Трансформация затрат на производство композитов: Часть 2 — Продвинутые методы формовки

Подпрограмма RAPM в рамках программы DARPA «Tailorable Feedstock and Forming» (TFF) собрала аналитические данные из текущего и прошлого производства, а также эмпирические данные собственных испытаний формовки для нескольких деталей, чтобы построить эти кривые. Цель — лучше понять компромиссы для композитных деталей и процессов.

Источник всех изображений: The Boeing Co., DARPA

Программа TFF: от видения к реализации

Программа Tailorable Feedstock and Forming (TFF) была запущена Агентством передовых исследовательских проектов по обороне (DARPA, Арлингтон, штат Вирджиния, США) в 2015 году для обеспечения быстрого, недорогого и гибкого производства небольших сложных композитных деталей для военных самолетов. Эта 48-месячная программа нацелена на повышение стоимостной конкурентоспособности композитов для использования их преимуществ в снижении веса, коррозионной стойкости и устойчивости к трещинам по сравнению с механически обработанным алюминием. В первой части этой серии CW рассматривала видение TFF и ее подпрограмму Tailorable Universal Feedstock for Forming (TuFF), разработавшую листовый материал с короткими волокнами, обладающий высокими механическими свойствами и металлоподобной формовочностью.

В этой статье фокус смещается от заготовок к формовке со второй подпрограммой TFF: RApid high-Performance Manufacturing (RAPM, произносится «рэп-эм»), возглавляемой компанией The Boeing Co. (Чикаго, штат Иллинойс, США). Программа началась в июле 2016 года и представила свои результаты во множестве публикаций, включая 6 статей и два доклада на SAMPE 2019. Цель RAPM, как объяснили технические феллоу Boeing и главные исследователи Гейл Хэн и Том Цоцис, — «революционировать стоимостную парадигму для небольших композитных деталей, обеспечивая их повсеместное использование в оборонных приложениях».

«Мы начинали с видения достижения авиационных характеристик с автомобильной эффективностью», — говорит Хэн. Программа работала с производителями автомобильных композитных материалов и деталей, включая Solvay Composite Materials (Альфаретта, штат Джорджия, США) и SGL Composites (Рид и Орт-им-Иннкрайс, Австрия), но достижение авиационных свойств не всегда было простым. «Хотя быстроотверждающиеся эпоксидные смолы с низкой температурой отверждения легко доступны для автомобильных применений, они не приближаются к авиационным требованиям», — говорит Цоцис. RAPM использовала новые быстроотверждающие двухкомпонентные эпоксидные смолы, ориентированные на авиационные детали методом инфузии смолы. Однако изначально формовочная система у SGL не могла превысить 130 °C, что препятствовало достижению цели в 30 минут времени в инструменте.

«Наша цель — достичь максимум 30 минут времени в инструменте для использования высокопроизводительной рабочей ячейки и снижения системных затрат до уровня, конкурентоспособного с механически обработанным алюминием», — говорит Цоцис. «Внутри Boeing мы решили, что это удовлетворит все, что мы видим для оборонных применений», — добавляет Хэн. «Зачем устанавливать цель здесь, если термопласты дают 2–6 минут? Потому что термопласты требуют еще более высоких температур обработки с соответствующими ограничениями инструментов, а наша цель — дать нашей цепочке поставок много вариантов».

По мере продвижения программы она открылась для авиационных материалов и производителей, а также экспериментальных систем, таких как Solvay XEP-2750. «Мы изначально думали, что сможем полностью оценить эту систему, как мы это делали с CYCOM 5320-1 в нашей работе с программой DARPA «Non-Autoclave Manufacturing Technology» с 2007 по 2012 год», — говорит Хэн. Хотя та же степень оценки не была возможна, XEP-2750 теперь коммерциализирована Solvay как CYCOM EP-2750 (см. онлайн-бокс «Новый препрег для прессовки в RAPM») и получила выгоду от многочисленных испытаний деталей RAPM и извлеченных уроков.

«Все, чего я хочу — это пара процессов для небольших композитных деталей, которые могут выиграть у алюминия в торговом исследовании», — говорит консультант отрасли композитов и программы TFF Джефф Хендрикс о своих целях для RAPM. Удалось ли RAPM добиться успеха? CW исследует усилия программы по производству сотен деталей, сравнивая более дюжины авиационных конфигураций через множество материалов и процессов, стремясь сократить время и затраты.

