Kết hợp băng bện, ép xung và khóa định hình, herone tạo ra trục truyền động bánh răng nguyên khối, mô-men xoắn cao làm minh chứng cho nhiều ứng dụng.
Trục truyền động bằng composite Unitized.Herone sử dụng băng prereg composite nhựa nhiệt dẻo bện làm khuôn mẫu cho một quy trình củng cố tấm cán trục truyền động và ép khuôn các bộ phận chức năng như bánh răng, tạo ra các cấu trúc đơn vị giúp giảm trọng lượng, số lượng bộ phận, thời gian lắp ráp và chi phí.Nguồn cho tất cả hình ảnh |nữ anh hùng
Các dự đoán hiện tại kêu gọi tăng gấp đôi số lượng máy bay thương mại trong vòng 20 năm tới.Để đáp ứng điều này, tỷ lệ sản xuất trong năm 2019 đối với máy bay phản lực thân rộng sử dụng nhiều vật liệu tổng hợp thay đổi từ 10 đến 14 mỗi tháng cho mỗi OEM, trong khi các máy bay thân hẹp đã tăng lên 60 chiếc mỗi tháng cho mỗi OEM.Airbus đặc biệt đang làm việc với các nhà cung cấp để chuyển các bộ phận chuẩn bị sẵn bằng tay, truyền thống nhưng tốn nhiều thời gian trên A320 sang các bộ phận được sản xuất thông qua các quy trình có thời gian chu kỳ 20 phút nhanh hơn, chẳng hạn như đúc chuyển nhựa áp suất cao (HP-RTM), do đó giúp bộ phận các nhà cung cấp đáp ứng nhu cầu tăng thêm 100 máy bay mỗi tháng.Trong khi đó, thị trường vận tải và di chuyển hàng không đô thị mới nổi đang dự báo nhu cầu 3.000 máy bay cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (EVTOL) chạy điện mỗi năm (250 chiếc mỗi tháng).
Daniel Barfuss, đồng sáng lập và đối tác quản lý của herone (Dresden, Đức), một công ty sản xuất linh kiện và công nghệ tổng hợp, cho biết: “Ngành công nghiệp này yêu cầu các công nghệ sản xuất tự động với thời gian chu kỳ rút ngắn, cho phép tích hợp các chức năng được cung cấp bởi vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo”. công ty sử dụng vật liệu nền nhựa nhiệt dẻo hiệu suất cao từ polyphenylenesulfide (PPS) đến polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) và polyaryletherketone (PAEK).Tiến sĩ Christian Garthaus, người đồng sáng lập và quản lý thứ hai của Herone, cho biết thêm: “Mục tiêu chính của chúng tôi là kết hợp hiệu suất cao của vật liệu tổng hợp nhựa nhiệt dẻo (TPC) với chi phí thấp hơn, để tạo ra các bộ phận phù hợp cho nhiều ứng dụng sản xuất nối tiếp và ứng dụng mới”. cộng sự.
Để đạt được điều này, công ty đã phát triển một phương pháp tiếp cận mới, bắt đầu bằng các băng sợi liên tục, được ngâm tẩm hoàn toàn, bện các băng này để tạo thành một “organoTube” dạng phôi rỗng và hợp nhất các organoTube thành các cấu hình có mặt cắt ngang và hình dạng khác nhau.Trong bước quy trình tiếp theo, nó sử dụng khả năng hàn và khả năng định hình nhiệt của TPC để tích hợp các bộ phận chức năng như bánh răng composite vào trục truyền động, đầu nối vào đường ống hoặc bộ phận truyền tải vào thanh chống căng-nén.Barfuss cho biết thêm có tùy chọn sử dụng quy trình đúc kết hợp - được phát triển bởi nhà cung cấp ma trận ketone Victrex (Cleveleys, Lancashire, Vương quốc Anh) và nhà cung cấp phụ tùng Tri-Mack (Bristol, RI, US) - sử dụng băng PAEK có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn cho các cấu hình và PEEK để ép xung, tạo điều kiện cho một vật liệu đơn lẻ được hợp nhất trên toàn bộ mối nối (xem “Việc ép xung mở rộng phạm vi của PEEK trong vật liệu tổng hợp”).Ông cho biết thêm: “Sự thích ứng của chúng tôi cũng cho phép khóa hình dạng hình học, tạo ra các cấu trúc tích hợp có thể chịu được tải trọng cao hơn nữa”.
