Развитие инноваций термопластиковых композитов с RTM для Clean Sky 2 в Испании

EURECAT Centro Tecnológico de Catalunya (Технологический центр Каталонии EURECAT, Барселона, Испания) — частная некоммерческая НИОКР-организация с 11 объектами, 650 сотрудниками и 50 млн евро годовой выручки. «Это второй по величине НИОКР-центр в Испании», — объясняет Анхель Лагранья Эрнандес, директор программы для авиационно-космического рынка в EURECAT. Он объясняет, что часть выручки EURECAT идет от каталонского правительства, а из остальной половины должна приходить от частных компаний — в основном малых и средних предприятий (МСП) — в то время как другая половина может быть публичной, такой как Евросоюз-фундированная программа Clean Sky 2. «У нас сейчас 18 проектов Clean Sky», — отмечает Лагранья, — «которые мы выиграли чисто на конкурентной основе в ответ на вызовы к предложениям».

Примеры того, как композиты фигурируют в многочисленных целях и планируемых технологических демонстраторах Clean Sky 2, включают:

• Демонстратор следующего поколения многофункционального фюзеляжа — использование термопластиков для более чистого неба
• Циклическая экономика: композитный фюзеляж для регионального самолета оформляется
• Использование экспертизы гоночных мотоспорт для FastCan Clean Sky

«EURECAT высоко трансверсальна, работая в авто, ж/д и других отраслях в дополнение к своей работе в авиации», — говорит Лагранья. «У нее также много активностей в IT, таких как аналитика данных и блокчейн и т.д. Композиты 4.0 — одна из ее стратегических областей». В композитах он отмечает, что EURECAT в основном работает во внеавтоклавных (OOA) технологиях. «Мы фокусируемся на термопластиках и жидком компрессионном литье, включая мониторинг процесса в реальном времени, включая мониторинг температуры стеклования (Tg) смолы во время обработки». (Продолжайте читать раздел о COFRARE в конце этого блога, чтобы увидеть больше об этом мониторинге Tg.)

Последние композит-проекты EURECAT в Clean Sky 2 включают:

• KEELBEMAN для демонстрации термопластикового композитного кильблока (Этот проект получил финансирование от Clean Sky 2 Joint Undertaking в рамках программы исследования и инноваций Horizon Евросоюза по GAP № 785435 KEELBEMAN);
• WINFRAME 4.0 для построения термопластиковых композитных (TPC) оконных рам для демонстратора Green Regional Aircraft (GRA) в Clean Sky (2008–2017) и расширенного до Regional Aircraft IADP (Инновационная платформа демонстратора самолета) в Clean Sky 2 (2014–2024);
  (Этот проект получил финансирование от Clean Sky 2 Joint Undertaking в рамках программы исследования и инноваций Horizon Евросоюза по GAP № 821323 WINFRAME 4.0.)
• COFRARE 2020 для термореактивных фюзеляжных рам, изготовленных методом литья смолы под давлением (RTM) с TPC сдвижными вставками.
  (Этот проект получил финансирование от Clean Sky 2 Joint Undertaking в рамках программы исследования и инноваций Horizon Евросоюза по GAP № 821261 COFRARE 2020.)

Термопластиковый композитный кильблок

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2017-CFP06-LPA-02-20. Длительность проекта: март 2018 – декабрь 2019

Цель проекта KEELBEMAN — разработать ориентированную на производство структуру кильблока для самолета типа A320, обеспечивающую высокие темпы производства самолетов, но по доступной стоимости через термопластиковые композиты. Помимо EURECAT как координатора проекта, партнеры включают:

• Airbus (Тулуза, Франция) как менеджер темы
• CETMA (Европейский исследовательский центр технологий дизайна и материалов, Бриндизи, Италия)
• Группа CT Engineering (CT Ingenieros, Мадрид, Испания), фирма с многочисленными глобальными офисами, имеющая долгосрочный контракт с Airbus на разработку самолетов, такие как исследования фюзеляжа, крыльев и задней части через свой офис в Гамбурге, Германия; исследования задней части (Испания); исследования фюзеляжа и структур, связанных с силовой установкой (Тулуза, Франция) и разработку крыла (Бристоль, Великобритания)
• Sofitec (Севилья, Испания), специалист по производству и сборке авиаструктур с экспертизой и производственной мощностью в композитах.

