Компрессионная RTM: передовая технология производства композитных авиаструктур будущего

Композиты прочно закрепились в планерах гражданских лайнеров, так как обеспечивают высокую прочность при малом весе и более низкие затраты на обслуживание по сравнению с металлами. Текущие прогнозы на следующее поколение как широкофюзеляжных, так и узкофюзеляжных самолетов показывают дальнейший рост доли композитных планеров, но только если материалы и процессы смогут соответствовать сложным целям по снижению стоимости и повышению темпов производства. Хотя автоклавная эпоксидная препрег доминировала в углеродпластиках (CFRP) для авиаструктур, разработчики следующего поколения самолетов активно внедряют внеавтоклавные (OOA) технологии с интегрированной автоматизацией и встроенным контролем как ключевые факторы для производства в парадигме Индустрия 4.0.

Поставщик оборудования и автоматизации Techni-Modul Engineering (Куд, Франция) и его американская дочерняя компания Composite Alliance Corp. (Даллас, Техас, США) сотрудничают с британским и французским подразделениями поставщика передовых материалов Hexcel (Стэмфорд, Коннектикут, США) для демонстрации автоматизированного внеавтоклавного производства ребер и стрингеров из УПВ. Детали изготавливаются с автоматизированным преформированием сухих углеродных армирующих материалов Hexcel и процессом компрессионной литья под давлением смолой (C-RTM), обеспечивающим быструю импреgnaцию жидкой эпоксидной смолой Hexcel HexFlow RTM6 для производства деталей с 60% объемным содержанием волокна и менее 1% пустот за цикл 2,5–3,0 часа, который можно масштабировать для серийного производства нескольких деталей одновременно.

Разработка сухих армирующих материалов

«Мы видим в жидком литье композитов (LCM) ответ на тройной вызов: снижение стоимости, готовность к высоким темпам и обеспечение характеристик несущих структур», — объясняет Реми Паньяк, инженер технической поддержки Hexcel по жидкому литью композитов. Hexcel разработала свои материалы HiMax (многослойные ткани без сгиба — NCF) и HiTape (униправляющие ленты — UD) из углеродного волокна для удовлетворения требований несущих структур при использовании процессов LCM. HiMax позволяет быстро укладывать большие плоские структуры, такие как обшивки крыльев, в то время как HiTape обеспечивает оптимизированную укладку для больших сложных структур с минимальными отходами. «Мы достигаем свойств, равных последнему поколению UD-препрегов», — добавляет Паньяк.

Hexcel работала над уменьшением объемности и улучшением драпируемости HiMax NCF, включая тонкую стежковую пряжу 20 дТекс. Материалы HiMax производятся на бывшем предприятии Formax в Лестере (Великобритания), которое Hexcel приобрела в 2016 году. Легкие многоосевые ткани с расширенным волокном, производимые на этом объекте, уже давно применялись в требовательных приложениях — гоночных яхтах, суперкарах и болидах Ф-1. Теперь материалы NCF использованы в демонстраторе крыла, выполненном Airbus Defence and Space (Кадис, Испания) и Danobat (Эльгоибар, Испания) с использованием технологии автоматизированного укладывания сухих материалов (ADMP) — вида автоматизированного укладки волокна (AFP) для NCF — и в проекте ZAero Airbus для нуледефектных УПВ-структур, таких как стрингерные обшивки крыльев.

И HiMax, и HiTape интегрируют слои тонкой термопластиковой нитевой вуали малой площадной массы, которая выступает связующим элементом, устраняя необходимость в порошковых связующих, исторически использовавшихся в сухих материалах для преформирования и литья смолой. Для HiMax эта вуаль перекладывается между слоями NCF; для HiTape — наносится на обе стороны углеродной униправляющей ленты. «С этим не нужно использовать порошковый связующий для удержания UD-слоев», — объясняет Паньяк. «HiTape калибрована, это не резанная лента, поэтому нет налета и меньше вариации ширины для улучшенной AFP-обработки. Термопластиковая вуаль также повышает вязкость конечного ламината, и мы продемонстрировали, что можем достичь высоких скоростей укладки материала на следующем поколении AFP-станков». В статье SAMPE за май 2015 года Hexcel описывает преформ одинаковой кривизны, изготовленный с использованием HiTape шириной 0,25 дюйма на AFP-станке с лазером Coriolis Composites (Квевен, Франция) со скоростью укладки 1 м/с. Также проводилась работа на оборудовании Electroimpact (Мукilteо, Вашингтон, США) для демонстрации скоростей укладки до 150 кг/ч для полноразмерного спарового авиаэлемента.