Quá trình herone bắt đầu với các băng nhựa nhiệt dẻo được gia cố bằng sợi carbon đã được ngâm tẩm hoàn toàn rồi bện thành các ống organoTube và được cố định lại.Garthaus cho biết: “Chúng tôi bắt đầu làm việc với những ống organoTube này cách đây 10 năm, phát triển các ống thủy lực tổng hợp cho ngành hàng không”.Ông giải thích rằng vì không có hai ống thủy lực máy bay nào có hình dạng giống nhau nên mỗi ống sẽ cần một khuôn bằng công nghệ hiện có.“Chúng tôi cần một đường ống có thể được xử lý sau để đạt được hình dạng đường ống riêng lẻ.Vì vậy, ý tưởng là tạo ra các cấu hình tổng hợp liên tục và sau đó uốn CNC chúng thành các hình dạng mong muốn.”
Hình 2 Băng prereg bện cung cấp các dạng phôi dạng lưới được gọi là organoTubes cho quá trình tạo hình phun của herone và cho phép sản xuất nhiều hình dạng khác nhau.
Điều này nghe có vẻ giống với những gì Sigma Precision Components (Hinckley, Vương quốc Anh) đang thực hiện (xem “Sửa chữa động cơ máy bay bằng ống composite”) bằng lớp phủ động cơ bằng sợi carbon/PEEK.Garthaus giải thích: “Họ đang xem xét các bộ phận tương tự nhưng sử dụng một phương pháp hợp nhất khác.“Với cách tiếp cận của chúng tôi, chúng tôi nhận thấy tiềm năng tăng hiệu suất, chẳng hạn như độ xốp dưới 2% cho các cấu trúc hàng không vũ trụ.”
Tiến sĩ của GarthausCông trình luận án tại ILK đã khám phá việc sử dụng phương pháp ép đùn hỗn hợp nhựa nhiệt dẻo liên tục (TPC) để sản xuất ống bện, dẫn đến quy trình sản xuất liên tục được cấp bằng sáng chế cho ống và cấu hình TPC.Tuy nhiên, hiện tại, herone đã chọn làm việc với các nhà cung cấp và khách hàng hàng không bằng quy trình đúc không liên tục.Ông giải thích: “Điều này cho phép chúng tôi tự do tạo ra tất cả các hình dạng khác nhau, bao gồm cả hình dạng cong và những hình có mặt cắt ngang khác nhau, cũng như áp dụng các miếng vá cục bộ và các lớp thả xuống”.“Chúng tôi đang nỗ lực tự động hóa quy trình tích hợp các bản vá cục bộ và sau đó hợp nhất chúng với hồ sơ tổng hợp.Về cơ bản, mọi thứ bạn có thể làm với tấm mỏng và vỏ phẳng thì chúng tôi cũng có thể làm với ống và thanh định hình.”
Garthaus cho biết, việc tạo ra những cấu hình rỗng TPC này thực sự là một trong những thách thức khó khăn nhất.“Bạn không thể sử dụng khuôn dập hoặc khuôn thổi bằng bàng quang silicon;vì vậy, chúng tôi phải phát triển một quy trình mới.”Nhưng quá trình này cho phép các bộ phận dựa trên trục và ống có hiệu suất rất cao và có thể điều chỉnh được, ông lưu ý.Nó cũng cho phép sử dụng phương pháp đúc kết hợp mà Victrex đã phát triển, trong đó PAEK có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn được đúc bằng PEEK, hợp nhất tấm organosheet và ép phun trong một bước duy nhất.
Một khía cạnh đáng chú ý khác của việc sử dụng phôi băng bện organoTube là chúng tạo ra rất ít chất thải.Garthaus nhấn mạnh: “Với việc bện, chúng tôi có ít hơn 2% chất thải và vì là băng TPC nên chúng tôi có thể sử dụng lượng chất thải nhỏ này trong quá trình ép xung để đạt được tỷ lệ tận dụng vật liệu lên tới 100%.
