming o blow-molding na may silicone bladder;kaya, kailangan naming bumuo ng isang bagong proseso."Ngunit ang prosesong ito ay nagbibigay-daan sa napakataas na pagganap at naaayon sa tubo at mga bahaging nakabatay sa baras, sabi niya.Pinagana rin nito ang paggamit ng hybrid molding na binuo ng Victrex, kung saan ang mas mababang temperatura ng pagkatunaw ng PAEK ay na-overmolded ng PEEK, na pinagsasama-sama ang organosheet at injection molding sa isang hakbang.
Ang isa pang kapansin-pansing aspeto ng paggamit ng organoTube braided tape preform ay ang paggawa ng mga ito ng napakakaunting basura."Sa braiding, mayroon kaming mas mababa sa 2% na basura, at dahil ito ay TPC tape, maaari naming gamitin ang maliit na halaga ng basura pabalik sa overmolding upang makuha ang rate ng paggamit ng materyal hanggang sa 100%," binibigyang-diin ni Garthaus.
Sinimulan nina Barfuss at Garthaus ang kanilang development work bilang mga mananaliksik sa Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK) sa TU Dresden."Ito ay isa sa pinakamalaking European institute para sa mga composite at hybrid lightweight na disenyo," ang sabi ni Barfuss.Siya at si Garthaus ay nagtrabaho doon sa loob ng halos 10 taon sa isang bilang ng mga pagpapaunlad, kabilang ang tuluy-tuloy na TPC pultrusion at iba't ibang uri ng pagsali.Ang gawaing iyon sa kalaunan ay na-distilled sa ngayon ay ang pangunahing teknolohiya sa proseso ng TPC.
"Pagkatapos ay nag-apply kami sa German EXIST program, na naglalayong ilipat ang naturang teknolohiya sa industriya at pondohan ang 40-60 na proyekto bawat taon sa isang malawak na hanay ng mga larangan ng pananaliksik," sabi ni Barfuss."Nakatanggap kami ng pondo para sa mga kagamitan sa kapital, apat na empleyado at pamumuhunan para sa susunod na hakbang ng pag-scale-up."Binuo nila ang herone noong Mayo 2018 pagkatapos mag-exhibit sa JEC World.
Sa pamamagitan ng JEC World 2019, gumawa si herone ng isang hanay ng mga demonstration parts, kabilang ang isang magaan, mataas na torque, integrated gear driveshaft, o gearshaft."Gumagamit kami ng carbon fiber/PAEK tape na organoTube na tinirintas sa mga anggulo na kinakailangan ng bahagi at pinagsama iyon sa isang tubo," paliwanag ni Barfuss."Pagkatapos ay pinainit namin ang tubo sa 200°C at i-overmold ito ng isang gear na ginawa sa pamamagitan ng pag-inject ng maikling carbon fiber-reinforced PEEK sa 380°C."Ang overmolding ay namodelo gamit ang Moldflow Insight mula sa Autodesk (San Rafael, Calif., US).Ang oras ng pagpuno ng amag ay na-optimize sa 40.5 segundo at nakamit gamit ang isang Arburg (Lossburg, Germany) ALLROUNDER injection molding machine.
Ang overmolding na ito ay hindi lamang binabawasan ang mga gastos sa pagpupulong, mga hakbang sa pagmamanupaktura at logistik, ngunit pinahuhusay din nito ang pagganap.Ang pagkakaiba ng 40°C sa pagitan ng temperatura ng pagkatunaw ng PAEK shaft at ng overmolded PEEK gear ay nagbibigay-daan sa cohesive melt-bonding sa pagitan ng dalawa sa antas ng molekular.Ang pangalawang uri ng mekanismo ng pagsali, ang form-locking, ay nakakamit sa pamamagitan ng paggamit ng injection pressure upang sabay-sabay na i-thermoform ang shaft sa panahon ng overmolding upang lumikha ng isang form-locking contour.Ito ay makikita sa Fig. 1 sa ibaba bilang "injection-forming".Lumilikha ito ng corrugated o sinusoidal circumference kung saan pinagdugtong ang gear kumpara sa isang makinis na circular cross-section, na nagreresulta sa isang geometrically locking form.Ito ay higit na nagpapahusay sa lakas ng pinagsamang gearshaft, tulad ng ipinakita sa pagsubok (tingnan ang graph sa kanang ibaba).Fig.1. Binuo sa pakikipagtulungan sa Victrex at ILK, ang heroone ay gumagamit ng injection pressure sa panahon ng overmolding upang lumikha ng isang form-locking contour sa pinagsamang gearshaft (itaas). magpanatili ng mas mataas na torque kumpara sa isang overmolded na gear-driveshaft na walang form-locking (itim na curve sa graph).
