Продвинутый препрег для быстрой прессовки в RAPM

Углеродно-волокнистый/эпоксидный препрег десятилетиями был базовым материалом для авиационных композитов, потому что он обеспечивает высокие механические свойства и точное соотношение смолы/волокна, а также удобство укладки и отверждения в автоклаве. Однако, поскольку производители самолетов и городской воздушной мобильности (UAM) исследуют более высокие производственные темпы и низкие затраты, прессовка привлекательна, сокращая циклы и повышая эффективность по сравнению с автоклавом. В простейшем виде прессовка включает предварительный нагрев формовочного материала, размещение его в открытую полость инструмента и консолидацию гидравлическим давлением при температуре, в течение которой жидкий термореактивный материал превращается в твердый. Отвердевшая деталь затем извлекается для любых необходимых обрезки и финишных операций.

Сочетание прессовки и препрега не только обеспечивает эффективный высокотемповый процесс с производительностью и удобством препрега, но также избегает некоторых сложных процессов динамики заполнения сухих армирующих материалов жидкой смолой в процессах инфузии смолы и переноса смолы (RTM). Для малых авиаструктур особенно прессовка препрега предлагает потенциал такт-таймов <30 минут при сохранении высокого качества деталей сложной геометрии.

Solvay Composite Materials (Альфаретта, штат Джорджия, США) был ключевым партнером в программе RApid high-Performance Manufacturing (RAPM) под руководством The Boeing Co. (Чикаго, штат Иллинойс, США). RAPM — это часть «формовки» программы Tailorable Feedstock and Forming (TFF), запущенной Агентством передовых исследовательских проектов по обороне (DARPA, Арлингтон, штат Вирджиния, США) в 2015 году. Ее цель — обеспечить быстрое, недорогое и гибкое производство малых сложных композитных деталей и повысить способность композитов конкурировать с механически обработанным алюминием в оборонных применениях.

Долгосрочный поставщик Boeing для оборонных применений, Solvay также был лидером в новых решениях для гражданской авиации, таких как эпоксидный препрег вне автоклава (OOA) CYCOM 5320-1, и для автомобильной промышленности, таких как препрег винилового гибрида SolvaLite 730 с такт-таймом 1 минута.

RAPM была идеальной возможностью для Solvay испытать и усовершенствовать свою экспериментальную систему XEP-2750, теперь коммерциализированную как CYCOM EP2750, разработанную для связывания авиационного и автомобильного производства композитов. Этот блог — онлайн-приложение к статье мая 2020 года «Революция в стоимостной парадигме композитов, часть 2: Формовка» — рассматривает эту разработку, а также процессы прессовки, используемые, и то, что CYCOM EP2750 предлагает авиационным и автомобильным производителям композитов.

Ссылки для этого блога включают:

• «Spring Frame Press Fabrication of Aerospace Production Components» Тимоти Дж. Лучини, Алехандро Х. Родригеса, Скотта А. Роджерса, Ореле Браса, Адама Уайсалла, Ричарда Рассела, Скотта Лукаса, Гейл Л. Хэн. SAMPE Conference Proceedings. Шарлотт, NC, 20-23 мая 2019.
• «Challenges of Aerospace Structural Part Geometries for High-Rate Compression Molding» Ореле Браса, Алехандро Х. Родригеса, Ричарда Рассела, Тимоти Дж. Лучини, Трэвиса Адамса, Адама Уайсалла, Скотта А. Роджерса, Скотта Лукаса, Гейл Л. Хэн. Society for the Advancement of Material and Process Engineering – North America. SAMPE Conference Proceedings. Сиэтл, WA, 4-7 мая 2020.
• «Rapid High Performance Molding of Structural xEP-2750 Prepreg for Compression Molding» Тимоти Дж. Лучини, Алехандро Х. Родригеса, Скотта А. Роджерса, Ореле Браса, Адама Уайсалла, Ричарда Рассела, Скотта Лукаса, Гейл Л. Хэн. SAMPE 2019.

¹The Boeing Company, Saint Louis, MO 63134, ²Solvay Composite Materials, Анахайм, штат Калифорния, США и ³Solvay Composite Materials, Хинор, Великобритания.

• Вебинар CompositesWorld: «Автомобильные процессы для высокотемпового авиационного производства композитов» Алехандро Родригес, Solvay Composite Materials, Анахайм, штат Калифорния, США.

Целевые показатели материала и процесса

CYCOM EP2750 разрабатывалась для выполнения целевых показателей производительности, установленных Boeing для авиационного закаленного эпоксидного материала, демонстрирующего баланс температуры стеклования (Tg) до 350 °F, хороших свойств с выемками — например, сжатия на открытом отверстии (OHC) и растяжения на открытом отверстии (OHT) — и растворительной стойкости. Этот новый класс препрега применим к первичным и вторичным авиаструктурам и совместим с множеством армирований (например, углеродным и стекловолокном).