Barfuss và Garthaus bắt đầu công việc phát triển của họ với tư cách là nhà nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật nhẹ và Công nghệ Polymer (ILK) tại TU Dresden.Barfuss lưu ý: “Đây là một trong những viện nghiên cứu lớn nhất Châu Âu về vật liệu tổng hợp và thiết kế trọng lượng nhẹ lai”.Ông và Garthaus đã làm việc ở đó gần 10 năm về một số dự án phát triển, bao gồm cả quá trình ép đùn TPC liên tục và các kiểu nối khác nhau.Công việc đó cuối cùng đã được chắt lọc thành công nghệ xử lý TPC của herone.
Barfuss cho biết: “Sau đó, chúng tôi đã đăng ký chương trình EXIST của Đức, chương trình này nhằm mục đích chuyển giao công nghệ đó cho ngành công nghiệp và tài trợ cho 40-60 dự án mỗi năm trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu”.“Chúng tôi đã nhận được tài trợ cho thiết bị vốn, bốn nhân viên và khoản đầu tư cho bước mở rộng quy mô tiếp theo.”Họ thành lập herone vào tháng 5 năm 2018 sau khi triển lãm tại JEC World.
Tại JEC World 2019, herone đã sản xuất một loạt các bộ phận trình diễn, bao gồm trục truyền động bánh răng tích hợp hoặc trục bánh răng nhẹ, mô-men xoắn cao.Barfuss giải thích: “Chúng tôi sử dụng organoTube bằng sợi carbon/băng PAEK được bện theo các góc theo yêu cầu của bộ phận và hợp nhất nó thành một ống”.“Sau đó, chúng tôi làm nóng ống trước ở nhiệt độ 200°C và ép khuôn nó bằng một thiết bị được chế tạo bằng cách bơm PEEK ngắn được gia cố bằng sợi carbon ở nhiệt độ 380°C.”Việc ép xung được mô hình hóa bằng cách sử dụng Moldflow Insight của Autodesk (San Rafael, Calif., US).Thời gian đổ đầy khuôn được tối ưu hóa thành 40,5 giây và đạt được bằng cách sử dụng máy ép phun ALLROUNDER của Arburg (Lossburg, Đức).
Việc ép khuôn này không chỉ làm giảm chi phí lắp ráp, các bước sản xuất và hậu cần mà còn nâng cao hiệu suất.Sự chênh lệch 40°C giữa nhiệt độ nóng chảy của trục PAEK và nhiệt độ nóng chảy của bánh răng PEEK đúc sẵn tạo ra liên kết nóng chảy gắn kết giữa hai bánh răng ở cấp độ phân tử.Loại cơ chế nối thứ hai, khóa khuôn, đạt được bằng cách sử dụng áp suất phun để tạo hình nhiệt đồng thời trục trong quá trình ép xung để tạo ra đường viền khóa khuôn.Điều này có thể được nhìn thấy trong Hình 1 bên dưới dưới dạng “hình thành tiêm”.Nó tạo ra một chu vi lượn sóng hoặc hình sin nơi bánh răng được nối với mặt cắt ngang tròn nhẵn, dẫn đến dạng khóa hình học.Điều này càng nâng cao sức mạnh của trục bánh răng tích hợp, như đã được chứng minh trong thử nghiệm (xem biểu đồ ở phía dưới bên phải).Hình.1. Được phát triển với sự cộng tác của Victrex và ILK, herone sử dụng áp suất phun trong quá trình ép khuôn để tạo đường viền khóa hình thức trong trục bánh răng tích hợp (trên cùng). Quá trình tạo hình phun này cho phép trục bánh răng tích hợp có khóa định hình (đường cong màu xanh lá cây trên biểu đồ) thực hiện duy trì mô-men xoắn cao hơn so với trục truyền động bánh răng được đúc quá mức mà không cần khóa hình thức (đường cong màu đen trên biểu đồ).