"Maraming tao ang nakakakuha ng cohesive melt-bonding sa panahon ng overmolding," sabi ni Garthaus, "at ang iba ay gumagamit ng form-locking sa mga composite, ngunit ang susi ay pagsamahin ang pareho sa isang solong, automated na proseso."Ipinaliwanag niya na para sa mga resulta ng pagsubok sa Fig. 1, ang shaft at buong circumference ng gear ay pinaghiwalay nang magkahiwalay, pagkatapos ay pinaikot upang mapukaw ang pag-load ng gupit.Ang unang pagkabigo sa graph ay minarkahan ng isang bilog upang ipahiwatig na ito ay para sa isang overmolded PEEK gear na walang form-locking.Ang pangalawang kabiguan ay minarkahan ng isang crimped na bilog na kahawig ng isang bituin, na nagpapahiwatig ng pagsubok ng isang overmolded gear na may form-locking."Sa kasong ito, mayroon kang parehong cohesive at form-locked join," sabi ni Garthaus, "at nakakakuha ka ng halos 44% na pagtaas sa torque load."Ang hamon ngayon, aniya, ay kunin ang form-locking na kumuha ng load sa mas maagang yugto upang higit pang mapataas ang torque na hahawakan ng gearshaft na ito bago mabigo.
Ang isang mahalagang punto tungkol sa contour form-locking na nakamit ng herone sa pamamagitan ng pag-injection-forming nito ay ang ganap itong iayon sa indibidwal na bahagi at ang paglo-load ng bahaging iyon ay dapat makatiis.Halimbawa, sa gearshaft, ang form-locking ay circumferential, ngunit sa tension-compression struts sa ibaba, ito ay axial."Ito ang dahilan kung bakit ang aming binuo ay isang mas malawak na diskarte," sabi ni Garthaus."Kung paano namin isinasama ang mga function at mga bahagi ay nakasalalay sa indibidwal na aplikasyon, ngunit kung mas magagawa namin ito, mas maraming timbang at gastos ang maaari naming i-save."
Gayundin, ang short-fiber reinforced ketone na ginagamit sa mga overmolded functional na elemento tulad ng mga gear ay nagbibigay ng mahusay na mga ibabaw ng pagsusuot.Napatunayan na ito ng Victrex at sa katunayan, ipinagbibili ang katotohanang ito para sa PEEK at PAEK materials nito.
Itinuro ni Barfuss na ang pinagsamang gearshaft, na kinilala ng 2019 JEC World Innovation Award sa kategoryang aerospace, ay isang "pagpapakita ng aming diskarte, hindi lamang isang proseso na nakatuon sa isang solong aplikasyon.Nais naming tuklasin kung gaano namin maaaring i-streamline ang pagmamanupaktura at pagsamantalahan ang mga katangian ng mga TPC upang makagawa ng functionalized, pinagsama-samang mga istruktura."Kasalukuyang ino-optimize ng kumpanya ang mga tension-compression rod, na ginagamit sa mga application tulad ng struts.
Fig. 3 Tension-compression struts Ang pag-injection-forming ay pinalawak sa mga struts, kung saan na-overmolds ng herone ang isang metal load transfer element sa bahagi na istraktura gamit ang axial form-locking upang mapataas ang lakas ng pagdugtong.
Ang functional na elemento para sa tension-compression struts ay isang metallic interface na bahagi na naglilipat ng mga load papunta at mula sa metal fork papunta sa composite tube (tingnan ang ilustrasyon sa ibaba).Ang pagbubuo ng iniksyon ay ginagamit upang isama ang elemento ng pagpapasok ng metal na pagkarga sa composite strut body.
"Ang pangunahing benepisyo na ibinibigay namin ay upang bawasan ang bilang ng mga bahagi," sabi niya.“Pinapasimple nito ang pagkapagod, na isang malaking hamon para sa mga application ng aircraft strut.Ginagamit na ang form-locking sa mga thermoset composite na may plastic o metal insert, ngunit walang cohesive bonding, kaya maaari kang makakuha ng bahagyang paggalaw sa pagitan ng mga bahagi.Ang aming diskarte, gayunpaman, ay nagbibigay ng isang unitized na istraktura na walang ganoong paggalaw.
