Acasă Adult66 Consolidarea aerostructurilor din material compozit termoplastic, partea a doua

Adult66

Consolidarea aerostructurilor din material compozit termoplastic, partea a doua

157

In partea 1 a acestei povesti in doua parti, CW a analizat aparitia si istoria utilizarii compozitelor termoplastice (TPC) in componentele aeronave structurale pe aeronave comerciale. O atentie deosebita a fost acordata compozitelor termoplastice (TPC) consolidate in situ (TPC), un proces cu o singura etapa in care caldura si presiunea sunt aplicate ca (de obicei) benzi termoplastice unidirectionale sunt plasate folosind echipamente automate de plasare a fibrelor (AFP). Structurile realizate in acest fel sunt complet consolidate si, astfel, pot obtine mai putin de 2% continut vid si proprietati mecanice suficiente. Prin urmare, nu este necesara nicio caldura sau presiune suplimentara.

Cilindrii si rezervoarele ISC au fost produse de la sfarsitul anilor 1980, iar piesele ISC au fost utilizate in industria petrolului si a gazelor de zeci de ani. Mai mult, structurile de aeronave ISC prototip au fost demonstrate in ansambluri la fel de mari ca un fuselaj al elicopterului. In prezent, niciunul nu zboara pe aeronave comerciale.

Asa cum s-a mentionat in partea 1, ISC consolideaza pe deplin stratul laminat pe masura ce este plasat , obtinand continutul tinta de gol si proprietatile mecanice pe masura ce TPC se raceste. Insa criticii sustin ca procesul de plasare / consolidare este prea lent, negand beneficiile procesului cu un singur pas in ceea ce priveste viteza de productie totala. Sustinatorii unor procese mai conventionale, in doua etape, insista asupra faptului ca ofera potentialul unor rate de plasare a benzilor TPC mult mai rapide si au ca rezultat un proces de productie generala mai rapid si mai putin costisitor al pieselor, in ciuda faptului ca necesita o etapa de consolidare secundara, prin intermediul unui cuptor , autoclave, unealta incalzita sau presa. De fapt, ceea ce este mai rapid nu este atat de clar, iar viteza de productie finala a pieselor pentru fiecare abordare poate fi influentata de mai multi factori.

„Am putea livra astazi piese de inalta performanta realizate prin consolidarea in situ”, spune Cyrille Collart, seful Airbus Innovation & Development, Manufacturing Technologies Composites (Nantes, Franta). Dar ce va zbura de fapt pe viitoarele camere aeriene? Potrivit Airbus, va depinde de ce tehnologie indeplineste cel mai bine tintele pentru fiecare aplicatie si program de aeronave.

Echilibrarea timpului si a temperaturii

In forma sa cea mai de baza, un cap de depunere AFP include un mecanism de alimentare si taiere cu banda, un role de compactare si un incalzitor (Fig. 1). In mod obisnuit, incalzitoarele cu infrarosu (IR) sunt standard pentru materialele termoset, iar laserele cu diode sunt acum norma pentru TPC-uri. Pe masura ce banda prepreg termoplastica este introdusa prin capul AFP si pe partea respectiva, laserul il incalzeste pana si de multe ori peste temperatura de topire a matricei termoplastice. Aceasta permite fie o sudare partiala la stratul depus anterior, in cazurile in care va fi efectuata oa doua etapa de consolidare, fie sudarea completa necesara pentru aplicatia ISC cu o singura etapa. O camera IR este de obicei folosita pentru a masura temperatura suprafetei substratului si a benzii de intrare. Aceste date sunt utilizate fie intr-un sistem cu bucla deschisa sau inchisa pentru a controla cantitatea de caldura furnizata de laser.

„Cu cat mergi mai repede, cu atat ai nevoie de mai multa putere, dar prea mult si vei arde compozitul”, explica Alexandre Hamlyn, director tehnologic si director pentru furnizorul de echipamente AFP Coriolis Composites (Queven, Franta). „Deci, camera IR detecteaza temperatura de configurare si alarmeaza operatorul daca temperatura se deplaseaza in afara domeniului specificat.” El observa ca utilajele Coriolis sunt utilizate pentru o gama larga de piese si materiale. „Masina AFP este„ instruita ”in timpul dezvoltarii pieselor si a calificarii materialelor”, spune Hamlyn. „Aici se stabileste profilul de incalzire pentru fiecare piesa si material.” Acesti parametri, salvati ca retete, sunt apoi selectati de operator. Sistemul general este controlat de un computer central, asigurand gradul avansat de control necesar pentru structurile de aeronave primare.

