Высокодавленное RTM: Эффективное, экономичное производство CFRP аэроструктур

Когда литье смолой под давлением (RTM) начало переходить в высокодавленное RTM (HP-RTM) примерно десять лет назад, оно в основном хвалилось для автомобильных применений, сокращая циклы композитных деталей с часов до менее 2 минут. Меньше было сказано о применении этой технологии к аэрокосмическим деталям. Авиационная отрасль имеет долгую историю с обычным RTM, включая его использование для производства тысяч углеродно-волокнисто-усиленных пластиковых (CFRP) лопастей вентилятора и контейнмент-кейсов для коммерческих авиационных двигателей. Airbus даже прототипировал 7-метровый однотельный композитный многоспарный флап для Airbus A320 с использованием RTM. Но возможно ли перевести этот опыт с часами-длинными процессами в полностью автоматизированное литье композитных авиационных деталей за минуты? Несколько ключевых игроков говорят, что это возможно.

Традиционный RTM, названный здесь LP-RTM для ясности, обычно использует давления впрыскивания 10–20 бар. HP-RTM, с другой стороны, использует давления впрыскивания 30–120 бар.

«Мы начали работать с аэрокосмической RTM обработкой 10 лет назад через ЕС-финансируемый проект для производства фюзеляжных рам», — говорит Бернхард Риттеншобер, руководитель НИОКР Alpex Technologies (Милс, Австрия), поставщика инновационных инструментальных систем для серийного производства композитных деталей. «В то время предсказания были, что многие детали для [Airbus] A350 будут сделаны с RTM, но это не материализовалось». Alpex, однако, продолжала работать над технологией, и как поставщик как автомобильной, так и аэрокосмической отраслям, начала смотреть на то, как процессы, используемые в этих двух отраслях, могут быть объединены. «Идея была использовать [Hexcel] эпоксидную смолу RTM6, квалифицированную в аэрокосмике, но с автомобильными лучшими практиками инструментов и автоматизированной системой впрыскивания для более низкого времени цикла», — объясняет Риттеншобер.

Результатом была исследовательская программа 2013–2015 годов под названием TAKE OFF, финансируемая австрийским правительством, в которой Alpex участвовала с партнерами Airbus Helicopters (объект Донауверт, Германия), поставщиком оборудования KraussMaffei (Мюнхен, Германия), специалистом по тестированию Aerospace and Advanced Composites (AAC, Винер Нойштадт, Австрия) и поставщиком смолы Hexcel (Стэмфорд, штат Коннектикут, США). Программа продемонстрировала, что HP-RTM привела к 30-процентному снижению стоимости для рамы двери A350 и значительному технологическому развитию, включая использование двухкомпонентной (2K) смольной системы, интеллектуальный впрыск и мониторинг отверждения через датчики в форме и способность дополнительно сократить время цикла детали. Alpex продолжила развитие и видит потенциал для этой HP-RTM технологии помочь преодолеть текущие проблемы производства CFRP.

Поддерживая этот взгляд, Центр технологий композитов (CTC), дочерняя компания Airbus Operations GmbH, также развивает автоматизированный RTM десятилетием, сначала с LP-RTM, а затем переходя к HP-RTM около пяти лет назад. (CompositesWorld отметил машину HP-RTM KraussMaffei CTC и разработку работы во время тура 2016 года по ее объекту.) «HP-RTM решает узкое горлышко впрыскивания и отверждения благодаря своей высокоскоростной смеси, позволяющей использовать высокореактивные смолы», — объясняет Ян Шиллер, лидер проекта CTC по производственным системам и ведущий контакт для RTM технологий. «Мы разработали процесс, производящий довольно сложные геометрические детали размером 1–2 метра, встречающие аэрокосмические требования (например, 60 процентов объема волокна и менее 2 процентов пустот) в времени цикла 20 минут». Он добавляет, что после визитов и обсуждений с поставщиками Airbus в прошлом году, ряд деталей был идентифицирован для перехода к HP-RTM, обеспечивая более высокий темп производства для самолета A320. «Мы сейчас развиваем специфическую обработку для этих и работаем в этом году, чтобы ввести их в серийное производство».

