Fraunhofer IPT автоматизирует производство лопастей вентилятора двигателя из термопласта CFRP

Материалы для самолетов должны быть очень прочными и в то же время как можно более легкими. Предлагая оба варианта, пластик, армированный углеродным волокном (CFRP), все чаще и чаще используется в лопастях вентиляторов авиационных двигателей. (См. «Rolls-Royce начинает производство самых больших в мире лопастей вентилятора»). Однако производство этих компонентов очень трудоемко и дорого, потому что они должны отверждаться в автоклаве в течение нескольких часов. Группа исследователей из Института производственных технологий Фраунгофера (IPT, Ахен, Германия) стремится еще больше автоматизировать производство лопастей вентиляторов из углепластика.

Производство многих компонентов углепластика уже частично автоматизировано. Предварительно пропитанные полуфабрикаты препреги, обычно сделанные из армированной волокном эпоксидной смолы, наносятся и ориентируются тонкими слоями для создания индивидуального слоя. Затем он отверждается под давлением и при нагревании в энергоемком, дорогостоящем и длительном процессе автоклавирования. Fraunhofer IPT изучает возможности дальнейшей автоматизации производства лезвий из углепластика, чтобы сделать их еще более рентабельными.

Однако эти исследователи полагаются не на материалы на основе эпоксидной смолы, а на термопласты , армированные углеродным волокном. . Эти материалы уже десятилетиями используются в летающих конструкциях, обладают хорошими легковесными конструкционными свойствами в сочетании с отличными ударными характеристиками и могут обрабатываться быстро и гибко в автоматическом режиме. Будучи термопластами, они не требуют химического сшивания для затвердевания, а только нагревания до плавления и давления для затвердевания во время контролируемого охлаждения. Их также можно подогреть и изменить форму.

Поэтому термопластичные композиты гораздо более подходят для эффективных производственных процессов, - поясняет доктор технических наук. Хеннинг Янссен, руководитель отдела технологии волоконных композитов и лазерных систем Fraunhofer IPT. В нескольких сериях испытаний его команде впервые удалось объединить два таких процесса для производства лопастей вентилятора:полностью автоматизированную укладку и формирование ленты.

Гибкая технологическая цепочка:автоматическая укладка ленты и термоформование

Благодаря полностью автоматизированной системе укладки ленты, патентованной разработке Fraunhofer IPT, коммерциализируемой по лицензии, однонаправленные (UD) армированные термопластические ленты накладываются друг на друга в соответствии с направление нагрузки, необходимое в конструкции. Таким образом создается многослойная, очень эластичная и гибкая панель, так называемый органический лист. Исследователи отслеживают и документируют каждый шаг полностью автоматизированного процесса с помощью различных датчиков. Таким образом, они могут заглянуть в «черный ящик» производства во время процесса и создать так называемую «цифровую тень» для каждого органического листа. Это виртуальное изображение настоящего органического листа позволяет выявить отклонения качества на ранней стадии и принять соответствующие меры.

Готовый органический лист нагревается на следующем этапе производства, и в процессе термоформования ему придается почти чистая форма. В предыдущей серии испытаний процесс был первоначально протестирован на армированных тканью органических листах толщиной 16 миллиметров, сделанных из PA12 и углеродных волокон, и вскоре будет перенесен на органические листы, сделанные из лент из PEEK и углеродного волокна.>

Серия испытаний для фрезерования компонентов из стеклопластика

После термоформования края сформированного органического листа обрезаются и фрезеруются для придания окончательной формы. Фрезерование стеклопластика очень сложно из-за неоднородной структуры материала. Кроме того, углеродные волокна оказывают сильное абразивное воздействие на режущую кромку фрезерного инструмента и, таким образом, приводят к сильному износу инструмента и нестабильному качеству обработки.

Одна из возможностей продлить срок службы инструмента - это использование фрезерных инструментов, покрытых поликристаллическим алмазом (PCD). Во время своих попыток обрабатывать лезвия из углепластика в меньших масштабах исследователи обнаружили, что срок службы фрезерных инструментов с покрытием из поликристаллического алмаза значительно больше, чем у инструментов без покрытия. Кроме того, индивидуальная разработка стратегии фрезерования положительно повлияла на качество обработки.

Реализация в различных контекстах промышленных приложений

Первые результаты с термопластичными материалами из углепластика являются многообещающими:«Мы смогли показать, что связанные производственные процессы - изготовление и чистовая обработка лезвий - работают», - говорит Даниэль Хайнен, руководитель отдела Подразделение турбомашиностроения Fraunhofer IPT. «Нам удалось добиться очень хорошего качества поверхности как в радиальном направлении лопастей, так и между передней и задней кромками лопастей. Теперь мы должны более внимательно изучить и оптимизировать отдельные процессы ».

На следующие несколько месяцев запланированы исследовательские проекты, в которых новые процессы будут дополнительно оптимизированы и исследованы в контексте различных промышленных приложений. Ученые из Аахена особенно заинтересованы в использовании высокоэффективного термопласта PEEK в качестве матрицы и ламинировании сенсорной технологии внутри органического листа. Последнее позволит контролировать не только производственные процессы, но и состояние компонентов при их последующем использовании в двигателе. Также предполагается применение технологической цепочки к другим компонентам, например, к статорам и компонентам гондол, а также к компонентам, не относящимся к авиационной промышленности. Fraunhofer IPT приветствует заинтересованные компании, желающие принять участие в проектах.