Мастерство волокнистого усиления: искусство и наука плетения

В композитной отрасли есть несколько производственных процессов, которые, на первый взгляд, кажутся относительно простыми и легко выполнимыми. Плетение волокнистых усилений, безусловно, одно из них. Плетение, фактически, делается довольно большим количеством фабрикаторов. Действительно, приобретение и использование плетельной машины для изготовления преформ, рукавов и/или тканей из углеродного или стекловолокна может быть выполнено без монументальных инвестиций денег или времени.

Однако в мире есть мало компаний, которые сделали плетение фокусом всего своего внимания, экспертизы, инвестиций и стратегии. Еще меньше наслаждаются репутацией, установленной A&P Technology Inc. (Синциннати, OH, США) за техническое и художественное превосходство и широту опыта практически с каждым волокнистым усилением в использовании сегодня.

Что в имени?

A&P происходит от Atkins & Pearce Manufacturing Co., основанной в 1817 году для производства хлопковой обработки оборудования. Atkins & Pearce в конечном счете начала плести хлопок для различных конечных рынков. Это продолжалось через середину 19-го и в 20-й века. В 1986 году, когда современная композитная отрасль начала формироваться, Atkins & Pearce увидела возможность применить свой плетеночный ноу-хау к композитному производству и создала A&P Technology как R&D подразделение для оценки плетения технических волокон. Бизнес A&P Technology вырос в следующем десятилетии и в 1995 году стал полностью принадлежащей дочерней компанией Atkins & Pearce. В 1997 году компания сделала дополнительный шаг по выделению A&P Technology в независимую компанию. Сегодня она полностью принадлежит ее президенту Энди Хэду.

A&P Technology разнесена по пяти зданиям на кампусе, расположенном на востоке Синциннатского метрополитенского района. Посетителей встречают в 1255 м² Tech Center, здании возле главного входа кампуса. Именно здесь Пэм Шнайдер, COO, и Майк Брейли, VP прикладной инженерии, встретили CW для этого тура. Шнайдер прослеживает свои корни A&P более чем на 30 лет назад к основанию компании. Брейли присоединился к A&P более 20 лет назад, пришедший из GE Aviation (Эвендейл, OH, США), одного из долгосрочных клиентов A&P.

Сидя на верхнем этаже Tech Center, среди образцов деталей, полученных из плетеночных контрактов A&P, вместе с наследними фото из ранних дней Atkins & Pearce, Шнайдер объясняет, что успех A&P в основном происходит от ее способности кастомно-инженерно решать материальные решения для удовлетворения множества механических и физических требований. И это возможно, потому что плетеночное оборудование A&P разрабатывается и производится in-house, что означает, что компания интимно связана со своей технологией, от концепции до разработки до производства.

Брейли утверждает, что плетение волокнистых усилений предлагает набор материальных способностей, не найденный нигде больше в композитной отрасли. «По сути», — говорит он, — «мы можем менять волокнистую архитектуру для соответствия любому конкретному измерению и любым конкретным механическим требованиям».

Плетение 101

Понимание этого утверждения требует понимания плетения самого. На самом базовом уровне, плетение — это система непрерывных, механически зацепленных волокон либо двух, либо трех ориентаций. Пряжа наматывается на цилиндрический боббин, и боббин монтируется на носителе. Множество носителей затем присоединяются к плетельной пластине с змеевидным треком, направляющим носителей. Пряжа вытягивается из каждого носителя на плоскость формирования над плетельной дорожкой. Плетельная машина может быть ориентирована горизонтально или вертикально, и ее размер (количество носителей) диктует диаметр готовой плетеной детали.

Геометрия готовой плетени зависит от формы и размера мандреля, а также конфигурации плетельной машины, и используется для изготовления рукавов, 2D преформ и плоских тканей. Во всех случаях, хорошо сделанное плетение предлагает волокнистую структуру, которая непрерывна, последовательная и равномерно распределенная, что передает готовой композитной детали отличную ударную вязкость и сопротивление распространению трещин.

Кастомизация тканевой архитектуры, на которую ссылался Брейли, становится возможной благодаря переменным, которые могут быть настроены для плетения: Количество типов волокон (углеродное, стеклянное, арамидное, натуральное, термопластиковое или гибридное), архитектура (биаксиальная, триаксиальная, триакс/биакс или унонаправленная), количество носителей, угол пряжи (фиксированный или переменный), натяжение пряжи, скорость плетения и форма мандреля.

A&P Technology, говорит Шнайдер, эксплуатирует плетельные машины размером от 3 до 800 носителей, с более чем 40 размерами между ними, производя ряд преформ и продуктов с использованием углеродного волокна, стекловолокна, арамидного волокна и больше. 800-носительная плетельная машина массивна — более 13 м в диаметре — самая большая в мире. Линейка машин A&P постоянно эволюционирует, с новыми размерами машин, добавляемыми часто для встречи специфических клиентских требований. В 2016 году A&P произвела более 453,6 млн тонн плетеных продуктов, с ожидаемым ежегодным ростом 15–20% в ближайшие несколько лет. Крупнейший конечный рынок A&P — авиация, говорит Шнайдер, но компания также делает плетеные продукты для авто, рекреационных и инфраструктурных применений.