Группа CT Engineering предоставила полное моделирование геометрии кильблока через свой тулузский офис, в то время как Sofitec разработала бесконтактный контроль (НК). «Это очень сложно с такой закрытой коробочной структурой», — указывает Лагранья.

На фото показана сборка кильблока A320, сделанная из металла корпорацией Irkut (Москва, Россия). Irkut reportedly заключила контракт с Airbus в 2004 году на поставку компонентов, включая отсек передней стойки шасси, кильблок и флап-трек, которые устанавливаются в среднем в каждый третий самолет семьи A320. ИСТОЧНИК | Irkut

Разработка структур кильблока

«Сегодня большинство авиационных кильблоков сделаны из металла, за исключением Airbus A350, который является монолитным углеродным композитом», — говорит Лагранья. «Это требует большого количества ремней и значительного времени для сборки». Он объясняет, что кильблок — критическая структура в фюзеляже, «Были случаи, когда кильблок ломался при посадке, вызывая трещины и разрыв всего фюзеляжа».

По статье 2011 года Стива Вильгельма, кильблок A350 на 70% композитный, длиной 54 фута (16,5 метра), собран с 10 000 крепежей, весит 1,2 тонны и образует хребет самолета. Вильгельм отмечает, что конкурентный Boeing 787 «не зависит от такого надежного кильблока, потому что больше прочности корпуса идет от композитных бочек, скрепленных концом к концу». Статья затем цитирует Мишеля Мерлюзо, управляющего партнера G2 Solutions LLC авиационной консультанции (Киркленд, штат Вашингтон, США), который описывает дизайн Airbus как «более конвенциональный» и «менее рискованный», но указывает, что кильблок «необходим для структурной целостности того самолета».

Airbus фактически первопроходцем стал композитный кильблок для A340 в 2001 году. Но как описано выше, высокое количество ремней, требуемое, работает против экономии веса, возможной использованием композитов. Таким образом, ключевая цель в проекте KEELBEMAN — минимизировать крепежи, используя термопластиковые композитные компоненты, которые сварены вместе.

TPC кильблок

«Разработка термопластикового композитного кильблока с использованием сварки для сборки является частью разработки Airbus самолета завтрашнего дня, которая включает программы вроде Wing of Tomorrow и Fuselage of Tomorrow», — говорит Лагранья. «В рамках KEELBEMAN мы произвели демонстрационный участок кильблока 250 мм на 500 мм на 1 метр длиной со стрингерами и продемонстрировали возможность сварки этой структуры с максимально возможной автоматизацией».

Лагранья отмечает, что стеновые пластины и стрингеры демонстратора были изготовлены с использованием углеродного волокна/полиэфиркетонекетон (PEKK) униправляющей (UD) ленты в процессе непрерывного компрессионного формования (CCM), разработанном CETMA (см. «Авиационно-квалификационное компрессионное формование» и «PEEK против PEKK против PAEK и непрерывное компрессионное формование»). «Есть также ребра для поперечных жесткостей, которые были сделаны с использованием традиционного неизотермического компрессионного формования EURECAT», — добавляет Лагранья.

Индукционная сварка как ключевой фактор

Лагранья отмечает, что CETMA сыграла ключевую роль не только в производстве деталей для KEELBEMAN, но и в сборке демонстратора с использованием своего запатентованного индукционного сварочного станка и технологии. Эта сварка изначально была разработана в проекте ECO FAIRS первой программы Clean Sky (2011–2014), вместе с изотермическим и неизотермическим компрессионным формованием TPC-структур, показанными выше. В ECO FAIRS CETMA использовала все эти технологии для производства прототипного демонстратора на основе существующей верхней панели (панель обшивки со стрингерами) хвоста вертолета Agusta Westland, а также демонстратора изогнутого спонсона. Хотя они были сделаны с использованием CETEX (предоставляемого TenCate, теперь Toray Advanced Composites) T300 3K 5HS углеродной ткани с двухсторонней пленкой PPS (полифенилен сульфид), CETMA также доказала индукционную сварку с PEEK и PEI композитами.

