Örgülü bant, üst kalıplama ve form kilitlemeyi birleştiren herone, geniş uygulama yelpazesi için örnek olarak tek parça, yüksek torklu dişli tahrik mili üretir.
Birleştirilmiş kompozit dişli tahrik mili.Herone, tahrik mili laminatını sağlamlaştıran ve dişliler gibi işlevsel elemanların üst üste kalıplanmasını sağlayan, ağırlığı, parça sayısını, montaj süresini ve maliyeti azaltan birimleştirilmiş yapılar üreten bir işlem için ön kalıp olarak örgülü termoplastik kompozit önceden emprenye edilmiş bantlar kullanıyor.Tüm görsellerin kaynağı |kahraman
Mevcut tahminler, ticari uçak filosunun önümüzdeki 20 yıl içinde ikiye katlanmasını öngörüyor.Bunu karşılamak için, kompozit yoğun geniş gövdeli jet uçaklarının 2019'daki üretim oranları OEM başına ayda 10 ila 14 arasında değişirken, dar gövdeli jet uçaklarının üretim oranları şimdiden OEM başına ayda 60'a yükseldi.Airbus, A320'deki geleneksel ama zaman yoğun, elle yerleştirmeli ön emprenyeli parçaları, yüksek basınçlı reçine transfer kalıplama (HP-RTM) gibi daha hızlı, 20 dakikalık çevrim süresine sahip süreçlerle yapılan parçalara geçirmek için özellikle tedarikçilerle çalışıyor. tedarikçiler ayda 100 uçağa doğru bir adım daha atıyor.Bu arada, ortaya çıkan kentsel hava hareketliliği ve ulaşım pazarı, yılda 3.000 elektrikli dikey kalkış ve iniş (EVTOL) uçağına (ayda 250) ihtiyaç duyulacağını öngörüyor.
Kompozit teknolojisi ve parça üretimi şirketi herone'un (Dresden, Almanya) kurucu ortağı ve yönetici ortağı Daniel Barfuss, "Sektör, termoplastik kompozitlerin sunduğu fonksiyonların entegre edilmesine de olanak tanıyan, kısaltılmış çevrim sürelerine sahip otomatik üretim teknolojilerine ihtiyaç duyuyor" diyor. polifenilensülfitten (PPS), polietereterketona (PEEK), polieterketonketona (PEKK) ve poliarileterketona (PAEK) kadar yüksek performanslı termoplastik matris malzemeleri kullanan firma.Herone'un ikinci kurucu ortağı ve yöneticisi Dr. Christian Garthaus şöyle ekliyor: "Asıl amacımız, daha geniş çeşitlilikte seri üretim uygulamaları ve yeni uygulamalar için özel parçalar sağlamak amacıyla termoplastik kompozitlerin (TPC'ler) yüksek performansını daha düşük maliyetle birleştirmek" ortak.
Bunu başarmak için şirket, tamamen emprenye edilmiş, sürekli fiber bantlarla başlayarak, bu bantları içi boş bir ön kalıp "organoTube" oluşturacak şekilde örerek ve organoTüpleri değişken kesit ve şekillerde profiller halinde birleştirerek yeni bir yaklaşım geliştirdi.Sonraki bir işlem adımında, kompozit dişliler gibi fonksiyonel elemanları tahrik millerine, uç bağlantı elemanlarını borulara veya yük aktarma elemanlarını çekme-bastırma payandalarına entegre etmek için TPC'lerin kaynaklanabilirliğini ve ısıyla şekillendirilebilirliğini kullanır.Barfuss, keton matrisi tedarikçisi Victrex (Cleveleys, Lancashire, Birleşik Krallık) ve parça tedarikçisi Tri-Mack (Bristol, RI, ABD) tarafından geliştirilen ve profiller için daha düşük erime sıcaklığına sahip PAEK bant kullanan hibrit bir kalıplama prosesi kullanma seçeneğinin mevcut olduğunu ekliyor ve birleştirme boyunca kaynaşmış, tek bir malzemeye olanak tanıyan üst kalıplama için PEEK (bkz. “Üst kalıplama, PEEK'in kompozitlerdeki ürün yelpazesini genişletir”)."Uyarlamamız aynı zamanda geometrik form kilitlemeyi de mümkün kılıyor" diye ekliyor, "bu da daha yüksek yüklere dayanabilecek entegre yapılar üretiyor."