Binanggit ni Garthaus ang pagpaparaya sa pinsala bilang isa pang hamon para sa mga bahaging ito."Kailangan mong maapektuhan ang mga struts at pagkatapos ay gawin ang pagsubok sa pagkapagod," paliwanag niya."Dahil gumagamit kami ng mga materyal na thermoplastic matrix na may mataas na pagganap, makakamit namin ang hanggang 40% na mas mataas na tolerance sa pinsala kumpara sa mga thermoset, at gayundin ang anumang mga microcrack mula sa epekto ay lumalaki nang mas mababa sa pag-load ng nakakapagod."
Kahit na nagpapakita ng metal insert ang mga demonstration struts, kasalukuyang gumagawa si herone ng all-thermoplastic solution, na nagpapagana ng cohesive bonding sa pagitan ng composite strut body at ng load introduction element."Kapag kaya namin, mas gusto naming manatiling all-composite at ayusin ang mga katangian sa pamamagitan ng pagbabago sa uri ng fiber reinforcement, kabilang ang carbon, salamin, tuloy-tuloy at maikling hibla," sabi ni Garthaus."Sa ganitong paraan, pinapaliit namin ang pagiging kumplikado at mga isyu sa interface.Halimbawa, mas kaunti ang mga problema natin kumpara sa pagsasama-sama ng mga thermoset at thermoplastics."Bilang karagdagan, ang bono sa pagitan ng PAEK at PEEK ay sinubukan ng Tri-Mack na may mga resultang nagpapakita na mayroon itong 85% ng lakas ng isang base unidirectional CF/PAEK laminate at dalawang beses na mas malakas kaysa sa mga adhesive bond gamit ang industry-standard na epoxy film adhesive.
Sinabi ni Barfuss na mayroon na ngayong siyam na empleyado si herone at lumilipat mula sa isang supplier ng pagpapaunlad ng teknolohiya patungo sa isang supplier ng mga piyesa ng aviation.Ang susunod na malaking hakbang nito ay ang pagbuo ng isang bagong pabrika sa Dresden."Sa pagtatapos ng 2020 magkakaroon kami ng isang pilot plant na gumagawa ng mga unang serye ng mga bahagi," sabi niya."Nakikipagtulungan na kami sa mga aviation OEM at pangunahing Tier 1 na mga supplier, na nagpapakita ng mga disenyo para sa maraming iba't ibang uri ng mga application."
Nakikipagtulungan din ang kumpanya sa mga supplier ng eVTOL at iba't ibang collaborator sa US Habang pinapahintulutan ng herone ang mga aplikasyon sa aviation, nakakakuha din ito ng karanasan sa pagmamanupaktura sa mga application ng mga gamit sa palakasan kabilang ang mga paniki at mga bahagi ng bisikleta."Ang aming teknolohiya ay maaaring gumawa ng isang malawak na hanay ng mga kumplikadong bahagi na may pagganap, oras ng pag-ikot at mga benepisyo sa gastos," sabi ni Garthaus."Ang aming cycle time gamit ang PEEK ay 20 minuto, kumpara sa 240 minuto gamit ang autoclave-cured prepreg.Nakikita namin ang isang malawak na larangan ng mga pagkakataon, ngunit sa ngayon, ang aming pagtuon ay sa pagkuha ng aming mga unang aplikasyon sa produksyon at pagpapakita ng halaga ng naturang mga bahagi sa merkado.
Magpe-present din si Herone sa Carbon Fiber 2019. Matuto pa tungkol sa kaganapan sa carbonfiberevent.com.
Nakatuon sa pag-optimize ng tradisyunal na hand layup, nacelle at thrust reverser na mga tagagawa na tumitingin sa hinaharap na paggamit ng automation at closed molding.
Ang sistema ng armas ng sasakyang panghimpapawid ay nakakakuha ng mataas na pagganap ng carbon/epoxy na may kahusayan ng compression molding.
Ang mga pamamaraan para sa pagkalkula ng epekto ng mga composite sa kapaligiran ay nagbibigay-daan sa mga paghahambing na hinihimok ng data sa mga tradisyonal na materyales sa isang antas ng paglalaro.
Oras ng post: Ago-19-2019