Развитие RAPM с PtFS: Ускорение производства композитов

Этот блог является онлайн-приложением к материалю мая 2020 года «Революция в стоимостной парадигме композитов, часть 2: Формовка», обсуждающему программу RApid high-Performance Manufacturing (RAPM, произносится «рэп-эм») под руководством The Boeing Co. (Чикаго, штат Иллинойс, США), часть «формовки» программы DARPA Tailorable Feedstock and Forming (TFF) для обеспечения быстрого, недорогого и гибкого производства малых сложных композитных деталей.

Все три материально-процессных направления в программе RAPM — инфузия смолы, термореактивные препреги и формовка термопластов — включали испытания с системой пиксельного теплового управления и инструментов Production to Functional Specification (PtFS), поставляемой Surface Generation, и расположенной в Boeing R&T в Сент-Луисе (см. таблицу ниже).

Обратите внимание, что PtFS коммерциализирована уже много лет. Этот блог касается разработки процесса RAPM с использованием системы PtFS. Ссылки для этого блога включают:

• Техническая статья и слайд-презентация SAMPE 2019 (20–23 мая, Шарлотт, штат Северная Каролина) «Разработка масштабируемых архитектур динамического контроля для гибких рабочих ячеек производства композитов» Стивена М. Шевчука, Бена Халфорда, Майкла П. Мэтлака, Эндрю Шарпа и Пита Мэсси.
• Техническая статья SAMPE 2020 «Прессовка сложных термореактивных ламинатов» Трэвиса Р. Адамса, Тимоти Дж. Лукини, Джареда Б. Хьюз, Стивена М. Шевчука, Адама Мартинеса и Гейл Хэн, The Boeing Company.

Компоненты системы PtFS

Система PtFS модульна и может быть полностью автономной или использовать части существующей инфраструктуры. Для давления уплотнения/консолидации система может использовать существующий гидравлический пресс или гидравлически приводную зажимную арматуру. Ячейка PtFS Boeing St. Louis оснащена последней — 150-тонной зажимной арматурой, разработанной Surface Generation. Эта формовочная ячейка вмещает объем детали 750×750×100 мм.

Ячейка PtFS Boeing St. Louis включает позиционное и давильное управление. «Программное обеспечение Orchestrator от Surface Generation используется для управления рабочей ячейкой CF-OaO-RAPM PtFS», — отмечает технический феллоу Boeing и менеджер программы RAPM Гейл Хэн. «Каждый инструмент калибруется в системе через настройку смещения и давления. Калибровка давления проводится для настройки гидравлики к ожидаемым давлениям, которые инструмент будет испытывать при обработке. Калибровка разделения инструментов и смещения выполняется для установки открытой/закрытой позиции инструмента, а также зон медленного/быстрого закрытия, защищающих лицевую поверхность инструмента при ручном и автоматическом управлении». Позиционные измерения выполняются четырьмя нитяными потенциометрами, объясняет инженер Boeing по композитным материалам и исследователь RAPM Стивен Шевчук. «Каждый из них расположен на направляющем столбе зажимной арматуры для измерения позиции пластины, а также для предоставления метода безопасности для определения скоса пластины во время работы». Давление контролируется с помощью одного встроенного датчика давления для обратной связи к гидравлическому насосу зажимной арматуры.

Над и под зажимной арматурой находятся верхние и нижние базовые блоки нагрева. Они содержат все компоненты нагрева/охлаждения и работают в ответ на выходы шкафов управления (три шкафа для каждого базового блока нагрева в настройке Boeing). Лицевые поверхности инструментов проектируются для каждого базового блока и устанавливаются с помощью рельсовой и загрузочной системы.

Каждая лицевая поверхность инструмента нагревается и охлаждается сжатым воздухом, направленным на нижнюю сторону каждой лицевой поверхности и распределяемым через диффузор. Каждый набор совместных металлических лицевых поверхностей инструментов разделен на 180 индивидуально управляемых нагревательных каналов — 90 для верхней и 90 для нижней лицевой поверхности. Нагревательные каналы расположены с шагом 10,0 см в сетке по каждой лицевой поверхности. Каждый канал имеет нагреватель, двухступенчатый источник сжатого воздуха и два термопары обратной связи, пружинно-загруженные для обеспечения интимного контакта с обратной стороны лицевой поверхности инструмента. Нагрев лицевых поверхностей инструментов RAPM использовал 1 куб. фут в минуту сжатого воздуха на нагревательный канал, а охлаждение — 3 куб. фута в минуту.