Herone süreci, organoTüpler halinde örülmüş ve birleştirilmiş, tamamen emprenye edilmiş karbon fiberle güçlendirilmiş termoplastik bantlarla başlar.Garthaus, "Bu organoTube'larla çalışmaya 10 yıl önce havacılık için kompozit hidrolik borular geliştirmeye başladık" diyor.İki uçak hidrolik borusunun aynı geometriye sahip olmaması nedeniyle, mevcut teknoloji kullanıldığında her biri için bir kalıba ihtiyaç duyulacağını açıklıyor."Bireysel boru geometrisini elde etmek için sonradan işlenebilecek bir boruya ihtiyacımız vardı.Dolayısıyla fikir, sürekli kompozit profiller yapmak ve ardından bunları CNC'de istenen geometrilere bükmekti."
Şekil 2 Örgülü önceden emprenye edilmiş bantlar, Herone'un enjeksiyonla şekillendirme işlemi için organoTubes adı verilen net şekilli ön kalıplar sağlar ve çeşitli şekillerin üretilmesini sağlar.
Bu, Sigma Precision Components'ın (Hinckley, Birleşik Krallık) karbon fiber/PEEK motor kaplamasıyla yaptığı şeye benziyor (bkz. "Uçak motorlarının kompozit borularla yeniden düzenlenmesi").Garthaus, "Benzer parçalara bakıyorlar ancak farklı bir birleştirme yöntemi kullanıyorlar" diye açıklıyor."Yaklaşımımızla, havacılık ve uzay yapıları için %2'den az gözeneklilik gibi artan performans potansiyeli görüyoruz."
Garthaus'un Ph.D.ILK'deki tez çalışması, örgülü tüpler üretmek için sürekli termoplastik kompozit (TPC) pultrüzyonunu araştırdı; bu, TPC tüpleri ve profilleri için patentli bir sürekli üretim süreciyle sonuçlandı.Ancak şimdilik Herone, havacılık tedarikçileri ve müşterileriyle kesintili bir kalıplama prosesi kullanarak çalışmayı tercih etti."Bu bize kavisli profiller ve farklı kesitlere sahip olanlar da dahil olmak üzere çeşitli şekillerin tümünü oluşturmanın yanı sıra yerel yamalar ve kat düşüşleri uygulama özgürlüğü veriyor" diye açıklıyor."Yerel yamaları entegre etme ve ardından bunları kompozit profille birleştirme sürecini otomatikleştirmek için çalışıyoruz.Temel olarak düz laminatlar ve kabuklarla yapabileceğiniz her şeyi tüpler ve profiller için de yapabiliriz.”
Garthaus, bu TPC içi boş profilleri yapmanın aslında en zorlu zorluklardan biri olduğunu söylüyor.“Silikon mesaneyle damgalama veya üflemeli kalıplamayı kullanamazsınız;bu yüzden yeni bir süreç geliştirmemiz gerekiyordu.”Ancak bu sürecin çok yüksek performanslı ve özelleştirilebilir boru ve şaft bazlı parçalara olanak sağladığını belirtiyor.Ayrıca, Victrex'in geliştirdiği, düşük erime sıcaklığına sahip PAEK'in PEEK ile üst kalıplandığı hibrit kalıplamanın kullanılmasına da olanak tanıdı ve organo levha ile enjeksiyonlu kalıplamanın tek bir adımda konsolidasyonu sağlandı.
OrganoTube örgülü bant ön kalıplarını kullanmanın bir diğer dikkate değer yönü, bunların çok az atık üretmesidir.Garthaus, "Örgü ile %2'den daha az atık elde ediyoruz ve TPC bant olduğu için malzeme kullanım oranını %100'e çıkarmak için bu küçük miktardaki atığı üst kalıplamada geri kullanabiliriz" diye vurguluyor Garthaus.