Рамки программы

Работая с ключевыми промышленными партнерами, RAPM испытывала детали в трех основных направлениях:

• Инфузия смолы с HITCO Carbon Composites (Гардена, штат Калифорния, США) и SGL Composites
• Формовка термореактивных препрегов с Solvay Composite Materials (Хинор, Великобритания и Анахайм, штат Калифорния, США), Fiber Dynamics (Уичита, штат Канзас, США) и Reinhold Industries (Санта-Фе-Спрингс, штат Калифорния, США)
• Формовка термопластов с ATC Manufacturing Inc. (Пост-Фоллс, штат Айдахо, США) и TxV Aero (Бристоль, штат Род-Айленд, США)

Испытания формовки проводились в двух фазах: начальная фаза «Разработка производства» (Рис. 1) и последующая фаза «Вызов и переход» (C&T) (Рис. 2) для проверки начальных разработок и перехода к кандидатам с потенциалом победы над механически обработанным алюминием.

Испытания разработки производства использовали три основные конфигурации деталей: панели с жезлами (двух типов), ребро с накладками (увеличением толщины) и изогнутый швеллер形 профиль. Они включали особенности, типичные для авиационных деталей, вызывающие проблемы производства: панель с жезлами имела множество выходящих за плоскость элементов, накладки, убавки и вертикальный край; ребраная панель имела накладку с множеством краев под 90 градусов и ступеньку на одном из краев; швеллер имел разные внутренний и внешний радиусы, переменную кривизну полок и значительные убавки слоев в стенке.

Цель — разработать проектные и технологические рекомендации для каждого из трех направлений. «Это не выглядело эффектно на первых испытаниях», — вспоминает Хэн. «Но они помогли определить допустимые радиусы и геометрии деталей, дающие детали без нежелательных искажений волокон, а также оптимальные комбинации параметров: приложенное напряжение, температура, давление и время в инструменте».

Все три направления RAPM по материалам и процессам включали испытания с системой пиксельного теплового управления и инструментов Production to Functional Specification (PtFS) от Surface Generation (Рутленд, Великобритания), расположенной в Boeing R&T в Сент-Луисе, штат Миссури, США. «Это возникло, потому что мы искали рабочую ячейку, вмещающую все три типа материалов/процессов в гибкой скоростной среде», — говорит Хэн. «Мы смогли исследовать разные подходы к температурному контролю и затраты». Ячейка Boeing PtFS имеет максимальную температуру 440 °C, зажимающую силу 150 тонн и эффективный объем детали 750×750×100 мм.

Хотя изначальное видение предполагало использование материалов TuFF с короткими волокнами, так как они были недоступны в начале, RAPM продолжила с замещающими материалами. Это на самом деле выгодно для отрасли композитов, так как замещающие материалы охватывают те, что более отражают используемые и разрабатываемые вне этого проекта: автомобильные органолисты, авиационные препреги, экспериментальные эпоксидные смолы, полукристаллические термопласты и препреговые композиты с рубленым волокном. Таким образом, результаты и выводы относятся ко всем типам производителей композитов, а не только к оборонным.

Направление 1: Производство инфузией смолы / RTM

Испытания разработки производства в этом направлении начались с автомобильных материалов и процессов. Детали изготавливались SGL Composites методом инфузии смолы под высоким давлением (HP-RTM, 300 бар) и некручеными тканями из углеродного волокна стандартного модуля C T50, 50K (SGL Carbon в Ваккерсдорфе, Германия) в трех конфигурациях деталей: RI-RAPM-009, RI-RAPM-002, RI-RAPM-003 (Рис. 1). Они использовались для определения параметров преформы, необходимых для качественных готовых деталей. Инфузия зазора (компрессионный RTM, или C-RTM) также испытывалась для RI-RAPM-003 в Boeing St. Louis с использованием их системы PtFS.

Вычислительное моделирование течения применялось для лучшего понимания инфузии этих деталей, анализа поведения процесса для оптимизации материалов и параметров процесса и оценки сценариев впрыска.

Подходы к инструментам оценивались по тому, как и когда приложить напряжение к разным типам геометрий преформ для минимизации искажения волокон. Эти проектные изменения были подтверждены для модифицированной геометрии швеллера с последующим КТ-анализом. Извлеченные уроки применялись в последующей фазе C&T с переходом на RTM под низким давлением (LP-RTM) для снижения затрат.

