Исследуйте объект Veelo Technologies в Вудлоуне: внутри инновационного завода CNT волокна

Что вы делаете, когда углероднанотрубчатое (CNT) волокно, которое ваша компания пыталась коммерциализировать, не обеспечивает производительность, нужную вашим потенциальным клиентам, включая ВВС США и Boeing (Чикаго, штат Иллинойс, США)? Вы поворачиваетесь, возвращаетесь к черновику и используете свою экспертизу в передовых материалах и обработке композитов для разработки других решений. «Мы часто используем наноматериалы, но мы ни в коем случае не наноматериальная компания», — говорит CEO Veelo Technologies Джо Спренгард. «Мы — компания передовых материалов, фокусирующаяся на электропроводящих материалах и неметаллических нагревательных решениях. Общая нить между нашим начальным фокусом на разработке непрерывных CNT волокон и листов и нашим текущим портфелем продуктов — защита от молний (LSP) и электромагнитное экранирование, нагревательные одеяла для эффективной обработки композитов и неметаллические электротермические системы обледенения — это наша способность разрабатывать новые материалы, которые не только доставляют новые уровни производительности, но также соответствуют весовым и стоимостным требованиям».

Компания масштабировалась с четырех до 24 сотрудников и переехала в новый 20 000 кв. футов производственный объект в Вудлоуне, пригороде Цинциннати, расположенном в одной миле от штаб-квартиры GE Aviation в Эвендейле и в часе езды к лаборатории авиации (AFRL) на базе ВПАФБ в Дайтоне, Огайо. Спренгард ведет тур CW через новый производственный объект Veelo Technologies, проходя через эволюцию компании от поставщика наноматериалов к специалисту передовых широких полотен к инновационному партнеру для будущих композитов.

От нано к многофункциональным композитам и обработке
Veelo Technologies начала разработку непрерывных CNT волокнистых листов (верхнее левое), но теперь эволюционировала, используя ряд материалов в своих продуктах для защиты от молний и неметаллических нагревательных одеял для обработки композитов и систем обледенения для аэроструктур (нижнее и правое).

CNT волокна и листы

Veelo Technologies изначально была выделена из Университета Цинциннати (UC) как General Nano. Университет произвел самые длинные в мире массивы CNT — 18 миллиметров длиной — в 2007 году. «Дирекция материалов и производства AFRL проявила интерес и начала многолетнюю оценку», — объясняет Спренгард, присоединившийся к компании в 2009 году. «Первые три года мы пытались понять, как конвертировать эти длинные CNT в высокопрочные макроскопические волокна, что интересовало AFRL. Но свойства никогда не материализовались».

Так что компания повернула, разработав способ конвертировать CNT в непрерывный лист. Boeing заинтересовалась, глазя технологию как потенциальное решение для своей потребности в LSP и электромагнитном интерференционном экранировании (EMI) для своих композитных авиационных структур. «В среднем коммерческие самолеты попадают под молнию каждые 1000 часов», — говорит Спренгард. Хотя углеродное волокно проводит электричество, матричные смолы в композитах нет. Таким образом, CFRP аэроструктуры, которые Boeing производила в рекордных числах для своих 777 и 787 коммерческих самолетов, опирались на расширенную металлическую фольгу и другие металлические решения для быстрой проводимости электрического тока к заземленному соединению для предотвращения теплового ущерба. «Но металлическая сетка тяжелая, производит много паразитного веса и может быть сложной для обработки в композитных деталях», — говорит инженер по разработке продуктов Veelo Technologies Ларри Кристи.

К 2015 году Boeing имела предприятийный толчок для разработки следующего поколения решения LSP, и General Nano был ключевым партнером. CW посетила General Nano вскоре после, в 2016 году, в ее оригинальной локации в цинциннатском бизнес-инкубаторе, размещавшем множество стартапов. Кристивел туру по лабораториям компании и обсуждал тогдашнюю эволюцию технологии. «Эффективность металлического LSP и экранирования снижается с частотой», — объяснял он. «Вам нужно улучшить проводимость и снизить импеданс, но быть менее 25 микрон толщиной. Однако CNT-CNT стыки добавляют сопротивление внутри листа. С 2014 по 2016 год мы улучшили проводимость в 12 раз и доказали drop-in решение для экранирования на частоте 200 [мегагерц] MHz с 25% экономией веса против металла. Но нам все еще нужно снизить толщину».