Рис. 1 Компрессионная RTM
При C-RTM сухой преформ помещается в форму RTM, но форма закрывается лишь частично, оставляя зазор между преформой и верхней поверхностью формы. Затем создается вакуум, вводится смола, и пресс закрывает зазор в форме, прессуя жидкую смолу вниз в преформ по оси Z по всей детали. Источник: Hexcel

Адаптация C-RTM для авиации

C-RTM впервые была внедрена с высокодавным RTM (HP-RTM) для автомобильных композитов. Как и при обычном RTM, C-RTM предполагает помещение сухого волокнистого преформа в совместную металлическую форму, впрыск жидкой смолы в преформ и последующее приложение тепла и давления с помощью приводного пресса. Однако при C-RTM форма закрывается лишь частично, оставляя зазор между сухим преформой и верхней поверхностью формы (Рис. 1). Затем создается вакуум, вводится точная доза смешанной смолы, и пресс закрывает зазор в форме, заставляя жидкую смолу проникать в преформ по оси Z по всей детали. «Это намного быстрее, чем впрыск смолы в плоскости детали», — объясняет инженер-процессник Techni-Modul Engineering Томас Шевалле.

Techni-Modul Engineering увидела возможность адаптировать C-RTM для авиации во время участия в проекте Clean Sky 2 «Оптимизированные композитные структуры» (OPTICOMS). Организованный в рабочем пакете B-1.2 («Более доступные композитные структуры»), OPTICOMS нацелен на снижение затрат на производство небольших самолетов (например, региональных реактивных лайнеров) через интегрированные структуры и автоматизированное производство, изучая как препрег, так и жидкие смолы. OPTICOMS спроектировал композитный демонстратор крыла, состоящий из верхней обшивки с тремя сперонами, изготавливаемую как интегрированную структуру в однозаходном процессе. Полноразмерное крыло (Рис. 2) является частью инновационного технологического демонстратора (ITD) AIRFRAME для оценки и зрелости технологий до уровня TRL 6 для самолетов следующего поколения в производстве с 2025 года. Израильская аэрокосмическая промышленность (Лод, Израиль) была выбрана координатором OPTICOMS в июле 2016 года. Консорциум также включает производителя небольших самолетов Piaggio Aerospace (Савона, Италия), Techni-Modul Engineering и поставщиков AFP-оборудования Coriolis Composites и Danobat.

Рис. 2 Ребро Clean Sky 2 OPTICOMS
Techni-Modul — партнер проекта Clean Sky 2 «Оптимизированные композитные структуры» (OPTICOMS), который спроектировал композитный демонстратор крыла, состоящий из нижней обшивки, множества ребер и верхней обшивки с тремя сперонами. Последняя изготавливается как интегрированная структура в однозаходном процессе. Демонстратор будет оценен для самолетов следующего поколения в производстве с 2025 года. Источник: Clean Sky 2

«C-RTM была хорошо известна в отрасли», — объясняет Шевалле, «но с HP-RTM все равно нужен большой пресс. Наша разработка — адаптация C-RTM для быстрого впрыска при более низких давлениях, позволяющая дешевле производить авиационные детали с очень строгими требованиями к объемному содержанию волокна, ориентации волокна и низкому порозности. Время впрыска для ребра крыла длиной 0,7 м и шириной 0,2 м в проекте OPTICOMS сократилось с 40 до 5 минут. В отдельной тестовой программе для Т-образного стрингера длиной 900 мм и высотой 150 мм время впрыска сократилось с одного часа до менее чем 5 минут».

«Это сокращение времени впрыска, которое дает C-RTM, было бы еще больше для больших деталей, таких как полноразмерные обшивки крыльев или лопасти вертолетных роторов», — добавляет Шевалле. Он отмечает, что C-RTM также позволяет впрыскивать высоковязкие смолы и использовать системы впрыска с более низким давлением и прессы с меньшей прессовой силой, что снижает затраты. «Давление в форме при C-RTM составляет всего 6 бар, что намного ниже, чем в HP-RTM», — объясняет Шевалле. «Процесс обеспечивает авиационное качество композитов, но хорошо работает как для больших тонких деталей, так и для более мелких сложноформенных частей».

Автоматизированное преформирование

Хотя более быстрый и дешевый впрыск смолы и внеавтоклавное формование — ключевые элементы этого подхода для более доступного производства авиакомпозитов, цепочка процесса все еще требует множества этапов для раскроя и укладки материалов и преформирования. «Для нас OPTICOMS также была об автоматизации», — говорит Шевалле. Techni-Modul Engineering поставила не только систему впрыска C-RTM для проекта OPTICOMS, но также пик-энд-плейс робота и машину горячего драпирования (HDF), все интегрированные в полностью автоматизированную производственную ячейку.