В этих поисковых испытках деламинации обнаруживались в нескольких радиусах глубокой вытяжки. Цоцис считает, что они были вызваны сочетанием недостаточной начальной отверждения смолы в инструменте — из-за того, что паровая система нагрева SGL ограничивала температуру в инструменте 130 °C — и термических/механических напряжений вне плоскости при извлечении детали. «Поскольку прочность смолы еще не была достаточно развита, эти аномалии, вероятно, могли быть устранены полной отверждкой в инструменте», — предполагает он. «SGL не могла обеспечить и время в инструменте, и авиационные свойства до добавления масляного нагрева (вместо только парового) в инструмент, позволяющего отверждать выше 130 °C», — отмечает Хэн. Это было добавлено после испытаний разработки производства.

Деталь-вызов с глубокой вытяжкой

Результаты испытаний разработки производства затем использовались для разработки испытаний-вызовов и перехода. Моделирование также выполнялось для детали-вызова RI-RAPM-004 с глубокой вытяжкой (Рис. 3), имеющей две глубокие вытяжки: прямоугольную область 5 см и область 10 см, переходящую от прямоугольника к V-форме. Вдохновленная производственной панельной сборкой, ее сложная геометрия обеспечивала неравномерный путь течения смолы. Huntsman (Базель, Швейцария) выполнила моделирование течения с программным обеспечением PAM RTM (ESI Group, Париж, Франция) для процесса LP-RTM с двухкомпонентной эпоксидной смолой FAF2 (Huntsman, Вудлендс, штат Техас, США) и армированием из некрученых тканей SGL Carbon: биаксиальной 150 г/м² и однонаправленной (UD) 190 г/м².

RI-RAPM-004 состоит из одной преформы для обшивки, одной для каждой глубокой вытяжки и двух зон накладок (Рис. 3). Для этих элементов преформы использовались разные укладки для выполнения проектных толщин панелей (см. «Производство деталей сложной геометрии в RAPM»).

«Низкое давление преформовки и LP-RTM позволили использовать экономичные инструменты (по сравнению со стальными): инструмент преформовки с ручным зажимом изготовлен из полиуретанового материала Raku-Tool (RAMPF Tooling Solutions, Графенберг, Германия); инструмент отверждения — из алюминия 5083».

Начальные испытания RI-RAPM-004 показали неожиданную аномалию в течении у выхода, поднимающую поверхностные слои и вызывающую искажение волокон. Переворот входа и выхода решил проблему. После инфузии и начальной отвержки в инструменте 130 °C детали послеотверждались при 180 °C в течение 60 минут, затем механически обрабатывались до чистового размера. Десять качественных деталей были переданы Boeing для автоматических УЗ-сканирований (AUSS).

Готовые детали-вызовы показали полную консолидацию, отличное выравнивание волокон и хорошее качество. Детали демонстрировали температуру стеклования 197 °C и объемную долю волокон (FVF) 49,5%, типичную для используемых некрученых тканей. Количество деталей укладки снизилось более чем на две трети по сравнению с текущим препреговым процессом, а ручной труд упал примерно на 90%. RAPM также изготовила деталь-вызов с авиационными смолами и тканями — для проверки адаптивности разработанных инструментов и процессов — и изготовила детали, прошедшие производственные требования бесконтактного тестирования (NDT).

Направление 2: Формовка термореактивных препрегов

Три детали разработки производства из термореактивных (TS) препрегов изготавливались в Приложенческом центре Solvay в Хиноре, Великобритания, с использованием штамповки в пружинном раме и/или формовки двойной диафрагмой (DDF). Все три детали изготавливались с эпоксидными препрегами на основе смол Solvay, включая CYCOM 5320-1, CYCOM 970 и авиационную систему CYCOM EP-2750. «CYCOM 5320-1 — наш основной для деталей вне автоклава (OOA), но также используется как квалифицированная система для автоклава», — говорит Хэн. «CYCOM 970 — это растворительный вариант против горячерасплавленного препрега, а EP-2750 — наша система для прессовки, потому что она оптимизирована для физики и кинетики процесса, что, как мы показали, дает лучшие детали».