Barfuss ve Garthaus, geliştirme çalışmalarına TU Dresden'deki Hafif Mühendislik ve Polimer Teknolojisi Enstitüsü'nde (ILK) araştırmacı olarak başladı.Barfuss, "Bu, kompozitler ve hibrit hafif tasarımlar konusunda Avrupa'nın en büyük enstitülerinden biridir" diye belirtiyor.O ve Garthaus, sürekli TPC pultrüzyonu ve farklı birleştirme türleri de dahil olmak üzere bir dizi geliştirme üzerinde yaklaşık 10 yıl boyunca orada çalıştı.Bu çalışma sonunda şu anda Herone TPC proses teknolojisi olan şeye damıtıldı.
Barfuss, "Daha sonra bu teknolojiyi sanayiye aktarmayı amaçlayan ve çok çeşitli araştırma alanlarında her yıl 40-60 projeye fon sağlayan Alman EXIST programına başvurduk" diyor."Sermaye ekipmanı, dört çalışan ve büyümenin bir sonraki adımı için yatırım için finansman aldık."Mayıs 2018'de JEC World'de sergilendikten sonra Herone'u kurdular.
JEC World 2019'a kadar Herone, aralarında hafif, yüksek torklu, entegre dişli tahrik mili veya dişli milinin de bulunduğu bir dizi tanıtım parçası üretmişti.Barfuss şöyle açıklıyor: "Parçanın gerektirdiği açılarda örülmüş bir karbon fiber/PAEK bant organoTube kullanıyoruz ve bunu bir tüp halinde birleştiriyoruz.""Daha sonra tüpü 200°C'de ön ısıtıyoruz ve 380°C'de kısa karbon fiberle güçlendirilmiş PEEK enjekte edilerek yapılan bir dişliyle üst kalıplıyoruz."Üst kalıplama, Autodesk'ten (San Rafael, Kaliforniya, ABD) Moldflow Insight kullanılarak modellendi.Kalıp doldurma süresi 40,5 saniyeye optimize edildi ve bu, Arburg (Lossburg, Almanya) ALLROUNDER enjeksiyon kalıplama makinesi kullanılarak sağlandı.
Bu üst kalıplama sadece montaj maliyetlerini, üretim adımlarını ve lojistiği azaltmakla kalmıyor, aynı zamanda performansı da artırıyor.PAEK şaftının erime sıcaklığı ile aşırı kalıplanmış PEEK dişlisinin erime sıcaklığı arasındaki 40°C'lik fark, ikisi arasında moleküler düzeyde yapışkan bir erime bağı sağlar.İkinci tip bir birleştirme mekanizması olan form kilitleme, bir form kilitleme konturu oluşturmak için üst kalıplama sırasında şaftın eş zamanlı olarak ısıyla şekillendirilmesi için enjeksiyon basıncının kullanılmasıyla elde edilir.Bu, aşağıdaki Şekil 1'de "enjeksiyon oluşturma" olarak görülebilir.Dişlinin birleştirildiği yerde oluklu veya sinüzoidal bir çevre oluştururken, geometrik olarak kilitlenen bir form sağlayan pürüzsüz dairesel bir kesit oluşturur.Bu, testlerde gösterildiği gibi entegre dişli milinin gücünü daha da artırır (sağ alttaki grafiğe bakın).1. Victrex ve ILK ile işbirliği içinde geliştirilen herone, entegre dişli milinde (üstte) bir form kilitleme konturu oluşturmak için üst kalıplama sırasında enjeksiyon basıncını kullanır. Bu enjeksiyon oluşturma işlemi, form kilitlemeli entegre dişli milinin (grafikteki yeşil eğri) form kilitlemesi olmayan aşırı kalıplanmış dişli tahrik miline kıyasla daha yüksek bir tork elde edin (grafikte siyah eğri).