Лицевые поверхности инструментов

Лицевые поверхности инструментов в RAPM обрабатывались из инструментальной стали до толщины ≈3 мм. Нижняя лицевая поверхность для TS-RAPM-001-201 показана в левом верхнем углу на рисунке выше. Верхняя часть лицевой поверхности выглядит как стандартный штамповочный инструмент, но нижняя сторона раскрывает нагревательные каналы.

Лицевые поверхности инструментов приемлемой геометрии могут заменяться на другие, спроектированные для того же базового нагревателя. Инструмент будет требовать тех же размеров нагревательных каналов, приблизительного размещения термопар и глубины, попадающей в диапазон хода пружинно-загруженных термопар.

Рельсовая загрузочная система для замены лицевой поверхности выравнивает все 180 пружинно-загруженных термопар обратной связи в втулки на обратной стороне лицевой поверхности. Шплинты выравнивают лицевую поверхность и позволяют загрузку без точного контроля вилочного погрузчика. Замена инструмента может быть завершена за 2–4 часа двумя операторами, включая разборку и сборку лицевой поверхности в ее раму.

Максимально возможное количество материала удаляется при обработке для уменьшения тепловой массы и улучшения скоростей нагрева и охлаждения. По этой причине каждая лицевая поверхность, используемая в RAPM, требовала структурный КЭ-анализ (FEA) для определения, может ли она выдержать процессную температуру и давление. Лицевые поверхности оптимизировались с использованием линейного и нелинейного FEA, а также стационарного и переходного КГД-термического анализа (CFD). Последний помог обеспечить равномерный нагрев инструмента. И толщина инструмента, и воздухораспределители в каждом нагревательном канале модифицировались для улучшения равномерности температуры. Итеративный цикл между FEA и CFD позволил адаптировать геометрию для поддержания желаемой температуры лицевой поверхности при выполнении требуемых коэффициентов безопасности опоры.

Зоны нагрева и температурный контроль

Нагревательные каналы обычно группируются в зоны, количество каналов в зоне указывается для каждой детали. Каждая зона имеет связанный с ней профиль нагрева, и допуски могут быть установлены внутри и между зонами по требованию. Это позволяет всем нагревателям в каждой зоне нагревать, охлаждать или поддерживать температуру по заданному профилю, динамически изменяя уровни мощности нагревателей и расход сжатого воздуха.

Хотя программное обеспечение управления оборудованием PtFS имеет как аналоговые, так и цифровые стратегии нагрева, адаптируемые к различным сценариям, ячейка RAPM использует аналоговое управление. Это требует автонастройки системы для определения уровней мощности нагревателей при целевых температурах. Уровни мощности для каждого нагревателя устанавливаются для предотвращения пере- или недогрева при нагреве/охлаждении и поддержания уставок температуры. Автонастройка автоматически определяет постоянные значения для модифицированного метода ПИД-управления для каждого нагревательного канала при каждой указанной температуре. После завершения автонастройки профили нагрева могут быть написаны для каждой зоны. Все термические профили проверялись для обеспечения воздействия на композитную деталь температур в пределах ±5,5 °C (±10 °F) от желаемой уставки.

Ячейка Boeing PtFS имеет максимальную температуру 440 °C. Изначально, когда Boeing обрабатывала множество циклов высоких температур в день, существовала опасность повреждения некоторых компонентов из-за отсутствия охлаждения между циклами. Однако система охлаждения была модернизирована в сентябре-октябре 2019 года, включая дополнительную вентиляторную мощность для отвода тепла. С этим улучшением ячейка может непрерывно работать при 440 °C.