Штамповка в пружинной раме и DDF — это изотермические процессы прессовки, в которых термореактивные препреги режутся, собираются и консолидируются в 2D-преформу. Преформа затем предварительно нагревается, перемещается в совместные металлические инструменты и формовывается в обычном гидравлическом пластинчатом прессе. Преформа может удерживаться в напряжении пружинной рамой (Рис. 4), что снижает сморщивание, вызванное зонами сжатия материала при формовке. Альтернативно, DDF помещает преформу между две диафрагмы, устраняя необходимость очистки формы и антипригарного покрытия. Преформа приклеивается к одной из диафрагм, по сути удерживая ее в напряжении, хотя не так прямо или настраиваемо, как с пружинной рамой. В RAPM тип пружин, их расположение и напряжение оптимизировались для каждой детали с помощью моделирования, как и сама пружинная рама. Например, панель с жезлами TS-RAPM-009 использовала раму, способную двигаться вверх-вниз для настройки формовки заготовки параллельно с закрытием пресса.

RAPM минимизировала время детали в инструменте, извлекая размерно стабильные детали после 15–30-минутной начальной отвержки, а затем партийно послеотверждая для повышения скоростных возможностей. Семейства деталей также изучались с использованием одного набора инструментов — например, швеллер с тремя переменными углами полок вдоль крыла — для максимизации использования ячейки. Другие цели, направлявшие подход RAPM TS, включали:

• Автоматизированную сборку и формовку для минимизации ручного труда
• Авиационную механическую производительность с отверждкой при 177 °C
• Стальную инструментовку, выдерживающую >1000 деталей на набор инструментов.

От разработки к детали-вызову «волна»

Детали разработки производства из термореактивных препрегов формовались, индексируя одну переменную за раз, пока не достигалось достаточное качество детали. Оценивались переменные, такие как скорость закрытия пресса, позиция закрытия и давление закрытия, с целью консолидации материала в правильной точке реологической кривой для создания внутреннего гидростатического давления, минимизации вытека смолы и предотвращения слишком дальнего продвижения отверждения, чтобы избежать индукции трещин. После установки параметров формовки изготавливалось три-пять деталей для проверки повторяемости процесса, затем тестировалось на качество. Панели с жезлами показывали пористость <0,5% благодаря высоким давлениям консолидации (20,7 бар). Также производились повторяемые качественные ребра.

Извлеченные уроки затем применялись к гофрированной детали-вызову «волна» TS-RAPM-012 для демонстрации прессовки толстых (номинальная толщина 6,3 мм) однонаправленных ламинатов в формах с малыми радиусами кривизны (12,7 мм). Для выполнения требований деталь использовала квази-изотропную укладку из однонаправленной ленты углеродного волокна промежуточного модуля (IM7; Hexcel; Стэмфорд, штат Коннектикут, США). Внешние слои из стекловолоконной ткани стиля 108 и углеродного волокна стандартного модуля THORNEL T650 (Solvay) в 8-нитьном сатиновом плетении защищают UD-волокна и предотвращают гальваническую коррозию на стороне, стыкующейся с металлической деталью. Использование эпоксидной смолы Solvay CYCOM 5320-1 позволяло более короткие (≤30 минут) изотермические циклы отверждения с 2-часовым послеотверждением в свободном состоянии при 177 °C.

Деталь-вызов «волна» прессовывалась в рабочей ячейке Boeing PtFS с лицевыми частями инструмента из стали P20 с интегрированными вакуумными и смоляными уплотнениями. Полость инструмента была тоньше номинальной толщины ламината для учета вариаций смольного содержания материала, поддерживая внутреннее гидростатическое давление для качественных деталей.

Тестировалось три процесса параметров, включая холодную формовку (предварительное формирование слоев без нагрева), горячую дебулковку (предварительную консолидацию) и предварительный нагрев преформы. Холодная формовка была отвергнута как трудоемкая и неполезная. Для предварительной консолидации ламинаты вакуумно упаковывались на пластину с вязальной стекловолоконной подкладкой и дебулковались под полным вакуумом в духовке при 116 °C в течение 40 минут. Хотя автоматический ИК-преднагрев стандартен для промышленного производства, в этих испытаниях предварительный нагрев заключался в помещении преформы в горячий инструмент (179 °C) и закрытии насколько возможно без контакта на 3 минуты. Затем деталь прессовывалась.