Брейли говорит, что A&P должна много своего успеха своей способности плести хорошо и в процессе помогать клиентам решать сложные проблемы. Чаще всего, говорит он, клиенты приходят к A&P с металлической деталью, которая терпит неудачу каким-то образом, и все остальные решения не сработали. «Мы были крайне сфокусированы на этом очень долгое время», — говорит он о плетении. «У нас есть оборудование, история, знания и экспертиза для разработки кастомизированных решений. Фактически», — он утверждает, — «некоторые из наших клиентов немного ошеломлены нашими кастомными возможностями».

Первая остановка тура после выхода из зоны демонстрации Tech Center — вниз в прототипной лаборатории, где «тех» фактически делается. A&P не делает композитные детали для продажи, но вместо этого создала пространство для клиентов для ускорения их прототипирования процессов. Здесь вниз A&P делает прототипирование для клиентов, а также строит укладки инструментов и проводит гидростатические прорывные тесты. Также включен большой укладки стол, небольшая коммерчески доступная плетельная машина, НДТ оборудование, морозильник для хранения препрега и walk-in печь Wisconsin Oven (Ист-Трой, WI, США).

Видимы повсюду множество деталей в разных стадиях производства и оценки. Среди них — преформа вентилятора следующего поколения реактивного двигателя, композитная шестеренка для вертолетного проекта, насельный инструмент и несколько проприетарных продуктов, которые, любопытно, не имеют ничего общего с композитами. Эти не выбиваются, однако, говорит Брейли: «Мы инженерированы для преследования высокорисковых, высокооплачиваемых проектов. Мы всегда ищем возможности применить нашу технологию к работе».

За закрытыми дверями

Отсюда тур проходит за закрытые двери в зону, которую CW разрешено посетить с пониманием, что все наблюдения, специфичные для применений и машин, будут сохранены конфиденциально. A&P, фактически, обычно не разрешает заводские туры для защиты проприетарной природы дизайнов клиентов и своей передовой технологии. Фактически, только американский астронавт Нил Армстронг получал полный тур. Визит CW, редкое исключение, был организован для того, чтобы отрасль, которой она служит, лучше понимала широкие способности A&P.

Следующая остановка — здание Долгосрочных Контрактов, 3250 м² объект на северном краю кампуса. Именно здесь мы находим системы A&P на работе, как подразумевает имя, на плетеночных проектах для многолетних проектов — тех, которые, говорит Брейли, статичны и не могут меняться. Первое на виду включает впечатляющий и сложный массив плетелей и мандрелей, производящий углеродоволокнистые преформы для фюзеляжных рам, предназначенных для The Boeing Co. (Чикаго, IL, США) 787-8 Dreamliner. A&P делает 290 рам на самолет для Boeing, 161 из которых уникальны. В одну смену один из этих систем A&P плетельной/мандрельной машины производит четыре преформы, из которых делаются восемь рам, и система, делающая это, управляется одной из самых сложных и высокоинженерных программ, которые компания когда-либо разрабатывала.

Шнайдер и Брейли затем указывают на большую рабочую ячейку с плетельной машиной в работе для изготовления углеродоволокнистых преформ корпуса вентилятора для двигателя GE Aviation GEnx. Эта преформа выходит с плетельной машины как цилиндр, который затем подается на мезонин над плетельной машиной, выпрямляется и разрезается для создания двухслойной ткани, наматывается на катушку и затем отправляется на завод реактивных двигателей GE Aviation в Бейтсвилле, MS, США (см. «Plant Tour: GE Aviation»). Брейли говорит, что последовательность здесь критична, потому что корпус вентилятора инженерен для содержания события «blade out», где лопасть вентилятора отсоединяется во время операции (редкое событие) и ударяет в корпус: «Каждый слой должен быть, и есть, одинаковым», — говорит он. «С точки зрения удара, это крайне последовательно». Помимо GEnx, A&P предоставляет плетеные преформы корпуса вентилятора для GE CF6-80C2, Honeywell Aerospace (Финикс, AZ, США) семейства движков HTF7000 и для Williams International (Commerce Township, MI, США) двигателя FJ44-4.

Следующее — 336-носительная плетельная машина, делающая углеродоволокнистые преформы для двигателей LEAP 1B/2B, а также GEnx. Следом за этим сложная система, плетущая углеродное и арамидное волокна для изготовления преформ статорных лопаток для двигателя Honeywell. Эта плетельная машина, CW сообщается, приспособляет семь дизайнерских вариаций, но функционирует полностью без человеческого надзора.

Шнайдер и Брейли ведут путь из здания LTC и направляются в здание Core Products. Построенное всего 2 года назад, это новейшее A&P. Здесь 20 плетельных машин разных размеров (самая большая оснащена 400 носителями), множественные многих размеров, и большинство работают в любой данный момент. Постоянное «клак-кляканье» вращающихся носителей делает его одним из самых шумных объектов на кампусе. Всё новое оборудование, размещенное здесь, фокусируется на высокоскоростном плетении рукавов для различных применений, включая теплоизоляцию выхлопных газов грузовиков, авиационные крыльевые структуры, протезы, хоккейные клюшки и бейсбольные биты.