В этот момент компания разработала способность производить выровненные CNT на 5-футовом субстрате в длинах, измеряющих сотни футов. Она также делала 20-грамм-на-кв-метр, 2-мм толстые CNT бумагу и невовен материалы — разновидность непрерывного CNT невовена — используя сеть партнеров по тарифному производству с избыточной мощностью на их бумагоделательном оборудовании. «Этот подход дает нам гибкость», — объяснил Кристи, «и позволяет нам фокусироваться на работе с нашими клиентами для добавления функциональности и адаптации свойств и формата наших продуктов». Компании также просили сделать непрерывные ленты, которые она снова делала через свою тарифную сеть.

Поворот к высокопроизводительным широким полотнам

Эта адаптируемость и готовность модифицировать свои продукты на основе требований клиентов была ключевой, так как примерно через десятилетие существования компания поняла, что ее будущее может выглядеть совсем иначе, чем прошлое. Кристи объяснил, что было множество потребностей, не только для LSP, но и для EMI экранирования. «Вы должны адаптировать электрическую производительность для каждого. Свойства металлической сетки зависят от частоты и падают по мере увеличения частоты из-за утечки от отверстий в листе. Наша производительность растет с частотой, потому что наши продукты непрерывны без отверстий и утечек. CNT превосходят металлы на высоких частотах, так что они отличны для высокоинтенсивных радиочастот (HIRF) и высокомощных спутниковых коммуникаций. CNT также не имеют кожного эффекта, который проблема с металлами». Кожный эффект — тенденция переменного тока избегать прохождения через центр проводника, ограничиваясь вместо этого его поверхностью или кожей, что эффективно снижает поперечное сечение, доступное для переноса тока, и увеличивает сопротивление. Кристи продолжает: «Но CNT не могут конкурировать на низких частотах. Их проводимость просто недостаточно высока и слишком много потерь сигнала. Так что мы смотрим на гибриды».

«Это привело к другим листы материалам, не основанным на наноматериалах», — говорит Спренгард. «Мы разработали VeeloVEIL, металлизованное углеродноволокнистое решение для LSP, которое на 70% легче расширенной медной фольги (ECF) и соответствует требованиям зоны 1A защиты от удара молнии». Зона 1A включает радар/нос, кончики крыльев, гондолы и концы эмпеннажа самолета и должна выдерживать 200 000 ампер электрического тока, как определено требованиями ФАА США (см. «Стратегии LSP для композитных самолетов» и «LSP для композитных структур»). «VeeloVEIL в четыре раза более проводим и в два раза легче против других металлизованных невовенов», — продолжает он. «Это возможно благодаря химии и материальной обработке, которую мы разработали».

Авиационная отрасль в настоящее время не использует углеродноволокнистую вуаль для LSP, говорит Спренгард, «потому что нет продуктов достаточно проводящих для выполнения требований зоны 1A». VeeloVEIL спроектирован для доставки 5–10 миллиом электрического сопротивления (ниже сопротивление означает более проводящий материал) при площадной массе 40–50 г/м² и соответствует авиационным требованиям LSP с использованием единственного, 80-микронного толстого пласта. «Это делает материал очень драпируемым, что приводит к гладкой поверхностной отделке без пост-обработки заполнения пористости, часто требуемой с продуктами ECF», — отмечает он. «Это, в свою очередь, позволяет производителям использовать меньше смолы для покрытия, что экономит материалы и производственные затраты. Нам сказали топ-тремя аэроструктурным OEM, что VeeloVEIL позволяет им снизить общие материалы LSP и время обработки с более чем двадцати часов до менее трех часов».

VeeloVEIL поставляется в той же продуктовой форме, что ECF, что позволяет производителям использовать его без изменения существующих производственных процессов. «Все наши электропроводящие материалы для авиационных композитов спроектированы для обработки машинами [автоматизированного размещения волокна] AFP», — говорит Спренгард. Veelo Technologies также в процессе интеграции VeeloVEIL в стандартный продукт поверхностного слоя, работая с Tier 1 авиационными препреггерами.

Адаптация проводимости для нагрева

Во время разработки VeeloVEIL команда Спренгарда поняла, что способность адаптировать электрическую проводимость своих широких полотен также может использоваться для электротермических нагревательных применений. Это открыло дверь к другой семье ее продуктов, VeeloHEAT.

