Инициатива ENLIGHTEN ускоряет промышленное внедрение термопластиковых композитов

Чем легче транспортное средство, тем меньше топлива оно потребляет и меньше CO2 выделяет. Легкие материалы, достаточно прочные для безопасности пассажиров, популярны у автопрома и авиации. Термопластиковые композиты — волокно-армированные пластики, размягчающиеся при нагреве — легки, прочны, удобны в обработке и переработке. Некоторые компоненты фюзеляжей и крыльев уже делаются из этого относительно нового материала. Однако их пока нет в широком применении.

Цель ENLIGHTEN — Enabling Integrated Lightweight Structures In High Volumes — найти способ производить надежные целые структуры из этого материала предсказуемо, воспроизводимо и стоимостно-эффективно. Этот 6-миллионный евро, пятилетний проект запускает Университет Твенте (UT, Твенте, Нидерланды) и д-р Ремко Аккерман, ученый UT и ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Твенте, Нидерланды) в рамках нидерландской программы Perspective, вызывающей ученых устанавливать инновационные направления исследований с реальным экономическим и социальным влиянием. Установлена niederländским советом исследований (NWO) и министерством экономики и климата, шесть консорциумов Perspective создаются в Нидерландах, с 138 компаниями и организациями, вкладывающими 10 млн евро своих средств для соответствия 22 млн евро от правительства.

Разработка многоуровневых деталей

CW беседовал с Аккерманом для лучшего понимания ENLIGHTEN. «Читатели CompositesWorld хорошо знают работу TPRC, где фокус на быстрой термопластиковой обработке: сварка, овермолдинг, переработка», — говорит Аккерман. «Мы опубликовали много результатов по материалам, процессам и производительности. Но как процесс влияет на распределение волокно-матрица и пористость? Как это, в свою очередь, влияет на механическую производительность детали? Как эти процессы влияют на инициирование и рост трещин в эксплуатации? Эти аспекты нужно понять для зрелости термопластиковых композитов для широкого промышленного использования».

Именно поэтому ENLIGHTEN — такая крупная программа, вовлекающая специалистов по полимерам, композитной микромеханике, многоуровневому цифровому моделированию и дата-сайенсу. «Наша цель — развить знания для оптимизации термопластиковых композитных процессов для оптимизированной производительности», — говорит Аккерман. «Мы также интегрируем мониторинг процесса — потому что качество материала зависит от способности контролировать процесс — и машинное обучение для ускорения этой оптимизации».

ENLIGHTEN включает все три технических университета Нидерландов (UT, ТУ Дельфт, Эйндховенский ТУ) и компании по цепочкам поставок авто и авиа, включая OEM, Tier-поставщиков и МСП. Организации за пределами Нидерландов тоже вовлечены: WMG Centre Warwick (UK CATAPULT) и Jaguar Land Rover (дочь Tata Motors, Мумбаи, Индия).

Микрограф показывает миграцию волокон над швом сварки между непрерывноволокнистым бланком и коротковолокнистым инжекционным овермолдингом. Как это влияет на прочность и производительность детали — один из множества вопросов ENLIGHTEN.

«Исследуемые процессы: индукционная и ультразвуковая сварка, овермолдинг (тоже сварной интерфейс), каждый с теми же физическими явлениями, но разными скоростями», — отмечает Аккерман. «Так что все те же явления движения волокон, напряжений и инициирования трещин применяются сюда». Но ведь сварные термопластиковые композитные структуры летают на коммерческих самолетах уже 30+ лет? «Да, но ни одна из тех структур не использует индукционную или ультразвуковую сварку с UD-лентами», — указывает он, «что намного сложнее понять и контролировать, но и экономичнее производить, если мы сможем полностью предсказать процессы».

Многоуровневое моделирование и физические испытания сыграют ключевую роль. «Невозможно понять композит без взгляда на производственный процесс, создавший его», — говорит Аккерман. «Через цифровое моделирование мы формулируем гипотезы и проводим эксперименты рядом для валидации и уточнения понимания. Например: формирование кристаллических структур на микроуровне, движение волокон при сварке на мезоуровне и взаимодействие этих явлений для развития напряжений, микротрещин и предельных нагрузок на макроуровне. Такой глубокий и комбинированный уровень исследования я еще не видел в нашей отрасли».

Где здесь машинное обучение? «Каждый аналитический элемент в рабочих пакетах 1 и 2 занимает часы», — говорит Аккерман, «и должен повторяться для каждого конкретного материала, детали и процесса. Для оптимизации по всем масштабам и моделям понадобятся тысячи часов. Но мы будем накапливать данные о том, как все эти явления связаны. Можно обучить нейросети распознавать связи в этих данных, полностью в соответствии с базовой физикой».

Смотря на объем работы, он объясняет: «будут связи слева направо и сверху вниз. На основе всех анализов цель — разработать алгоритмы, применимые общим, гибким способом без начала с нуля каждый раз. То есть алгоритмы применяются к вашей детали, помогая оптимизировать параметры процесса и выбор материалов. Думайте о машинном обучении как о типе кривой аппроксимации с очень многими переменными. Это не идеальная аналогия, но результат эффективно похож: гиперповерхность покажет корреляции и причинно-следственные связи, указывающие путь вперед».

Материалы, диссеминация и конечная цель

Финализация материалов для изучения — одна из первых задач ENLIGHTEN. «Скорее всего полиамид 6 (PA6, нейлон) для авто и низкотемпературный полиарилэтеркетон (LM PAEK) для авиации», — говорит Аккерман. «Оценим другие материалы и все доступные данные». Это может включать данные других программ: MECATESTERS в Clean Sky 2 (много тестов с углеродным волокном LM PAEK UD-ленты), STUNNING (большие данные по ультразвуковой сварке при сборке нижней половины MFFD), COMPeTE в TPRC (овермолдинг для многих комбинаций материалов).

По диссеминации: генеральные собрания ежегодно, подгруппы встречаются по необходимости. Индивидуальные презентации на национальных и международных конференциях, и посвященная сессия или полная конференция в финальном году для обмена общими результатами.

Конечная цель, по Аккерману, — достичь для термопластиковых композитов то, чем обладает металлургия с подходом материалодизайна для монохрусталлических металлов в аэродвигателях. «Их цель — производительность, необходимая для будущего авиации. Мы видим тот же мандат для более широкого спектра мобильности. Мы пытаемся спроектировать процессы сварки и овермолдинга для оптимизации производительности легких термопластиковых композитов для аэро- и автоструктур, но у нас еще так много вариабельности. Результат — избыточные коэффициенты безопасности и меньшая эффективность, чем технологии на самом деле предлагают. Да, у нас летают термопластиковые композитные детали, но на это ушло 30 лет. Европа поставила цель углеродной нейтральности к 2050 — меньше 30 лет. Если идти тем же путем с пробами и ошибками, не выполним цели борьбы с изменением климата. Мы видим другой, более эффективный путь через ENLIGHTEN и время действовать сейчас».