„Cu cat incalziti banda mai lunga, temperatura trece prin stratul laminat si creste tensiuni in straturile de mai jos”, spune Mike Smoot, VP vanzari si marketing la Accudyne Systems (Newark, DE, SUA). „Deci, este un echilibru intre temperatura si timp”. El observa ca aceasta nu este o problema atat de mare cu structurile cu pereti subtiri, ci mai mult pentru structurile groase, observand ca aceasta din urma „se va delamina atunci cand este prelucrata”.

„Aceasta este una dintre cele mai mari probleme cu ISC”, este de acord Henri de Vries, om de stiinta principal, compozite, in cadrul departamentului de tehnologie a structurilor din centrul aerospatial olandez (NLR, Amsterdam). „In mod obisnuit, recoacerea este necesara pentru a elibera partea principala a stresului termic, desi puteti sa o coborati un pic pastrand partea la 100 ° C in timpul instalarii.”

Elementul de incalzire si modul in care este folosit, de asemenea, pot fi corective. „Putem utiliza diferite profiluri de lumina laser pentru a incalzi mai multa lungime a benzii in timpul plasarii, ceea ce duce la un timp mai lung de contact si incalzire pentru o mai buna consolidare si mai putine goluri”, explica Fernando Rodriguez, seful Proceselor de Dezvoltare si Laboratoare pentru FIDAMC (Getafe, Spania). Profilul, sau forma, a luminii laser a diodei utilizate in AFP termoplastic este modificata, folosind o fibra optica si un laser optic (a se vedea figurile 1 si 2). „Aceasta este o fibra optica cu diametrul foarte mic [1 mm] de la sursa diodei la o optica laser, montata pe cap, care transforma sursa laser dintr-un punct circular pe laminat intr-o iesire dreptunghiulara in punctul de fixare, care se potriveste cu latimea fibrei puse ”, spune Hamlyn. „Masinile noastre pot aseza latimi de la 1/8 inci pana la 2 inci [3. 2 mm pana la 50,8 mm]. Fibra optica va intinde iesirea laserului pana la 2 inchi [20.8 mm] in latime si 1 inch [25.4 mm] in inaltime ”, adauga el.

Viteza in raport cu golurile, cristalinitatea si grosimea benzii

Una dintre caracteristicile cheie care afecteaza eficienta procesului este continutul vid. „Continutul vid al pieselor TPC consolidate in situ depinde de rata AFP, de geometria pieselor si de calitatea prepreg”, spune Robert Langone, presedintele Automatic Dynamics (Niskayuna, NY, SUA, acum parte a grupului Trelleborg, Trelleborg, Suedia). „Cele mai multe parti care folosesc PEEK au un continut vid de 4-6%, in timp ce majoritatea partilor aerospatiale pot ajunge la 3-4%.” Trelleborg produce o varietate de piese din fibra de sticla, carbon si aramida ISC, folosind PEEK pentru piese de petrol si gaze, si sulfura de polifenilena (PPS), PEKK si PEEK pentru aerospatial. „Cel mai bun lucru pe care il putem face este cu 1% sau putin mai mic, dar nu pentru fiecare geometrie sau cu fiecare tip de banda termoplastica”, remarca el.

„Pentru o parte complexa, putem realiza o consolidare de 96% (3-4% porozitate), iar pentru o parte plana, porozitatea este mai mica de 2%”, spune Hamlyn. „Cu panouri plate, puteti aseza mai exact fibra, ceea ce contribuie la cresterea consolidarii. Punctul cheie este modul in care setam si controlam atat fereastra procesului, cat si presiunea de la rola de compactare inalta. “

Smoot a lui Accudyne noteaza ca compania sa s-a luptat cu o calitate slaba a benzii in timpul dezvoltarii sale ISC in anii 1990 (mentionata in partea 1). „Nu puteti satisface cerintele de porozitate sau proprietate”, explica el. „Accudyne a trebuit sa consolideze mai intai banda, apoi sa o proceseze cu masina sa de laminare in situ. In acest fel, a fost capabil sa ajunga la 3% din proprietatile autoclavei si chiar a produs niste panouri care au depasit acest lucru. “

Dar Hamlyn observa ca banda termoplastica si calitatea remorcii s-au imbunatatit semnificativ, cu porozitatea cat mai scazuta de 1%.

