Термопластичные композиты готовы революционизировать гражданскую авиацию

Термопластичные композиты (ТПК) не новы для авиации, но последние пару лет использование термопластиков в гражданских самолетах достигло переломной точки. Хотя ТПК уже какое-то время используются для мелких деталей — зажимов, кронштейнов или небольших внутренних компонентов — термопластики постепенно проникают в более крупные авиационные структуры и теперь кажутся готовы сыграть более большую роль в будущем гражданской авиации.

В марте 2018 года Toray Industries Inc. (Токио, Япония), крупнейший в мире производитель углеродного волокна, поглотила TenCate Advanced Composites (Морган Хилл, Калифорния, США и Нейвердал, Нидерланды) за 930 млн евро (TenCate с тех пор сменила название на Toray Advanced Composites). Этот шаг, казалось, был попыткой усилить термопластичные способности Toray в подготовке к следующей волне разработки гражданских самолетов. Вскоре после этого объявления Hexcel (Стэмфорд, Коннектикут, США) и Arkema Inc. (Кинг-оф-Пруссия, Пенсильвания, США) объявили о стратегическом альянсе для разработки термопластичных композитных решений для авиации, объединяя мастерство Hexcel в производстве углеродного волокна с экспертизой Arkema в смолах полиэтеркетонкетона (PEKK). И в течение года несколько других элементов пазла термопластиков, казалось, вставали на свои места.

В апреле 2018 года Premium Aerotec GmbH (Аугсбург, Германия) представила демонстратор перегрузочного переборта Airbus (Тулуза, Франция) A320, разработанный и изготовленный с использованием углеродного волокна в термопластичной матрице. Демонстратор, состоящий из восьми сваренных сегментов, иллюстрирует, как сварность термопластиков имеет потенциал для создания более крупных авиационных компонентов. (Узнайте больше о демонстраторе перегрузочного переборта A320 Premium Aerotec).

В августе 2018 года Solvay (Алфаретта, Джорджия, США), Premium Aerotec и Faurecia Clean Mobility (Коламбус, Огайо, США) запустили IRG CosiMo (Industry Research Group: Composites for Sustainable Mobility), консорциум, сфокусированный на разработке материалов и процессов, направленных на обеспечение крупносерийного производства термопластичных композитов для авиации и автопрома. Консорциум объединяет компании по всей цепочке процесса термопластичных композитов от материалов до оборудования до применений в авто и авиации. (Узнайте больше о консорциуме IRG CosiMo здесь).

Solvay партнерствует с GKN Fokker (Хугевен, Нидерланды) для продвижения технологий и дальнейшего внедрения ТПК для крупных авиационных структур с июня 2017 года. Компания запустила производство полимера PEKK в сентябре 2017 года, а затем удвоила квалифицированную мощность UD термопластичной ленты в 2018 году. В начале 2019 года Solvay ввела в эксплуатацию выделенную НИОКР-лабораторию ТПК в Алфаретте, Джорджия, США, нацеленную на разработку материалов следующего поколения. Solvay планирует начать квалификацию новой линии UD ленты в конце 2019 года.

Teijin Ltd. (Токио, Япония) объявила в январе 2019 года, что ее углеродное волокно TENAX и UD преимпрегнированная лента углеродного волокна/термопластика (TENAX TPUD) были квалифицированы Boeing (Чикаго, Иллинойс, США) для использования как промежуточный передовые композитные материалы для первичных структурных деталей (Читайте полную новость здесь).

По мере прогресса этих и подобных технологий и материалов постепенно в фокус вступает картина того, как авиапромышленность может выглядеть в ближайшие годы и десятилетия. Роль ТПК становится все более значительной частью этой картины.

Изготовители заинтересованы в использовании производственных преимуществ и быстрых времен обработки термопластиков, и в применении ТПК для начала производства более крупных структур, таких как панели фюзеляжа и ребра. Кроме того, термопластики обладают высокой вязкостью к разрушению; хорошими механическими свойствами; перерабатываемостью; низкими показателями горючести, дыма и токсичности (FST) и могут храниться при комнатной температуре. И по мере того как OEM и авиационные поставщики 1-го уровня лучше знакомятся с термопластиками, они используются для более сложных деталей, сваренных сборок и первичных структур.