Garthaus, "Birçok kişi üst kalıplama sırasında yapışkan eriyik bağlamayı başarıyor" diyor ve "diğerleri kompozitlerde form kilitlemeyi kullanıyor, ancak önemli olan her ikisini de tek, otomatik bir süreçte birleştirmektir."Şekil 1'deki test sonuçları için hem şaftın hem de dişlinin tam çevresinin ayrı ayrı kenetlendiğini, ardından kesme yükünü tetiklemek için döndürüldüğünü açıklıyor.Grafikteki ilk arıza, form kilitlemesi olmayan aşırı kalıplanmış bir PEEK dişlisi için olduğunu belirtmek üzere bir daire ile işaretlenmiştir.İkinci arıza, yıldıza benzeyen kıvrımlı bir daire ile işaretlenmiştir; bu, kalıp kilitlemeli aşırı kalıplanmış bir dişlinin test edildiğini gösterir.Garthaus şöyle diyor: "Bu durumda hem yapışkan hem de form kilitli bir bağlantıya sahip olursunuz ve tork yükünde neredeyse %44'lük bir artış elde edersiniz."Şimdiki zorluk, bu dişli milinin arızadan önce kaldıracağı torku daha da artırmak için form kilitlemenin yükü daha erken bir aşamada almasını sağlamak olduğunu söylüyor.
Herone'un enjeksiyonla şekillendirmeyle elde ettiği kontur formu kilitlemeyle ilgili önemli bir nokta, tamamen bireysel parçaya ve o parçanın dayanması gereken yüke göre uyarlanmış olmasıdır.Örneğin, dişli milinde form kilitleme çevreseldir, ancak alttaki çekme-bastırma payandalarında ekseneldir.Garthaus, "Bu nedenle daha geniş bir yaklaşım geliştirdik" diyor."Fonksiyonları ve parçaları nasıl entegre ettiğimiz bireysel uygulamaya bağlıdır, ancak bunu ne kadar çok yapabilirsek, ağırlık ve maliyetten de o kadar tasarruf edebiliriz."
Ayrıca dişliler gibi aşırı kalıplanmış fonksiyonel elemanlarda kullanılan kısa elyafla güçlendirilmiş keton, mükemmel aşınma yüzeyleri sağlar.Victrex bunu kanıtlamıştır ve aslında bu gerçeği PEEK ve PAEK malzemeleri için pazarlamaktadır.
Barfuss, havacılık kategorisinde 2019 JEC Dünya İnovasyon Ödülü'ne layık görülen entegre dişli milinin, yalnızca tek bir uygulamaya odaklanan bir süreç değil, "yaklaşımımızın bir göstergesi" olduğuna dikkat çekiyor.İşlevselleştirilmiş, entegre yapılar üretmek için üretimi ne kadar kolaylaştırabileceğimizi ve TPC'lerin özelliklerinden ne kadar yararlanabileceğimizi keşfetmek istedik."Şirket şu anda dikmeler gibi uygulamalarda kullanılan çekme-bastırma çubuklarını optimize ediyor.
Şekil 3 Çekme-bastırma payandaları Enjeksiyonla şekillendirme payandalara kadar genişletilir; burada herone, bağlantı mukavemetini arttırmak için eksenel form kilitlemeyi kullanarak bir metal yük aktarma elemanını parça yapısına üst kalıpla yerleştirir.
Germe-bastırma desteklerinin işlevsel elemanı, yükleri metal çatala ve metal çataldan kompozit boruya aktaran metalik bir arayüz parçasıdır (aşağıdaki resme bakın).Enjeksiyon oluşturma, metalik yük giriş elemanını kompozit dikme gövdesine entegre etmek için kullanılır.
"Sağladığımız asıl fayda, parça sayısını azaltmaktır" diye belirtiyor."Bu, uçak dikme uygulamaları için büyük bir zorluk olan yorgunluğu basitleştiriyor.Form kilitleme, plastik veya metal ara parçalı termoset kompozitlerde zaten kullanılmaktadır, ancak yapışkan bir bağ yoktur, dolayısıyla parçalar arasında hafif bir hareket elde edebilirsiniz.Ancak bizim yaklaşımımız böyle bir hareketin olmadığı birleşik bir yapı sağlıyor.”