Cu toate acestea, Rodriguez de la FIDAMC a vazut probleme, in special in demonstratiile recente rigidizate din panoul de fuselaj. „Consolidarea stratului laminat intre straturi este foarte buna datorita actiunii rolei”, spune el, „dar exista goluri in interiorul fiecarei straturi [in interior] din cauza porozitatii din materia prima.” El observa, de asemenea, probleme legate de uniformitatea grosimii, latimii si distributiei rasinii / fibrelor. Micrografele din Fig. 3 sunt de CF / PEEK. „Puteti vedea golurile si grosimea neregulata, care cauzeaza probleme in realizarea compactarii”, observa Rodriguez. „Avem nevoie de o grosime mai omogena, adauga el, atat pe latimea cat si pe lungimea benzii.”

In ciuda acestor probleme, gradul de consolidare in procesul cu o singura etapa este de aproximativ 90% din cel obtinut cu ajutorul unei autoclave sau a presei la cald. Rodriguez spune ca acest lucru este suficient de ridicat pentru aerostructuri primare, dar FIDAMC lucreaza cu furnizori – inclusiv Barrday (Milbury, MA, SUA), TenCate (Almelo, Olanda), Toho Tenax (Wuppertal, Germania) si Victrex (Cleveleys, Lancashire, Marea Britanie ) – in scopul obtinerii benzilor de calitate superioara si a sporirii corespunzatoare a consolidarii, precum si a vitezei de procesare AFP in situ.

O alta preocupare esentiala este cristalinitatea, structura moleculara ordonata care se formeaza in polimeri semicristalini, cum ar fi PEEK, PEKK si PPS, deoarece acestea se racesc de la temperatura topirii la un solid. In general, ratele de racire mai lente cresc cristalinitatea, ceea ce duce la proprietati mecanice mai mari si rezistenta chimica in stratul finisat. Langone sustine ca cristalinitatea conteaza mai mult pentru unele aplicatii decat pentru altele. „Cautati sa respectati rezistenta chimica si proprietatile mecanice ale fiecarei aplicatii, dar si stabilitatea pe parcursul vietii piesei. Partea se micsoreaza pe masura ce se cristalizeaza, asa ca doriti cu adevarat ca aceasta sa fie finalizata in timpul productiei de piese pentru a preveni modificarile formei piesei in timp ce este in functiune. ” Scopul, spune el, este nu numai de a reduce riscul la stabilitatea dimensionala a piesei, ci si riscul de construire a stresului rezidual in cadrul piesei.

„Dupa parerea mea, nu ai nevoie de cristalinitate de 40%”, spune de Vries din procentul ideal tipic. „Proprietatile se schimba putin, la fel ca si rezistenta chimica, daca esti, sa zicem, cu 5-6% sub valoarea maxima [39-40%]. Deci, 35-36% este suficient de bun, dar sub aceasta, proprietatile scad semnificativ. ”

Exista, de asemenea, dezbateri daca PEEK sau PEKK ofera o prelucrare mai usoara in ceea ce priveste cristalinitatea. De Vries considera PEKK, care proceseaza la 375 ° C fata de 385 ° C pentru PEEK, ca fiind mai accesibil pentru AFP, „deoarece fereastra procesului este mai larga.” Dar nu toata lumea este de acord. Exista cei care sustin ca PEEK ar putea fi folosit pentru structuri de aripi, totusi PEKK pentru fuselaj, din cauza costurilor mai mici. Dar si acest lucru este dezbatut. Majoritatea producatorilor de echipamente AFP si partenerii de dezvoltare a aerostructurilor se uita la ambii.

