Программа ENLIGHTEN запущена для ускорения индустриализации термопластичных композитов

Чем легче автомобиль, тем меньше он потребляет топлива и тем меньше CO ₂ испускается. Легкие материалы, достаточно прочные, чтобы гарантировать безопасность пассажиров, также популярны среди производителей автомобилей и самолетов. Термопластические композиты - пластики, армированные волокном, которые размягчаются при нагревании, - легкие, прочные, с ними легко работать и их легко перерабатывать. Некоторые компоненты фюзеляжей и крыльев самолетов уже производятся из этого относительно нового материала. Однако они еще не получили широкого распространения.

Цель ENLIGHTEN - Создание интегрированных облегченных структур в больших объемах - найти способ изготавливать надежные целые конструкции с использованием этого материала предсказуемым, воспроизводимым и рентабельным способом. Этот пятилетний проект стоимостью 6 миллионов евро запускается Университетом Твенте (Юта, Твенте, Нидерланды) и доктором Ремко Аккерманом, ученым из Университета Калифорнии и Исследовательского центра термопластичных композитов (TPRC, Твенте, Нидерланды). Perspective , базирующаяся в Нидерландах Программа, которая ставит перед учеными задачу создать новые инновационные направления исследований, которые могут иметь реальное экономическое и социальное влияние. Создано Голландским исследовательским советом (NWO) и Министерством экономики и климата, шесть Perspective В Нидерландах создаются консорциумы, при этом 138 компаний и организаций вносят 10 миллионов евро собственного финансирования, что соответствует 22 миллионам евро, предоставленным голландским правительством.

Разработка многомасштабных деталей

CW поговорил с Аккерманом, чтобы лучше понять, что на самом деле влечет за собой ENLIGHTEN. « CompositesWorld - читатели хорошо знакомы с работой, проделанной в TPRC, где мы сосредоточены на быстрой обработке термопластов, включая сварку, формовку и вторичную переработку », - говорит Аккерман. «Мы опубликовали множество результатов изучения материалов, процессов и производительности. Но как этот процесс влияет на распределение волокна и матрицы и пористость в композите? Как это, в свою очередь, влияет на механические характеристики детали? Как эти процессы влияют на возникновение трещин и рост срока службы? Эти аспекты необходимо понимать, чтобы создавать термопластичные композиты для более широкого промышленного использования ».

Вот почему ENLIGHTEN - такая большая программа, в которой участвуют специалисты в области полимеров, композитной микромеханики и многомасштабного цифрового моделирования, а также науки о цифровых данных. «Наша цель - накопить знания, которые затем можно будет использовать для оптимизации процессов производства термопластичных композитов для повышения производительности», - говорит Аккерман. «Мы также интегрируем мониторинг процесса - поскольку качество материала зависит от вашей способности контролировать процесс - и машинное обучение, чтобы ускорить эту оптимизацию».

ENLIGHTEN включает в себя все три технических университета в Нидерландах (Университет Твенте, Технологический университет Делфта и Технологический университет Эйндховена), а также компании, входящие в автомобильные и аэрокосмические цепочки поставок, включая OEM-производителей, поставщиков Tier и МСП. Вовлечены также организации за пределами Нидерландов, в том числе Центр WMG Университета Уорвика по высокодоходному производству в рамках британской программы CATAPULT и Jaguar Land Rover, дочерняя компания глобального производителя автомобилей Tata Motors (Мумбаи, Индия).

На этой микрофотографии показана некоторая миграция волокон над линией сварного шва между заготовкой, армированной непрерывным волокном, и формованием под давлением с коротким армированным волокном. Как это влияет на прочность и производительность детали - один из многих вопросов, на которые компания ENLIGHTEN должна ответить.

«Процессы, которые мы будем исследовать, включают индукционную и ультразвуковую сварку, а также формовку с наплавкой, которая также имеет стык сварки, каждый из которых связан с одними и теми же физическими явлениями, но с разной скоростью», - отмечает Аккерман. «Таким образом, здесь также применимы все те же явления, касающиеся движения волокон, напряжения и возникновения трещин». Но разве сварные конструкции из термопласта не летают на коммерческих самолетах более 30 лет? «Да, но ни одна из этих структур не использует индукционную или ультразвуковую сварку с однонаправленными лентами, - отмечает он, - что гораздо труднее понять и контролировать, но также более экономично в производстве, если мы можем полностью прогнозировать процессы».