Garthaus cho biết: “Rất nhiều người đang đạt được liên kết tan chảy gắn kết trong quá trình ép xung,” và những người khác đang sử dụng tính năng khóa hình thức trong vật liệu tổng hợp, nhưng điều quan trọng là kết hợp cả hai thành một quy trình tự động duy nhất.Ông giải thích rằng đối với các kết quả thử nghiệm ở Hình 1, cả trục và toàn bộ chu vi của bánh răng đều được kẹp riêng biệt, sau đó quay để tạo ra tải trọng cắt.Lỗi đầu tiên trên biểu đồ được đánh dấu bằng một vòng tròn để cho biết đó là lỗi dành cho bánh răng PEEK được đúc quá mức mà không có khóa định dạng.Lỗi thứ hai được đánh dấu bằng một vòng tròn bị uốn cong giống như một ngôi sao, biểu thị việc thử nghiệm một bánh răng đúc quá mức có khóa định hình.Garthaus cho biết: “Trong trường hợp này, bạn có cả mối nối cố kết và mối nối khóa hình thức, “và bạn nhận được tải mô-men xoắn tăng gần 44%”.Ông nói, thách thức hiện nay là làm cho khóa dạng này chịu tải ở giai đoạn sớm hơn để tăng thêm mô-men xoắn mà trục bánh răng này sẽ xử lý trước khi hỏng.
Một điểm quan trọng về việc khóa hình dạng đường viền mà herone đạt được khi tạo hình phun là nó hoàn toàn được điều chỉnh phù hợp với bộ phận riêng lẻ và tải trọng mà bộ phận đó phải chịu.Ví dụ, trong trục bánh răng, dạng khóa là chu vi, nhưng trong các thanh chống căng-nén bên dưới, nó là hướng trục.Garthaus cho biết: “Đây là lý do tại sao những gì chúng tôi phát triển là một cách tiếp cận rộng hơn”.“Cách chúng tôi tích hợp các chức năng và bộ phận tùy thuộc vào từng ứng dụng, nhưng chúng tôi càng làm được nhiều thì chúng tôi càng tiết kiệm được nhiều trọng lượng và chi phí hơn.”
Ngoài ra, xeton được gia cố bằng sợi ngắn được sử dụng trong các bộ phận chức năng được đúc quá mức như bánh răng mang lại bề mặt chịu mài mòn tuyệt vời.Victrex đã chứng minh điều này và trên thực tế, họ tiếp thị thực tế này cho các vật liệu PEEK và PAEK của mình.
Barfuss chỉ ra rằng trục bánh răng tích hợp, đã được công nhận với Giải thưởng Sáng tạo Thế giới JEC năm 2019 trong hạng mục hàng không vũ trụ, là “sự minh chứng cho cách tiếp cận của chúng tôi, không chỉ là một quy trình tập trung vào một ứng dụng duy nhất.Chúng tôi muốn khám phá xem chúng tôi có thể hợp lý hóa việc sản xuất và khai thác các đặc tính của TPC đến mức nào để tạo ra các cấu trúc tích hợp, có chức năng.”Công ty hiện đang tối ưu hóa các thanh chịu lực căng, được sử dụng trong các ứng dụng như thanh chống.
Hình 3 Thanh chống nén kéo Tạo hình phun được mở rộng đến các thanh chống, trong đó herone ép một phần tử truyền tải kim loại vào cấu trúc bộ phận bằng cách sử dụng khóa định dạng trục để tăng cường độ liên kết.
Bộ phận chức năng của thanh chống căng-nén là bộ phận tiếp xúc bằng kim loại có chức năng truyền tải đến và đi từ nĩa kim loại sang ống composite (xem hình minh họa bên dưới).Tạo hình phun được sử dụng để tích hợp bộ phận dẫn tải bằng kim loại vào thân thanh chống composite.
Ông lưu ý: “Lợi ích chính mà chúng tôi mang lại là giảm số lượng bộ phận”.“Điều này giúp đơn giản hóa sự mệt mỏi, vốn là một thách thức lớn đối với các ứng dụng thanh chống máy bay.Khóa định hình đã được sử dụng trong vật liệu tổng hợp nhiệt rắn có lớp lót bằng nhựa hoặc kim loại, nhưng không có liên kết gắn kết, do đó bạn có thể có một chuyển động nhẹ giữa các bộ phận.Tuy nhiên, cách tiếp cận của chúng tôi cung cấp một cấu trúc thống nhất không có chuyển động như vậy.”