Un al treilea factor este grosimea benzii. La NLR, de Vries vede posibile cresterile de plasare a materialelor cu materiale mai groase, pe care acesta sustine ca pot fi procesate la fel ca niste benzi mai subtiri, cu unele optimizari ale ferestrei procesului. „In prezent, folosim o grosime de 0,13 mm in benzi standard cu latimea de 0,25 inci, care este materialul certificat de la Solvay”, spune el. „Dar exploram benzi cu o grosime de pana la 0,18 mm cu TenCate in programul TAPAS 2. Am dori sa mergem la o grosime de 0,25 mm atat in PEEK, cat si in PEKK, dar este greu sa obtinem o calitate inalta. ”

Proces cu un pas sau doi?

Desi piesele mari ale TPC-ului ISC sunt clar posibile, Arnt Offringa, seful Aerostructuri R&T pentru afacerea Fokker a GKN Aerospace (Redditch, Marea Britanie) (Papendrecht si Hoogeveen, Tarile de Jos), afirma ca „provocarea consolidarii in situ este realizarea unor situatii inalte – viteze de coborare. ” ISC a avut succes in aplicatii de cilindri, rezervor si conducta in parte, deoarece geometria se preteaza la o procesare cu un pas. „Pentru formele tubulare, viteze mari pot fi atinse deoarece tensiunea poate fi aplicata fibrelor in timpul procesului de stratificare”, explica el.

De Vries de la NLR adauga, „Automatic Dynamics a obtinut acest lucru in cilindri mai devreme, deoarece la fiecare strat de 45 ° si 90 °, actioneaza ca un cerc, aplicand stresul cercului care previne deconsolidarea si, de asemenea, reduce tensiunea termica”.

Fokker este singurul furnizor de nivel 1 care are piese cu rame de aer TPC care zboara pe aeronavele de productie, dar sunt fabricate cu autoclav sau presa. Offringa, de Vries si majoritatea partenerilor olandezi si francezi in dezvoltarea structurilor primare TPC fac parte din contingentul aerostructurilor care prefera un proces in doua etape pentru piese TPC in forma nonilindrica.

De ce sa folositi o autoclava atunci cand unul dintre driverele cele mai citate pentru dezvoltarea structurilor TPC este mai rapid de cicluri fata de materialele termoset actuale? “Pentru ca este inca destul de dificil sa echilibrezi viteza si calitatea in AFP”, spune de Vries. „Cu cat mergeti mai repede, cu atat calitatea dvs. este mai slaba, dar partea este mai ieftina.” Astfel, oa doua etapa de autoclav va permite sa atingeti viteze AFP rapide si sa respectati in continuare continutul necesar.

„Dezvoltam o suita de tehnologii de procesare, atat autoclave cat si in afara autoclavei”, spune Offringa. Desi autoclave si presa la cald aplica atat caldura, cat si presiunea, Offringa clasifica optiunea de presare mai rapida si mai simpla cu alternative de autoclav. „Practic, formarea presei este un proces in afara autoclavei. Facem urmatorii pasi in acest domeniu catre structuri mai complexe si mai mari. In acelasi timp, exista un loc pentru prelucrarea autoclavului, in special pentru produsele mari, puternic curbate, cu caracteristici de proiectare integrate. Ce proces sa alegeti depinde de mai multi factori, cum ar fi rata de construire, dimensiunea piesei si complexitatea pieselor. ”

Hamlyn subliniaza ca al doilea pas TPC in doua etape nu este la fel de oneros, de scump si de consumat de timp ca omologul sau compozit termoset. Desi este inca nevoie de bagajarea vidului si trebuie sa se acorde suficient timp sub vid pentru a reduce porozitatea la cerinta <2% pentru structurile primare, „timpul nu este la fel de mult decat ceea ce se petrece cu structurile termoset”, spune el. „Astazi, petreci 4-8 ore incalzind o unealta uriasa, apoi 8 ore pentru polimerizarea prepregului termoset, apoi te raciti. Cu termoplastice, nu polimerizati. Se incalzeste 30 de minute pentru a ajunge la 400 ° C, se mentine minute suplimentare, nu ore, si apoi se raceste. ” El observa ca exista, de asemenea, investigatii cu privire la instrumente incalzite, care ar putea accelera timpul ciclului.

„Nu facem consolidare in situ”, concluzioneaza Hamlyn, „ci obtinem in schimb cea mai mare consolidare posibila fara a incetini [vs. viteze AFP termosetate]. Putem obtine 1-3% porozitate intre straturi si apoi sa facem un ciclu scurt de ambalare in vid. ” El sustine ca viteza necesara pentru ISC, prin comparatie, va fi atat de lenta incat piesele vor costa prea mult.

