CETMA: Итальянский ведущий центр НИОКР и инноваций по композитам

Основанный в 1994 году, Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali (CETMA, Бриндизи, Италия) — одна из крупнейших независимых исследовательских и технологических организаций в Италии, с объектом 4000 кв. м и 75 сотрудниками. Более 20 лет CETMA сильно инвестировала в композиты, что привело к широкому спектру экспертизы:

• Проектирование компонентов и прототипирование
• Новые композитные процессы
• Процессы переработки композитов и пластиков
• Оптимизация процессов по стоимости, устойчивости, темпу и т.д.
• Мониторинг процесса в реальном времени
• Бесконтактное тестирование (NDT)
• Мониторинг структурного здоровья (SHM) в реальном времени и удаленно во время производства и эксплуатации
• Консультирование по REACH
• Термопластичная штамповка, непрерывная прессовка (CCM) и прессовка препрега (PCM)
• Жидкая инфузия, перенос смолы (RTM) и квалифицированный RTM (SQRTM)
• Препрег вне автоклава (OOA)
• Индукционная сварка

Цель CETMA: поддержка компаний и инноваций

Обслуживаемая четырьмя основными лабораториями, композитная деятельность CETMA организована в ее департаменте Advanced Materials and Processes (AMP), который также включает четыре области:

• Материалы и Характеризация
• Технологии и Процессы
• Моделирование и Симуляция
• Диагностика и Мониторинг структурного здоровья

AMP нанимает 30 сотрудников, включая инженеров по материалам, авиации, строительству и химии, а также химика, ученого по материалам, архитектора и множество техников — соответствующих ее вере в междисциплинарные команды.

Сила в термопластичных композитах

«Мы предлагаем полный спектр услуг в композитах», — отмечает Алессандра Пассарро, руководитель департамента AMP в CETMA, «но наша деятельность в термопластичных материалах является одной из наших приоритетных областей сейчас. Все различные виды термопластичных матричных полимеров были обработаны в нашей лаборатории. Мы начали работать с комминглед волокном TWINTEX в 2004 году и с прессовкой с использованием простого пресса примерно 15 лет назад. Теперь мы разработали запатентованную непрерывную прессовку (CCM) и технологии индукционной сварки. Мы проанализировали все термопластичные композитные материалы, которые могут использоваться в этих процессах».

Линия CCM может производить детали постоянного сечения с использованием PPS, PEEK, PEKK или PAEK. Но чем процесс CETMA отличается от того, что используют компании вроде XELIS (Маркдорф, Германия) и ATC Manufacturing (Пост-Фоллс, штат Айдахо, США)? (См. статьи CW: «Авиационная прессовка» и «Ускорение термопластичных композитов в авиации».). Пассарро объясняет: «Есть некоторые специфические детали в дизайне формы, которую мы используем. Наша технология более гибка по геометриям и матричным материалам, которые могут использоваться. Она все еще в разработке. Хотя запатентована, технология все еще развивается, и некоторые аспекты являются проприетарными. Причина, по которой CETMA преследовала CCM, не является секретом. «Мы видели увеличенное использование и потребность в непрерывных термопластичных композитных процессах», — говорит Пассарро. «XELIS — продуктовая компания, не поставщик оборудования. Мы независимая НИОКР организация и поэтому инвестируем и развиваем технологию с другой точки зрения».

Один пример этого — обширное процессное моделирование для анализа распределения температуры в форме. «Результаты моделирования позволяют нам иметь полную картину эволюции температуры в материале во времени», — объясняет она, «что очень трудно мониторить встроенно с одной стороны, и тем не менее это критично для минимизации дефектов в композите».

Индукционная сварка для сборки

Другой ключевой частью экспертизы CETMA в термопластичных композитах является запатентованная технология индукционной сварки, включающая систему контроля и охлаждения для поддержания тепла в зоне сварки. CETMA использовала технологию с партнером EURECAT (Барселона, Испания) для сборки CCM профилей и плит в термопластичный композитный кильблок для самолета типа Airbus A320 в проекте Clean Sky 2 KEELBEMAN. Мой блог янв 2020 года «Развитие термопластичных композитов и RTM для Clean Sky 2...» дает больше деталей об этом проекте, а также детали сварки CETMA.

