Как углеродное волокно ускоряет будущее авиатакси eVTOL

Этот блог — ответ на статью января 2019 в журнале WIRED, утверждающую, что производство композитов из углеродного волокна сдерживает развитие электромобилей (EV) / вертикального взлета и посадки (VTOL) для городской мобильности и авиатакси. Я буду спорить с этим, но также предложу потенциально разрушительные новые технологии, так что читайте до конца.

Хотя я одобряю автора за освещение быстрорастущей отрасли и указание на необходимость проектирования с учетом технологичности, он вводит в заблуждение, скорее всего, потому что недостаточно информирован о композитной индустрии. Например:

Хотя это технически верно, Airbus наращивает выпуск до 60 самолетов A320 в месяц к середине 2019, а Boeing идет к 57 в месяц для B737, тоже в 2019. Для A320 это означает производство трех сборок вертикального хвостового оперения из ВПУ (CFRP) высотой 6,3 м в день и также трех сборок горизонтального хвостового оперения размахом 12,45 м в день.

Также Airbus квалифицирует одну технологию за другой — многие с композитами, все нацеленные на 60–70 самолетов в месяц — для следующей итерации A320, называемой A320 Neo Plus. Эти композитные технологии охватывают портфель: литье под давлением с передачей смолы (RTM), прессование листового прессовочного материала (SMC) и термопластичные композиты (TPC) с циклами, легко обеспечивающими 700+ самолетов в год. Новейшие технологии в разработке сокращают циклы CFRP деталей с 4 часов до 15 минут или меньше. Большинство новых технологий, квалифицированных Airbus, сильно автоматизированы, как и новые методы сборки.

Автомобильная промышленность также проложила путь к более высокому массовому производству, чем потребуется eVTOL (WIRED цитирует прогнозируемый спрос 23 000 машин к 2035). BMW увеличивает выпуск моделей i3 и i8 — обе с полностью CFRP пассажирскими ячейками — с 130 до 200 единиц/день, а поставщик Audi Voith Composites производит заднюю стенку CFRP для A8 со скоростью 150–300 единиц/день. Обратите внимание, модули BMW i3 и i8 очень похожи на аэрамаму Airbus Helicopters EC 135 — оба производители затем крепят внешние и внутренние компоненты к этому каркасу.

Задняя стенка Audi A8 изготавливается за цикл 5 минут методом RTM и автоматизированной укладки сухой ленты из углеродного волокна, адаптированной по длине и ориентации волокна под конкретные нагрузки, от базы 6 слоев (1,5 мм) до 19 слоев (3,7 мм) там, где нужна локальная подкрепленность для точечных нагрузок. Эта единственная деталь обеспечивает 33% крутильной жесткости силовой ячейки при 50% весе по сравнению со сборкой из 3–5 сварных алюминиевых деталей.

Термопласты

Но эти примеры даже не используют термопластиковую технологию, избранную для нового среднеразмерного самолета Boeing (NMA), который должен быть анонсирован до 2 квартала 2019. Термопластичные детали летают на самолетах с 1990-х, разработка продолжалась, Airbus и европейские поставщики 1-го уровня прототипируют все большие секции крыла и фюзеляжа (с интегрированными стрингерами), масштабируя до полноразмерных демонстраторов фюзеляжа в этом году. Обратите внимание: термопластичные композиты также позволяют сварку, давая дополнительные возможности устранить крепеж и сборку.

Цепочка поставок материалов и обработки TPC быстро консолидировалась за последние три года: все крупные поставщики углеродного волокна теперь производят термопластичные ленты и детали с низким циклом переливки демонстрированы множеством компаний для авиации и авто. Термопластичная сварка также продемонстрирована множеством компаний.

Выдержка из «Переливка как 가능тель для композитов, от авиации к авто», интервью с Скоттом Кингом из композитного производителя CCP Gransden:

Нейшие технологии

Но технология продвинулась с 2014 года и теперь включает несколько интересных разработок:

Термопластиковая переливка на термореактивную основу

Проект OPTO-Light в AZL Aachen продемонстрировал переливку термопластичных композитов (TPC) ребер и зажимов на деталь из углеродного волокна / эпоксидной смолы.

Переливка + UD пультрузии несущие нагрузку

Проект MAI Skelett продемонстрировал переливку TPC пультрузий в двухстадийном 75-секундном процессе для производства структурного элемента крыши/рамы лобового стекла, превышающего все требования BMW i3 при интеграции креплений и зажимов, а также меняющего поведение при аварии с хрупкого на вязкое для увеличения остаточной прочности BIW.

Партнер проекта SGL Carbon теперь поставляет углеродное волокно с соответствующим завязкой для одноматричных решений с семейством PP или PA6, включая пультрузию, органический лист и переливку, а также экспертизу по дизайну и процессу разработки деталей через свой Центр легких приложений (LAC, Майтинген, Германия).

Вернемся к статье WIRED и ее неосведомленным утверждениям:

Правда, что этот метод производства CFRP использовался много лет, но также правда, что и авиационные, и автомобильные производители уже перешли на более автоматизированные, почти безотходные материалы и процессы, а также термопласты с доказанными преимуществами в устранении крепежа, обеспечении перерабатываемости/вторичного сырья и ремонтопригодности.

В конце концов, автор WIRED противоречит своей собственной тезису, потому что пионер eVTOL ICON планирует не только двигаться вперед с CFRP аэрамой, но и производить детали для более крупных самолетов. Углеродное волокно очевидно не заземлит eVTOL, а уже играет ключевую роль в компаниях, толкающих вперед умную инженерию для широкого спектра будущих машин, как в воздухе, так и на дороге. Использование новейших технологий имеет смысл, потому что все эти новые машины все равно должны быть сертифицированы.

Однако один ключевой момент был сделан в статье CEO BetaTechnologies Кайл Кларк:

CEO Blue Force Technologies Скотт Бледсое также подчеркнул важность наличия команд аэродинамики, двигателей, стиля, структур и производства, каждой с равным местом за столом на каждом этапе проектирования и разработки.

Но, возможно, самое важное — оставаться в курсе того, куда движется производство композитов, и связываться со множеством поставщиков материалов, оборудования и технологий, желающих поделиться экспертизой и помочь развить будущие приложения. Обращайтесь к нам в CompositesWorld, потому что именно это мы и делаем — предоставляем технические, надежные связи и информацию.