Многомасштабное моделирование и физические испытания будут играть ключевую роль в проекте ENLIGHTEN. «Невозможно понять композит, не глядя на производственный процесс, использованный для его создания», - говорит Аккерман. «С помощью цифрового моделирования мы можем формулировать гипотезы, а затем проводить эксперименты бок о бок, чтобы подтвердить наши результаты и уточнить наше понимание. Например, это включает рассмотрение формирования кристаллических структур на микроуровне, движения волокон в процессе сварки на мезоуровне и того, как эти явления взаимодействуют, влияя на развитие напряжения, микротрещин и предельных нагрузок на структуру на макроуровне. уровень. Такого глубокого, но комбинированного уровня расследования я еще не встречал в нашей отрасли ».

Но где в игру вступает машинное обучение? «Каждый из элементов анализа в рабочих пакетах 1 и 2 требует нескольких часов, - говорит Аккерман, - и должен повторяться для каждого конкретного материала, детали и процесса. Если вы хотите добиться оптимизации во всех этих масштабах и моделях, это займет тысячи часов. Однако по мере того, как мы это делаем, мы будем накапливать данные о том, как все эти явления соотносятся друг с другом. Затем мы можем обучить нейронные сети распознавать связи в этих данных в полном соответствии с лежащей в основе физикой ».

Глядя на объем работ, показанный ниже, он объясняет:«Соединения будут слева направо и сверху вниз. На основе всех этих анализов наша цель - разработать алгоритмы, которые можно было бы использовать в более общем и гибком виде, без необходимости каждый раз начинать с нуля. Другими словами, эти алгоритмы могут быть применены к вашей конкретной детали, помогая вам оптимизировать параметры процесса и выбор материалов. Думайте о машинном обучении как о типе подгонки кривой с множеством переменных ». Он признает, что это не идеальная аналогия, но результат практически аналогичен, поскольку кривая, которая в данном случае больше похожа на многомерную гиперповерхность, покажет корреляции и причинно-следственные связи, указывающие путь вперед.

Материалы, распространение и конечная цель

Доработка материалов для изучения - одна из первых задач проекта ENLIGHTEN. «Скорее всего, полиамид 6 (PA6, нейлон) будет изучен для автомобильной промышленности, а легкоплавкий полиарилэфиркетон (LM PAEK) - для авиакосмической промышленности», - говорит Аккерман. «Мы будем оценивать другие материалы и изучать все доступные данные». Это может включать, например, то, что было создано другими программами, такими как MECATESTERS в Clean Sky 2, в которой был проведен значительный объем испытаний с армированной углеродным волокном лентой LM PAEK UD. Тем временем программа Clean Sky 2 STUNNING будет генерировать большой объем данных по ультразвуковой сварке, поскольку она собирает нижнюю половину многофункционального демонстратора фюзеляжа (MFFD). Аккерман обращает внимание на проекты COMPeTE, реализованные в TPRC, в ходе которых было изучено повторное формование для множества различных комбинаций материалов.

Что касается распространения результатов проекта, консорциум ENLIGHTEN будет проводить общие собрания ежегодно, и подгруппы в каждом рабочем пакете будут встречаться по мере необходимости для достижения установленных вех. В ходе проекта будут проводиться индивидуальные презентации на национальных и международных конференциях, а в последний год проекта будет организована специальная сессия или полноценная международная конференция, чтобы поделиться общими результатами.

Конечная цель, говорит Аккерман, состоит в том, чтобы достичь для термопластичных композитов того, что есть в металлургической промышленности благодаря подходу к проектированию материалов для монокристаллических металлов, например, в авиационных двигателях. «Их цель состояла в том, чтобы достичь характеристик, необходимых для будущего авиации. Мы видим тот же мандат для большей мобильности. Мы пытаемся разработать процессы сварки и литья под давлением, чтобы оптимизировать характеристики легких термопластичных композитов для аэрокосмических и автомобильных конструкций, но у нас все еще есть много вариантов. Результатом являются чрезмерные факторы безопасности и меньшая эффективность, чем на самом деле предлагают технологии. Да, у нас летают детали из термопластичного композита, но на то, чтобы добиться этого, потребовалось 30 лет. Европа поставила цель достичь нулевого уровня выбросов углерода к 2050 году, то есть менее чем через 30 лет. Если мы пойдем по тому же пути, который по-прежнему предполагает множество проб и ошибок, мы не достигнем целей, необходимых для борьбы с изменением климата. Мы видим другой, более эффективный путь с помощью ENLIGHTEN, и теперь пора действовать ».