Apvienojot pīto lenti, pārliešanu un formas bloķēšanu, herone ražo viengabala, liela griezes momenta zobratu piedziņas vārpstu kā demonstrāciju plašam lietojumu klāstam.
Vienota salikta zobratu piedziņas vārpsta.Herone izmanto pītas termoplastiskas kompozītmateriāla prepreg lentes kā sagataves procesam, kas nostiprina piedziņas vārpstas laminātu un pārveido funkcionālos elementus, piemēram, zobratus, veidojot vienotas struktūras, kas samazina svaru, detaļu skaitu, montāžas laiku un izmaksas.Visu attēlu avots |varone
Pašreizējās prognozes paredz, ka nākamo 20 gadu laikā komerciālo lidmašīnu flote dubultosies.Lai to ņemtu vērā, 2019. gadā ražošanas apjomi kompozītmateriāliem intensīviem plata korpusa lidmašīnām svārstās no 10 līdz 14 mēnesī vienam oriģinālā aprīkojuma ražotājam, savukārt šauros korpusos jau ir pieauguši līdz 60 mēnesī vienam oriģinālā aprīkojuma ražotājam.Airbus īpaši sadarbojas ar piegādātājiem, lai nomainītu tradicionālās, taču laikietilpīgās, ar rokām klājamās iepriekš sagatavotās A320 daļas uz detaļām, kas izgatavotas, izmantojot ātrākus, 20 minūšu cikla laika procesus, piemēram, augstspiediena sveķu pārneses formēšanu (HP-RTM), tādējādi palīdzot daļu. piegādātāji saskaras ar turpmāku spiedienu uz 100 lidmašīnām mēnesī.Tikmēr topošais pilsētas gaisa mobilitātes un transporta tirgus prognozē nepieciešamību pēc 3000 elektrisko vertikālās pacelšanās un nosēšanās (EVTOL) lidmašīnu gadā (250 mēnesī).
"Nozare prasa automatizētas ražošanas tehnoloģijas ar saīsinātiem cikla laikiem, kas arī ļauj integrēt funkcijas, ko piedāvā termoplastiskie kompozītmateriāli," saka Daniels Barfuss, kompozītmateriālu tehnoloģiju un detaļu ražošanas uzņēmuma herone (Drēzdene, Vācija) līdzdibinātājs un vadošais partneris. uzņēmums, kas izmanto augstas veiktspējas termoplastiskās matricas materiālus no polifenilēnsulfīda (PPS) līdz poliēterketonam (PEEK), poliēterketonketonam (PEKK) un poliarilēterketonam (PAEK)."Mūsu galvenais mērķis ir apvienot termoplastisko kompozītmateriālu (TPC) augsto veiktspēju ar zemākām izmaksām, lai nodrošinātu pielāgotas detaļas plašākam sērijveida ražošanas lietojumu klāstam un jauniem lietojumiem," piebilst Dr. Kristians Garthauss, herone otrais līdzdibinātājs un vadītājs. partneris.
Lai to panāktu, uzņēmums ir izstrādājis jaunu pieeju, sākot ar pilnībā impregnētām, vienlaidu šķiedru lentēm, šo lentu pīšanu, veidojot dobu sagatavi “organoTube”, un konsolidējot organoTubes profilos ar mainīgu šķērsgriezumu un formu.Nākamajā procesa posmā tas izmanto TPC metināmību un termoformējamību, lai integrētu funkcionālos elementus, piemēram, kompozītmateriālus uz piedziņas vārpstām, gala veidgabalus uz caurulēm vai slodzes pārnešanas elementus spriegošanas-saspiešanas statņos.Barfuss piebilst, ka ir iespēja izmantot hibrīda formēšanas procesu, ko izstrādājuši ketona matricas piegādātājs Victrex (Klīvijs, Lankašīra, Lielbritānija) un detaļu piegādātājs Tri-Mack (Bristole, RI, ASV), kas profiliem izmanto zemākas kušanas temperatūras PAEK lenti. un PEEK pārliešanai, kas nodrošina sapludinātu, vienotu materiālu visā savienojumā (skatiet “Overmolding paplašina PEEK klāstu kompozītmateriālos”)."Mūsu adaptācija nodrošina arī ģeometrisku formu bloķēšanu," viņš piebilst, "kas rada integrētas struktūras, kas var izturēt vēl lielākas slodzes."
