Ускорение термопластичных композитов в аэрокосмической отрасли

Сплошные армированные волокном термопластические композиты (ТПК) были названы технологией, обеспечивающей будущее экологически чистой авиации, предлагающей повышенные темпы производства легких, высокопрочных деталей, которые можно соединять без отверстий или креплений в экономичные сварные узлы.

CW опубликовала в 2018 году серию статей о лентах TPC, консолидации на месте и сварке и представила два вебинара в 2019 году, посвященные TPC в автомобильных приложениях и разработкам TPC для аэрокосмической промышленности. Большинство моих В статьях и презентациях на сегодняшний день упоминаются производители запчастей TPC и поставщики оборудования в Европе, а также подразделение Trelleborg Automated Dynamics в США. Я также совершил поездку по базирующейся в США компании Tri-Mack Plastics. Но, к сожалению, я упустил из виду другого производителя деталей TPC здесь, в США, который незаметно продвигал технологии и производственные рамки в течение 15 лет. Компания ATC Manufacturing, расположенная в Пост-Фоллс, штат Айдахо, недалеко от Спокана, штат Вашингтон, производит один миллион деталей в год, все термопласты, армированные непрерывным волокном, и все для аэрокосмической промышленности. Обладая уникальными знаниями в области быстрого формования трехмерных деталей, ATC также является ключевым партнером исследовательской программы RApid High Performance Molding (RAPM) с компанией Boeing Co. (Чикаго, Иллинойс, США) и Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. (DARPA, Арлингтон, Вирджиния, США) для Министерства обороны США.

ATC Manufacturing производит один миллион деталей из термопласта в год для аэрокосмической промышленности, включая ребра, зажимы, кронштейны и ребра жесткости. ИСТОЧНИК | АТС Производство

Кто такое УВД?

ATC Manufacturing была основана в 2004 году бывшим инженером Boeing Дэном Йоргенсоном, который остается сопредседателем компании. «У нас всегда была сильная техническая и инженерная направленность, - говорит Дэвид Лич, директор по развитию бизнеса ATC Manufacturing. Компания также имеет долгую историю сотрудничества с Boeing, признана поставщиком Серебряного уровня в течение последних пяти лет подряд и номинирована поставщиком года Boeing в 2016 и 2017 годах. кронштейны и штампованные детали меньшего размера », - говорит Лич. «Но в последние годы мы разработали более сложные сборки, а также гораздо более толстые и большие детали - до 60 дюймов в длину - и детали, предназначенные для основных структур». К последним относятся конструктивные элементы законцовки крыла, длинные балки с индивидуализированной компоновкой различных поперечных сечений, а также конструкции фюзеляжа и оперения.

В компании 150 сотрудников, более 20 инженеров. Его производство сосредоточено на единственном предприятии площадью 67000 квадратных футов, специально построенном в 2015 году и предназначенном для оптимизации рабочего процесса с возможностью расширения. (Обратите внимание, что для будущего роста уже запланировано 52 500 квадратных футов пространства.) «Все находится под одной крышей, - отмечает Лич, - что упрощает операции». Сюда входят девять штамповочных прессов мощностью от 30 до 150 тонн и площадью плиты до 60 на 30 дюймов. «Мы устанавливаем дополнительный 200-тонный пресс, который будет полностью готов к концу 2019 года», - добавляет он. У ATC есть 10 обрабатывающих станций с ЧПУ, способных обрабатывать детали длиной до 12 футов и выполнять гидроабразивную резку деталей длиной до 30 футов.

ATC Manufacturing использует 9 штамповочных прессов, включая 80-тонный пресс, показанный здесь, с производительностью до 150 тонн и площадью плиты до 60 x 30 дюймов.
ИСТОЧНИК | АТС Производство

Неразрушающий контроль (NDI) также интегрирован в операции и рабочий процесс объекта, включая пять резервуарных систем C-scan, обеспечивающих эхо-импульсное и сквозное тестирование передачи для деталей длиной до 30 футов. Другой собственный опыт включает в себя всю подготовку поверхности и покраску. «Мы разработали очень эффективную подготовку поверхности для термопластичных композитов, которые сложно покрасить и склеить», - говорит Лич, отмечая, что ATC также работала над плазменной обработкой деталей из термопласта. Компания красит 200 000 деталей в год и герметизирует 70 000 деталей в год.

«Мы также вложили значительные средства в исследования, такие как программа RAPM для DARPA, и мы являемся членами Исследовательского центра термопластичных композитов (TPRC, Энсхеде, Нидерланды)», - продолжает он. ATC принимает участие в 10-летней юбилейной конференции TPRC под названием «Будущее термопластичных композитов», которая состоится 8 октября в Университете Твенте в Нидерландах. «Корбин Чемберлен, заместитель председателя УВД, примет участие в панельной сессии, и мы также продемонстрируем изготовленные нами детали аэрокосмической техники на выставке, проводимой в рамках конференции», - говорит Лич.

Окрашенные каналы из термопластического композита с установленной арматурой. ИСТОЧНИК | АТС Производство

От ткани до ленты UD, формирование и быстрое время цикла

Хотя компания ATC начала производство скоб и зажимов TPC с тканевого армирования, теперь они перешли на использование однонаправленной (UD) ленты. «Затем мы превратились в более крупные конструктивные детали, потому что у нас уже накоплен хороший опыт формования трехмерных деталей с помощью ленты UD», - объясняет Лич. «Эти детали, которые имеют толщину от 1-2 миллиметров до 6,5 миллиметров, должны стыковаться с другими конструкциями. Мы должны соблюдать жесткие допуски на размеры прилегающих поверхностей, например допуск профиля ± 0,010 дюйма (0,25 мм) и угловой допуск ± 0,5 градуса ».