«VeeloHEAT — это углерод-базированный, неметаллический материал, интегрированный в аэроструктуры для обледенения», — говорит Спренгард. Обратите внимание, это не углеродное волокно. «Сегодня авиационные системы обледенения часто используют металлические проволоки, которые имеют проблемы с долговечностью, особенно в высокоусталостных средах, таких как вертолетов. Если одна из проволок ломается, система больше не выполняет. Эти обычные металлические системы обледенения обычно выходят из строя и должны быть отремонтированы, что затратно по времени и стоимости. Мы продемонстрировали, что наши продукты гораздо более долговечны, что драматически снижает простои самолета». Он отмечает, что эти продукты действительно используются на лопастях роторов для вертолетов и имеют значительный потенциал для EVTOL (электрических вертикального взлета и посадки) самолетов, разрабатываемых сейчас для городской воздушной мобильности и следующего поколения транспорта.

Более ближайшее, Спренгард говорит, продукты VeeloHEAT запланированы к полету на фиксированно-крылом коммерческом самолете в Q1 2020 для ранней стадии квалификации. «Привлекательность этой технологии не секрет», — говорит он, отмечая, что Collins Aerospace (ранее UTC, который теперь будет частью Raytheon) анонсировал эксклюзивную лицензию для CNT-базированных систем обледенения в январе 2017. «Они хорошо знают рынок и позиционируют себя для будущего. Их инвестиция хороший индикатор того, куда направляется эта технология», — добавляет Спренгард.

Veelo Technologies тестирует каждое VeeloHEAT Одеяло на температурный выход и равномерность.

От обледенения к обработке и ремонту композитов

Обычные нагревательные одеяла использовались десятилетиями для отверждения относительно малых площадей — типично менее 1 кв. метра — композитных структур во время клееных шарф-ремонтов. Эти нагревательные одеяла используют традиционные металлические проволоки, встроенные в силиконовую резину или другие материалы (в зависимости от требуемой температуры отверждения). «Похоже на металлические системы обледенения, если одна проволока ломается, нагревательные одеяла коротят и больше не работают», — говорит Спренгард. «Мы использовали наш углерод-базированный продукт обледенения в неметаллическое нагревательное одеяло, имеющее неповторимую долговечность и драпируемость, а также производительность». Индустриальный стандарт для последнего — 3% коэффициент вариации (COV), мера равномерности в нагревательных продуктах, от покрытия к покрытию и от края к краю. VeeloHEAT Одеяло превышает этот стандарт при типичном энергетическом выходе 5 ватт на кв. дюйм.

Нагревательные одеяла Veelo могут производить температуры до 550°F (288°C) и могут быть нетто-формированы для подгонки под детали и инструменты. «Эта способность возможна благодаря нашей способности формулировать химии и производить уникальные передовые материалы с адаптированными удельным сопротивлением», — отмечает Спренгард. Veelo Technologies коммерциализировала эту технологию за 15 месяцев и теперь в полном производстве. «Мы видим очень хороший рост в этой продуктовой линейке», — добавляет он, «и теперь производим большие объемы VeeloHEAT Одеял, используемых для клеения крупных композитных структур вне автоклава и печи, используя множественные температурные зоны и другие процессные функции, запрошенные нашими клиентами».

Переезд и рамп-ап производства

Новый 20 000 кв. футов производственный зал Veelo Technologies предлагает много места для масштабирования производства VeeloHEAT Одеял, которое было переехато и разогнано до полной скорости в фазе один производственного перехода. Фаза два будет завершена к 3 кварталу 2019 года.

Производство для удовлетворения потребностей клиентов

В октябре 2018 года Veelo Technologies получила подтверждение, что выиграла крупную оборонную программу, требующую немедленного рамп-апа. «К счастью, мы нашли почти идеальный, готовый к въезду объект, уже оснащенный инфраструктурой, которую нам нужно было, чтобы начать бег», — вспоминает Спренгард. Объект Вудлоун имеет современный экологический контроль, освещение и эпоксидное напольное покрытие от стены до стены — функции, которые Спренгард отмечает как стандартные в авиации из его туров по операциям клиентов. «Мы не делали ярлыков — наши инвестиции в материалы и отделку высшего качества отражают нашу долгосрочную стратегию и видение будущего», — объясняет он. Эта инвестиция также видна в контроле доступа и охранном персонале объекта, необходимых для оборонных контрактов.

Необходимая достройка объекта завершена во 2 квартале 2019 года, после чего Veelo начала переезд своих производственных линий. «Все наше оборудование работает почти на полной мощности, что сделало планирование остановки для перемещения всех линий в новый объект вызовом», — признает он. Компания завершила фазу один производственного перехода в июле 2019 года, переехав линию VeeloHEAT Одеял и разогнав ее обратно до полного производства.