«Мы разработали два типа систем индукционной сварки», — отмечает Пассарро. «Одна — неподвижная машина для плоских поверхностей, а другая — роботизированная для сложных 3D геометрий. Обе обеспечивают непрерывные швы в промышленном масштабе без необходимости дополнительных материалов в шве, но дают очень высокую адгезионную производительность в сборках».

CETMA продемонстрировала индукционную сварку на композитных ламинатах, сделанных с использованием углеродно-волокнистой тканей и однонаправленной (UD) ленты, а также ряда матричных материалов: PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 и гибридной термореактивной эпоксидной/ПВБ (поливинилбутирала) термопластичной системы.

Она также применила свою экспертизу в компьютерном моделировании и симуляции к процессу индукционной сварки. «Это позволяет нам предсказать эволюцию температуры в зоне соединения во время сварки, обеспечивая фундаментальную помощь в оптимизации параметров процесса», — говорит Пассарро.

Clean Sky 2 и проекты НИОКР по композитам

Помимо KEELBEMAN, департамент AMP CETMA в настоящее время участвует в четырех других проектах Clean Sky 2.

TRINITI — Мультиматериальные термопластичные высоконапорные азотные баки для самолетов (JTI-CS2-CFP09-2018-02). Двухлетний проект, начавшийся в 2019 году, нацелен на построение прототипа авиационного бака для долгосрочного хранения азота для пожарных целей. Diehl Aviation (Гильчинг и Дрезден, Германия) — менеджер темы проекта. Партнеры также включают авиационную НИОКР лабораторию Novotech s.r.l. (Неаполь, Италия), Лабораторию испытаний композитов (Инверин, Ко. Голвей, Ирландия). Проект будет производить мультиматериальные термопластичные композитные баки через комбинацию процессов, таких как коэкструзия для формирования многослойного и мультифункционального лайнера/ламината, за которым следует in-situ консолидация (ISC) с лазерной автоматической укладкой волокон (AFP). (Больше об ISC AFP см. «Консолидация термопластичных авиаструктур на месте, Часть 1 и Часть 2»). Одна из целей в TRINITI — снизить или даже устранить микротрещины в криогенных средах. В настоящее время CETMA работает над идентификацией всех термопластичных материалов, которые могут удовлетворить требования авиационных сосудов под давлением.

SPARE — Полноразмерные инновационные композитные решетки пола пассажиров и груза для демонстратора фюзеляжа регионального самолета на земле (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14). Начавшийся в октябре 2018 года, этот 18-месячный проект нацелен на производство полноразмерных решеток пола пассажиров и груза из углеродно-волокнисто-усиленных термопластичных (TP) композитов. Высокоавтоматизированное производство включает прогрессивную рулонную формовку и индукционную сварку для сборки. Цель — снизить вес и повторяющиеся затраты по сравнению с традиционными металлическими и термореактивными композитными решениями. Композитные решетки пола будут собраны в демонстраторы фюзеляжа регионального самолета Clean Sky 2 для наземных испытаний и оценятся по техническому и экономическому воздействию, а также пламенно-устойчивой производительности по регулям FAR 25.583. Тематический лидер — Leonardo, в то время как CETMA координирует проект в сотрудничестве с производителем оборудования OMI S.r.l. (Фольяно Редипулья, Италия).

Один из главных вкладов CETMA в SPARE — разработка инфракрасной термографии (IRT) для встроенного мониторинга прогрессивной рулонной формовки. Этот процесс подвергает рулоны TP композитного ламината уплотнению и нагреву до достижения процессной температуры материала, сложной формы и проектной толщины. «Однако важно убедиться, что внутренние слои испытывают полное плавление матрицы и консолидацию», — объясняет Пассарро. «Кроме того, есть узкое температурное окно, которое обеспечивает плавление, но не деградирует полимер. IRT — бесконтактный метод, измеряющий излучаемую тепловую энергию по поверхности детали с высокой точностью».