Следующая остановка — здание Тканей, где A&P делает свои четыре готовые плетеные ткани, QISO, Bimax, ZERO и TX-45, для различных применений. QISO, на рынке около пяти лет, — квазиизотропная ткань, спроектированная для композитного инструментария, ремонта инфраструктуры и автомобильных применений. Материальные комбинации варьируются в зависимости от применения и включают аэрокосмический и промышленный грейды углеродного волокна. Ткани поставляются в нескольких площадных весах и ширина.

Bimax — стабилизированный ±45° материал, обычно используемый в хоккейных клюшках, больших радиосигнальных тарелках и автомобильных деталях. Тип волокна здесь — гибрид углеродного и стекловолокна, с термопластиковыми аксиальными добавленными для стабилизации тканевой архитектуры во время укладки. Bauer Hockey Corp. (Эксетер, NH, США), A&P говорит нам, переключилась с тканого углеродного волокна на Bimax для своих хоккейных клюшек и в процессе сократила использование материала на 7%.

ZERO, единственная неплетеная ткань A&P, изначально спроектирована для программы F-22. Эта невольная унонаправленная ткань имеет практически нулевой кrimp и предлагается в различных унциевых весах.

TX-45 — новейшая ткань A&P, ±45°, 193 г/м², 2x2 серж, поставляемая на носительной бумаге для легкой манипуляции и последовательной ориентации волокна. Брейли говорит, что TX-45 была разработана A&P для аэрокосмического клиента, заинтересованного в замене ±45° plain-weave препрега.

Также в здании Тканей A&P производит плетеный термопластиковый преформ для запатентованного TiSeat (Титановый Сиденье) Expliseat (Париж, Франция). Веся всего 4 кг, Expliseat называет его самым легким авиационным сиденьем в мире. Оно имеет композитные преформы, сделанные плетением узких разрезанных термопластиковых лент, которые, по словам Брейли, склонны быть более жесткими, чем пряжа, и таким образом более трудными для плетения. TiSeat оснащается для Airbus A320, экономя Airbus около 2090 кг на самолете по сравнению с конкурентоспособными материалами и продуктами.

Крупнейшая структура на кампусе A&P — здание Бизнес-Развития, 7430 м² объект, служащий производственным хабом для множества военных, промышленных и аэрокосмических проектов — особенно связанных с двигателями. На прогулке, Брейли указывает на плетельные системы в разработке для GE потоковых разделителей, систему преформ GE9X двигателя, проходящую квалификацию (GE9X будет питать грядущий Boeing 777X), GEnx корпусные слои, плетельную машину корпуса вентилятора для двигателя Williams и преформу корпуса вентилятора двигателя Honeywell.

Здесь также находится Комната Автоматизации, в которой A&P оценивает робототехнику и подобные технологии для помощи в ускорении скоростей плетения. Это включает мног осевого робота для помощи загрузке мандреля и разработку более продвинутых техник överплетения. Также оценивается динамическое программное обеспечение с обратной связью плетельной машины в реальном времени и системы зрения для ин-процесс инспекции. «Мы чувствуем, что мы на передовой плетеночной способности», — отмечает Брейли, — «но всегда есть возможность улучшить, и мы должны двигать это».

Движение вперед

Обратно в Tech Center, CW встречает Энди Хэда, который всеобъемлюще описывается как техническая и механическая движущая сила A&P. Попрошенный описать место A&P в композитной цепочке поставок, он перечисляет четыре силы: Сильный численный контроль, хороший цифровой дизайн, отличная in-house механическая способность и гибкость, присущая процессу плетения самому.

Эта смесь способностей, говорит Хэд, поставила A&P в уникальную позицию в композитной отрасли: источник высокоинженерных, передовых плетеных решений, которые трудно найти в другом месте из-за высокого барьера входа в плетение.

«Наша организация основана на взаимно убедительном интересе сделать нашего клиента успешным», — добавляет он. «Наша способность проектировать и строить оборудование in-house позволяет нам предоставлять нашим клиентам оптимальные решения в короткие сроки. Эта дизайнерская гибкость ставит A&P на передовой плетеночной технологии, позицию, которую мы относимся очень серьезно».

«Признаю», — говорит Хэд, — «наша позиция единственного источника уникальна, но у нас долгая история поддержки крупнообъемных программ, программ с требованиями, удовлетворяемыми только нашей машиной. Мы гордимся нашей способностью не только встречать эти требования, но превосходить ожидания наших клиентов по качеству и сервису».

Оглядываясь назад, как далеко пришло A&P, и на фокус композитной отрасли сегодня на скорости производства, тактовом времени, автоматизации, контроле процесса и последовательности, Шнайдер видит A&P хорошо выровненной с этими целями и готовой встречать преформочные потребности в аэрокосмических, автомобильных и промышленных секторах и за их пределами. «Это было отличные 20 лет», — говорит она, — «но мы не закончили».