Garthaus, hasar toleransının bu parçalar için bir başka zorluk olduğunu belirtiyor."Payandaları etkilemeniz ve ardından yorulma testi yapmanız gerekiyor" diye açıklıyor."Yüksek performanslı termoplastik matris malzemeleri kullandığımız için, termosetlere kıyasla %40'a kadar daha yüksek hasar toleransı elde edebiliyoruz ve ayrıca yorulma yüklemesi nedeniyle darbeden kaynaklanan mikro çatlaklar daha az büyüyor."
Her ne kadar tanıtım payandaları metal bir parça gösterse de, Herone şu anda kompozit payanda gövdesi ile yük giriş elemanı arasında yapışkan bağlantı sağlayan tamamen termoplastik bir çözüm geliştiriyor.Garthaus, "Mümkün olduğunda tamamen kompozit kalmayı ve karbon, cam, sürekli ve kısa fiber dahil olmak üzere fiber takviyesinin türünü değiştirerek özellikleri ayarlamayı tercih ediyoruz" diyor."Bu şekilde karmaşıklığı ve arayüz sorunlarını en aza indiriyoruz.Örneğin termosetlerle termoplastikleri birleştirmeye kıyasla çok daha az sorun yaşıyoruz.”Buna ek olarak, PAEK ve PEEK arasındaki bağ Tri-Mack tarafından test edilmiş ve sonuçlar, bunun baz tek yönlü CF/PAEK laminatın %85 gücüne sahip olduğunu ve endüstri standardı epoksi film yapıştırıcısı kullanılan yapışkan bağlardan iki kat daha güçlü olduğunu göstermiştir.
Barfuss, Herone'un şu anda dokuz çalışanı olduğunu ve teknoloji geliştirme tedarikçisinden havacılık parçaları tedarikçisine geçiş yaptığını söylüyor.Bir sonraki büyük adımı Dresden'de yeni bir fabrikanın geliştirilmesidir.“2020 yılı sonuna kadar ilk seri parçaları üreten bir pilot tesise sahip olacağız” diyor."Halihazırda havacılık OEM'leri ve önemli Tier 1 tedarikçileriyle çalışıyoruz ve birçok farklı uygulama türüne yönelik tasarımlar gösteriyoruz."
Şirket aynı zamanda ABD'de eVTOL tedarikçileri ve çeşitli işbirlikçileriyle de çalışıyor. Herone havacılık uygulamalarını olgunlaştırdıkça, yarasalar ve bisiklet bileşenleri de dahil olmak üzere spor malzemeleri uygulamalarında da üretim deneyimi kazanıyor.Garthaus, "Teknolojimiz performans, çevrim süresi ve maliyet avantajlarıyla çok çeşitli karmaşık parçalar üretebiliyor" diyor."PEEK kullanarak döngü süremiz 20 dakika, otoklavla kürlenmiş ön emprenye kullanarak ise 240 dakika oldu.Çok geniş bir fırsat alanı görüyoruz ancak şimdilik odak noktamız ilk uygulamalarımızı üretime geçirmek ve bu parçaların değerini pazara göstermek.”
Herone ayrıca Carbon Fiber 2019'da da sunum yapacak. Etkinlik hakkında daha fazla bilgiyi carbonfiberevent.com adresinden edinebilirsiniz.
Geleneksel elle yerleştirmeyi optimize etmeye odaklanan motor kaputu ve itme ters çevirici üreticileri, otomasyon ve kapalı kalıplamanın gelecekteki kullanımına odaklandılar.
Uçak silah sistemi, sıkıştırmalı kalıplamanın verimliliği ile karbon/epoksinin yüksek performansını kazanır.
Kompozitlerin çevre üzerindeki etkisini hesaplamaya yönelik yöntemler, eşit şartlar altında geleneksel malzemelerle veriye dayalı karşılaştırmalar yapılmasına olanak tanır.
Gönderim zamanı: Ağu-19-2019