Сразу после запуска OPTICOMS в 2016 году дочерняя компания Techni-Modul Engineering CAC выиграла премию ACE Equipment and Tooling Innovation Award в категории производства за свою автоматизированную ячейку 3D-преформирования на CAMX 2016 (26–29 сентября, Аناهاим, Калифорния, США). Ячейка, способная производить 3D-преформы из сухого волокна или препрега, использовала вакуумные захваты для подбора, размещения и сгибания раскроенных слоев на нагретом преформирующем инструменте. Techni-Modul Engineering и CAC разработали программное обеспечение для подготовки раскроенных слоев 2D-материалов для формирования сложных и развиваемых поверхностей. Эта ячейка была дальше развита в OPTICOMS и тестовом проекте Т-образного стрингера.

Этап 1

В автоматизированной ячейке Techni-Modul Engineering пик-энд-плейс робот снимает слои с автоматического резака и наносит их на нагретый преформирующий инструмент.

Этап 2

Преформирующие инструменты установлены на уплотняющем столе с шарнирной многоразовой вакуумной мембраной (голубая, слева), используемой для завершения горячей уплотнения каждые 5–8 слоев при укладке.

Этап 3

Каждый цикл преформирования стрингера производит один C-образный преформ (два составляют полку Т-образного стрингера) и один плоский преформ полки. Здесь показаны два набора, необходимых для каждого Т-образного стрингера.

Этап 4

Четыре преформа Т-образного стрингера помещаются в форму RTM, создается вакуум, и впрыск смолы завершается за 5 минут.

Этап 5

После 90-минутного отверждения стрингер извлекается из формы, и смоляная заусенец обрезается для полного цикла детали 4,5 часа.

Этап 6 — Преформирование ребра

Робот укладывает раскроенные слои на нагретый преформирующий инструмент. Каждые 5–8 слоев выполняется горячее уплотнение для уплотнения преформа.

Перед уплотнением наносится голубая сепарационная пленка.

Дышащий материал используется для удаления воздуха через преформ.

После финального уплотнения преформ охлаждается на инструменте, и вырезы обрезаются (ниже).

«Мы автоматизировали классическую ручную укладку слоев с помощью роботизированного пик-энд-плейс», — говорит Шевалле. «Робот берет слои с автоматического резака и переносит их на нагретый преформирующий инструмент, который стоит на уплотняющем столе [Этапы 1 и 6].» Наносится сепарационный слой (голубая пленка на Этапе 6), дышащий материал (белый материал на Этапе 6) и шарнирная многоразовая вакуумная мембрана (голубая слева на Этапах 2 и 6), затем вакуум и тепло для предварительной формы и удаления воздуха из текстильного пакета (горячее драпирование, HDF) при плавлении тонких термопластиковых вуалей для создания уплотненного преформа.

«Сколько слоев можно уплотнить за раз, зависит от материалов и формы детали», — объясняет Шевалле. «Для деталей с малой кривизной, как обшивка крыла, можно, возможно, уплотнять каждые 50 слоев. Ребро OPTICOMS имеет углы 90 градусов, а тестовый Т-образный стрингер имеет Т-образные формы, поэтому нужно быть осторожным, чтобы не образовать складки в слоях при преформировании». Он добавляет, что такие сложные формы могут требовать уплотнения каждые 5–8 слоев, но все равно могут быть частью высоковольного индустриального процесса: укладка слоев, 2-минутное HDF-уплотнение, повторная укладка, за чем следуют повторные циклы уплотнения с финальным охлаждением преформа на инструменте перед переносом в форму RTM.

«Наша автоматизированная ячейка укладывает со скоростью 15 секунд на слой», — отмечает Шевалле. «Укладка для ребра OPTICOMS, с менее чем 20 слоями всего, завершалась за 20 минут». Укладка для Т-образного стрингера была дольше — 45 минут — из-за его сложной формы и слоистой структуры, включая вариации толщины от 1,2 до 6 мм. «Это все равно намного быстрее ручных процессов и снижает риск ошибок, повышает повторяемость и качество, снижая затраты», — добавляет он.

Этап 7

RTM-инструмент для ребра OPTICOMS состоит из множества частей.

Этап 8

Преформ ребра помещается в RTM-инструмент.

Этап 9

Создается вакуум, смола впрыскивается и импрегнирует преформ, за чем следует 90-минутное отверждение. Здесь пресс открыт, показывая отвердевшую деталь.

Этап 10

После завершения извлечения детали смоляная заусенец будет удалена для полного цикла детали 4 часа.