Затем компания начала разрабатывать длинные профили TPC. «Мы сами производим плоский ламинат, используя непрерывное компрессионное формование (CCM)», - говорит Лич. «У нас есть две машины CCM для производства плоских ламинатов и одна, которая формирует препреги TPC в непрерывный трехмерный профиль, производя каналы длиной до 75 футов».

Термопластический композитный профиль формируется методом непрерывного компрессионного формования (CCM). ИСТОЧНИК | АТС Производство

Отвечая на вопрос о проблемах формирования трехмерных профилей и форм, Тревор МакКри, директор отдела исследований и разработок ATC Manufacturing, объясняет, что в случае тканей «ткань сама по себе контролирует большую часть происходящей деформации. С УД динамика другая. Например, угол 90 ° к радиусу должен утончиться или утолщаться, но у вас не может быть этого в конструктивной детали. Эти проблемы усугубляются при использовании более сложных форм. У вас также есть больше проблем в том, как управлять процессом формирования ».

Управляете процессом? «Для нас это сильно отличается от формования из термореактивных материалов, потому что у нас есть всего 2 секунды на формирование», - говорит МакКри. «Вы можете покрыть множество грехов за цикл автоклава», - добавляет он. «Но мы используем очень быстрые процессы формовки и штамповки без этой свободы действий. Мы также должны управлять кристалличностью ». Это связано с тем, что в высоконагруженных авиационных конструкциях используются полукристаллические термопластические матричные полимеры, такие как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетонекетон (PEKK) и легкоплавкий полиарилэфиркетон (LM PAEK), которые получают свои заметные механические свойства и химическую стойкость благодаря кристаллической структуре, которая образует как они крутятся. «Вы можете кристаллизоваться изотермически, что не так уж сложно для плоских пластин, но становится намного сложнее с трехмерными формами», - говорит МакКри. «Материалы должны быть достаточно нагреты для образования [обратите внимание, что температура плавления для этих материалов составляет от 300 до 400 ° C], но затем достаточно быстро охлаждаться для горячего извлечения из формы, чтобы избежать термоциклирования инструментов при сохранении формы, допусков, кристалличности и качества поверхности. . »

Одна из причин того, что детали TPC выросли в последние годы, - это их способность обеспечивать очень короткое время цикла. «Мы сделали ребра для демонстрации военных самолетов, продолжительность цикла составляет 5 минут, а наше среднее время цикла составляет около 10 минут», - отмечает Лич. «Мы можем обеспечить высокие темпы производства, к которым в настоящее время стремятся производители авиационной техники». Это очень короткое среднее время цикла фактически приводит к постоянно меняющемуся составу деталей. «Мы хотели бы производить только одну деталь в течение нескольких месяцев, но наши возможности по производительности опережают производство самолетов», - говорит МакКри. «Итак, мы всегда ходим по разным частям». Большая часть производства ATC работает в одну смену в день, 5 дней в неделю. «У нас достаточно возможностей для удовлетворения растущего производства», - отмечает Лич.

Конструкционные планки и окрашенный профиль из термопластичных композитов. ИСТОЧНИК | АТС Производство

Взгляд в будущее

ATC предлагает значительную ценность благодаря своему более чем десятилетнему опыту производства TPC. «Мы часто помогаем нашим клиентам разрабатывать детали для производства», - говорит Лич. «Мы часто перерабатываем детали из термореактивного композита, например, детали первичной конструкции фюзеляжа, которые производятся с сохранением исходной толщины. Но она могла бы быть намного легче, если бы изначально была разработана для TPC ». Почему? «Потому что эти полукристаллические матричные материалы TP обладают более высокими характеристиками», - объясняет он. «Вам не нужно проектировать с учетом микротрещин и устойчивости к повреждениям, как в случае с термореактивной матрицей, а также гораздо меньше« горячего / влажного »сбивания. Фактически, в PEEK, PEEK или PAEK нет мокрого нокдауна. Также не будет горячего нокдауна, если вы не приблизитесь к Tg, которая обычно составляет ≈150 ° C. Например, для стандартного испытания на сжатие в открытом стволе (OHC) на устойчивость к повреждениям, когда вы оцениваете прочность при переводе образца из RT в 120 ° C, почти не происходит никакого сбоя ».

«Мы сможем проектировать более тонкие детали, а также избавиться от большого количества алюминия и титана, которые присутствуют в конструкциях первого поколения для композитов [таких как широкофюзеляжные самолеты Boeing 787 и Airbus A350]», - добавляет МакКри. «Мы продолжаем совершенствовать формование этих материалов, и это будет открывать новые возможности».

Лич считает, что это окажет значительное влияние на будущие применения в самолетах. «Сейчас мы действительно изучаем детали, которые невозможно изготовить из термореактивных материалов из-за требуемых свойств и производительности».

Для получения дополнительной информации ATC Manufacturing представит технический доклад «Экономичные термопластические композиты в аэроструктурах» авторов Корбина Чемберлена, Дэвида Лича и Тревора МакКри на CAMX 2019 в рамках сессии «Термопластические материалы и их применение» в среду, 25 сентября в 16:00. в комнате 210С.

Он также представил совместный документ с Boeing на закрытом заседании на SAMPE 2019 (4-7 мая, Шарлотт, Северная Каролина, США) под названием «Быстрое высокопроизводительное формование конструкционных термопластичных композитных деталей». См. Мой блог:https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense- приложения