CETMA использовала окна из селенурида цинка (ZnSe) для заглядывания внутрь закрытого оборудования. Прозрачные для ИК волн, они работают при температурах до 500 °C. Два таких окна были построены в линии прогрессивной рулонной формовки SPARE с ИРТ-камерами, подвешенными сверху для почти перпендикулярного вида на обрабатываемый материал. Редактируемое программное обеспечение управления позволяло мониторить, записывать и сигнализировать, если значения выходили за заданный целевой диапазон.

Равномерность температуры материала через поперечное сечение профиля оценивалась в двух предельных точках — линия 1 близка к нагревательному шагу, линия 2 дальше вдоль процесса формовки. Каждая делилась на 3 последовательных шага (Рис. 19): начальная фаза (шаг 1), начало процесса формовки (шаг 2) и формовка со сниженной скоростью (шаг 3). IRT показала, что температура на внешних краях ламината была ниже, чем в центральной области, ведущая к неравномерному нагреву и механическим свойствам. 3D представление записанных IRT температур поверхности (Рис. 20) предоставило визуальную помощь для лучшего понимания распределения температуры.

TOD — Термопласты на дверях (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12). TOD нацелена на разработку и валидацию быстрого производства и сборки полноразмерной термопластичной композитной двери (включая фюзеляжные подструктуры) для регионального самолета. TOD является частью Clean Sky 2 Regional Aircraft IADP (Инновативная платформа демонстратора самолета), которая переносит интеграцию технологий, разработанных в фазе один Clean Sky Green Regional Aircraft ITD (Инновативный технологический демонстратор) на более высокий уровень сложности и зрелости через два летающих стенда и три больших интегрированных наземных демонстратора. Под руководством Leonardo, CETMA будет работать с партнерами проекта The Welding Institute (TWI, Кембридж, Великобритания) и авиационным ТИЕР-1 и инженерно-индустриализационной фирмой DEMA (Design Manufacturing SpA, Сомма Везувиана, Италия).

Предлагаемый подход включает оптимизацию и валидацию термоформовки для изготовления компонентов и процессов соединения, таких как индукционная сварка (IW) и резистивная имплантная сварка (RIW), обеспечивающие снижение веса за счет устранения механических крепежей. TOD также продвинет автоматизацию Industry 4.0 и встроенный мониторинг для поддержки высокотемпового производства качественных деталей (нулевые дефекты) с надежным процессным контролем. Ожидаемые выгоды включают:

• Минимум 15% снижение веса
• Снижение отходов и брака на 10% через датчики и встроенный мониторинг
• До 75% экономии энергии по сравнению со стандартной автоклавной обработкой
• Снижение повторяющихся затрат через адаптивное умное производство (повышенная гибкость, сниженная стоимость полных линейных инструментов)
• Улучшение CO2 выбросов при производстве и более легкой эксплуатации самолета.

CETMA участвует во множестве других разработческих проектов. Один пример — NHYTE (New Hybrid Thermoplastic Composite Aerostructures manufactured by Out of Autoclave Continuous Automated Technologies), нацеленный на демонстрацию инновационных интегрированных авиаструктур из гибридных термопластичных матричных материалов с мультифункциональными возможностями.

Финансируемый по программе Horizon 2020 и возглавляемый NOVOTECH (Неаполь, Италия), NHYTE начался в сентябре 2018 года и должен был завершиться в январе 2020 года. Высокопроизводительный гибридный материал основан на коммерческом углеродно-волокнистом/PEEK препреге с добавленными аморфными ПЭИ пленками для обеспечения in-situ консолидации с автоматической укладкой волокон (ISC AFP) и затем сборки через запатентованную индукционную сварку CETMA. CETMA завершила обширную кампанию характеристики, включающую физико-механическое и виртуальное тестирование гибридного композитного материала и настройку процесса индукционной сварки.