CETMA выбрала индукционную сварку (IW) как наиболее перспективную из технологий сварки термопластиковых композитов и работала со специалистом по сварочной и электротехнической инженерии SINERGO srl (Вальдобьядене, Тревизо, Италия) для разработки нового индукционного сварочного станка. Портальный станок SICE 1 WIDE, предлагаемый SINERGO, способен на непрерывную сварку авиационного качества деталей до 1 метра на 1 метр. Он включает надежную систему контроля для обеспечения оптимизированных температурных распределений в материалах, подвергающихся сварке. Станок оснащен охлажденным цилиндром для приложения консолидирующего давления и системой воздушного охлаждения для удаления тепла там, где требуется, таких как края, где поток индуцированных вихревых токов ограничен, приводя к высокой плотности тока и перегреву. Также возможно установить индукционную сварочную головку CETMA на 6-осевом роботизированном манипуляторе для сварки геометрически сложных форм.

CETMA также разработала способность оптимизировать свой индукционный сварочный процесс с использованием инструментов симуляции, выполняя численный анализ с использованием программного обеспечения конечного элемента (FEM) COMSOL Multiphysics (COMSOL Inc., Берлингтон, Масс, США). Она верифицировала эти модели через большое количество физических тестов. CETMA подтвердила свои оптимизированные параметры процесса одношваровыми тестами на сваренных купонах, в которых значения сдвиговой прочности были очень близки к максимальным, сообщенным в литературе. Особенно, они также были намного выше максимальных значений при использовании структурных клеев, говорит CETMA.

CETMA доказала свою сварочную способность для широкого разнообразия материалов, включая тканые и UD углеродное волокно, а также PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 и даже сварку к УФ/эпоксид с использованием термопластикового гибридного слоя PVB (поливинилбутираль) для перехода от термореактивного субстрата к термопластиковому лицу для сварки. (Большая часть деталей этого раздела взята из презентации компетенций CETMA и CORDIS финального отчета для ECO FAIRS.) CETMA подала заявку на европейский патент в 2014 году, и изобретатели Силвио Паппада и Андреа Саломи были награждены патентом EP2801472A1 в 2016 году. CETMA опубликовала множество статей и презентаций на эту технологию, включая:

• «Конечно-элементные симуляции для поддержки разработки внеавтоклавных технологий», A&D, 11–12 окт 2012
• «Конечно-элементные симуляции для поддержки непрерывной индукционной сварки PPS-углеродных композитов», SEICO 13, 11–13 мар 2013 «Париж»
• «Разработка нового индукционного сварочного станка для термопластиковых композитов в авиасекторе», Итальянская ассоциация авиации и астронавтики XXII Конференция Неаполь, 9–12 сен 2013
• «Индукционная сварка в авиасекторе», TPRC, Европейский консорциум термопластиковых композитов, Веб-встреча, декабрь 2013
• «Полноразмерные тесты на термопластиковых компонентах для авиасектора», SEICO 14, 10–11 мар 2014 «Париж»
• «Новое индукционное сварочное оборудование для авиасектора», JEC magazine, № 87, март 2014, стр. 89–91.

Статус KEELBEMAN и путь вперед

Airbus посетила CETMA в декабре, чтобы увидеть финальную сварку 1-метрового демонстрационного участка, и команда KEELBEMAN также провела финальный обзор уровня технологической готовности (TRL). «Мы получаем хорошие результаты и зрелим технологию от TRL 3 до TRL 4», — говорит Лагранья. Следующие шаги могут включать дальнейшее развитие до TRL 6 и производство полноразмерного кильблока для установки в одном из демонстраторов Clean Sky 2, такого как WP 2.3.2 полноразмерный нижний центральный фюзеляж, но это еще не решено.

Проект WINFRAME 4.0 для TPC оконных рам

Другая термопластиковая композитная (TPC) программа для EURECAT — WINFRAME 4.0, с целью разработки и производства 24 оконных рам для интегрированного наземного демонстратора фюзеляжа/кабины регионального самолета (см. объяснение разработок Clean Sky 2 для Регионального самолета и Полноразмерного инновационного демонстратора фюзеляжа и пассажирской кабины ниже). Партнеры WINFRAME 4.0 включают:

• Многонациональную аэрокосмическую компанию Leonardo (Рим, Италия) как менеджер темы
• EURECAT
• Sofitec.