De Vries este de acord, mentionand ca exista inca un decalaj semnificativ intre ratele AFP ale ISC si procesele in care consolidarea este finalizata intr-o a doua etapa. „Ne putem aseza la 60-100 mm / sec pentru compozite termoplastice consolidate in situ, dar daca stam cat mai repede posibil si apoi dupa autoclav, viteza este de 600-700 mm / sec.”

In apararea TPC ISC

Automone Dynamics ‘Langone admite ca consolidarea in doi pasi folosind o autoclava simplifica, de asemenea, certificarea, deoarece este practic acelasi proces folosit astazi pentru airframes compozite termoset. Acestea fiind spuse, Langone este ferm in tabara ISC cu un pas. El spune ca, cu incalzirea cu laser, viteze de productie pentru piese TPC se pot apropia de cele pentru piese termoset. „In multe cazuri, te impiedici de probleme de viteza secundara, cum ar fi administrarea cristalinitatii, inertia instrumentului AFP si accelerarea si decelerarea sistemului robot.” El observa ca vitezele reale de productie ale pieselor nu se bazeaza pur si simplu pe viteza maxima a masinii. „De asemenea, trebuie sa te ocupi de complexitatea piesei, de orientarea fibrelor, de acumulari si deseuri de straturi si de oprire si de repornire pentru a produce forme aproape net si pentru a reduce risipa”, explica el.

Mai mult, Langone sustine ca avantajul real se regaseste in amploarea beneficiilor eliminarii celui de-al doilea pas: „Un al doilea pas de consolidare afecteaza economia pieselor in ansamblu”, spune el. „Folosim procesul standard de prefabricare a sirurilor de coaja, a coastei si a pachetelor, plasand acestea intr-un instrument / dorn si apoi plasarea fibrelor deasupra. Structura integrata, consolidata rezultata in situatie, este una dintre capabilitatile cheie ale lui Trelleborg, deoarece puteti produce structuri fara adezivi sau elemente de fixare. ” Desi sudarea elimina si adezivii si elementele de fixare, este un al treilea pas in comparatie cu ISC. Acesti pasi suplimentari trebuie sa fie luati in considerare in costul de productie pentru o comparatie adevarata a proceselor TPC cu o etapa.

Rodriguez de la FIDAMC admite ca ISC AFP este mai lent, dar considera ca un caz de afaceri poate fi facut in fuzelaj, daca nu chiar in aripile. „Structurile de aripi sunt foarte groase”, remarca el, „astfel incat consolidarea in situ este foarte lenta. Dar structurile de fuselaj nu sunt la fel de groase. Cu viteza pe care o putem atinge aici si fara a face pasi suplimentari, credem ca consolidarea in situ poate fi competitiva. ”

De asemenea, Rodriguez apeleaza la diferentele de costuri ale uneltei: „Odata cu consolidarea in situ, instrumentarea este mult mai putin complicata.” Ca si Trelleborg, FIDAMC plaseaza siruri si cadre complet consolidate intr-un instrument / mandril si apoi foloseste AFP pentru a construi stratul laminat deasupra, obtinand o piele rigidizata ISC. “Puteti controla perfect forma geometrica a tuturor elementelor, deoarece incalziti doar ultimul strat al stringerelor cand puneti AFP deasupra”, sustine el. „Nu aveti nevoie de instrumente complicate. De exemplu, in panzele stringer puteti mentine configuratia geometrica fara dornuri si instrumente cu mai multe piese. ” Astfel, productia nu este incetinita odata cu instalarea insertiilor de scule in timpul unei a doua etape de consolidare, iar scule, in general, sunt mai putin costisitoare.

