Leonardo и CETMA революционизируют композитные материалы для снижения затрат и уменьшения экологического воздействия

 

Этот блог основан на моём интервью с Стефано Корвалья, инженером по материалам, главой НИОКР и менеджером IP отдела аэроструктур Leonardo (Гроттальяе, Помильяно, Фоджиа, Нола производственные объекты, южная Италия) и д-ром Сильвио Паппадой, инженером-исследователем и главой программ с Leonardo в CETMA (Бриндизи, Италия).

 

Leonardo (Рим, Италия) — один из ведущих мировых игроков в Аэрокосмике, Обороне и Безопасности с 13,8 млрд евро выручки и 40 000+ сотрудников по всему миру. Компания предоставляет комплексные решения на глобальном масштабе для воздуха, суши, моря, космоса, кибер и безопасности и беспилотных систем. С примерно €1,5 млрд (11% выручки в 2019) на НИОКР, Leonardo ранжируется 2-й в Европе и 4-й во всем мире по инвестициям в НИОКР в аэрокосмическом и оборонном секторе.

Через свой дивизион Аэроструктур, Leonardo обеспечивает фабрикацию и сборку крупных структурных компонентов, включая фюзеляжи и оперения, в композитах и традиционных материалах для мировых крупных гражданских авиапрограмм.

В композитных материалах, дивизион Аэроструктур Leonardo производит «однобоковые бочки» для центральных секций фюзеляжа Boeing 787 44 и 46 на своём заводе в Гроттальяе, а также горизонтальные стабилизаторы на своём заводе в Фоджиа — всего примерно 14% авиарамы 787. Другие композитные структуры производства включают, на заводе Фоджиа, фабрикацию и сборку оперений для ATR и Airbus A220 коммерческих самолётов. Фоджиа также производит композитные детали для Boeing 767 и для военных программ, включая Joint Strike Fighter F-35, Eurofighter Typhoon истребитель, C-27J военный транспорт и Falco Xplorer, последний член семейства Falco беспилотных самолётов, производимых Leonardo.

 

Работа с CETMA

«У нас много текущих активностей с CETMA, например, в термопластичных композитах и смольной передаточной формовке (RTM)», — говорит Корвалья. «Наша цель — иметь НИОКР активности готовыми для производства в кратчайший возможный период. В нашем отделе (НИОКР и управление IP) мы также смотрим на разрушительные технологии с более низким TRL [уровень технологической готовности — т.е. более низкий TRL более зачаточный и дальше от производства], но мы смотрим, чтобы быть более конкурентоспособными и помогать нашим клиентам по всему миру».

«С начала нашей работы вместе», — добавляет Паппадо, — «мы всегда смотрели на сохранение низких затрат и экологического воздействия. Мы обнаружили, что термопластичные композиты (TPC) предлагают снижение в обоих по сравнению с термореактивными».

Корвалья отмечает, что «вместе с командой Сильвио мы разработали эти технологии и построили некоторые автоматизированные прототипы ячеек для оценки их в производстве».

 

Непрерывное компрессионное формование (CCM)

«CCM — хороший пример нашей работы вместе», — говорит Паппадо. «Leonardo идентифицировала некоторые компоненты, сделанные из термореактивных композитов, и вместе мы исследовали технологии для их предоставления в TPC, глядя на то, где есть большие количества деталей в самолёте, такие как сплайсовые структуры и стойки с простой геометрией».

«Нам нужна была новая производственная технология, характеризующаяся низкой стоимостью и высокой скоростью», — продолжает он. Он указывает, что в прошлом одиночные TPC компоненты производились с большим количеством отходов. «Так что мы производим нетто-формы на основе неизотермического компрессионного формования, но с некоторыми инновациями (патенты в процессе) для снижения отходов. Мы спроектировали полностью автоматизированную ячейку для этого, которую итальянская компания затем построила для нас».