Herone process sākas ar pilnībā impregnētām ar oglekļa šķiedru pastiprinātām termoplastiskām lentēm, kuras tiek pītas organocaurulēs un konsolidētas."Mēs sākām strādāt ar šīm organoTubes pirms 10 gadiem, izstrādājot kompozītmateriālu hidrauliskās caurules aviācijai," saka Garthaus.Viņš skaidro, ka, tā kā divām lidmašīnu hidrauliskajām caurulēm nav vienādas ģeometrijas, katrai no tām būtu nepieciešama veidne, izmantojot esošās tehnoloģijas.“Mums bija nepieciešama caurule, ko varētu pēcapstrādāt, lai sasniegtu individuālo caurules ģeometriju.Tātad ideja bija izveidot nepārtrauktus kompozītprofilus un pēc tam CNC saliekt tos vēlamajā ģeometrijā.
2. att. Pītas prepreg lentes nodrošina tīkla formas sagataves, ko sauc par organoTubes herone injekcijas formēšanas procesam un nodrošina dažādu formu ražošanu.
Tas izklausās līdzīgi tam, ko Sigma Precision Components (Hinklija, Apvienotā Karaliste) dara (skatiet sadaļu Aerodzinēju pārveidošana ar kompozītmateriāla caurulēm) ar oglekļa šķiedras/PEEK dzinēja pārklājumu."Viņi meklē līdzīgas daļas, bet izmanto citu konsolidācijas metodi, " skaidro Garthaus."Izmantojot mūsu pieeju, mēs redzam potenciālu uzlabot veiktspēju, piemēram, porainību aviācijas un kosmosa konstrukcijām mazāk nekā 2%.
Garthaus's Ph.D.Diplomdarbā ILK tika pētīts, izmantojot nepārtrauktu termoplastisko kompozītmateriālu (TPC) pultrūziju, lai ražotu pītas caurules, kā rezultātā tika izveidots patentēts nepārtraukts TPC cauruļu un profilu ražošanas process.Tomēr pagaidām herone ir izvēlējusies strādāt ar aviācijas piegādātājiem un klientiem, izmantojot nepārtrauktu formēšanas procesu."Tas dod mums brīvību veidot visas dažādās formas, tostarp izliektos profilus un tos, kuriem ir atšķirīgs šķērsgriezums, kā arī uzklāt lokālus ielāpus un slāņus," viņš skaidro.“Mēs strādājam, lai automatizētu vietējo ielāpu integrēšanas procesu un pēc tam tos apvienotu ar salikto profilu.Būtībā visu, ko varat darīt ar plakaniem laminātiem un apvalkiem, mēs varam darīt caurulēm un profiliem.
Šo TPC dobo profilu izgatavošana patiesībā bija viens no grūtākajiem izaicinājumiem, saka Garthaus.“Ar silikona pūsli nevar izmantot zīmogu formēšanu vai izpūšanu;tāpēc mums bija jāizstrādā jauns process.Taču šis process nodrošina ļoti augstas veiktspējas un pielāgojamas cauruļu un vārpstu daļas, viņš atzīmē.Tas arī ļāva izmantot Victrex izstrādāto hibrīdlējumu, kur zemākas kušanas temperatūras PAEK tiek pārliets ar PEEK, konsolidējot organoloksni un iesmidzināšanu vienā solī.
Vēl viens ievērojams aspekts, izmantojot organoTube pītas lentes sagataves, ir tas, ka tie rada ļoti maz atkritumu."Izmantojot pinumu, mums ir mazāk nekā 2% atkritumu, un, tā kā tā ir TPC lente, mēs varam izmantot šo nelielo atkritumu daudzumu atpakaļ veidnē, lai iegūtu materiāla izlietojuma līmeni līdz 100%," uzsver Garthaus.
Barfuss un Garthaus sāka savu izstrādes darbu kā pētnieki Drēzdenes TU Vieglsvara inženierijas un polimēru tehnoloģiju institūtā (ILK)."Šis ir viens no lielākajiem Eiropas institūtiem kompozītmateriālu un hibrīdu vieglo konstrukciju jomā," atzīmē Barfuss.Viņš un Garthaus tur strādāja gandrīz 10 gadus pie vairākām izstrādnēm, tostarp nepārtrauktas TPC pultrūzijas un dažāda veida savienošanas.Šis darbs galu galā tika destilēts tagadējā TPC procesa tehnoloģijā.
"Pēc tam mēs pieteicāmies Vācijas EXIST programmai, kuras mērķis ir nodot šādas tehnoloģijas rūpniecībai un katru gadu finansēt 40-60 projektus dažādās pētniecības jomās," saka Barfuss."Mēs saņēmām finansējumu kapitāliekārtām, četriem darbiniekiem un ieguldījumiem nākamajam mēroga palielināšanas solim."Viņi kļuva par varoni 2018. gada maijā pēc izstādes JEC World.