Использование большого объема сжатого воздуха окружающей температуры как метода охлаждения обеспечивало быстрое охлаждение лицевой поверхности в верхней части температурного диапазона, но значительно замедлялось по мере достижения 60 °C (140 °F). При нагреве до термопластических температур (>350 °C) температура лицевой поверхности нарастала со средней скоростью 41 °C/мин (74 °F/мин). При охлаждении того же цикла пиковая средняя скорость охлаждения составляла 36 °C/мин (65 °F/мин). Использование сжатого воздуха для охлаждения обеспечивало более непрерывную кривую охлаждения и в сочетании с активным термическим управлением (т.е. нагревом при необходимости) температура оставалась довольно линейной при охлаждении.

Изотермическая штамповка термореактивных препрегов

Первые испытания деталей с использованием рабочей ячейки PtFS проводились для панелей доступа с жезлами TS-RAPM-001, изготовленных прессовкой термореактивных препрегов (штамповка). Инструмент для этой детали занимает 112 из 180 каналов в рабочей ячейке RAPM PtFS. Это включает 56 каналов на верхней и 56 на нижней лицевой поверхности. Сама деталь, однако, не покрывает всю эту площадь инструмента — а только 30 из этих 56 каналов для каждой поверхности, верхней и нижней. На рисунке ниже показано размещение 78 термопар (ТС), использованных для деталей RAPM-001 — 39 для верхней и 39 для нижней поверхности с одинаковым размещением для обеих. Количество ТС составляет одну на ячейку (нагревательный канал) плюс дополнительные ТС в горячих и холодных зонах, выявленных в КГД-термическом анализе.

Пустой инструмент тестировался на равномерность температуры, а затем тест повторялся после встраивания термопар в середину 16-слойного углеродно-плетеного/эпоксидного ламината. После добавления композитного материала распределение температуры лицевой поверхности становится более плотным, так как композит действует как теплопроводящий путь. Также равномерность температуры внутри композитного ламината была выше, чем показания лицевой поверхности. Единственная ТС в Запуске 1 (см. рисунки ниже, верх графика справа), которая осциллировала выше желаемого диапазона температур, находилась близко к краю детали и подозревается, что была вызвана температурными флуктуациями соседних ячеек за линией обрезки детали.

Изотермическая прессовка процесса держала инструмент при 176,7 °C (350 °F) в пределах допуска ±5,5 °C (±10 °F). Для TS-RAPM-001 следовала следующая последовательность:

• Система нагревается до 187,7 °C за ~8 минут
• Композитная заготовка загружается в горячий инструмент
• Инструмент закрывается в 12:09 (например)
• 30 минут времени в инструменте для гелеобразования композита
• Первая стадия давления: начальный быстрый нагрев заготовки с минимизацией вытеснения смолы
• Вторая стадия давления: нарастание до 300 psi для обеспечения хорошей консолидации и предотвращения роста пустот
• Извлечение «зеленого» композита из горячего инструмента для послеотверждения

Этот процесс обеспечил качественные детали и продемонстрировал более короткие циклы, чем текущие композитные процессы. Более высокая процессная температура могла бы гелеобразовать композит еще быстрее, но также может вызвать деградацию материала и риск экзотермической реакции. Это вызывало опасения, потому что инструментовка PtFS не использует традиционную большую тепловую массу для поглощения экзотермии, а полагается на активное охлаждение обратной стороны инструментов с низкой тепловой массой для рассеивания экзотермии.

Ячейка PtFS также использовалась для изготовления деталей-вызовов TS-RAPM-012 «волна». Используя предыдущие разработки, было решено отверждать эти детали 30-минутным изотермическим циклом при 177 °C с последующим 2-часовым послеотверждением при той же температуре. Отличия от предыдущих испытаний включали более агрессивную геометрию и квази-изотропную укладку с эпоксидной смолой CYCOM 5320-1 — стандартной для авиационных деталей вне автоклава — в комбинации с 8-нитьным сатиновым и однонаправленными углеродно-волоконными слоями и внешним слоем из стекловолоконной ткани стиля 108 на одной стороне. Контроллер RAPM PtFS был запрограммирован для приложения минимального давления на ламинат до достижения надлежащей вязкости. После этого начального шага конечное давление приложалось для завершения отверждения. Одно испытание послеотверждалось в духовке, остальные — в зажимной арматуре PtFS для сокращения времени между испытаниями. Было произведено несколько качественных деталей.

