Fraunhofer IPT автоматизирует производство лопастей вентилятора двигателя из термопластикового CFRP, повышая эффективность

Материалы для авиации должны быть высокой устойчивости и при этом максимально легкими. Углепластики (CFRP), обладающие обеими этими свойствами, всё чаще используются в лопастях вентиляторов аэродвигателей (см. «Rolls-Royce начинает производство крупнейших в мире лопастей вентилятора»). Однако производство этих компонентов очень трудоемко и дорого, так как они должны выдерживаться в автоклаве несколько часов. Исследовательская группа Fraunhofer IPT (Ахен, Германия) стремится еще больше автоматизировать производство лопастей вентилятора из CFRP.

Производство многих компонентов из CFRP уже частично автоматизировано. Предварительно пропитанные полуфабрикаты препреги — обычно на основе эпоксидной смолы, усиленной волокнами — наносятся и ориентируются тонкими слоями для создания адаптированной укладки. Затем она выдерживается под давлением и теплом в энергозатратном, дорогом и длительном автоклавовом процессе. Fraunhofer IPT исследует возможности дальнейшей автоматизации производства лопастей из CFRP, чтобы сделать их еще более экономически эффективными.

Однако эти исследователи не используют материалы на основе эпоксидных смол, а опираются на углеродопластик с термопластичной матрицей. Эти материалы уже десятилетиями применяются в летающих конструкциях, обладают хорошими свойствами легкой конструкции в сочетании с отличной ударной стойкостью и могут быстро и гибко обрабатываться в автоматическом режиме. Будучи термопластичными, они не требуют химического перекрестного связывания для отвердевания, а только нагревания до плавления и давления при контролируемом охлаждении. Их также можно повторно нагревать и переформировывать.

Термопластичные композиты, следовательно, гораздо более подходят для эффективных производственных процессов, объясняет д-р инж. Хеннинг Янсен, руководитель отдела технологии волокнистых 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 лент и термоформовку.

Гибкая технологическая цепочка: автоматизированная укладка лент и термоформовка

С помощью полностью автоматизированной системы укладки лент, собственной разработки Fraunhofer IPT, которая коммерциализируется по лицензии, однонаправленно (UD) усиленные термопластичные ленты укладываются друг на друга в соответствии с требуемой направленностью нагрузок в конструкции. Таким образом создается многослойная, высокопрочная и гибкая панель — так называемый органический лист. Исследователи отслеживают и документируют каждый этап полностью автоматизированного процесса с помощью различных датчиков. Таким образом, они могут заглянуть в «черный ящик» производства в процессе и создать так называемую «цифровую тень» для каждого органического листа. Этот виртуальный образ реального органического листа позволяет выявлять отклонения качества на ранней стадии и принимать соответствующие меры.

Готовый органический лист на следующем производственном этапе нагревается и придается ему близкая к окончательной форма в процессе термоформовки. В предыдущих сериях испытаний процесс сначала тестировался на 16-миллиметровых органических листах с тканевым усилением из PA12 и углеродных волокон, а скоро он будет перенесен на органические листы из лент PEEK и углеродного волокна.

Серия испытаний фрезерования компонентов из ВП

После термоформовки кромки сформированного органического листа обрезаются и фрезеруются до конечной формы. Фрезерование ВП представляет большую сложность из-за гетерогенной структуры материала. Кроме того, углеродные волокна оказывают высокое абразивное воздействие на режущий край фрезы, что приводит к сильному износу инструмента и колеблющемуся качеству обработки.

Одной из возможностей увеличения срока службы инструмента является использование фрез с покрытием из поликристаллического алмаза (PCD). В своих попытках обработать лопасти из CFRP в меньшем масштабе исследователи обнаружили, что срок службы фрез с покрытием PCD значительно длиннее, чем у непокрытых инструментов. Кроме того, индивидуально адаптированное проектирование стратегии фрезерования оказало положительное влияние на качество обработки.

Внедрение в различные промышленные контексты

Первые результаты с термопластичными материалами CFRP многообещающи: «Мы смогли показать, что связанные производственные процессы — изготовление и финишная обработка лопастей — работают», говорит Даниэль Хайнен, руководитель бизнес-единицы «Газотурбинные машины» Fraunhofer IPT. «Мы добились очень хорошего качества поверхности как в радиальном направлении лопасти, так и между передним и задним краями. Теперь нам нужно детально изучить и оптимизировать отдельные процессы».

На ближайшие месяцы запланированы исследовательские проекты, в которых новые процессы будут дополнительно оптимизированы и изучены в различных промышленных контекстах. Ученые из Ахена особенно заинтересованы в применении высокопрочного термопластика PEEK в качестве матрицы и интеграции датчиков внутри органического листа. Это позволило бы не только контролировать производственные процессы, но и состояние компонента при последующей эксплуатации в двигателе. Также ищется применение процессной цепочки к другим компонентам, например к статорам и компонентам обтекателя, а также к компонентам вне авиапромышленности. Fraunhofer IPT приветствует заинтересованные компании, желающие участвовать в проектах.