De asemenea, pe partea de plus pentru tabara cu un singur pas, CWAm aflat chiar inainte de presestime despre o alternativa pe banda TPC care ar putea imbunatati viteza de plasare AFP a ISC. In calitate de lider al proiectului Horizon 2020 NHYTE, Novotech (Napoli, Italia) lucreaza cu o varietate de parteneri pentru a construi un panou de fuselaj TPC cu piele ISC si stringere sudate cu inductie, ambele realizate dintr-o banda hibrida preconsolidata. Conceptul de banda a fost brevetat de Leonardo Aircraft (Roma, Italia). Folosind un proces industrializat, continuu, banda Novotech sandale AS4 / APC2 din Solvay Composite Materials (Alpharetta, GA, SUA) intre doua straturi de polieterimida amorfa nerefortata (PEI). Straturile sunt incalzite la 400 ° C si presate simultan cu racirea controlata pentru a atinge cristalinitatea in PEEK. Testele initiale arata o buna consolidare intre PEEK si PEI. Aceasta banda hibrida este apoi rotita si utilizata intr-o masina AFP Coriolis pentru a pune o piele ISC. Astfel, pe langa structurile integrate de rigidizare a pielii, ISC poate fi utilizat doar pentru piele, la care se pot suda stringere.

Scadenta si munca de facut pentru viitoarea plata

Desi materialele si procesarea ISC TPC necesita inca lucrari semnificative de dezvoltare, Hamlyn la Coriolis Composites sustine ca tehnologia masinii este foarte matura. „Problema principala este acum cum sa folositi masinile; acolo este inca mult de facut. “

“Pentru piesele mari, trebuie sa facem inca multa munca pentru a reduce timpul pentru masina pentru ISC”, spune de Vries la NLR. In mod alternativ, el vede ca formatia este foarte matura. „Am facut lucrari de presa pentru clientii din intreaga lume.” Sudarea rigidizatoarelor formate de presa pe pieile ISC poate oferi intr-adevar un compromis bine echilibrat si un traseu mai rapid catre mai multe structuri primare TPC care zboara pe viitoarele aeronave.

“De 35 de ani, Automated Dynamics, acum Trelleborg, a facut piese ISC in fiecare zi”, spune Langone. „De la 500.000 de parti pe an, cat mai mici de 2 grame, la mai multe parti mari pe an pana la 40 ft lungime si folosind 2.500 lb de compozite.” El spune ca AFP va continua sa creasca in TPC-uri, determinate in principal de economiile de costuri ale ciclurilor mai scurte si de eliminarea autoclavei si a dispozitivelor de fixare mecanice.

„Astazi, provocarea-cheie nu consta in a fi mai bun decat compozitele termoset, ci in dezvoltarea unei tehnologii termoplastice care este competitiva cu metalul din punct de vedere al performantei si al costurilor”, spune Airbus ‘Collart. „Misiunea este sa fie farul pentru tehnologiile si componentele compozite, iar materialele termoplastice fac parte din asta.”

CONTINUT ASEMANATOR

Imbunatatirea performantei autoclavei

Controale de proces de precizie optimizeaza calitatea pieselor vopsite cu autoclav.
Compozitiile termoplastice castiga avantaj pe A380

Procesul avansat de fabricatie produce nasul J, usor si accesibil, consolidat din sticla, pe cea mai mare aripa a aeronavelor comerciale din lume.
Sunt termosetele cu temperatura inalta gata de a fi comerciale?

Dezvoltate pentru armata americana, aceste matrici performante se ramifica intr-o utilizare mai larga.

Consolidarea aerostructurilor din material compozit termoplastic, partea a doua

Echilibrarea timpului si a temperaturii

Viteza in raport cu golurile, cristalinitatea si grosimea benzii

Proces cu un pas sau doi?

In apararea TPC ISC

Scadenta si munca de facut pentru viitoarea plata

CONTINUT ASEMANATOR

Imbunatatirea performantei autoclavei

Compozitiile termoplastice castiga avantaj pe A380

Sunt termosetele cu temperatura inalta gata de a fi comerciale?

Populare

Top 10 cele mai supraevaluate filme din toate timpurile

10 regizori care au facut un film de groaza si au...

10 documentare care au schimbat perceptia publicului

Top 10 interviuri controversate cu celebritati din toate timpurile

Top 10 cele mai memorabile momente ale premiilor Oscar

Cum se schimba viata atunci cand intri in cercurile sociale ale...

10 povesti ciudate din lumea rap pe care sa le cunosti

10 secrete intunecate din lumea surprinzator de rasucita a K-Pop

10 melodii rock inspirate de evenimente groaznice

10 cei mai controversati cantareti si rapperi din industrie