Динамические температурные циклы для инфузии смолы

Испытания деталей инфузии смолы с использованием рабочей ячейки PtFS начались с детали изогнутого швеллера RI-RAPM-003. Три разных эпоксидных системы смолы испытывались изначально:

• Solvay CYCOM 823, инфузия при 80 °C с последующим нагревом до выдержки при 125 °C
• Huntsman FAF2 (быстроотверждающая система) инфузия при 100 °C с выдержкой 150 °C
• Applied Poleramic (ныне приобретена Kaneka) API DD3-84 (тоже быстроотверждающая система) инфузия при 60 °C с температурой выдержки 160 °C.

Некрученая тканевая преформа инфузорамировалась, нагревалась со скоростью 2 °C/мин до указанной температуры выдержки и затем выдерживалась 60 минут перед охлаждением. Для быстроотверждающихся смол по мере прогрессирования экзотермической реакции PtFS автоматически применяла активное охлаждение к конкретным зонам инструмента для поддержания заданных температур детали.

Оборудование PtFS также обеспечивало позиционный контроль для поддержки метода инфузии зазора для деталей RI-RAPM-003. В этом методе инструмент закрывался до начальной высоты вакуумной прокладки, позволяя инструменту оставаться открытым на 1,3 мм во время инфузии. После завершения инфузии инструмент затем закрывался на оставшееся расстояние для вталкивания смолы в преформу в z-направлении. Детали успешно изготавливались этим процессом.

Динамический температурный контроль для штамповки термопластов

Оборудование PtFS также использовалось для изготовления изогнутого швеллера RAPM-003 из термопластиковых композитов. Конкретно, оно использовалось для консолидации сложной преформы, снижающейся от 32 до 24 слоев вдоль длины детали, в плоскую заготовку с коническим сечением. Консолидированные заготовки затем отправлялись в ATC Manufacturing (Пост-Фоллс, штат Айдахо, США), которая штамповала конечную деталь с вертикальными полками.

Материал, консолидированный для швеллера TP-RAPM-003, был углеродно-волоконной 2x2 коже тканью, порошково покрытой полиэтерэтеркетоном (PEEK). Рабочая ячейка PtFS использовалась для сверхпластической формовки магниевого мешка AZ31 над термопластической зарядкой, нагревая мешок и зарядку до процессной температуры PEEK 400 °C за ~55 минут.

При этой формовочной температуре аргон подавался в мешок, который приложил давление консолидации к термопластическому композитному материалу. Ячейка затем охлаждала мешок и зарядку ниже температуры кристаллизации PEEK за 30 минут, для общего времени цикла 3 часа.

Слайд 11 выше показывает прогрессию приложенного давления при сверхпластической формовке мешка и консолидации термопласта — увеличение от 20 psi до 140 psi после достижения мешком температуры сверхпластической формовки, которое поддерживалось через охлаждение. Преформы успешно консолидировались и отправлены в ATC Manufacturing, где детали штамповались для этой экстремально сложной геометрии.

Ячейка PtFS также использовалась для одноступенчатой штамповки заготовка-в-деталь панелей TP-RAPM-017 из сбалансированной и симметричной укладки однонаправленного (UD) углеродного волокна/полиэтеркетонкетона (PEKK) ленты в исследовании того, как различные опции и особенности детали влияют на формовку мешком. Панели TP-RAPM-017 измеряли 40,6×40,6 см с мягким контуром, достигающим 1,3 см в высоту. Оценивались три разные геометрии деталей — плоская (без убавки слоев), односторонняя убавка слоев и рамка — имеющие 32 слоя в толстых областях, 16 слоев в тонких и отношение убавки 20:1 между ними. Время цикла детали составляло 1,5 часа для всех геометрий.

Лицевые поверхности инструментов обрабатывались из Invar 42 для наилучшего соответствия термическому расширению UD термопластической композитной ленты. Наборы UD-лент резались и собирались, ультразвуково сваркивались вместе и помещались в инструмент отверждения, где нагревались до 385 ± 15 °C. Тестировались различные циклы давления, затем деталь охлаждалась ниже 220 °C, после чего давление снималось и деталь извлекалась.