По словам Стив Мида, управляющего директора Toray Advanced Composites (ранее TenCate), «[Крупные авиастроители] действительно ищут материальное решение, которое имеет скоростные возможности алюминия и весовые возможности углеродно-волокнистого материала — термопластики как раз замыкают этот разрыв».

Обрабатываемость ТПК

Большая часть того, почему ТПК находят свое место в авиационных программах — это их обрабатываемость. Поскольку термопластики уже полностью полимеризованы, они имеют более быстрые темпы производства, чем термореактивные пласты, которые должны проходить отверждение.

«Когда вы смотрите на количество времени, необходимое для изготовления термореактивной детали сегодня, и сравниваете его с количеством времени, необходимым для изготовления детали из термопластичного композита, [термопластик] примерно в 10 раз быстрее», — говорит Майк Фавалор, президент и CEO CompositeTechs LLC (Эймсбери, Массачусетс, США), консалтинговой компании по композитной отрасли.

Большое преимущество термопластичной автоматической укладки волокна (AFP) по сравнению с термореактивной AFP — особенно учитывая отсутствие цикла отверждения — это более высокие темпы производства за счет более быстрого времени обработки. Экономия затрат можно найти в in-situ ламинировании и пост-консолидации вне автоклава (OOA). К тому же, исключение автоклава из уравнения позволяет разрабатывать более крупные структуры.

Дэвид Лич, директор по бизнес-развитию ATC Manufacturing (Пост-Фолз, Айдахо, США), признает, что единичная стоимость термопластиков превышает стоимость термореактивных пластов, но утверждает, что цены на материалы ТПК снизятся. Кроме того, он говорит, эффективность обработки предлагает возможность снизить затраты уже сегодня. Общий консенсус в композитной отрасли в том, что OOA термопластичные процессы прямо сейчас предлагают экономию затрат более 30% по сравнению с термореактивными пластами.

«Термопластики находят свой путь в программы даже после того, как самолеты пошли в серию», — указывает Лич. «Это свидетельство выгод от термопластиков».

Потенциал высокопроизводительных матричных полимеров выходит за рамки того, что сейчас доступно на рынке. Даг Брадимаер, руководитель Ultra-Polymers Materials в Solvay, говорит, что компания работает как внутренне, так и с партнерами для разработки адаптированных полимеров, настроенных для разных процессов формовки.

«Мы взволнованы этими адаптированными решениями PAEK и можем быстро вывести их на коммерциализацию в наших мировых активах, основанных на потребностях клиентов», — говорит Брадимаер.

Низкотемпературный PAEK

С авиационными OEM и поставщиками, ищущими более высокие темпы производства и более короткие циклы, обрабатываемость является ключевым. Полиэтерэтеркетон (PEEK) долгое время был фаворитом среди термопластичных полимеров, так как у него самая большая база данных и он наиболее широко квалифицирован. Но по словам Фавалора, низкотемпературный полиарилэтеркетон (LM PAEK) предлагает некоторые преимущества, особенно для автоматизированных методов обработки вроде ATL.

«PEEK обрабатывается штамповкой и непрерывной формовкой, но LM PAEK обрабатывается при более низкой температуре, имеет более низкую рабочую вязкость, что позволяет лучшую автоматизированную обработку, и имеет более низкую степень кристалличности, что уменьшает остаточные формовочные напряжения», — говорит он. «Конечная цель — использовать станок ATL для укладки [ленты] и закончить с этим — вам нужна правильная степень кристалличности, хорошее окно и хорошие скорости укладки».

LM PAEK имеет широкое процессное окно 350–385°С. Для справки, температуры обработки полифениленсульфида (PPS) варьируются от 330–350°С, в то время как полиэтеркетонкетон (PEKK) и PEEK обрабатываются при 380°С и 400°С соответственно.