CYCOM EP2750 также разрабатывалась с возможностью масштабирования производства с использованием автоматизированной обработки и прессовки. Это включает время отверждения в инструменте 15–30 минут при 330–370 °F с 1-часовым послеотверждением при 350 °F. Такт-тайм 30 минут или менее обеспечивает годовой производственный объем 10 000 деталей на инструмент.

Solvay использовала две вариации прессовки во время программы RAPM: штамповку в пружинной раме и формовку двойной диафрагмой (DDF). Обе используют принцип удержания плоской заготовки и прохождения ее через этап инфракрасного (ИК) предварительного нагрева перед перемещением в совместную металлическую полость инструмента. Пресс затем закрывает стальную форму по автоматизированной программе и приложяет полное давление к препрегу на оставшееся время в инструменте.

И штамповка в пружинной раме, и DDF используют совместные металлические инструменты и предлагают подход горячая-загрузка/горячая-разгрузка, устраняя разогрев и охлаждение инструмента для высокотемпового производства. Обе успешно использовались для прессовки множества типов деталей сложной геометрии с накладками, вертикальными полками и вариациями толщины от 3,8 до 8,9 мм. Эти детали изготавливались в Приложенческом центре Solvay в Хиноре, Великобритания. Хотя не доступно во время RAPM, Хинор теперь оснащен полностью автоматизированной линией прессовки от рулона препрега до формованной детали, достигающей такт-таймов 15–60 минут для авиационных деталей из EP2750 и 3 минут или менее для малых и средних деталей с автомобильными препрегами. Solvay видит множественные преимущества в процессе DDF, включая:

• Исключение этапа преформовки — от 2D заготовки к 3D детали
• Отсутствие необходимости в антипригаре или очистке формы
• Снижение вспомогательных материалов (например, вязальной подкладки, бледеров, вакуумных мешков, скотча) по сравнению с автоклавом
• Улучшенный buy-to-fly по сравнению со штамповкой в пружинной раме, потому что меньше излишнего материала нужно для крепления пружинных зажимов.

Полная vs частичная пропитка для поддержания давления

Характеристики EP2750, облегчающие прессовку, включают ее низкую липкость для автоматизированной пик-энд-плейс обработки и ее полностью пропитанную природу по сравнению с CYCOM 5320-1, который частично пропитан для обеспечения краевого дыхания, необходимого для ламинатов без пустот при OOA-обработке. Прессовка, однако, использует очень быстрый принудительный поток смолы из-за более высоких применяемых давлений — например, до 350 psi (типичный максимум для EP2750) по сравнению с 35 psi, обычными для автоклавной обработки, и 14,7 psi при вакуумном OOA.

Наличие более полностью пропитанного препрега, хотя смольное содержание лишь немного выше — 40% в CYCOM EP2750 по сравнению с 36% в CYCOM 5320-1 — поддерживает гидростатическое давление при уплотнении и отверждении в полости совместного металлического инструмента, что приводит к меньшему риску сухих зон, нестабильной отвердевшей толщины детали (CPT), сморщиваний и других дефектов при обеспечении хорошего качества поверхности.

Особенно следует отметить, что Solvay разработала запатентованную Трансформерную Пленку для увеличения гидростатического давления при использовании препрега CYCOM 5320-1 с более низким смольным содержанием. Нанесенная на укладку детали перед прессовкой, Трансформерная Пленка увеличивает смольное содержание и помогла вывести CPT до требований в формовочных испытаниях деталей RAPM.

Испытания формовки деталей RAPM

Как объяснено в статье CW за май 2020 года, CYCOM EP2750 был одним из основных материалов, испытываемых в направлении термореактивных препрегов RAPM. Путь-поисковые детали, испытанные в начальной фазе Производство и Разработка, включали

панели доступа с жезлами TS-RAPM-001 и -009, ребро TS-RAPM-002 и изогнутый швеллер TS-RAPM-003. Детали проектировались в Boeing (множество локаций глобально), инструментовка изготавливалась в C-Con GmbH (Мюнхен, Германия), детали производились в Приложенческом центре Solvay в Хиноре, Великобритания, и затем тестировались в Solvay Анахайм, штат Калифорния, США и Boeing St. Louis, штат Миссури, США.

Качество поверхности оценивалось с использованием бесконтактного контроля (NDI) и выбранные панели поперечно секались для пористости, сдвига на коротком основании, объемной доли волокон, смольного содержания, степени отверждения и температуры стеклования.

Уровни пористости ниже 0,5% легко достигались, что атрибутировалось высоким давлениям консолидации прессовки. Хотя параметры процесса требовали оптимизации для каждой разной детали, однажды зафиксированные, процесс показывался повторяемым.