Испытание 8 из девяти завершенных (#0-8) дало деталь наивысшего качества, главным образом благодаря предварительной консолидации. Образцы из нее соответствовали толщине (проблема других деталей) и качеству ламината с объемной долей волокон 59–63% и содержанием пустот 0–0,6%.

Направление 3: Формовка термопластов с диафрагмой: ребро и швеллер

RAPM выбрала ребро TP-RAPM-002 из испытаний разработки производства для демонстрации одноступенчатой прессовки от сырья до готовой сложной детали, и изогнутый швеллер TP-RAPM-003 для двухступенчатого подхода. Boeing St. Louis формовала ребро -002 с прессом Accudyne Systems (штат Делавэр, США) и консолидировала заготовки для швеллера -003 на оборудовании PtFS. На втором этапе ATC Manufacturing штамповала заготовки швеллера в детали.

Для ребра -002 RAPM использовала 12-дюймовую UD-ленту от Solvay: 12K углеродное волокно AS4D (Hexcel, Стэмфорд, штат Коннектикут, США) усиленное полиэтеркетонкетоном (PEKK). Для швеллера -003 использовалась ткань от Cramer Fabrics Inc. (Довер, штат Нью-Гэмпшир, США): 3K углеродное волокно AS4 (Hexcel) без зачисления в 2x2 коже, порошково покрытое полиэтерэтеркетоном (PEEK); площадная масса волокна 250 г/м²; смольное содержание 42%.

Проблемы формовки термопластов (TP)

TP-композиты обрабатываются при более высоких температурах, чем термореактивные — например, 390 °C для PEEK и 375 °C для PEKK — что создает ряд проблем. Материалы инструментов, выдерживающие такие высокие температуры, ограничены. Кроме того, большой температурный перепад между обработкой детали и извлечением затрудняет поддержание равномерной температуры инструмента. Лекарство — тепловые выдержки и/или более медленные нагрев и охлаждение, что удлиняет циклы.

Высокие температуры также создают проблему коэффициента теплового расширения (КТР). КТР материала инструмента часто отличается от КТР TP-ламината, что может заставить TP-ламинат усаживаться от инструмента, снижая приложенное давление и предотвращая полную консолидацию. Также КТР TP-ламината постоянно вдоль углеродного волокна, но является билинейной кривой перпендикулярно волокну. Это приводит к разному усадке в плоскости и вне плоскости при нагреве и охлаждении TP-ламината, что также должно учитываться в дизайне инструмента.

TP-ламинаты также могут усаживаться от инструмента по мере уменьшения объема смолы при переходе из жидкого в твердое состояние. Именно на этапе охлаждения, когда происходит критическая кристаллизация смольной матрицы, требуется точный контроль равномерности температуры и давления ламината для обеспечения высоких свойств готовой детали.

Другая проблема: инструменты должны быть полностью герметичны для удержания расплавленного TP в процессе формовки. «Уплотнение инструмента при 375–390 °C сложно, так как очень мало конформных прокладок выдерживают эту температуру и давления формовки TP 300–500 psi и выше», — говорит Хэн. «Мы ограничены либо металлическими прокладками, либо совместными металлическими инструментами для обеспечения уплотнения. Эластомерная инструментовка была бы невероятно полезна, однако все текущие эластомеры разрушаются при температурах формовки TP».

Boeing St. Louis потребовала новую инструментовку для создания горизонтального давления на вертикальных элементах ребра при консолидации в гидравлическом прессе, имеющем только вертикальное движение. Решением стал тонкий алюминиевый мешок (подобная система использовалась для формовки TP-RAPM-003, Рис. 5). Надутый инертным аргоном при высоких температурах, мешок расширялся, приложение равномерное давление ко всем поверхностям детали при консолидации.

Верхний и нижний инструменты изготавливались из нержавеющей стали 410, соответствующей вплоскостному КТР UD-ламината углеродное волокно/PEKK. В цикле пресса верхний инструмент с алюминиевым мешком опускался и медленно давил закладку в женскую полость нижнего инструмента. Мешок был меньше на 30% от конечной толщины детали для размещения объема неконсолидированной ленты в этом одноступенчатом процессе. Этот инструмент монтировался в обычный пресс с электрическими ТЭНами, соединенными в 12 независимо управляемых зон — плюс шесть основных зон пресс-пластины — для контроля температуры поверхности инструмента в полках и стенке ребра.