«Материал получил столько притяжения из-за своей обрабатываемости», — говорит Скотт Унгер, технический директор Toray Advanced Composites. Toray Advanced Composites сотрудничала с Victrex (Ланкашир, Великобритания) для производства Cetex TC1225, UD ленты с использованием LM PAEK.

«Намерением разработки TC1225 было создать продукт, который легко обрабатывается при температурах, близких к используемым для PPS, имел благоприятную стоимость для конечного пользователя и имел механические и жидкостностойкие свойства PEEK», — говорит Унгер. «С TC1225 LM PAEK я чувствую, что мы достигли всех этих целей».

Cetex TC1225 в настоящее время проходит квалификацию в Национальном центре передовых материалов (NCAMP, Уичита, Канзас, США). Кроме того, Toray говорит, что есть две крупные квалификации на основе авиастроителей в работе для материала, а также несколько программ квалификации на основе растущих рынков, таких как авиатакси и городская воздушная мобильность.

Ленты с использованием LM PAEK, как сообщается, дают улучшенные скорости укладки. Тим Херр, директор Aerospace SBU в Victrex, говорит: «Скорости укладки, которые мы можем достичь как для in-situ AFP, так и для out-of-autoclave консолидированной AFP, беспрецедентны». Он указывает, что 60 метров в минуту можно достичь на панелях, консолидированных в печи; 20 метров в минуту, как сообщается, возможно с in-situ консолидацией.

В терминах качества Унгер заявляет, что низкотемпературный PAEK предлагает способность получить то же качество ламината с in-situ укладкой волокна, как с ламинатом, уложенным волокном, который прошел пост-укладку печную консолидацию.

Склеивание композитов

Сварность ТПК — большое преимущество материала для использования в разработке самолетов. Плавление/сварка предлагает альтернативу механическому креплению и использованию клеев, оба метода которых применяются для соединения термореактивных композитных деталей.

Стивен Хайнц, директор по разработке продукта в Solvay, говорит: «Соединение и сварка играют главную роль в будущем сборки и имеют потенциал снизить затраты и повысить надежность аэроструктур. Компании вроде GKN Fokker берут на себя руководство в демонстрации сварки».

GKN Fokker (Хугевен, Нидерланды) уже некоторое время работает над развитием сварки ТПК, начав эксперименты с сопротивлением сварки термопластиков в 1990-х. Компания использует термопластичные процессы сварки для соединения внутренних ребер и обшивок переднего края. На JEC World 2019 компания представила панель фюзеляжа из термопластичного композита с ареаловым правилом, изготовленную с использованием UD ленты Solvay APC (PEKK-FC). Панель является результатом совместного НИОКР-проекта между GKN Fokker и Gulfstream Aerospace (Саванна, Джорджия, США). Деталь, как сообщается, является самой дешевой композитной панелью благодаря простой «стыковой» ортогрид-упрочнению и полностью сваренным ребрам.

«С термопластиками ортогрид можно сильно упростить «стыковкой» сетки к обшивке», — объясняет Арнт Оффринга, руководитель разработки технологий термопластичных композитов GKN Fokker. «Сетка теперь состоит из простых плоских заготовок, которые со-консолидируются с ламинатом обшивки для формирования дешевой, интегрально упрочненной оболочки. Ребра свариваются к сетке. Эти швы нагружены на сдвиг, что делает возможным отказаться от всех болтов».

Хотя сваренные термопластичные структуры использовались на самолетах уже некоторое время, технология теперь кажется хорошо подготовленной для использования в первичных структурах. Майк Фавалор считает, что авиационные изготовители и OEM набирают уверенность в ТПК, особенно в контроле процесса. «В 10-летнем горизонте мы начнем видеть гораздо более широкое внедрение», — говорит он.

Подробнее о технологии сварки в статье Джинжер Гарднер «Сварка термопластичных композитов».