«Метод, который мы используем, может производить одну оконную рамку каждые 10 минут», — говорит Лагранья. Производственные шаги включают: нагрев TPC ламинатов-заготовок в печи, перенос в форму, закрытие формы в прессе, приложение тепла и давления на 10–20 минут и извлечение готовой детали(ей). «Этот подход не только достигает более коротких циклов, чем живое литье, но и гораздо менее дорогую оснастку», — добавляет он. «Процесс хорошо известен в автопромышленности, это компрессионное формование в высокоавтоматизированной конфигурации, которое повышает качество детали, но авиационные материалы используются другие, в данном случае углеродно-пластиковый PPS и углеродное волокно от Toray Advanced Composites (ранее TenCate). К концу этого проекта мы достигнем TRL 6 для этих технологий», — говорит Лагранья.

Проект COFRARE: RTM C-рамы и термопластиковые сдвижные вставки

Проект COFRARE 2020 является расширением начального проекта COFRARE 2.0:

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2015-CFP02-AIR-02-16. «Разработка процесса для производства композитных рам с высоким темпом производства и низкой стоимостью». Длительность проекта: 2016–2018.

Цель проекта Clean Sky 2 COFRARE 2.0 — разработать конкурентоспособный и реализуемый производственный процесс для углеродно-композитных рам для использования в композитной панель-базированном фюзеляже для регионального самолета. Партнеры включали:

• Неаполитанского поставщика 1-го уровня и инженеринговую/индустриализационную фирму DEMA (Design Manufacturing SpA, Сомма Везувиана, Италия)
• EURECAT
• LGAI Technological Center S.A., подразделение Applus+ Laboratories в Барселоне, Испания, обеспечивало тестирование.

Цель следующего поколения проекта COFRARE 2020 — изготовить полноразмерные композитные рамы и сдвижные вставки для использования в интегрированном наземном демонстраторе фюзеляжа/кабины Clean Sky 2. Этот демонстратор организован в рамках Regional Aircraft IADP (Инновационная платформа демонстратора самолета) Clean Sky 2 и детально описан в Разделе 5.2.2 Мартовского 2015 года документа Совместной технической программы:

«Региональные самолеты — ключевой элемент Clean Sky через выделенный ITD (Интегрированный технологический демонстратор) — Green Regional Aircraft (GRA), предоставляющий существенные строительные блоки для воздушной транспортной системы, уважающей окружающую среду, обеспечивающей безопасную и бесшовную мобильность и строящей промышленное лидерство в Европе. В Clean Sky 2, ... Цели демонстрации Regional Aircraft IADP гораздо более сложны, всеобъемлющи и сложны, чем цели текущего проекта Clean Sky GRA, который был вынужден работать в рамках бюджетных и временных ограничений. ...»

Мартовская 2015 года Совместная техническая программа описывает развитие Регионального самолета, включающее два летных стенда и пять больших интегрированных наземных демонстраторов. Последний включает Полноразмерный инновационный демонстратор фюзеляжа и пассажирской кабины: «Фюзеляж будет полноразмерной демонстрацией технологий для композитных материалов, структур и производства нацеленных на [достижение] снижения веса и стоимости и минимизации воздействия на окружающую среду через эко-дизайн и оптимизацию энергопотребления на протяжении всего жизненного цикла (в сторону нулевого воздействия)».

Партнеры проекта COFRARE 2020 включают:

• Leonardo как менеджер темы
• EURECAT
• DEMA
• Производитель авиационных компонентов и сборок A. Abete (Нола/Марильяно, Италия).

«В COFRARE 2020 мы делаем фюзеляжные рамы с использованием RTM (литье смолы под давлением), которые будут интегрированы в демонстратор фюзеляжа», — объясняет Лагранья. «Мы используем технологию Ziplus от Shikibo (Осака, Япония), которая производит преформы, хорошо подходящие для впрыска смолы». Shikibo Ltd. является частью Composite Alliance Corp. (Даллас, Техас, США) и предлагает разнообразные текстильные преформирующие технологии.