Эта ячейка способна производить компоненты, которые спроектировала Leonardo, говорит Паппадо, «со скоростью одна деталь каждые 5 минут, работая 24 часа в сутки». Однако его команде затем пришлось разобраться с производством преформы. «В начале нам понадобился плоский ламинационный процесс, для этого было узкое место в тот момент», — объясняет он. «Так что наш процесс начинается с бланка (плоского ламината), нагревает его в инфракрасной (IR) печи и затем в пресс для формовки. Плоские ламинаты обычно производятся с большими прессами и требуют 4-5 часов цикла. Мы решили исследовать новый метод, способный производить плоские ламинаты быстрее. Таким образом, мы разработали высокопроизводительную CCM линию в CETMA с поддержкой инженеров Leonardo. Мы сократили время цикла для 1-метра на 1-метр детали до 15 минут. Важно, что это непрерывный процесс, так что мы можем производить неограниченные длины».

Но чем это ново по сравнению с CCM, используемым уже более десятилетия Xperion, теперь XELIS (Маркдорф, Германия)? «Мы разработали аналитические и численные модели, способные предсказывать дефекты, такие как пустоты», — говорит Паппадо. «Мы сделали это в сотрудничестве с Leonardo и Университетом Саленто (Лечче, Италия) для понимания параметров и их влияния на качество. Мы использовали эти модели для разработки этого нового CCM, где мы можем иметь очень высокую толщину, но также высокое качество. Благодаря этим моделям мы можем оптимизировать температуру и давление, но также то, как их применять. Есть много технологических аспектов, которые можно развить для однородного распределения температуры и давления; однако нам нужно было понять влияние этих на механическую производительность и рост дефектов в композитных структурах».

Паппадо продолжает: «Наша технология более гибкая. Также CCM была разработана 20 лет назад, но нет информации об этом, потому что немногие компании, которые её использовали, не делились знаниями и ноу-хау. Так что нам пришлось начинать с нуля, только с нашими знаниями композитов и обработки».

«Мы сейчас работаем через внутренние программы и с нашими клиентами, чтобы найти детали для этих новых технологий», — говорит Корвалья. «Эти детали могут быть перепроектированы и реквалифицированы для начала производства». Почему? «Цель — иметь самолёт максимально лёгким, но также ценово-конкурентоспособным. Так что мы должны также оптимизировать толщину. Но мы можем выяснить, что деталь может стать ещё легче или идентифицировать множество деталей с похожей формой, что может дать значительную экономию затрат».

До сих пор, он повторяет, эта технология была в руках немногих. «Но мы разработали альтернативные технологии, чтобы сделать эти процессы ещё более автоматизированными, добавив более передовое пресс-формирование. Мы кладем плоский ламинат и получаем деталь, готовую к использованию. Мы в фазе перепроектирования деталей и разработки плоского против формового CCM».

«У нас теперь в CETMA есть CCM линия, которая очень гибка», — говорит Паппадо, «где мы можем применять разные давления по мере необходимости для достижения сложных форм. Линия, которую мы будем развивать вместе с Leonardo, будет более фокусирована на компонентах, соответствующих его специфическим потребностям. Мы думаем, что могли бы иметь разные CCM линии для плоских панелей и L-стрингеров против более сложных форм. Таким образом, мы можем держать стоимость оборудования ниже по сравнению с большими прессами, сейчас используемыми для производства сложных геометрий TPC деталей».

 

Индукционная сварка для in-situ консолидации

«Индукционная сварка очень интересна для композитов, потому что возможно точно настраивать и контролировать температуру, нагревать очень быстро и контролировать очень точно», — отмечает Паппадо. «С Leonardo мы разработали индукционную сварку для соединения TPC компонентов. Но теперь мы думаем использовать индукционную сварку для in-situ консолидации (ISC) TPC лент. Для этого мы разработали новое углеродно-волокнистое ленту, которую можно очень быстро нагреть индукционной сваркой с использованием выделенной машины. Лента использует те же матричные материалы, что и коммерческие ленты, но с другой архитектурой, улучшающей электромагнитный нагрев. Мы оптимизируем механическую производительность, но также думаем о процессе, пытаясь соответствовать разным потребностям, например, как обрабатывать стоимостно-эффективно с автоматизацией».

Он указывает, что ISC очень трудно достичь с TPC лентой при хороших производственных темпах. «Чтобы иметь это для промышленного производства, вы должны нагревать и охлаждать быстрее и прикладывать давление очень контролируемым способом. Так что мы решили использовать индукционный нагрев для нагрева только малой области, где мы консолидируем материал, но оставляя остальной ламинат холодным». Индукционная сварка, используемая для сборки, имеет более высокий TRL, говорит Паппадо.

