Гибридные перелитые компоненты революционизируют композитные рынки

Сложность и прочность. Компоненты вроде B-скобки для отсеков хранения в самолётах демонстрируют и высокую сложность, и требование высокой прочности — комбинация, для которой техника гибридного переливания особенно подходит. Источник, все изображения | TxV Aero Composites

Часто на авиационном рынке OEM готов платить больше за композитный компонент, зная, что инвестиции вернутся дивидендами в экономии топлива благодаря лёгкости компонента, более долгой жизни из-за меньшего износа или других снижений операционных и обслуживающих затрат. Этот взгляд «жизненного цикла продукта» открыл многие рынки и применения для композитов. Менее необычен композитный компонент, стоимость приобретения которого сама по себе меньше, чем у металлической версии. Но это меняется. Некоторые новые автоматизированные процессы производства композитов начинают наклонять весы в пользу композитов, и среди них — процесс гибридного переливания, разработанный TxV Aero Composites (Бристоль, штат Родо-Айленд, США).

Совместное предприятие Tri-Mack Plastics Manufacturing (Бристоль, штат Родо-Айленд, США) и Victrex (Торнтон-Кливлис, Великобритания), TxV довела свою технику гибридного переливания до статуса коммерческого производства. Компания партнерится с SFS intec Aircraft Components (Альтхенгстетт, Германия) для редизайна и коммерческого производства скобы для верхнего багажного отсека, ранее изготовленной из авиационного алюминия. Историей успеха сама по себе, скоба также демонстрирует потенциал гибридного переливания и ленты VICTREX AE 250 однонаправленного углеродного волокна/полиарилетеркетона (PAEK) для ценного снижения веса и затрат в многочисленных авиаприменениях — преимуществ, достигаемых заменой субтрактивного процесса металлообработки на композитный процесс, в котором материал добавляется, а не удаляется.

От вычитания к добавлению

Токарные и мастерские, производящие металлические компоненты на станках с ЧПУ, прозвали себя «чипмейкерами» по очевидной причине: их процессы срезают ненужный материал от металлических заготовок для изготовления компонентов, создавая металлическую стружку. Эта стружка представляет дорогой аспект металлообработки, будь то утилизация, отправка на переработку или переработка инхаусе. В случае скобы верхнего багажного отсека SFS intec, 60–70% алюминия становится стружкой за несколько фрезеровных операций, необходимых для её обработки.

Этот высокий уровень отходов делает стоимость сырья для нетто-форменной или близкой к нетто-форме композитной версии скобы потенциально ниже стоимости металлического сырья. «Мы можем конкурировать с менее дорогим (за фунт) алюминием из-за стружки; если соотношение buy-to-fly 8:1, большая часть приобретённого алюминия становится стружкой», — отмечает Джонатан Суркс, старший менеджер по счетам TxV. «Другой фактор — время, которое каждая деталь проводит на фрезеровке. Мы можем делать [композитные] детали за минуты, не часы».

Помимо стоимости сырья, композитные версии компонентов вроде скобы — с сложной геометрией и требованием высокой несущей способности — не были экономически実行可能 с исторически доступными производственными вариантами. С одной стороны, если компоненты делались с дешёвым рублёным армированием в высокоскоростном низко-контактном процессе вроде литья под давлением, компонент не достигал достаточной несущей способности. С другой стороны, если делались с более высокой несущей способностью непрерывного волокнистого армирования через низкоскоростной высоко-контактный процесс, обычно включающий некоторую ручную укладку, производство было слишком медленным и/или накладывало производственные затраты, делающие конечный продукт слишком дорогим.

Из-за этих барьеров для новых композитных применений такого типа, композитная индустрия в целом посвятила значительные ресурсы разработке автоматизированных процессов, которые могут производить такие компоненты при подходящих высоких темпах производства и с достаточной несущей способностью для удовлетворения потребностей и спецификаций авиационных клиентов. С глазом на коммерческое производство таких композитных компонентов, TxV возникла в 2017 году специально для ускорения коммерческого принятия инновационных производственных процессов для поликетон-базированных композитных применений во всей авиапромышленности.

Виртуальное прототипирование. Используя проприетарные данные, разработанные для характеристики отношения между ламинатом и переливом, TxV итерировала укладки и ориентации пластов без необходимости изготовления и тестирования физического прототипа. Итерации продолжаются до тех пор, пока видимые напряжения, как изображено здесь, находятся в диапазоне нагрузочных случаев, предоставленных.

Гибридное переливание TxV включает два ключевых достижения в современном производстве композитных компонентов. Во-первых, оно автоматизирует производство тех частей компонента, которые требуют прочность или жёсткость непрерывного волокнистого армирования. Во-вторых, оно использует скорость литья под давлением для завершения сложных геометрий компонента. Более конкретно, оно производит адаптированный ламинат для работы с нагрузками, который затем переливается для функционализации и создания финальной геометрии детали. Гибридная техника, по словам Саши Костабеля, руководителя инноваций SFS intec Aircraft Components, «является хорошим вариантом для компонентов, которые должны выдерживать высокие уровни механического напряжения и геометрии, требующие множественных шагов обработки, где используется традиционная обработка».