 

Безосновательное производство

Еще одна инновация на горизонте, которая может ускорить использование термопластиков — безосяное производство композитов. Концепция, как следует из названия, устраняет необходимость в традиционных формах и оснащении, заменяя их робототехникой.

Авиационный производитель General Atomics Aeronautical Systems Inc. (GA-ASI, Сан-Диего, Калифорния, США) разрабатывает такой процесс для формовки структур из термопластичных композитов. Composite Automation LLC (Кейп-Корал, Флорида, США), используя оборудование Mikrosam (Прилеп, Македония), работала с GA-ASI для разработки автоматизации. Процесс использует двух 6-осевых роботов, работающих вместе для укладки термопластичной ленты. Один робот состоит из стандартной системы укладки UD ленты, обеспечивающей лазерный нагрев для выполнения in-situ консолидации термопластичного материала. Второй робот обеспечивает поддержку, работая напротив автоматического укладчика ленты (ATL) для предоставления подвижной оснастированной поверхности, против которой ATL укладывает ленту. (Чтобы узнать больше, см. «General Atomics Aeronautical разрабатывает безосяной процесс термопластичных композитов»).

Перерабатываемость

Еще одно преимущество ТПК — перерабатываемость. Поскольку термопластичные полимеры могут быть переплавлены и переформованы, несколько компаний смотрят на ТПК как способ повторного использования материалов.

Одна такая инициатива по переработке, управляемая Центром применения термопластичных композитов (TPAC, Энсхеде, Нидерланды) и Центром исследований термопластичных композитов (TPRC, Энсхеде, Нидерланды), фокусируется на повторном использовании производственных отходов от обработки ТПК, от сбора до измельчения и переработки до применения. Проект TPC-Cycle работает над разработкой доступного, экологически чистого пути переработки для высококлассных, крупносерийных рынков — при этом производя материал, сохраняющий максимально возможное количество механических свойств исходных термопластичных материалов. Проект похвастается короткими циклами, нетто-формовым производством и, как говорится, позволяет производить сложные формы.

Сотрудничество включает несколько промышленных партнеров в цепочке ценности, от материалов, производства, проектирования и применения, включая GKN Fokker, Toray Advanced Composites, Cato Composite Innovations (Рхеден, Нидерланды), Dutch Thermoplastic Components (Алмере, Нидерланды) и Nido RecyclingTechniek (Нейвердал, Нидерланды).

 

Правильный материал для правильной работы

Так, среди шума возбуждения об этих материалах, возникает вопрос: пришли ли ТПК? Поставщики 1-го и 2-го уровни авиации инвестируют в термопластики. Есть больше интереса и инвестиций от мелких и средних поставщиков. Консорциумы вроде IRG CosiMo смотрят на оба рынка — авиацию и автопром — для продвижения процессных технологий для достижения крупносерийного производства.

«Это Трифекта», — говорит Мид, — «OEM инвестируют, производители оборудования инвестируют, правильный материал разработан. Все компоненты рецепта сходятся вместе».

В более широком смысле, что все это значит для использования материалов на самолетах следующего поколения? В конце концов, существует множество материалов, конкурирующих за место на самолете будущего, и инновации не замедляются — термореактивные композиты продолжают эволюционировать; алюминий и титан будут продолжать играть роль.

«По мере того как авиастроители разрабатывают квалификационную базу с термопластиками, у них теперь есть выбор», — говорит Унгер. «И этот выбор будет основан на выборе правильного материала для данного применения, который соответствует требованиям по темпу производства и стоимости для компонента или структуры в вопросе. Посмотрев на гражданскую авиацию вперед, я верю, что вы увидите авиастроителей использующими правильный материал для правильной работы. Если материал обеспечивает наиболее подходящую структуру за наименьшую стоимость и соответствует требованиям программы по темпу сборки, он завоевает свое место на самолете».

Новое поколение авиационного производства

С прогнозом удвоения коммерческой авиации в ближайшие 20 лет, удовлетворение спроса на пассажирские и грузовые самолеты потребует новых технологий и беспрецедентных темпов производства.

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