Большой открытый производственный зал нового объекта доступен из фойе. Справа — производственная зона VeeloHEAT Одеял. Четыре стола для укладки 4 на 10 футов используются для слоения VeeloHEAT пленки с другими материалами на формованные металлические инструменты. Эти укладки затем отверждаются в печи 10 на 10 футов, поставленной JPW Industrial Furnaces (Траут-Ран, штат Пенсильвания, США). Готовые одеяла демонтируются и подключаются к электрическим питательным проводам, позволяющим использование с компьютеризированными блоками управления (горячие бондеры) для отверждения композитных ламинатов и ремонтов. Каждое VeeloHEAT Одеяло тестируется на температурный выход и равномерность.

Более долговечные и конформируемые, неметаллические нагревательные одеяла
Хотя проволоки используются для нагрева металлических инструментов в производстве VeeloHEAT Одеял (выше) и для доставки электрического тока от компьютеризированных блоков управления (горячие бондеры) к одеялам во время отверждения и ремонта композитов, металлические проволоки не используются внутри. Это позволяет этим неметаллическим нагревательным одеялам производиться в 3D формах без сломанных проволок, коротких замыканий и проблем с температурной равномерностью (горячие и холодные точки). Углерод-базированная VeeloHEAT пленка внутри производит температуры до 550°F (288°C) с 3% COV при 5 Вт/дюйм².

Только за областью производства нагревательных одеял находится комната мокрой химии производства. Здесь промышленное оборудование, sourced из Silverson Machine (Ист Лонгмедоу, штат Массачусетс, США) и Netzsch (Берлингтон, штат Массачусетс, США), используется для смешивания передовых химических формулировок, используемых в продуктах Veelo. Следующая — комната производства пленки, где находится проприетарная система для производства углерод-базированной VeeloHEAT пленки Veelo, ключевой технологии внутри VeeloHEAT Одеяла. Снова двигаясь влево — производственная зона VeeloVEIL. Хотя пустая на момент этого тура, обе 15-дюймовая и 36-дюймовая рулонно-рулонные производственные линии для производства VeeloVEIL были переехаты в новый объект в августе. Компания также в процессе проектирования 60-дюймовой линии для встречи будущего спроса. К октябрю Veelo Technologies будет иметь все свои продуктовые линии, работающие под одной крышей и рампующиеся к увеличенному производству.

Решения следующего поколения

Дорога к текущему успеху Veelo Technologies была длинной, и не всегда прямой. «Да, мы начали в наноматериалах, и мы все еще поддерживаем значительную экспертизу в этой области, но ни один из наших клиентов не заботится, используем ли мы наноматериалы или нет», — говорит Спренгард. «Они заботятся только о том, поставляем ли мы убедительное решение, отвечающее их целям производительности и ROI. Например, продукты, позволяющие следующему поколению систем обледенения использовать меньше энергии на самолете, что открывает новые возможности для дизайнов воздушных судов и операционной эффективности».

Спренгард говорит, что все три семейства продуктов Veelo движутся вперед, либо финализируясь в списки квалифицированных продуктов (QPL) OEM и поставщиков, «либо добавляясь как номер детали в базу поставок нашего клиента». Хотя абсолютное большинство того, что компания делает сейчас, для термореактивных композитов, он отмечает, что начинает смотреть на термопластичные композиты и аддитивное производство также.

На чем фокусируется Veelo Technologies для будущего? «Наш первый приоритет — продолжать доставку по нашим существующим заказам и стратегическим возможностям», — говорит Спренгард. «Рынок толкает нас к встрече новым уровням спроса, что отлично и вызов. Оставаться сфокусированными — наш приоритет номер один».

Цели, которые Veelo поставила перед собой сейчас, так же впечатляют, как ее упорство и терпение через 12 лет разработки, чтобы достичь этой точки. «Если смотреть на лучших авиационных композитных поставщиков, таких как Airtech и A&P Technologies», — говорит Спренгард, «у них есть место за столом рано в циклах разработки их клиентов. Быть таким инновационным партнером занимает время». Он добавляет: «и преданность».

Veelo Technologies масштабировалась с четырех до 24 сотрудников и эволюционировала от поставщика наноматериалов к специалисту передовых широких полотен к инновационному партнеру для будущих композитов, признанной Boeing как Поставщик года в 2015 году.