Партнёрство с SFS intec стало отличным выбором, говорит Суркс. «Как глобальный лидер в системных креплениях, SFS всегда делает что-то действительно интересное. Они очень инновационны и готовы инвестировать в новые технологии», — отмечает он. У SFS intec также сильные отношения с их авиаклиентами, добавляет он, и они обладают способностью проводить процессы квалификации — ключ к принятию перепроектированного компонента авиапромышленностью.

Скоба верхнего багажного отсека, специально названная «B-скобой», была выбрана первой крепежной деталью для композитного редизайна, потому что она репрезентативна для компонентов, сложных для проектирования и производства. После совместной инженерии, концептуализации детали и дизайна, и моделирования производительности через инструмент конечных элементов Altair (Трой, Мичиган, США), проектная команда итерировала от первой статьи для валидации, тестирования и доказательства модели. Дизайн для производства был центральным для разработки композитной скобы, использующей преимущества автоматизированной укладки ленты для элементов с непрерывным волокнистым армированием и высокоскоростного литья под давлением для элементов с рублёным волокнистым армированием.

Создание B-скоб

Один ключевой аспект процесса гибридного переливания — использование различных полимеров одного класса. PAEK служит матричной смолой для непрерывных волокнисто-композитных частей скобы, в то время как полиэтерэтеркетон (PEEK) используется в перелитых областях. VICTREX PAEK и PEEK обладают превосходной устойчивостью к усталости, химическому и коррозионному воздействию; отличным сопротивлением дыму, пламени и токсичности; быстрой формовочностью; и сваропригодностью. VICTREX AE 250, PAEK с более низкой температурой плавления (LM PAEK), предлагает температуру плавления на 40 °C ниже, чем у PEEK. «Когда расплавленный PEEK течёт над поверхностью композита LM PAEK, более низкая температура плавления позволяет сильное присоединение», — объясняет Суркс.

Конкретные сырьевые материалы для B-скобы: лента VICTREX AE 250 однонаправленного углеродно-волокнистого PAEK (58% углеродного волокна) в ширине два дюйма; и коротковолокнисто-наполненный VICTREX PEEK 150CA30 (30% углеродного волокна). Эти материалы питают производственные рабочие ячейки гибридного переливания, которые создают скобы через следующий многошаговый процесс.

Шаг 1. Система автоматизированной укладки ленты Dieffenbacher Fiberforge 2000 производит адаптированные ламинаты-заготовки.

Сначала ленты углеродного волокна/PAEK укладываются в адаптированную заготовку с использованием системы укладки ленты Dieffenbacher (Эппинген, Германия) Fiberforge 2000. «Эта машина в настоящее время одна из самых быстрых систем укладки ленты в мире», — подтверждает Суркс. Она оснащена роботами для загрузки и перезагрузки катушек ленты, чтобы она могла работать бесперебойно, минимизируя ручное время контакта. Укладка спроектирована так, чтобы минимизировать зазоры между лентами. Каждый пласт B-скобы инспектируется перед укладкой следующего пласта. Процесс выполняется в экологически контролируемой зоне для минимизации потенциала посторонних объектов и мусора (FOD).

Адаптированные заготовки затем консолидируются в автоматизированной специальной ячейке, требующей минимальной ручной обработки для загрузки и разгрузки ламинатов. В ячейке нагретые параллельные пластины пресс-сдают панель, устраняя пустоты. Охлаждаемые параллельные пластины затем охлаждают панель. Два набора пластин, удерживаемых при температуре, намного эффективнее статического пресса с одним набором пластин. «Результат — резко сокращённое время цикла, измеряемое в минутах, а не часах», — говорит Суркс.

Шаг 2. Адаптированные заготовки консолидируются в автоматизированной специальной ячейке консолидации, которая имеет два набора пластин, удерживаемых при температуре (один горячий, один холодный) для ускорения этого шага.

Консолидированные ламинатные преформы затем дополнительно обрабатываются в проприетарной рабочей ячейке для формирования первичной формы скобы (Шаг 3). Финальные вставки из углеродного волокна/PAEK затем вырезаются из сформированных заготовок с использованием водореза Flow International (Кент, штат Вашингтон, США) (Шаг 4).

Шаг 3. Проприетарная рабочая ячейка формирует первичную форму скобы.

Определяя размер адаптированной заготовки, Суркс указывает, что компромисс должен быть обдуман для каждого проекта. «Мы можем разместить ламинат так, чтобы вырезать три или четыре прямоугольника из одного квадратного бланка. Укладывая максимально большой бланк, затем резая его на преформы, вы максимизируете buy-to-fly ratio; но резка преформ означает больше времени для водореза». В проекте B-скобы каждый консолидированный ламинат резается на несколько преформ.