Использование индукционного нагрева для in-situ консолидации кажется очень разрушительным — чем-то, чего никакие другие OEM или поставщики 1-го уровня не делают открыто на данный момент. «Да, это возможно разрушительная технология», — говорит Корвалья. «Мы запатентовали машину и материалы. Мы нацелены на то, что может быть сравнимо с термореактивными композитами. Многие пробовали AFP (автоматизированное размещение волокна) с TPC, но должны делать вторичный шаг для консолидации. Это большое ограничение в терминах геометрии, стоимости, времени цикла и размера деталей. Мы можем действительно изменить способ производства аэронавигационных деталей».

 

SQRTM

Помимо термопластиков, Leonardo продолжает смотреть на RTM технологии. «Это другая область, где мы работали с CETMA и запатентовали новые разработки на основе более старой технологии, в этом случае SQRTM. Same qualified resin transfer molding (SQRTM) была изначально разработана Radius Engineering (Солт-Лейк-Сити, штат Юта, США). «Иметь внеавтоклавный (OOA) метод, позволяющий использовать материал, который уже квалифицирован, важно», — говорит Корвалья. «Это также позволяет нам использовать препреги, у которых хорошо известные свойства и качество. Мы спроектировали, продемонстрировали и запатентовали авиационную раму окна с использованием этой технологии».

«Это тоже старая технология, но если вы пойдёте в веб, вы не найдёте информацию об этой технике», — отмечает Паппадо. «Что важно — это то, что снова мы используем аналитические модели для предсказания и оптимизации параметров процесса. С этой технологией мы можем иметь хорошее распределение смолы — без сухих зон или скапливания смолы — и близкое к нулю содержание пустот. Мы можем производить высокую структурную производительность, потому что мы можем контролировать содержание волокна, и эта технология может использоваться для производства сложных форм. Мы используем те же материалы, квалифицированные для автоклавного отверждения, но вместо этого в OOA методе, но вы также можете решить использовать быстроотверждающие смолы для сокращения времени цикла до минут».

«Даже с текущим препрегом мы сократили время отверждения», — отмечает Корвалья. «Например, по сравнению с нормальным автоклавным циклом 8-10 часов, мы можем достичь 3-4 часов с SQRTM для детали вроде рамы окна. Тепло и давление применяются напрямую к детали, и масса для нагрева меньше. Также нагревание жидкой смолы против воздуха в автоклаве быстрее, и качество детали выдающееся, что является преимуществом особенно для сложных форм. Нет переработки, близко к нулю пустот и отличное качество поверхности, потому что инструмент контролирует его, а не вакуумный мешок».

 

Визионерское, технологически-базированное будущее

Leonardo производит инновации в большом и разнообразном наборе технологий. Из-за быстрой эволюции технологий, она видит инвестиции в высокорисковые НИОКР (низкий TRL) как критически важные для разработки новых технологий, требуемых для будущих продуктов, которые выходят за рамки инкрементальных (краткосрочных) разработок, которые она уже поддерживает в текущих продуктах. Такое сочетание краткосрочных и долгосрочных стратегий объединено в Мастерплане НИОКР Leonardo 2030, едином видении для устойчивой и конкурентоспособной компании.

Как часть этого плана, она запускает Leonardo Labs, международную сеть корпоративных НИОКР лабораторий, посвящённых передовым исследованиям и технологическим инновациям. На 2020 год компания планирует открыть первые шесть Leonardo Laboratories в Милане, Турине, Генуе, Риме, Неаполе и Таранто и нанять 68 исследователей (Leonardo Research Fellows) с навыками в следующих областях: 36 позиций в Искусственном интеллекте и автономных интеллектуальных системах, 15 в аналитике больших данных, 6 в высокопроизводительных вычислениях, 4 в электрификации аэронавигационных платформ, 5 в материалах и структурах и 2 в квантовых технологиях. Leonardo Labs будут играть роль инновационных аванпостов и генераторов будущих технологий Leonardo.

Важно отметить, что технологии, которые Leonardo коммерциализирует в самолётах, могут также иметь применения в её наземных и морских дивизионах. Следите за дальнейшими обновлениями о Leonardo и её потенциальном влиянии на композиты.