Панель с жезлами TS-RAPM-009

Эта плоская деталь длиной 600 мм имела параллельные жезлы различной геометрии. Толщина увеличивалась от 3 до 6 мм в одном углу (накладка), в то время как противоположный угол имел постоянную толщину со ступенькой. Противоположный край состоял из вертикальной полки с углом уклона, линейно меняющимся от 0° до 20°.

Соскальзывание накладок

Начальные испытания проводились с накладками, сложенными на поверхности укладки. Однако, поскольку слои накладок находились близко к краю детали, они могли быть выдавлены из детали, что приводило к зоне низкого давления при отверждении и пористости. Решением было чередование слоев накладок внутри стека ламината. Риск соскальзывания и пористости не наблюдался в более поздних деталях, где накладки располагались вдали от краев и эффективно блокировались окружающим материалом.

Пористость при времени выдержки

Повышенная пористость также наблюдалась, если время выдержки было слишком длинным. Панели с жезлами, изготовленные с 8-минутной выдержкой, имели более низкое содержание пустот, чем те, что с 10-минутной. Это особенно верно в зоне накладки, где содержание пустот составляло 5,5% для 10-минутной выдержки и 0,4% для 8-минутной. Более короткая выдержка поддерживает высокий поток смолы, эффективно смачивая волокна и поддерживая давление в полости инструмента через отверждение.

Более длинная выдержка позволяла потоку смолы и давлению снижаться, особенно в зоне накладки, из-за ее близости к краю полости инструмента, у которого не было сдвигового края или уменьшения сечения. Таким образом, давление в полости инструмента снижалось на краю детали, особенно в более толстых областях, где поперечное сечение было больше. Отсутствие давления здесь также усугубляло риск соскальзывания слоев накладки. «При проектировании инструментов уменьшение сечения в окружении полости инструмента поможет создать и поддерживать давление, особенно для деталей с переменной толщиной», — объясняет Гейл Хэн, исследовательский феллоу Boeing и главный исследователь проекта RAPM. «Вам нужно представить какую-то форму зажима или уплотнения для поощрения состояния гидростатического давления в полости».

Ребро TS-RAPM-002

После установки параметров обработки для панелей с жезлами TS-RAPM-009 процесс повторялся для ребра TS-RAPM-002, измеряющего 540 мм по самому длинному краю. Ребро нарастало в толщине в центре от 3,3 до 5,2 мм, а глубина вытяжки составляла 42 мм на окончательно обрезанной детали. Все четыре края имели вертикальные полки. Обратите внимание, что угол компенсации спринг-ин определялся во время испытаний панелей с жезлами и затем применялся к геометрии инструмента ребра. Испытания панелей с жезлами также привели к более высокой способности натяжения и модульности расположения пружин на пружинной раме.

Излишний материал для зажимов

Ребра изготавливались и штамповкой в пружинной раме, и DDF. Из-за глубокой вытяжки ребра требовался излишний материал для крепления зажимов пружинной рамы, но это могло быть снижено при использовании DDF. Другая проблема заключалась в том, что дизайн инструмента ограничивал пространство для пружинных зажимов в непосредственной близости внутри полости инструмента.

Вариации CPT

Отвердевшая толщина слоя (CPT) была выше на плоских частях ребра, чем на его вертикальных краях. Считалось, что геометрия детали удерживала смолу в центральной плоской области, отмечая, что вертикальные полки действовали как смоляная уплотнение. Это помогало уплотнению и отделке поверхности в центральной плоской области. Однако вертикальные полки страдали от сильного сдвига при закрытии инструмента, что вызывало шероховатость поверхности, но не пористость (см. данные по пористости ниже). CYCOM EP2750, материал с более низким объемом, помогал смягчить этот эффект — его меньшая толщина уменьшала сдвиг.

Вариации толщины стенки с смольным содержанием препрега

Качественные исследования показали повторяемые ребра с пористостью <0,1% и минимальным волнистостью/изгибом волокон. Однако, хотя предполагалось, что вариация толщины детали будет минимизирована при обработке в совместных формах, обзор параметров обработки материалов и готовой детали CPT показал, что в то время как зазор инструмента в вертикальных полках ребра был фиксирован и последователен, толщина стенки могла варьироваться в зависимости от смольного содержания препрега (менее +/-2%) и процесса — CPT мог варьироваться между полками и стенкой, поскольку смола имела возможность мигрировать внутри полости.

Изогнутый швеллер TS-RAPM-003

Эта деталь была длиной 640 мм с U-образным сечением глубиной 40 мм на окончательно обрезанном куске. Внутренний радиус сечения был больше внешнего, а толщина увеличивалась от 6,6 мм в узком сечении до 8,8 мм в широком конце. Из-за своей толщины деталь швеллера была существенно тяжелее предыдущих обсуждаемых деталей. Поэтому пружинная рама требовала больше точек крепления, чем с предыдущими деталями.