HP-RTM рама двери A350

Развитие Alpex было завершено через австрийскую программу TAKE OFF через проект под названием SPARTA. «Airbus Helicopters выбрал деталь», — вспоминает Риттеншобер. «Эта рама двери — то, что вы видите, входя в A350 с открытой дверью. Она примерно 2 метра высотой, 200–250 мм шириной и 8–10 мм толщиной, со сложной формой и дизайнерскими особенностями для встречи различных требований собранной двери, которая является первичной структурой». Дверь A350 включает 14 деталей, сделанных Airbus Helicopters в Донауверте, Германии, с использованием LP-RTM. Рама, выбранная для SPARTA, является одной из более сложных деталей двери. «Это хорошая демонстрационная деталь, потому что мы можем напрямую сравнить HP-RTM со стандартным аэрокосмическим LP-RTM», — добавляет Риттеншобер.

Alpex спроектировала и построила инструментарий LP-RTM, сейчас используемый для производства рамы двери A350 у Airbus Helicopters. Для дизайна и постройки инструментария HP-RTM, она применила более автомобильный подход. «Наша цель — обеспечить автомобильный тип автоматизации в производстве аэрокосмических композитных деталей», — говорит Риттеншобер. «Это необходимо, если Airbus собирается строить будущий A320 с большими композитными деталями и темпом 60–100 самолетов в месяц».

Он продолжает: «Мы приходили от производства форм для BMW, который активно пытался упростить свои детали и процессы для сокращения времени цикла, в то время как Airbus приходил от предыдущей аэрокосмической сложности. Например, когда мы начали, Airbus Helicopters спросил, сколько деталей будет у этой формы». Заметьте, текущее производство дверей LP-RTM включало сложные многочастные инструменты. «Мы объяснили, что инструмент HP-RTM будет иметь просто одну верхнюю и одну нижнюю форму», — говорит Риттеншобер.

Таким образом, Alpex начала с простого дизайна формы и затем добавила особенности для дела обработки более робастной и гибкой — например, системы герметизации, используемые для высокообъемного автомобильного производства. «Плюс, у нас все датчики интегрированы в форму», — отмечает он.

Преформы и процесс

Преформы, сейчас используемые для рамы двери A350, используют тканый материал и требуют множественные этапы дебелкинга, результатом чего является трехдневный производственный цикл. «Мы решили использовать некримп ткань (NCF) вместо», — говорит Риттеншобер. «Это снижает цену и время цикла значительно. Мы также закончили демонстрацию некоторых деталей с Hexcel-квалифицированными ткаными преформами, но мы видим переключение в композитной промышленности вне аэрокосмики, с развитием SGL и других от тканых тканей к лентам и более низкокостным формам как NCF».

Когда спросили о точках впрыскивания и любых проблемах с вымыванием волокна, Риттеншобер объясняет, что инструмент HP-RTM имеет только одну точку впрыскивания, но нет вымывания волокна, потому что преформа зажимается так, что она фиксирована в форме и очень стабильна.

Другой ключевой момент в том, что Alpex выбрала использовать двухкомпонентную (2K) смольную систему вместо односоставной RTM6, сейчас используемой Airbus Helicopters. Риттеншобер утверждает, что 2K система может быть более реактивной, что лучше подходит HP-RTM, и может сэкономить стоимость, потому что она не пресмешана и не требует опасной материальной перевозки. Однако она требует более высокую температуру 180 °C. «Это была самая сложная часть для нас», — говорит Риттеншобер, «потому что мы были более привыкли к обработке при 120 °C».

KraussMaffei установила, в своем центре легких технологий в Мюнхене, Германии, готовую инструментарию в свою систему RimStar Compact HP-RTM с автоматизированным высокодавленным (до 80 бар/1100 psi) смешением, дозированием и впрыскиванием. Затем она сделала 20 демонстрационных деталей. Риттеншобер описывает базовый процесс: впрыск при 80 °C, нагрев до 120 °C, удержание на один час, нагрев до 180 °C и удержание на 90-минутное отверждение, охлаждение (2 °C/мин) и снятие. «Впрыск занимает только 20 секунд», — говорит он, «но общий литейный цикл около четырех часов».