Эти формовочные испытания дали композитные детали с допустимыми результатами НК. Однако дизайн мешкового инструмента требует дальнейшей разработки для улучшения формовки закладки в малые внутренние радиусы детали и поддержания равномерной поверхностной толщины.

Консолидация заготовок из ткани PEEK

Для изогнутого швеллера TP-RAPM-003 использовалась порошково покрытая ткань PEEK 2x2 коже с относительно высоким объемным фактором. Boeing St. Louis сначала консолидировала укладку, которая снижалась от 32 до 24 слоев вдоль длины детали, в плоскую заготовку с коническим сечением, затем отправила заготовки в ATC Manufacturing, которая штамповала конечную деталь с вертикальными полками.

Как и для ребра, Boeing использовала формовочный мешок и стальные верхний и нижний инструменты. Мешок был заменен на магниевый сплав AZ31, лучше устойчивый к разрыву, чем алюминий. Инструмент швеллера был разработан для работы в ячейке формовки Surface Generation PtFS для более быстрого нагрева и охлаждения по сравнению с обычным прессом с картриджевыми нагревателями, использованным для ребра.

Подход к инструментам швеллера разрабатывался для повышения гибкости для множественных деталей. Укладка помещалась на нижний инструмент, нагретый до температуры стеклования (T_g) материала для поддержания пластичности без плавления. Рама уменьшения объема с давильным уплотнением устанавливалась сверху на нижний инструмент, оставляя полость немного большую, чем укладка детали (Рис. 5). Тепло и гидравлическое давление приложались от верхнего инструмента через мешок к укладке. При достижении температуры формовки аргон подавался в мешок, заставляя его опускаться в полость рамы и приложить давление к конической заготовке. Температура инструмента затем повышалась через фазу плавления материала при поддержании давления мешка, что предотвращало течение материала по нижнему инструменту в фазе плавления.

Цикл преформовки занимал 55 минут для нагрева мешка и TP-закладки до процессной температуры и 30 минут для охлаждения ниже температуры кристаллизации PEEK. Давление варьировалось от 1,4 до 9,7 бар и поддерживалось вручную от высокодавленного баллона с клапаном. С недавней интеграцией системы pressclave в ячейку PtFS, автоклавоподобный контроль вакуума и давления (±3 psi) в полости пресс-инструмента будет автоматизирован в будущем.

Штамповка термопластов

Консолидированные заготовки для швеллера -003 отправлялись в ATC Manufacturing для штамповки, где заготовка нагревается достаточно выше температуры плавления для обеспечения полимерного течения. Затем она переносилась в быстро закрывающийся пресс для формовки и быстрого охлаждения детали. Формовочный инструмент в прессе держится при постоянной температуре, обеспечивая быстрые циклы за счет устранения разгона и охлаждения. Температура инструмента должна быть между температурой плавления и T_g для развития требуемого уровня кристалличности термопластической матрицы за короткое время, но обеспечения извлечения детали без деформации. Серия заготовок с имплантированными термопарами использовалась для валидации полного термического цикла штамповки швеллера.

Моделирование формовки с программным обеспечением Aniform (Энсхеде, Нидерланды) показало, что высокодрапируемая заготовка из ткани PEEK все еще несет риск сморщивания в зонах сжатия, а именно во внутренней (меньшем радиусе) полке. Таким образом, система натяжения (Рис. 5), состоящая из челночной пластины и зажимов, удерживала заготовку в напряжении при закрытии совместных металлических инструментов для формовки. Несмотря на это, лицевая поверхность полки в сжатии все равно показывала избухнутость, так как волокно толкалось внутрь при внутреннем радиусе. «Все три направления RAPM боролись с изготовлением этой детали», — утверждает Хэн. «Ее геометрия была экстремальной, не столько индикативной реальной детали, сколько созданной для проверки пределов формовочности».

Испытания разработки производства привели к деталям-вызовам и переходам, включающим множество версий панели доступа TP-RAPM-008, ребра с ступеньками на полках TP-RAPM-013 и исследование мешка с тремя разными геометриями панели TP-RAPM-017 (Рис. 2). Boeing St. Louis произвела все эти, кроме ребра TP-RAPM-013, которое произвела ATC. «Хотя эта деталь изготовлена из UD-ленты, которая обычно сложнее формовать, чем ткань, мы смогли формовать эти детали очень хорошо», — говорит Тревор МакКрае, директор НИОКР ATC Manufacturing. В целом испытания формовки TP показали, что штамповка может производить сложные геометрии, невозможные при обычной прессовке.

