Инжекционное формование для высокопроизводительных, унитарных термопластичных композитных структур

Текущие прогнозы требуют удвоения коммерческого авиапарка в ближайшие 20 лет. Для приспособления к этому, темпы производства в 2019 году для композит-интенсивных широкофюзеляжных авиалайнеров варьируют от 10 до 14 в месяц на OEM, в то время как узкофюзеляжные уже достигли 60 в месяц на OEM. Airbus конкретно работает с поставщиками для переключения традиционных, но трудоемких ручных препрег деталей на A320 на детали, сделанные через более быстрые процессы с 20-минутным временем цикла, такие как высоконапорная смольная передаточная формовка (HP-RTM), таким образом помогая поставщикам деталей встретить дальнейший толчок к 100 самолетов в месяц. Тем временем, الناشвающий рынок городской воздушной мобильности и транспорта прогнозирует потребность в 3000 электрических вертикальных взлетно-посадочных (EVTOL) самолетов в год (250 в месяц).

«Отрасль требует автоматизированных производственных технологий с сокращенными временами циклов, которые также позволяют интеграцию функций, предлагаемых термопластичными композитами», — говорит Даниэль Барфусс, сооснователь и управляющий партнер herone (Дрезден, Германия), фирмы по технологиям и производству деталей из композитов, использующей высокопроизводительные термопластичные матричные материалы от полифениленсульфида (PPS) до полиэтерэтеркетона (PEEK), полиэтеркетонкетона (PEKK) и полиарилэтеркетона (PAEK). «Наша главная цель — сочетать высокую производительность термопластичных композитов (TPC) с более низкой стоимостью, чтобы обеспечить адаптированные детали для более широкого спектра серийных производственных применений и новых применений», — добавляет доктор Кристиан Гартхаус, второй сооснователь и управляющий партнер herone.

Для достижения этого компания разработала новый подход, начиная с полностью пропиткиваемых непрерывных волокнистых лент, сплетая эти ленты для формирования полого преформы «organoTube» и консолидируя organoTubes в профили с переменными поперечными сечениями и формами. В последующем процессном шаге она использует свариваемость и термоформовку TPC для интеграции функциональных элементов, таких как композитные шестерни на приводных валах, концевые фурнитуры на трубах или элементы передачи нагрузки в растяжительно-сжатых стременах. Барфусс добавляет, что есть возможность использовать гибридный процесс формовки — разработанный поставщиком кетонных матриц Victrex (Кливлиз, Ланкашир, Великобритания) и поставщиком деталей Tri-Mack (Бристоль, Род-Айленд, США) — который использует низкотемпературную PAEK ленту для профилей и PEEK для овермолдинга, обеспечивая сплавленный единый материал через стык (см. «Овермолдинг расширяет диапазон PEEK в композитах»). «Наша адаптация также позволяет геометрическое форм-замыкание», — добавляет он, — «которое производит интегрированные структуры, способные выдерживать еще более высокие нагрузки».

Процесс формовки на базе сплетенных organoTube

Процесс herone начинается с полностью пропиткиваемых углеродоволокнисто-армированных термопластичных лент, которые сплетаются в organoTubes и консолидируются. «Мы начали работать с этими organoTubes 10 лет назад, разрабатывая композитные гидравлические трубы для авиации», — говорит Гартхаус. Он объясняет, что так как никакие две авиационные гидравлические трубы не имеют одинаковой геометрии, форма была бы нужна для каждой, используя существующую технологию. «Нам нужна была труба, которую можно было пост-обработать для достижения индивидуальной геометрии трубы. Так что идея была сделать непрерывные композитные профили и затем ЧПУ-согнуть их в желаемые геометрии».

Это звучит похоже на то, что делает Sigma Precision Components (Хинкли, Великобритания) (см. «Переодевание аэродвигателей композитными трубами») с его карбон/PEEK обмуровкой двигателя. «Они смотрят на похожие детали, но используют другой метод консолидации», — объясняет Гартхаус. «С нашим подходом мы видим потенциал для увеличенной производительности, такой как менее 2% пористость для авиационных структур».

Докторская работа Гартхауса в ILK исследовала использование непрерывной термопластичной композитной (TPC) пультрузии для производства сплетенных труб, что привело к запатентованному непрерывному производственному процессу для TPC труб и профилей. Однако пока herone выбрал работать с авиационными поставщиками и клиентами используя прерывистый процесс формовки. «Это дает нам свободу делать все различные формы, включая изогнутые профили и те с переменным поперечным сечением, а также применять локальные заплатки и снижение слоев», — объясняет он. «Мы работаем над автоматизацией процесса интеграции локальных заплаток и затем ко-консолидации их с композитным профилем. В основном, всё, что вы можете делать с плоскими ламинатами и оболочками, мы можем делать для труб и профилей».

Изготовление этих полых TPC профилей было на самом деле одним из самых сложных вызовов, говорит Гартхаус. «Нельзя использовать штамповку или дутье с силиконовым мешком; поэтому мы должны были разработать новый процесс». Но этот процесс позволяет очень высокопроизводительные и адаптируемые трубчатые и валовые детали, отмечает он. Он также позволил использование гибридной формовки, которую разработал Victrex, где низкотемпературный PAEK овермолдингуется PEEK, консолидируя органолист и литье под давлением в один шаг.