Далее идёт шаг переливания, который выполняется на высокотемпературной машине для литья под давлением Engel (Швертберг, Австрия) (Шаг 5). Вставки помещаются в полость литья под давлением, которая затем заполняется расплавленным PEEK. Вставки помещаются в полость литья под давлением, заполняемую расплавленным PEEK, который плавит верхний слой ламинатов VICTREX AE 250 для создания сильного расплавно-сварного компонента.

Когда требуется, компонент доводится до нетто-формы механической обработкой. «Хотя наша цель — лить близко к нетто-форме», — признаётся Суркс, — «часто требуется некоторый минимальный уровень механической обработки после факта для очистки геометрии процесса». Обработка может выполняться водорезом или ЧПУ.

Прорывные результаты

Шаг 4. Водорез Flow International вырезает вставки из углеродного волокна/PAEK из сформированных заготовок. Две такие вставки используются в каждой скобе.

В производстве скобы SFS intec процесс гибридного переливания TxV достигает времени цикла три минуты и buy-to-fly ratio 1,06:1. «Именно эффективное использование материалов и быстрый производственный процесс позволяют нам производить ценностные термопластичные композитные детали, и это делает возможными снижения системных затрат по сравнению с действующими металлическими дизайнами», — подчёркивает Суркс. «Эффективно мы заменяем сырьё с низкой стоимостью и высоким buy-to-fly ratio и значительным временем обработки на высокоинженерное материаловое решение». Результат — снижение веса в диапазоне 30–40% и снижение затрат в диапазоне 20–30% при прямой замене, то есть замене детали, следующей тем же геометрическим и операционным спецификациям, что и существующий компонент. «Снижение веса в частности может быть велико до 60%, когда нам предоставляется возможность полностью перепроектировать систему деталей», — отмечает он.

Шаг 5. Машина для литья под давлением Engel, оптимизированная для гибридного переливания PEEK, завершает композитную деталь переливанием вставок.

Углеродно-волокнистая/PAEK/PEEK скоба также консолидировала количество деталей: TxV и SFS согласились перелить распорный нос на дно детали в той же операции, используемой для функционализации и добавления других фич. Ранее распорный нос делался из PEEK и удерживался двумя заклепками. Таким образом консолидация приводит как к снижению количества деталей, так и к устранению шага сборки.

Экспертиза двух компаний, запустивших TxV, безусловно, posibilitada успех гибридного переливания. Суркс объясняет, что после разработки материала PAEK и технологии обработки, Victrex сначала исследовала возможности с существующими бизнес-партнёрами. «Однако компании с экспертизой литья под давлением не имели экспертизы работы с непрерывными волокнисто-композитами, и наоборот». Victrex и Tri-Mack партнерили несколько лет перед формированием TxV в 2017 году и построением целевого центра совершенства поликетонных композитов, высоко автоматизированного и спроектированного для высокосерийного производства.

Попрошенный сравнить процесс TxV и результаты с традиционным производственным подходом, Суркс отмечает, что B-скоба не поддаётся стандартным композитным производственным подходам. «Это было бы очень сложно без механической обработки скобы из композитного биллета — что было бы стоимостно запретительно», — говорит он.

Шаг 6. Финальная B-скоба производится с временем цикла три минуты, buy-to-fly ratio 1,06:1 и снижением веса 30–40%.

Квалификация затем полёт

Используя способность SFS intec проводить квалификацию, две компании продолжили сертификацию через «point design», что означает, что только эта конкретная геометрия детали получает полётное одобрение. Детали производились и подвергались тестам, изложенным в документе квалификации. «Учитывая, что деталь — скоба верхнего багажного отсека, операционные нагрузки довольно легко достижимы», — отмечает Суркс. «Однако требования к производительности выходят за рамки этих типичных нагрузок и должны покрывать некоторые экстремальные манёвры при взлёте и посадке». По мере выхода в печать CW, пакет квалификации подан и ожидает финального подписания от хранителя спецификации. TxV и SFS intec ожидают, что деталь будет летать в начале 2020 года.

После квалификации B-скобы TxV масштабируется до производственных объёмов. Пока компания использует свою существующую линию гибридного переливания для производства этих скоб, Суркс подчёркивает, что у компании двойной мандат — как производить детали с технологией, так и поддерживать производителей композитов, заинтересованных в принятии технологии самими. Другими словами, производители композитов могут внедрять этот производственный метод на своих объектах.

Композитные скобы вроде продукта SFS intec имеют потенциал захватить довольно большой рынок для таких компонентов. Коммерческие самолёты используют тысячи скоб и системных креплений, внося значительный вклад в общие затраты и вес самолёта. «Мы убеждены, что термопластичные композитные компоненты будут играть всё большую роль в производстве самолётов», — предвидит Костабель.