Учимся снижать затраты по сравнению с алюминием

RAPM продемонстрировала новые формовочные возможности во всех трех направлениях и накопила множество уроков: от того, как позиционировать накладки для предотвращения соскальзывания при прессовке, до рекомендаций по геометрии деталей для максимизации качества и минимизации стоимости инструментов. «Понимание влияния выходящих за плоскость элементов, отношения радиуса к толщине и расстояния между геометрическими деталями становится ключевым при переходе к малым деталям», — отмечает Хэн. «Стандартизация элементов, таких как радиусы, кривизны и углы полок, может помочь смягчить драйверы затрат, например, снизить стоимость инструментов, количество формовочных испытаний при разработке и потребность в множественных сканированиях при НК (бесконтактном контроле) за счет стандартного наконечника AUSS для семейства деталей».

Другим драйвером затрат, выделенным RAPM, был трудоемкий этап предварительной консолидации при прессовке термореактивных препрегов. «Низкообъемные и более смольные препреги расширяют технологическое окно и повышают повторяемость для качественных деталей», — объясняет Хэн. «Solvay разработала патентную «трансформерную пленку», которую можно наносить на препреги с низким пропитанием перед прессовкой как метод гарантирования гидростатического давления в полости инструмента при консолидации».

Хотя RAPM официально завершится только осенью 2020 года с последующими публикациями, результаты на данный момент для выбранных деталей, основанных на реальных оборонных программах, показывают, что композиты могут конкурировать с механически обработанным алюминием (Рис. 6). Хотя выбранные детали инфузии смолы и TP снижают повторяющиеся затраты — материалы, станко-время и т.д., рассчитанные на общее количество деталей в семействе при наличии неповторяющейся инфраструктуры — сборка TS-RAPM-012 «волна» показывает 7% повышение по сравнению с механически обработанным алюминием. Однако она достигает желаемой экономии веса и с премией, фактически попадающей в маржу, установленную Хендриксом: «Никто не заплатит в 2 раза больше за экономию веса композитов; они должны стоить в пределах 10% от алюминия». Однако он уступает: «Все еще есть вопросы неповторяющегося времени и затрат, такие как инструментовка и разработка, необходимая для успешной формовки формы».

Расширение опций

Хотя инфузия смолы выигрывает для больших деталей, говорит Хэн, штамповка TS и TP выглядит неплохо для малых деталей. «Начальная стоимость инструментов для инфузии смолы трудно преодолеть, если металлические детали не очень сложные, требуя много механической обработки», — объясняет она.

«Термопласты хорошо смотрятся для больших объемов, но субподрядчик для данной программы может не быть настроен на термопласты. Однако штамповка термореактивных препрегов может быть очень хорошим вариантом даже для малосерийных запасных деталей. Поскольку оборонные применения настолько широки, важно иметь более одного материала и процесса в торговом обсуждении». Хэн отмечает, что RAPM открыла новые материалы и доказала, что авиационные материалы могут работать в автомобильных процессах. «Мы также привлекли новых производителей».

Хендрикс соглашается, что обмен авиационным и автомобильным производством в RAPM был полезен. Кроме того, он впечатлен способностью Solvay и SGL формовать сложные формы без искажения волокон или других дефектов. «То, что нужно для изготовления эстетичных автодеталей, на самом деле имеет выгоды», — признает он. «Нельзя иметь сморщиваний или плохую поверхность; они должны быть идеальными. Но все равно потребовалось множество испытаний и значительная разработка для формовки деталей RAPM. Не уверен, что оборонные программы захотят вкладываться в эту НИОКР, если имеют дело с малыми объемами. Экономика будет в каждом случае отдельно, но инструментовка и разработка остаются проблемами, которые нужно решить». Хэн добавляет: «Мы публикуем извлеченные уроки, позволяя более обоснованным торговым исследованиям с расширенными опциями и устанавливая достаточно открытую базу для отраслевого обсуждения». CW продолжит это обсуждение с обновлением, когда RAPM завершится в этом году.