Garthaus cho rằng khả năng chịu hư hỏng là một thách thức khác đối với những bộ phận này.Ông giải thích: “Bạn phải tác động vào các thanh chống và sau đó thực hiện kiểm tra độ mỏi.“Bởi vì chúng tôi đang sử dụng vật liệu ma trận nhựa nhiệt dẻo hiệu suất cao, nên chúng tôi có thể đạt được khả năng chịu hư hại cao hơn tới 40% so với nhựa nhiệt rắn, đồng thời mọi vết nứt nhỏ do va chạm cũng giảm đi khi tải trọng mỏi.”
Mặc dù các thanh chống trình diễn có lớp chèn kim loại, nhưng herone hiện đang phát triển một giải pháp hoàn toàn bằng nhựa nhiệt dẻo, cho phép liên kết gắn kết giữa thân thanh chống composite và bộ phận dẫn tải.Garthaus cho biết: “Khi có thể, chúng tôi muốn duy trì toàn bộ vật liệu tổng hợp và điều chỉnh các đặc tính bằng cách thay đổi loại cốt sợi, bao gồm carbon, thủy tinh, sợi liên tục và sợi ngắn”.“Bằng cách này, chúng tôi giảm thiểu độ phức tạp và các vấn đề về giao diện.Ví dụ, chúng tôi gặp ít vấn đề hơn nhiều so với việc kết hợp nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo.”Ngoài ra, liên kết giữa PAEK và PEEK đã được Tri-Mack thử nghiệm với kết quả cho thấy nó có độ bền bằng 85% so với lớp nền CF/PAEK một chiều và bền gấp đôi so với liên kết sử dụng keo màng epoxy tiêu chuẩn công nghiệp.
Barfuss cho biết Herone hiện có 9 nhân viên và đang chuyển từ nhà cung cấp phát triển công nghệ sang nhà cung cấp phụ tùng máy bay.Bước tiến lớn tiếp theo của nó là phát triển một nhà máy mới ở Dresden.Ông nói: “Vào cuối năm 2020, chúng tôi sẽ có một nhà máy thí điểm sản xuất các bộ phận hàng loạt đầu tiên”.“Chúng tôi đang làm việc với các OEM hàng không và các nhà cung cấp cấp 1 quan trọng, trình diễn các thiết kế cho nhiều loại ứng dụng khác nhau.”
Công ty cũng đang làm việc với các nhà cung cấp eVTOL và nhiều cộng tác viên ở Hoa Kỳ. Khi cô phát triển các ứng dụng hàng không, công ty cũng đang tích lũy kinh nghiệm sản xuất với các ứng dụng hàng thể thao bao gồm gậy và linh kiện xe đạp.Garthaus cho biết: “Công nghệ của chúng tôi có thể tạo ra nhiều loại bộ phận phức tạp với lợi ích về hiệu suất, thời gian chu kỳ và chi phí”.“Thời gian chu kỳ sử dụng PEEK của chúng tôi là 20 phút, so với 240 phút khi sử dụng prereg xử lý bằng nồi hấp.Chúng tôi nhìn thấy rất nhiều cơ hội, nhưng hiện tại, trọng tâm của chúng tôi là đưa những ứng dụng đầu tiên vào sản xuất và chứng minh giá trị của những bộ phận đó đối với thị trường.”
Herone cũng sẽ có mặt tại Carbon Fiber 2019. Tìm hiểu thêm về sự kiện này tại carbonfiberevent.com.
Tập trung vào việc tối ưu hóa cách bố trí tay truyền thống, các nhà sản xuất bộ đảo chiều lực đẩy và vỏ bọc hướng đến việc sử dụng tự động hóa và đúc kín trong tương lai.
Hệ thống vũ khí máy bay đạt được hiệu suất cao của carbon/epoxy nhờ hiệu quả đúc nén.
Các phương pháp tính toán tác động của vật liệu tổng hợp lên môi trường cho phép so sánh dựa trên dữ liệu với các vật liệu truyền thống trên một sân chơi bình đẳng.
Thời gian đăng: 19-08-2019