Время цикла и стоимость

Все еще длительный цикл отверждения для рамы двери SPARTA движим формулировкой смолы Hexcel RTM6 и обработкой, квалифицированной Airbus. «Мы смогли достичь циклов отверждения 30 минут при 180 °C с дополнительным послеотверждением под вакуумом после для удаления термического стресса и обеспечения механических свойств», — отмечает Риттеншобер, добавляя, что свойства были довольно хороши и сравнимы с деталью LP-RTM.

«Мы показали, что можно использовать процесс и автоматизировать производство для более высоких объемов деталей», — говорит Риттеншобер. «Можно впрыскивать и отверждать в форме, а затем послеотверждать вне пресса». Он признает, что это требует дополнительных комплектов инструментов, но только один пресс и единицу впрыскивания. «С этой системой можно снизить стоимость детали на €700, что позволяет окупить оборудование легко при производственном темпе 500–1000 деталей/год, что даже не очень высокий объем».

Развитие процесса CTC и демонстраторы

Помимо инструментов и процесса, проект HP-RTM двери также включал инновационное использование формата волокна. «Мы начали с тканых текстилей, уже квалифицированных Airbus, и были очень успешны», — вспоминает Шиллер. «Затем мы продолжили с NCF и более инновационными текстилями». Последние включали сухую укладку волокна и интерлейвинг с развернутыми лентообразными слоями для увеличения вязкости, но последнее представило проблемы с плотной упаковкой волокон и слоев, вызывая плохую проницаемость и препятствуя инфильтрации смолы. «Есть также разработки для адресации этого, такие как NCF со специальными волокнами для улучшения проницаемости», — добавляет он.

Относительно давлений для HP-RTM, Шиллер подчеркивает, что решение использовать процесс было движимо больше технологией смешивания из полиуретановой отрасли, чем высокими процессными давлениями. «Мы используем HP-RTM просто для хорошего смешивания высокореактивных смол», — объясняет он. «Может быть некоторое более высокое давление в форме, но это вторичный эффект от быстрого впрыска. Для автомобильных деталей с 2-минутными циклами они должны инфильтровать сухую преформу смолой намного быстрее, чем мы. Наш 15-минутный цикл отверждения позволяет больше времени для инфильтрации смолы, что также снижает давление в форме».

Прессовое давление, тем временем, зависит от размера детали. «Изготовление деталей до 2 метров работает хорошо (около 1500 тонн), но детали размером 4–6 метров требуют расчета бизнес-кейса, потому что инвестиции в пресс становятся очень высокими», — говорит Шиллер. CTC демонстрировала 1,5-метровую на 0,5-метровую CFRP ребро, представляющую любую возможную аэрокосмическую первичную структуру, на JEC World в 2018 году. Также получит пресс более высокого тонажа в конце 2019 года.

2K смолы и сенсорная QA

Шиллер наблюдает, что все предыдущие RTM авиационные структуры использовали только 1K системы, смешанные поставщиком, который затем сертифицирует смесь и несет ответственность за обеспечение соответствия смолы квалификационным требованиям. «Теперь мы рассматриваем 2K системы, но вызов — обеспечить качество смешивания», — объясняет он. Пресмешанные 1K системы требуют холодную перевозку и хранение для предотвращения реакции до обработки детали. Таким образом, преимущества 2K систем включают устранение этой стоимости, а также более высокую реактивность для более быстрой обработки. Одна проблема, однако, в том, что качество (QA) перейдет от поставщика смолы к производителю деталей. «Эта QA требует обнаружения соотношения смешивания и качества смешанной смолы. Оба нужны для квалификации Airbus нового материала. Так что это означает измерения двух компонентов непосредственно перед смешиванием и смолы после смешивания. Сегодня у нас есть только датчики перед головкой смешивания, показывающие, сколько смолы и сколько отвердителя дозируется в смесь. Это недостаточно для квалификации».

Alpex, тем временем, работает над разработкой инлайн системы качества для предоставления верификации 100% правильно смешанной смолы, которую требует Airbus. «Мы работали с датчиками в форме Netzsch с начала этого развития», — отмечает Риттеншобер. «Теперь, когда Netzsch партнерится с Kistler (Винтертур, Швейцария), новая технология доступна. Мы можем мониторить температуру, давление и отверждение смолы от одного датчика, который мы включаем в форму».