Līdz JEC World 2019 herone bija izgatavojis virkni demonstrācijas detaļu, tostarp vieglu, lielu griezes momentu, integrētu zobratu piedziņas vārpstu vai zobratu vārpstu."Mēs izmantojam oglekļa šķiedras/PAEK lentes organoTube, kas ir pīta detaļai nepieciešamajos leņķos un konsolidē to caurulē," skaidro Barfuss."Pēc tam mēs uzsildām cauruli 200 ° C temperatūrā un pārveidojam to ar zobratu, kas izgatavots, injicējot īsu oglekļa šķiedru pastiprinātu PEEK 380 ° C temperatūrā."Pārveidošana tika modelēta, izmantojot Moldflow Insight no Autodesk (Sanrafaela, Kalifornija, ASV).Veidnes aizpildīšanas laiks tika optimizēts līdz 40,5 sekundēm un sasniegts, izmantojot Arburg (Losburga, Vācija) ALLROUNDER iesmidzināšanas formēšanas iekārtu.
Šī pārveidošana ne tikai samazina montāžas izmaksas, ražošanas posmus un loģistiku, bet arī uzlabo veiktspēju.40°C starpība starp PAEK vārpstas kušanas temperatūru un pārveidotā PEEK zobrata kušanas temperatūru nodrošina vienotu kausējuma savienojumu starp abiem molekulārā līmenī.Otrs savienojuma mehānisma veids, formas bloķēšana, tiek panākts, izmantojot iesmidzināšanas spiedienu, lai vienlaikus termoformētu vārpstu pārliešanas laikā, lai izveidotu formas bloķēšanas kontūru.To var redzēt 1. attēlā kā “injekcijas veidošana”.Tas rada gofrētu vai sinusoidālu apkārtmēru, kur zobrats ir savienots ar gludu apļveida šķērsgriezumu, kā rezultātā tiek iegūta ģeometriski bloķēta forma.Tas vēl vairāk uzlabo integrētās pārnesumvārpstas izturību, kā parādīts testēšanā (skatiet grafiku apakšējā labajā stūrī).1. Izstrādāts sadarbībā ar Victrex un ILK, herone pārveidošanas laikā izmanto iesmidzināšanas spiedienu, lai izveidotu formas bloķēšanas kontūru integrētajā zobārpstā (augšpusē). Šis iesmidzināšanas formēšanas process ļauj integrētajai zobvārpstai ar formas bloķēšanu (zaļā līkne diagrammā). iztur lielāku griezes momentu salīdzinājumā ar pārformētu zobratu piedziņas vārpstu bez formas bloķēšanas (melna līkne diagrammā).
"Daudzi cilvēki pārformēšanas laikā panāk vienotu kausēšanas savienojumu," saka Garthaus, "un citi izmanto formas bloķēšanu kompozītmateriālos, taču galvenais ir apvienot abus vienā automatizētā procesā."Viņš skaidro, ka 1. attēlā redzamajiem testa rezultātiem gan vārpsta, gan zobrata pilns apkārtmērs tika saspiesti atsevišķi, pēc tam pagriezti, lai izraisītu bīdes slodzi.Pirmā kļūme diagrammā ir apzīmēta ar apli, lai norādītu, ka tā ir paredzēta pārformētam PEEK zobratam bez formas bloķēšanas.Otro atteici iezīmē gofrēts aplis, kas atgādina zvaigzni, kas norāda uz pārformēta zobrata testēšanu ar formas bloķēšanu."Šajā gadījumā jums ir gan saliedēts, gan formas savienojums," saka Garthaus, "un jūs iegūstat gandrīz 44% griezes momenta slodzes pieaugumu."Viņš saka, ka tagad izaicinājums ir panākt, lai formas bloķēšana uzņemtu slodzi agrākā stadijā, lai vēl vairāk palielinātu griezes momentu, ar kuru šī pārnesumvārpsta izturēsies pirms kļūmes.
Svarīgs punkts kontūru formas bloķēšanā, ko herone panāk ar injekcijas veidošanu, ir tas, ka tā ir pilnībā pielāgota atsevišķai daļai un slodzei, kas šai daļai ir jāiztur.Piemēram, zobvārpstā formas bloķēšana ir apļveida, bet zemāk esošajos spriegošanas-saspiešanas statņos tas ir aksiāls."Tāpēc mūsu izstrādātā pieeja ir plašāka," saka Garthaus."Funkciju un detaļu integrēšana ir atkarīga no individuālās lietojumprogrammas, taču, jo vairāk mēs to varam izdarīt, jo vairāk svara un izmaksu varam ietaupīt."