Один пример цикла давления для геометрии 1: 20 psi при комнатной температуре, нарастание до 140 psi после того, как запаздывающая термопара достигла температуры плавления 310 °C, затем охлаждение при 10 °C/минуту под давлением до измерения термопарой детали ниже 220 °C. Начальные давления 20, 30, 50 и 70 psi испытывались. Нарастание давления также варьировалось от 10 psi в минуту до 10 psi за 15 секунд до максимального давления 140 psi.

Один заметный результат: все панели показывали плохие результаты С-сканирования в местах ультразвуковой точечной сварки слоев. Таким образом, для лучших результатов такие точечные сварки должны располагаться за линией чистовой обрезки детали. Приемлемые детали производились, но некоторые показывали плохую консолидацию на краях слоев. Это исправлялось увеличением начального давления уплотнения до 30 psi перед нагревом. Однако это увеличение давления вызывало некоторую шероховатость/матовость поверхности на стороне мешка. Также некоторые панели геометрии 2, изготовленные с начальными давлениями уплотнения 50 и 70 psi, показывали сморщивания по центру деталей. Считалось, что эти более высокие давления могли препятствовать скольжению слоев друг за другом во время обработки, таким образом, застревая сморщивание в деталях.

Другая вариация — замена аргона более дешевым азотом для надувания мешка — также снижала качество детали, включая шероховатость/матовость поверхности, вызывавшую более высокие уровни затухания в результатах С-сканирования, хотя пористость не находилась в поперечных сечениях.

Плюсы и минусы PtFS в RAPM

Рабочая ячейка PtFS продемонстрировала быстрый нагрев (<10 минут для отверждения эпоксидных смол при ~180 °C). В сочетании с автоматизированной сменой инструментов это может обеспечить быструю смену деталей и снизить стоимость композитных деталей для коротких производственных серий. PtFS также хорошо подходит для высокотемпературных динамических прогонов (в отличие изотермических циклов деталей).

Возможности ячейки Boeing St. Louis PtFS значительно увеличились во время программы RAPM благодаря улучшенным программным обновлениям для лучшей термической равномерности и контроля зажимной арматуры, улучшенной способности к охлаждению и контролю термопар, а также автоматизированной системе контроля давления pressclave. Дальнейшее увеличение возможностей возможно за счет использования огромного объема данных, генерируемых и записываемых системой каждую секунду, включая уставки каждого нагревательного канала, уровень мощности нагревателя, уровень сжатого воздуха и т.д. Применение машинного обучения к этим данным может дать улучшения качества деталей и процесса. Дальнейшие программные улучшения также могут позволить этим данным выявлять аномалии обработки, такие как чрезмерная требуемая энергия и низкая отзывчивость конкретных участков инструмента.

«PtFS обеспечивает большое количество настройки, как подразумевает название: Production to Functional Specification (Производство по функциональной спецификации)», — говорит Хэн, — «но эта настройка может требовать инвестиций времени для установки и «настройки» системы для новой конфигурации инструмента/детали». Большинство проектов обрабатываемых металлических лицевых поверхностей инструментов для RAPM производились Surface Generation в Великобритании. Однако Boeing и Surface Generation «обучили» американского конструктора инструментов и американского производителя инструментов, чтобы продемонстрировать, что проектирование лицевых поверхностей форм может проводиться в США источниками, отличными от Surface Generation. Та лицевая поверхность, CMD-TP-RAPM-008-503, успешно использовалась для изготовления панелей доступа TP-RAPM-008-203 из коротковолокнистого материала.

«Хотя некоторая форма температурного контроля в инструменте и/или детали помогает при формовке всех композитных деталей», — объясняет Хэн, — «то, что на самом деле требуется, — это контроль температуры в критических зонах и моменты, и это варьируется для каждой детали и процесса. Таким образом, понимание температурного контроля, фактически необходимого для формовки данной детали, является ключевым. 180 зон в PtFS полезны, но также дороги, потому что каждая требует обработанного канала в инструменте. Если детали нуждаются только во внешней и внутренней зоне или конкретной зоне вдоль триггерной геометрии, то другое решение может быть более доступным. Это, однако, открывает дискуссию о том, какой подход лучший для разработки производственной ячейки композитных деталей, гибкой по множеству типов процессов и деталей».

Boeing и DARPA продолжат добавлять информацию в эту дискуссию по мере завершения программы RAPM в 2020 году и публикации дальнейших результатов.