Прогресс в сварке термопластиковых композитов: от исследований к коммерческому использованию

Блог к статье сентября 2018 «Сварка термопластиковых композитов». Сборник изображений и деталей, не вошедших в печатную версию: хронология развития индукционной сварки, детали квалификации для будущих гражданских самолетов, разделы о ремонте, разработках для автопрома и сварке термореактивных/термопластиковых (TS-TP) композитов.

Почему сварка TPC интересна

Сравнение задней переборки Airbus A320: сверху — алюминий с множеством заклепок, снизу — демонстратор Premium Aerotec на ILA 2018 (Берлин) без заклепок. Для композитов это исключает вес, время и стоимость крепежей, сверления, чистки и инспекции отверстий, а также подкладки для компенсации срезов нагруженных волокон.

«Инспекция сварных структур проще, чем клееных», — д-р Ханс Луинге (TenCate-Toray). «C-scan показывает отсутствие пористости в ламинате — сварка хороша. При клеении могут быть «поцелуи» или загрязнения, трудно обнаруживаемые».

Развитие индукционной сварки

KVE Composites развивает индукционную сварку TPC с 2001 г. Ранние применения: ткань углерод/ППС — элеваторы и рули Gulfstream G650 и Dassault Falcon 5X. Другие применения: люки топливных баков A220 (ранее Bombardier CSeries) от AVIACOMP (теперь Sogeclair Group). KVE показал, что сварная термопластиковая сборка позволяет изготовить все различные люки самолета за $100 000 инструментальных затрат (против дорогих сэндвич-панелей с медовой сердцевиной). «Лего-подобные» компоненты — плоские листы и штампованные жесткости — свариваются в разные формы. Одна сварочная ячейка для всех люков.

Хронология KVE: 2008 — тесты UD CF/PEKK, демонстраторы TAPAS; 2010 — 3D-симуляции, толстые ламинаты (≤5 мм UD PEEK/PEKK, ≤15 мм ткань/ППС); 2011 — руль Boeing Phantom Eye UAV; 2014 — демонстраторы UD CF/PEKK; сейчас — квалификация с OEM и Tier 1.

Ячейка производства 2019 — станок Falko ATL (Boikon, Нидерланды) с УЗ-сварочным эффектором GKN Fokker. «Роботизированная ячейка дает эффективный процесс и контроль для следующего уровня объемов против pick-and-place», — Маартен Лабордус (KVE). Демонстрируется замкнутый контур управления УЗ-сваркой (GKN Fokker).

Квалификация

Приоритет — квалификация индукционной сварки для авиационных конструкций. Сдвиг от ППС/ПЭИ к PEEK, PEKK, LM PAEK, к автоматически укладываемым UD-лентам и толстым ламинатам для высоконагруженных структур. KVE улучшает и стандартизирует оснастку, оборудование и FEA-модели.

Стандартизированная установка для качественных образцов (single lap shear, L- и T-разрыв): жесткий рама, нижний инструментальный блок с надувным мандрелем для сжатия ламината против специального теплоотвода («KVE material») для локализации тепла на сварном шве. Установлена в TPRC (Энсхеде), McNair Center (Южная Каролина), NLR (Маркнессе).

Ремонт

Фокус на CF ткань/ППС (квалифицированы и летают). Процесс как для термореактивных: удаление повреждений, скошенный шарф, клееный препрег-патч. Проблема: термопластиковый препрег при комнатной температуре жесткий и не липнет — трудно получить геометрию. Роботизированные системы ремонта (Airbus, Lufthansa) предлагают решение. KVE достиг индукционно сваренного 2D-линейного скошенного шва в CF ткань/ППС с равномерной толщиной и 90% свойств исходного материала.

Следующий шаг — сварка двух прямоугольных деталей с скошенными краями, затем патча в эллиптическое отверстие. В перспективе — UD PEEK/PEKK. Индукционная катушка для полевого ремонта пока только в лаборатории. Вопрос давления: в лабе 5 бар, вакуумный мешок (1 бар) может быть достаточно для плоских UD материалов.

Мишель ван Тоорен (McNair Center) развивает индукционную сварку под вакуумным мешком — как мягкое оснастки для сжатия. «Можно переплавлять ремонт в любой момент, даже через 20 лет службы. Результат — цельный кусок, а не клеевой слой, исключая проблемы клеения».

Сварка термореактивных с термопластиковыми (TS-TP)

Ван Тоорен: введение термопластика в термореактивный композит только в зоне сварки. Нанесение наночастиц и кросс-полимеризация — «остров» термопластика, химически соплавленный с термореактивным. Затем сварка на этот остров. Альтернатива сверлению и клеению.

Множество исследовательских групп. Ирен Фернандес Вильегас (TU Delft) — соавтор статьи 2017 «Гибридная сварка углеродно-эпоксидных композитов» с использованием ПВБ (поливинилбутираль) как связующего слоя. ПВБ (Mowital, Kuraray) — полукристаллический термопласт, Tпл 150–170 °C, отличная адгезия. Ко-свернуты с 14-слойным CF ткань/эпокси (Hexcel 3501-6, 58% объем волокна, отвержка 180 °C). Макро-механическое зацепление за счет проникновения ПВБ в первый слой ТСК (10–несколько сотен мкм) и диффузии эпоксидных мономеров в ПВБ. Индукционная и УЗ-сварка дали прочность на сдвиг ~25 МПа — в диапазоне клееных CF/эпоксидных соединений.

Автомобильные применения

Почти все компании из статьи смотрят на автопром. «Сварка делает композиты конкурентоспособными с алюминием», — Арнт Оффринга (GKN Fokker). Автопром ищет быструю альтернативу клеению. Углеродные кузова сейчас термореактивные, клееные. Если сделать их термопластиковыми и сварными — жестче, легче, дешевле, лучше производительность.

Composite Integrity: резистивная сварка для авто с ПА (нейлон) и ПП композитами. Разные технологии: металлический провод в одной детали, контакт с другой, подача тока; или углеродный резистивный патч на сварочном шве. Пример: две детали CF/ПА сварены спец. резистивным патчом из того же полимера и стекловолокнистой флиз для изоляции и концентрации энергии. Металлические вставки — не проблема для резистивной сварки, для индукционной — спец. катушка или модификация полей.

Дальнейшие разработки и другие проекты

DLR ZLP (Аугсбург): роботизированная УЗ-головка на KUKA Quantec KR210 для соединения 8 секций TPC в заднюю переборку A320. Параллельно — резистивная сварка («сварочный мост») для демонстратора Premium Aerotec на ILA 2018. Цель — единый промышленный процесс для сварки и стрингеров фюзеляжа, и задней переборки из TPC.

EireComposites (Ybridio, Innova) — индукционная/резистивная сварка CF/PEEK, CF/PEKK, GF/ПП, оценка для крыла A220. Tods Aerospace (Unitech) — NATEP проект Rolls-Royce: резистивная сварка без металлических имплантов. TenCate-Toray и NCC (Бристоль) — партнеры.

LZH (Laser Zentrum Hannover) — лазерная сварка термопластиковых композитов (будущая статья).