Другой заметный аспект использования сплетенных преформ organoTube лент в том, что они производят очень мало отходов. «Со сплетением у нас менее 2% отходов, и потому что это TPC лента, мы можем использовать это малое количество отходов обратно в овермолдинге, чтобы поднять коэффициент использования материала до 100%», — подчеркивает Гартхаус.

Развитие компании и демонстратора вал-шестерни

Барфусс и Гартхаус начали свою разработку как исследователи в Институте легкого инженерии и полимерных технологий (ILK) в TU Дрезден. «Это один из крупнейших европейских институтов для композитов и гибридных легких дизайнов», — отмечает Барфусс. Он и Гартхаус работали там почти 10 лет над рядом разработок, включая непрерывную TPC пультрузию и разные типы соединений. Эта работа в конечном счете была дистиллирована в то, что теперь является технологией herone TPC процесса.

«Мы затем подались в немецкую программу EXIST, которая нацелена на передачу такой технологии в промышленность и финансирует 40–60 проектов каждый год в широком спектре исследовательских областей», — говорит Барфусс. «Мы получили финансирование на капитальное оборудование, четырех сотрудников и инвестиции для следующего шага масштабирования». Они сформировали herone в мае 2018 года после выставки на JEC World.

К JEC World 2019 herone уже произвел ряд демонстрационных деталей, включая легкий, высокий крутящий момент, интегрированный вал-шестерню, или gearshaft. «Мы используем organoTube сплетенный из карбон/PAEK ленты под углами, требуемыми деталью, и консолидируем его в трубу», — объясняет Барфусс. «Затем мы предварительно нагреваем трубу при 200°С и овермолдингуем её шестерней, сделанной инжекцией коротковолокнистого углеродного PEEK при 380°С». Овермолдинг моделировался с использованием Moldflow Insight от Autodesk (Сан-Рафаэль, Калифорния, США). Время заполнения формы оптимизировано до 40,5 секунд и достигнуто с использованием литейной машины Arburg (Лосбург, Германия) ALLROUNDER.

Этот овермолдинг не только снижает затраты на сборку, производственные шаги и логистику, но также улучшает производительность. Разница 40°С между температурой плавления PAEK вала и овермолдинговой PEEK шестерней обеспечивает когезивное расплавленное связывание между ними на молекулярном уровне. Второй тип механизма соединения, форм-замыкание, достигается использованием давления инжекции для одновременного термоформирования вала во время овермолдинга для создания контура форм-замыкания. Это можно видеть на Рис. 1 ниже как «инжекционное формование». Оно создает корругированную или синусоидальную окружность там, где шестерня соединена, против гладкого кругового поперечного сечения, что приводит к геометрически замыкающей форме. Это дополнительно улучшает прочность интегрированного вала-шестерни, как показано в тестировании (см. график в правом нижнем углу).

«Главное преимущество, которое мы даем — уменьшение числа деталей», — отмечает он. «Это упрощает усталость, которая большая проблема для авиационных стременных применений. Форм-замыкание уже используется в термореактивных композитах с пластиковым или металлическим вставным элементом, но нет когезивного связывания, поэтому можно получить легкое движение между деталями. Наш подход, однако, обеспечивает унитарную структуру без такого движения».

Гартхаус называет устойчивость к повреждениям другой проблемой для этих деталей. «Вы должны ударить стремена и затем делать усталостные испытания», — объясняет он. «Потому что мы используем высокопроизводительные термопластичные матричные материалы, мы можем достичь до 40% более высокой устойчивости к повреждениям против термореактивов, и также любые микротрещины от удара растут меньше при усталостной нагрузке».

Даже если демонстрационные стремена показывают металлический вставной элемент, herone в настоящее время разрабатывает полностью термопластичное решение, позволяющее когезивное связывание между телом композитного стремени и элементом введения нагрузки. «Когда мы можем, мы предпочитаем оставаться полностью композитными и регулировать свойства изменением типа волокнистого армирования, включая углерод, стекло, непрерывное и коротковолокнистое», — говорит Гартхаус. «Таким образом, мы минимизируем сложность и проблемы интерфейса. Например, у нас гораздо меньше проблем по сравнению с комбинированием термореактивов и термопластиков». Кроме того, связь между PAEK и PEEK была протестирована Tri-Mack с результатами, показывающими, что она имеет 85% прочности базового UD CF/PAEK ламината и в два раза сильнее клеевых связей с использованием стандартной эпоксидной пленочной клеящейся смолы.

Новый завод, новые детали, новые рынки

Барфусс говорит, что herone теперь имеет девять сотрудников и переходит от поставщика технологического развития к поставщику авиационных деталей. Его следующий большой шаг — развитие нового завода в Дрездене. «К концу 2020 года у нас будет пилотный завод, производящий первые серийные детали», — говорит он. «Мы уже работаем с авиационными OEM и ключевыми поставщиками Tier 1, демонстрируя дизайны для многих разных типов применений».

Компания также работает с поставщиками eVTOL и различными сотрудниками в США. По мере того как herone зреет авиационные применения, он также набирает производственный опыт с спортивными товарами, включая биты и велосипедные компоненты. «Наша технология может производить широкий спектр сложных деталей с преимуществами в производительности, времени цикла и стоимости», — говорит Гартхаус. «Наше время цикла с PEEK — 20 минут, против 240 минут с автоклавно-отвердеваемым препрегом. Мы видим широкое поле возможностей, но пока наш фокус на введении первых применений в производство и демонстрации стоимости таких деталей рынку».

---

Herone также будет представлять на Carbon Fiber 2019. Узнайте больше о событии на carbonfiberevent.com.