Умный контроль

Еще одна ключевая особенность автоматизированной преформирующей ячейки Techni-Modul Engineering — ее интегрированная система управления. Называемая SMART CONTROL, ее основа — камерная система и многозадачное программное обеспечение, которое сравнивает снимки, сделанные во время обработки, с CAD-базой детали, обеспечивая распознавание формы преформа, контроль ориентации волокна, позиционирование слоев и обнаружение дефектов и чужеродных предметов (FOD). Обратная связь SMART CONTROL инструктирует робота, как подбирать и размещать слои в правильной последовательности и синхронизации, но также предупреждает оператора ячейки при обнаружении ошибок. «Систему можно настроить так, чтобы оператор вручную удалял слой и перезапускал систему для его замены», — объясняет Шевалле, «или мы можем работать с заказчиком для создания автоматизированного решения для удаления дефектных слоев и исправления ошибок».

Те же оптические изображения, используемые для обнаружения краев и контуров слоев, также применяются для контроля ориентации волокна. Шевалле признает, что если деталь очень большая (например, 2 метра длиной по сравнению с 200 на 200 мм), «возможно, потребуется камера, снимающая [с] более высокой вертикальной позиции для обнаружения краев слоев, а затем приближающаяся к детали для проверки ориентации волокна. Вы калибруете эту последовательность для каждого типа детали. Для обнаружения складок и FOD есть база данных различных дефектов, и ее можно пополнять, поэтому алгоритм глубокого обучения улучшается со временем. Идея — иметь адаптивную систему».

Время цикла и будущее производство

Преформы для ребра OPTICOMS изготавливались из HiMax, а Т-образного стрингера — из HiTape. Смольная система для обоих — одноэпоксидная (1K) жидкая эпоксидная смола Hexcel HexFlow RTM6, цикл отверждения которой составляет 90–120 минут при 180 °C. Эта отверждающая стадия является самым долгим этапом в времени цикла деталей как для ребра OPTICOMS, так и для тестового Т-образного стрингера, как видно в Таблице 1.

На сегодняшний день это единственная эпоксидная смола, квалифицированная для RTM авиационных структур. Однако растет интерес к квалификации двухкомпонентных систем, смешиваемых в впрыскивающей головке, предлагающих большую гибкость цикла отверждения и устраняющих необходимость в рефрижерируемой перевозке и хранении, необходимой для предотвращения преждевременной реакции пресмешанной RTM6.

Airbus Helicopters (Донауверт, Германия) работала с Alpex Technologies (Мильс, Австрия) в проекте SPARTA для демонстрации процесса HP-RTM с двухкомпонентной версией HexFlow RTM6 для достижения 30-минутного отверждения при 180 °C для рамки двери A350, которая является сложноформенной несущей структурой высотой 2 м, шириной 200–250 мм и толщиной 8–10 мм. Airbus также продемонстрировала УПВ-ребро 1,5 м на 0,5 м, изготовленное HP-RTM своим дочерним центром композитных технологий (CTC, Штаде, Германия), достигнув 20-минутных циклов формовки для деталей с 60% объемным содержанием волокна и менее 2% пустот. В прошлом году CTC работала с рядом поставщиков 1-го уровня для перехода от ручной укладки препрега к HP-RTM для A320. Однако двухкомпонентные смольные системы должны быть квалифицированы для производства авиаструктур, и CTC обеспокоена способностью непрерывно обеспечивать качество смешивания двухкомпонентных смол in situ. Alpex использует вформенные датчики Netzsch (Зельб, Германия) и Kistler (Винтертур, Швейцария) для решения этой задачи, разрабатываются и другие решения.

Даже без двухкомпонентных систем возможно более высокое производство. Рамы дверей в проекте SPARTA извлекались после начального 30-минутного отверждения при 180 °C и доперекали вне пресса, под вакуумом для снятия термических напряжений и обеспечения механических свойств. По словам главы НИОКР Alpex Бернхард Риттеншобера, это требует дополнительных комплектов инструментов, но только одного пресса и впрыскивающего блока. Он объясняет, что дополнительные затраты на инструменты компенсируются более низкими затратами на процесс и пресс и могут окупиться быстро, даже при низком объеме 500–1000 деталей в год.

«Главное достижение этих демонстраторов — способность изготавливать несущие авиаструктуры с коротким впрыском смолы по сравнению с обычными авиационными RTM-процессами, где инфильтрация смолы в такие большие детали с UD-углеродными армированиями была сложным, длительным процессом», — говорит Паньяк. «Мы только в начале того, что можем достичь с этим типом интеллектуального автоматизированного преформирования и C-RTM-обработки», — добавляет Шевалле. «Это имеет потенциал для достижения более экономически эффективного, устойчивого производства интегрированных скинов с жесткостью, которые предвидятся для будущих самолетов».