Один интересный аспект этой программы — использование датчиков от Synthesites (Уккле, Бельгия) для мониторинга в реальном времени прибытия смолы, температуры, давления, Tg и отверждения. «Датчики расположены в специфических областях композитной детали и RTM-инструмента для оптимизации стратегии впрыска смолы», — отмечает Лагранья. Впрыск достигается с использованием высокоавтоматизированной системы, поставляемой ISOJET (Корба, Франция), которая также является частью Composite Alliance Corp. Датчики Synthesites — диэлектрические датчики, но в отличие от большинства диэлектрического анализа (DEA), основанного на переменном токе (AC), Synthesites использует постоянный ток (DC). «Наши датчики хорошо работают с высокоомными материалами, как смолы, и поскольку мы применяем однократное напряжение, нам не нужно анализировать множественные частоты, но мы достигаем высокой точности даже в конце отверждения», — объясняет директор Synthesites д-р Никос Пантелелис.

«Мы встретили Synthesites на конференции SAMPE в 2011 году», — вспоминает Лагранья. «Они говорили о датчиках для сокращения цикла отверждения. Мы исследуем, как автоматизировать преформы для фюзеляжных рам и даже использовать более быструю обработку с HP-RTM (высокодавное RTM), но все равно вы на 3–4 часа процессного времени. Однако с Synthesites мы сократили цикл отверждения на 50 процентов за счет мониторинга Tg. Сейчас мы тестируем на свойства. Эти датчики могут работать под высоким давлением, но в нашей RTM-обработке мы используем только 8 бар давления».

DC диэлектрические датчики Synthesites, система мониторинга потока смолы OptiFlow и система мониторинга отверждения OptiMold были продемонстрированы в производстве различными производителями лопаток ветряков. Они также используются Bombardier Aerospace (Белфаст, Великобритания) для производства жидко-композитного крыла для C-Series, теперь Airbus 220. Немецкий аэрокосмический центр (DLR, Штаде, Германия) продемонстрировал сокращение цикла отверждения до 50% как с автоклавным препрегом, так и с RTM, в то время как Национальный композитный центр (NCC, Бристоль, Великобритания) продемонстрировал, что даже для высокореактивных смол, расчеты Tg в реальном времени, сделанные из измерений датчиков температуры смолы и резистивности, так же точны, как Tg, измеренные с отвердевших панелей с использованием дифференциального сканирующего калориметра (DSC).

Сборка рам с TPC сдвижными вставками

Другой ключевой частью COFRARE 2020 является более высоковольный производственный метод для производства сотен сдвижных вставок и кронштейнов, необходимых для соединения RTM фюзеляжных C-рам с композитными фюзеляжными панелями. «Мы разрабатываем 255 различных геометрий для термопластиковых композитных кронштейнов, производимых компрессионным формованием», — говорит Лагранья. (Примечание, GKN Fokker имеет множество проектов Clean Sky 2, где он будет производить TPC кронштейны для Многофункционального демонстратора фюзеляжа в Large Passenger Aircraft IADP; эта работа в COFRARE 2020 для меньших, региональных самолетов.) Основной метод показан ниже, с использованием совместных стальных инструментов и нагретого пресса. «Стоимость таких компрессионных формовочных инструментов всего 2000 евро, что очень доступно по сравнению с RTM оснасткой», — добавляет он. «Штамповка также достигает очень коротких времен циклов».

EURECAT вложена в оставание на передовой разработки технологий композитов, говорит Лагранья. «Мы верим, что давление для чистой среды драматически увеличит использование композитов во всем транспорте, и что доступность и производительность пойдут вместе. Именно поэтому мы фокусируемся на автоматизированных внеавтоклавных технологиях для предложения нашим клиентам».

Оставайтесь в курсе для моего грядущего блога о проектах Clean Sky 2 STUNNING и MECATESTERS, которые обсудят разработку сваренных TPC кронштейнов для Многофункционального демонстратора фюзеляжа и полную характеристику PAEK для этого проекта. Я также напишу блог о Synthesites более детально, а также больше о разработках CETMA в композитах. 2020 год будет очень интересным годом для композитов!