Термопластиковые ленты: драйвер инноваций в композитных аэроструктурах

Производство аэроструктур было сильно затронуто пандемией COVID-19, но авиационные усилия не обязательно следовали за этим, по крайней мере, для Web Industries (Марлборо, штат Массачусетс, США), компании, предлагающей услуги по раскрою термопластиковых лент для различных клиентских применений. По словам Гранда Хоу, глобального директора по исследованиям и технологиям в авиации, исследовательские усилия в космосе, городской воздушной мобильности (UAM) и военной сфере шли полной парой для обеспечения следующего поколения самолетов — и композиты, в частности термопластиковые ленты, были ключевыми для многих из этих усилий.

Термопластиковые ленты не новы, конечно (см. статью главного редактора CW Джеффа Слоана «Хочу сказать вам два слова: «Термопластиковые ленты» для предыстории, начиная с 1960-х), но последние несколько лет увидели рост интереса к ним, особенно для коммерческой авиации и других высокопроизводительных применений (таких как ребра для программы Wing of Tomorrow и программы Multifunctional Fuselage Demonstrator, среди других). По сравнению с термореактивными лентами, термопластики предлагают преимущества, такие как более высокая вязкость, более легкая перерабатываемость, их способность обрабатываться вне автоклава (OOA) и тот факт, что они могут храниться при комнатной температуре.

Web Industries находится на переднем крае разработки и применений термопластиков, наиболее заметно с их множественными возможностями форматирования, которые включают раскрой термореактивных и термопластиковых лент от поставщиков в различные формы и форматы для удовлетворения конкретных клиентских требований. С производственными линиями по раскрою лент, базирующимися в объектах в США и Европе, возможности Web включают форматирование высокопроизводительных полиэтерэтеркетона (PEEK), полиэтеркетонкетона (PEKK) и полиарилэтеров (PAEK) термопластиковых лент, которые наиболее часто используются в авиационных применениях.

Термопластиковые ленты для вторичных аэроструктур — и вызовы в первичных структурах

В настоящее время, отмечает Хоу, большая часть активности в термопластиковых препрегах в аэроструктурах сосредоточена на вторичных структурах, таких как клипсы, панели доступа или подструктуры, в то время как критичные для полета первичные структуры, такие как крылья и фюзеляжи, изготавливаются из термореактивных композитов или металлов.

«Многие вызовы связаны с управлением рисками», — говорит он, и частью проблемы исторически были растущие боли термопластиковых препрегов от поставщиков. Термопластиковые материалы менее зрелы, чем термореактивные ленты. По словам Хоу, в то время как термореактивные ленты имели десятилетия крупносерийного производства для масштабирования и совершенствования, термопластиковые материалы находятся в зачаточном состоянии использования в автоматизированных процессах для крупносерийного производства.

Однако Web Industries работает с различными поставщиками композитных материалов, и Хоу говорит, что в целом последовательность материала и масштаб значительно улучшились за последние несколько лет. Ширина материала, длина, толщина, натяжение волокна и однородность смолы — все намного более последовательны и высокого качества сегодня, говорит он.

Еще один запретительный фактор для изготовления более крупных термопластиковых первичных структур — термопластиковые материалы склонны быть дороже термореактивных. «Это не будет более широко принято, если нет общего преимущества в стоимости», — признается Хоу, отмечая, что сотрудничество и техническая помощь критичны для снижения затрат на процесс. «Мы можем достичь лучших решений, когда все работают коллаборативно от ранних стадий проекта до конца для достижения общих целей».

Гибкость процесса и кастомизация материала

В целом Хоу видит большой потенциал и растущую активность для термопластиковых лент сейчас и в будущем, причем гибкость является одной из главных точек перелома для клиентов.

В настоящее время термореактивные ленты ограничены в основном автоматизированной укладкой волокна (AFP), с ограничениями автоклавного отверждения и требований температуры хранения. Термопластики могут обеспечить более гибкий подход к процессу, а также OOA обработку, говорит Хоу, включая форматы лент для автоматизированной укладки ленты (ATL) и филаменты для аддитивного производства.

По словам Web Industries, коммерческое форматирование и решения цепочки поставок будут критичны для обеспечения аэроструктурных фабрикантов термопластиковыми раскроенными лентами, необходимыми для поддержки прогнозируемых темпов производства отрасли.

Термопластиковые препреги также могут быть адаптированы для конкретных применений. По словам Хоу, конечные пользователи ищут подбор материалов к каждому применению. Поскольку термопластики высоко адаптивны, специфический формат может быть разработан для конкретной детали, говорит он, максимизируя использование материала и снижая последующие затраты клиента. С UAM, космосом и военной сферой как высокими зонами активности, Эшли Грабер, директор по продажам и развитию нового бизнеса, отмечает, что активность адаптируется под проект, а не под авиационную программу.

Форматирование термопластиковых материалов для конкретных применений также помогает снизить отходы, говорит Джейсон Сурман, вице-президент по продажам в авиации. В авиапромышленности коэффициент buy-to-fly, который является отношением сырья к массе готовой детали, является ключевым вопросом. Цель — иметь коэффициент buy-to-fly максимально близким к 1:1, что означает мало отходов материала. Правильный материал в правильном формате для правильного применения может драматически снизить отходы, отмечает Сурман. В авиапромышленности 30% отходов — это «безумно часто», говорит он, и чтобы снизить отходы ниже этого уровня требуются коллаборативные усилия со всех сторон.

«Сочетание материала с процессом критично», — добавляет Сурман, — «и термопластиковые ленты становятся позволяющим решением для производителей аэроструктур».