«Alpex говорит использовать датчики в форме, а поставщики оборудования смешивания/впрыскивания говорят, датчики должны быть в их системах», — говорит Шиллер. «Оба правы». Но он отмечает, что есть также потребность в улучшении последних. «В автомобильном HP-RTM соотношение смешивания смолы измеряется на всем процессе, так что это среднее», — объясняет Шиллер. «Однако мне нужно это измерение в каждой дискретной точке процесса, чтобы я знал, что соотношение смешивания всегда правильно, даже для последней половины секунды впрыска. Нам нужно лучшее временное разрешение в измерительных системах». Шиллер предполагает, что датчики, вероятно, понадобятся перед головкой смешивания, внутри головки смешивания и в форме. «Мы работаем над этим развитием QA параллельно с оценкой 2K смол в аэрокосмических применениях, и вместе с поставщиками машин мы идентифицировали сенсорные системы, обещающие достаточное разрешение. Они будут валидированы в этом году».

Alpex также пробует новый гибридный мультифункциональный пьезоэлектрический датчик, разработанный Aerospace & Advanced Composites (AAC, Винер Нойштадт, Австрия). Размещенный на RTM форме, он действует как датчик давления для мониторинга фронта течения смолы в форме. Как только преформа импрегнирована смолой и начинается отверждение, изменение в спектре импеданса используется датчиком для определения степени отверждения. Как только отверждение завершено, пьезоэлектрические датчики ко-отверждаются на поверхности детали для использования в структурном мониторинге здоровья либо в пассивном режиме как акустические эмиссионные датчики, либо в активном режиме с использованием направляемых ультразвуковых волн. Они были продемонстрированы для мониторинга удара и повреждений на готовых деталях.

Заметьте, что эти процессные данные могут быть проанализированы интеллектуальными производственными системами Индустрии 4.0 для идентификации маршрутов для дальнейших улучшений качества и эффективности. Эти процессные данные также могут быть залогированы для цифрового двойника каждой детали.

Будущий потенциал

Риттеншобер говорит, что единственным реальным препятствием для HP-RTM технологии является сертификация: «Мы демонстрируем с Airbus Helicopters, что этот процесс может работать, но кто-то должен его сертифицировать». Шиллер соглашается, что это всегда препятствие найти, кто будет первым, но он также рассчитал бизнес-кейсы для многих деталей за прошлый год. «Для 200 деталей в год это не имеет смысла. Однако для деталей на A320, например, это становится привлекательным. Каждый месяц мы видим более высокий целевой темп для программы A320. Многие из этих деталей были спроектированы в 1980-х и производятся вручную, так что они могли бы легко быть сделаны намного более эффективно с HP-RTM».

С продемонстрированными CTC временем цикла детали 20 минут, HP-RTM также может быть привлекательным для рынка электрических вертикального взлета и посадки (eVTOL) самолетов, где производственные объемы 5000 самолетов в год были предложены как верхний предел производителем воздушных такси UBER.

Alpex продолжит развивать ряд RTM достижений, говорит Риттеншобер. «Мы верим, что HP-RTM имеет реальный потенциал помочь решить некоторые проблемы с более экономично эффективным, индустриализированным производством CFRP аэроструктур». Шиллер соглашается, отмечая, что для многих целевых применений A320 есть многочисленные CFRP детали на корабль. «Таким образом, выгода более эффективного процесса начинает накапливаться. Если мы сможем ввести первое применение в производство, то будут и другие».

Следующее поколение
Аэрокосмического производства

С коммерческой авиационной индустрией, спроектированной удвоиться в следующие 20 лет, встреча спрос на пассажирские и грузовые самолеты потребует новых технологий и беспрецедентных производственных темпов.

Узнайте больше о материалах и процессах, которые сформируют самолеты следующего поколения в коллекции историй от CompositesWorld, Modern Machine Shop и Additive Manufacturing, доступных для чтения или скачивания бесплатно. Получите это здесь.