Переработка углеродного волокна

Другая ключевая область для CETMA — переработка. Проект CIRCE нацелен на использование препреговых отходов, генерируемых при производстве композитных деталей, путем их переработки в формовочный компаунд для прессовки, который затем будет использоваться для формовки вставок носка для безопасной обуви. CETMA охарактеризует этот вторичный сырой материал и разработает числовую модель для предсказания структурной производительности вставок носка. Эта модель поможет проанализировать и верифицировать ударное поведение для соответствия регламентам безопасности, с результатами, используемыми для уточнения и финализации дизайна вставок носка. Итальянская проектная команда включает Base Protection (Барлетта), производителя композитных автозапчастей/моторспорта HP Composites (Асколи Пчено), специалиста по оборудованию и производственным линиям Elks Group (Асколи Пчено) и Petroceramics (Стеццано).

Возможно, крупнейшие инвестиции CETMA в переработку на сегодняшний день были через проект REVALUE, нацеленный на переработанные углеродные волокна для высокой ценности композитов. Профинансированный Европейским институтом инноваций и технологий (EIT, Будапешт, Венгрия), целью проекта REVALUE является взятие переработанного углеродного волокна (RCF), предоставленного ведущим производителем ELG Carbon Fibre (Коузли, Великобритания) с использованием пиролиза, и комбинирование его с девицыми и переработанными термопластичными полимерами для замены текущих материалов, используемых Centro Ricerche Fiat (CRF, Турин, Италия) для производства выбранных автомобильных компонентов.

Однако, как отмечено в статье журнала JEC Composites за янв-фев 2020 года «Новая формулировка промазки для переработанных углеродных волокон» Алессандры Пассарро и др., RCF, произведенное пиролизом, не имеет промазки, делая хрупкие волокна склонными к частому ломанию при обращении, а также разделению пучков волокон на филаменты, что приводит к запутанной, «пушистой» форме с низкой объемной плотностью. Как часть REVALUE, CETMA разработала специфическую формулировку промазки для RCF, совместимую с девицыми или переработанными полипропиленом (PP) и PA6. Затем оценилась способность промазки улучшить обрабатываемость RCF и увеличить адгезию с выбранными термопластичными матрицами.

Для этого CETMA разработала пилотный завод для промазки RCF, способный наносить промазку в килограммовых количествах и одновременно оценивать эффект основных параметров на процесс осаждения. Завод включает три основные станции: обработку промазки и промывку волокон; обращение сухих волокон до и после обработки; и сушку волокон в духовке. Четыре килограмма RCF могут обрабатываться в день в непрерывном цикле.

Промазанное RCF от CETMA затем использовалось французским исследовательским центром CEA и французским компаундером SUEZ для производства формовочного компаунда с использованием девицых и переработанных термопластичных полимеров. Физико-химическая характеристика компаундов была завершена, и способность промазки CETMA улучшить итоговую механическую производительность композита была верифицирована.

Инновационные формовочные компаунды RCF затем использовались для литья под давлением автомобильных полуструктурных компонентов, которые в настоящее время делаются со стекловолокнисто-усиленным PP или PA6. Помимо очевидного преимущества в переработке и повторном использовании материалов, снижение веса автомобиля, расхода топлива и выбросов CO2 также было продемонстрировано.

Вне REVALUE, CETMA также дополнительно разработала и оценила промазку для RCF в множестве композитных процессов, включая прессовку, вакуумную инфузию и RTM, показывая улучшенные свойства во всех случаях.

Мониторинг структурного здоровья (SHM)

«У нас много лет опыта применения SHM для строительных и зданий приложений», — отмечает Пассарро. «И мы также сделали много работы с SHM в композитах. Мы знаем, что это будет важно для будущих применений, и мы заинтересованы продолжить работу с производителями композитов и отраслью для продвижения этой технологии вперед».