Термопластики обеспечивают значительное снижение веса в современной авиации

Кронштейн багажного отсека самолета, разработанный Victrex, Tri-Mack и Safran Cabin, интегрирует два вкладыша из углеродного волокна/PAEK, перелитые смолой PEEK. Результат — 50% снижение массы, 20% снижение затрат и существенное улучшение коэффициента buy-to-fly. Источник | Victrex

Возможности конверсии сегодня

Когда речь идет о конверсии металлических аэропрочностных структур в термореактивные композиты, большая часть «низко висящих фруктов» — крылья, фюзеляж и хвостовые структуры — уже собрана. В самолетах следующего поколения термопластиковые композиты, несомненно, сыграют важную роль в крупных структурах. Однако уже сегодня существуют возможности конверсии для термопластиков.

Одной из таких деталей — редко видимый, но высоковажный тип: внутренние несущие кронштейны. Это кронштейны (в настоящее время алюминиевые, нержавеющие и титановые), которые крепят переборки, санузлы, галлеи и багажные отсеки к полу и фюзеляжу самолета. Эти кронштейны бывают различных форм и размеров в зависимости от того, что крепится. Сами по себе эти кронштейны не весят много. Но поскольку каждый самолет потребляет сотни кронштейнов, общий вес существенен.

Разработка композитного кронштейна

Специалист по авиainteриорам Safran Cabin (Хантингтон-Бич, Калифорния, США) понял это и недавно обратился к специалисту по термопластиковым композитам Victrex (Торнтон-Кливлиз, Великобритания) и производителю Tri-Mack Plastics Manufacturing (Бристол, Род-Айленд, США) для конверсии алюминиевого кронштейна багажного отсека в новый дизайн из VICTREX AE 250 унонаправленной (UD) ленты из углеродного волокна/полиарилэтиэтеркетона (PAEK), перелитой полимером VICTREX PEEK (полиэтериэтеркетон) 150CA30.

Кронштейн имеет прямоугольное основание с двумя вертикальными вкладышами, выступающими из центра основания. Основание имеет одну отлитую отверстие в каждом углу для крепежей; каждый вкладыш также имеет отверстие близко к вершине для крепления штифтов и другой фурнитуры. Вкладыш сделан из материала углеродное волокно/PAEK; основание перелито смолой PEEK.

Victrex и Tri-Mack, работая с Safran Cabin, предоставили материалы, оптимизацию дизайна детали, экспертизу по обработке и инструментарию, необходимую для реализации дизайнерских особенностей и выполнения ключевых параметров производительности. Safran Cabin предоставил экспертизу в дизайне и производстве для обеспечения применимости в авиационной эксплуатации и сертификационных средах.

Процесс изготовления

Тим Херр, директор по авиации в Victrex, говорит, что вкладыши изготавливаются на машине Dieffenbacher (Виндзор, Онтарио, Канада) Fiberforge, которая укладывает унонаправленные ленты из углеродного волокна/PAEK для построения ламината. Этот ламинат прессовывается, обрезается по краям и затем резается водяной струей для изготовления вкладышей. При водяном резании каждый вкладыш скалопируется у основания для создания поверхности механической блокировки при переливке.

Затем вкладыши помещаются в инструмент, за которым следует инъекционная переливка PEEK. «Когда мы переливаем», — говорит Херр, — «мы создаем очень сильную связь между композитным вкладышом PAEK и инъекционно отлитым материалом PEEK». Ключ к этому энейблеру, говорит Херр, — уникальное сочетание PAEK и PEEK. PAEK, отмечает он, имеет процессовую температуру примерно на 40 °C ниже, чем PEEK. Эта дельта температур облегчает интимную и долговечную связь между двумя частями. «Без изобретения PAEK», — утверждает Херр, — «гибридная переливка такого типа была бы невозможна».

Тестирование и результаты

Эта комбинация дизайна/процесса требовала обширного моделирования, анализа, прототипирования и физического тестирования, через которые Victrex выявил несколько дефектов дизайна и процесса, включая деформацию вкладышей, колебания потока смолы, отказ связи/границы раздела и пустоты. Это заставило дизайнеров вернуться к черновикам для оптимизации дизайна, а инженеров по производству — к инъекционной прессовке для оптимизации процесса. Финальная комбинация дизайна/процесса преодолела эти проблемы и доказала жизнеспособность перелитого термопластикового композитного кронштейна.

Первоначальные прототипы кронштейнов были произведены в Tri-Mack. По сравнению с оригинальной алюминиевой деталью, прототип композита достиг 20% экономии затрат, 50% экономии веса и в 5 раз лучшего коэффициента buy-to-fly.

«Нам нужно отвечать на множество запросов на авиационные кронштейны и аналогичные структурные детали, причем каждый случай имеет множество условий нагрузки, ограничений и воздействия», — говорит Тайлер Смитсон, инженер R&T в Safran Cabin. «Ключ к успеху — разработать гибкую композитную платформу, которую можно использовать для множества проектов, снижая номенклатуру деталей и сложность дизайна, сокращая time-to-market, ускоряя time-to-revenue».

Victrex говорит, что гибридный процесс переливки — масштабируемая, повторяемая технология, имеющая потенциал помочь коммерческим аэрокосмическим клиентам снизить процент брака, ускорить циклы, повысить консолидацию деталей и сократить вторичные операции.

Результаты тестов после второй итерации дизайна кронштейна показали существенное улучшение пределов нагрузки и условий отказа. Источник | Victrex

«В Victrex мы гордимся нашей историей внедрения «разрушительных» технологических подходов в отраслях, которыми мы служим, используя наш ноу-хау в обработке и производительности материалов PAEK для ускорения процесса коммерциализации», — комментирует Херр. «Гибридная переливка и композиты VICTREX AE 250 определенно входят в эту категорию, но это только начало. Мы продолжаем тестировать наше предложение композитов с поддержкой наших клиентов и партнеров, чтобы продемонстрировать полный потенциал этих материалов».

В настоящее время кронштейн запланирован для финального тестирования и квалификации серийных деталей. «Цель — ввести композитный кронштейн в эксплуатацию в конце 2019 года. Мы сделали все, что могли, чтобы продемонстрировать, что этот кронштейн может работать», — говорит Херр.

Фрэнк Ферфеки из Victrex, Тайлер Смитсон из Safran и Крис Бьеррегаард из Tri-Mack дадут презентацию по разработке гибридного кронштейна Safran на CAMX 2019 в Анахаймском конвенционном центре (Анахайм, Калифорния, EUA) во вторник, 24 сентября, в 14:30, в комнате 201D.