Двойная выдержка для поддержания давления в толстых деталях

С-сканы формованных деталей выделяют сморщивание, распространяющееся от внутреннего радиуса к внешнему для деталей с использованием предварительно консолидированных заготовок. Серый масштаб указывает, что сморщивания также несут пористость.

Эти сморщивания и пористость были устранены для деталей из препрега CYCOM EP2750 использованием процесса «двойная выдержка». Это заключается в приложении определенного давления во время выдержки непосредственно после нарастания вязкости материала. «Это определялось с использованием данных, предоставляемых прессом и инструментами во время разработки процесса», — объясняет Хэн. «По сути, есть два шага прогрессивного нарастания давления перед применением полного давления. В результате профиль давления-время имеет похожую форму на профиль вязкости смолы. Начальная выдержка при объемной толщине используется для повышения вязкости смолы для предотвращения разжижения материальной зарядки [заготовки или преформы]. Если зарядка значительной толщины, используются две выдержки для предотвращения потери давления из-за усадки смолы. Первая выдержка при зазоре X, вторая при зазоре Y, где Y < X».

Рис. 18 выше показывает эффект двойной выдержки на толщину детали швеллера. Соответствие давления вязкости смолы позволило удержать больше смолы внутри детали, что смачивало волокна для низкой пористости и наращивало толщину для достижения требуемой номинальной, при этом сохраняя низкое искажение волокон. Однако команда RAPM подчеркнула, что этот процесс двойной выдержки предпочтителен только для толстых деталей, отмечая, что он может вызвать неравномерность CPT в деталях переменной толщины.

Уроки RAPM и дальнейшие испытания деталей

Обсужденные здесь испытания деталей RAPM внесли знания в высокотемповое производство авиационных структурных деталей с использованием прессовки препрега. Извлеченные уроки включают:

• Низкий объем полезен для качества детали, в частности для сдерживания уровней пористости и улучшения отделки поверхности на вертикальных краях. Препрег с более высоким смольным содержанием, такой как CYCOM EP2750, позволяет более широкое технологическое окно и повышенную повторяемость процесса
• Идеально, прессовое оборудование должно включать ИК-станцию предварительного нагрева, автоматизированную раму-носильщик для перемещения предварительно нагретой заготовки/преформы в форму, теские допуски параллелизма между верхней и нижней пластинами пресса, способность контролировать и мониторить позицию пластин с тесным допуском и способность прессовать с низкими и высокими силами
• Предварительная консолидация заготовок/преформ позволяет снизить нарушение волокон в вертикальных стенках и способствует снижению общего уровня пористости в формованных деталях. ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ: это дебулковка, НЕ преформовка на формовом инструменте

RAPM показала, что прессовка препрега может производить качественные авиационные структуры, сокращая время цикла и ручной труд. Это позволяет композитам лучше конкурировать в торговых исследованиях для авиационных применений, обеспечивая повышенную экономию веса и производительность компонентов (например, устойчивость к коррозии, трещинам и усталости и т.д.).

Solvay и Boeing работали вместе над уточнением новой системы препрега EP2750, демонстрируя такт-таймы до 20 минут благодаря сочетанию химии материала, знаний о препреге и процессе и автоматизации.

Помимо деталей Разработки Производства, обсужденных выше, RAPM также произвела несколько деталей-вызовов и Перехода, предназначенных для проверки начальных разработок и перехода кандидатов с потенциалом победы над механически обработанным алюминием в оборонных применениях. Эти детали включают:

• TS-RAPM-007 деталь-вызов Solvay
• TS-RAPM-008 панель доступа к обшивке
• TS-RAPM-012 Boeing «волна»
• TS-RAPM-014 рука мотора
• TS-RAPM-015 киль

Результаты и уроки от этих испытаний деталей и других производственных исследований RAPM будут опубликованы в 2020/2021 годах.

Автомобильные испытания деталей Solvay

Solvay также проиллюстрировала, как EP2750 работает в автомобильных деталях, таких как центральная стойка размером 36×16×2 дюйма с толщиной 0,0725 дюйма, состоящая из 5 слоев углеродного волокна Solvay THORNEL T650-35 стандартного модуля 3K tow в 376 г/м² 8-нитьном сатиновом плетении. Эта деталь изготавливалась в Solvay Хинор, Великобритания, с использованием DDF. При сравнении с автоклавным стандартным препрегом комбинация CYCOM EP2750 и DDF предлагает 60% снижение времени цикла и 85% такт-тайма (время между стартом одной детали и следующей на производственной линии — т.е. пульс линии).