Arī ar īsu šķiedru pastiprinātais ketons, ko izmanto pārveidotos funkcionālajos elementos, piemēram, zobratos, nodrošina izcilas nodiluma virsmas.Victrex to ir pierādījis, un faktiski pārdod šo faktu saviem PEEK un PAEK materiāliem.
Barfuss norāda, ka integrētā pārnesumvārpsta, kas tika atzīta ar 2019. gada JEC World Innovation Award balvu kosmosa kategorijā, ir “mūsu pieejas demonstrācija, nevis tikai process, kas vērsts uz vienu pielietojumu.Mēs vēlējāmies izpētīt, cik daudz mēs varētu racionalizēt ražošanu un izmantot TPC īpašības, lai ražotu funkcionalizētas, integrētas struktūras.Uzņēmums pašlaik optimizē spriegošanas un kompresijas stieņus, ko izmanto tādās lietojumprogrammās kā statņi.
3. att. Spriegošanas-saspiešanas statņi Iesmidzināšanas formēšana tiek paplašināta līdz statņiem, kur herone pārveido metāla slodzes pārneses elementu detaļas konstrukcijā, izmantojot aksiālo formas bloķēšanu, lai palielinātu savienojuma izturību.
Spriegošanas-saspiešanas statņu funkcionālais elements ir metāla saskarnes daļa, kas pārvieto slodzi uz un no metāla dakšas uz kompozītmateriālu cauruli (skatiet attēlu zemāk).Iesmidzināšana tiek izmantota, lai integrētu metāla slodzes ievadīšanas elementu kompozītmateriāla statņa korpusā.
"Galvenais ieguvums, ko mēs sniedzam, ir detaļu skaita samazināšana," viņš atzīmē.“Tas atvieglo nogurumu, kas ir liels izaicinājums gaisa kuģu statņu lietojumiem.Formas bloķēšana jau tiek izmantota termoreaktīvo kompozītmateriālu ar plastmasas vai metāla ieliktni, bet nav kohēzijas savienojuma, tāpēc jūs varat iegūt nelielu kustību starp detaļām.Tomēr mūsu pieeja nodrošina vienotu struktūru bez šādas kustības.
Garthaus min bojājumu toleranci kā vēl vienu izaicinājumu šīm daļām."Jums ir jāietekmē statņi un pēc tam jāveic noguruma pārbaude," viņš skaidro."Tā kā mēs izmantojam augstas veiktspējas termoplastiskās matricas materiālus, mēs varam sasniegt pat par 40% lielāku bojājumu toleranci salīdzinājumā ar termoreaktīviem materiāliem, un arī visas trieciena radītās mikroplaisas palielinās mazāk ar noguruma slodzi."
Lai gan demonstrācijas statņiem ir metāla ieliktnis, herone pašlaik izstrādā pilnībā termoplastisku risinājumu, kas nodrošina vienotu savienojumu starp kompozītmateriālu statņu korpusu un slodzes ievadīšanas elementu."Kad mēs varam, mēs dodam priekšroku palikt pilnībā saliktiem un pielāgot īpašības, mainot šķiedru stiegrojuma veidu, tostarp oglekļa, stikla, vienlaidu un īsu šķiedru," saka Garthaus.“Tādā veidā mēs samazinām sarežģītību un saskarnes problēmas.Piemēram, mums ir daudz mazāk problēmu, salīdzinot ar termoreaktīvo materiālu un termoplastu kombinēšanu.Turklāt saikni starp PAEK un PEEK ir pārbaudījis Tri-Mack, un rezultāti liecina, ka tai ir 85% no pamata vienvirziena CF/PAEK lamināta stiprības, un tā ir divreiz stiprāka nekā līmējošās saites, izmantojot nozares standarta epoksīda plēves līmi.
Barfuss saka, ka Herone tagad strādā deviņi darbinieki un viņš pāriet no tehnoloģiju attīstības piegādātāja uz aviācijas detaļu piegādātāju.Tā nākamais lielais solis ir jaunas rūpnīcas attīstība Drēzdenē.“Līdz 2020. gada beigām mums būs izmēģinājuma rūpnīca, kas ražos pirmās sērijas daļas,” viņš saka.“Mēs jau strādājam ar aviācijas oriģinālo iekārtu ražotājiem un galvenajiem 1. līmeņa piegādātājiem, demonstrējot dizainus daudziem dažādiem lietojumu veidiem.”
Uzņēmums sadarbojas arī ar eVTOL piegādātājiem un dažādiem līdzstrādniekiem ASV Kamēr herone attīsta aviācijas lietojumus, tas gūst arī ražošanas pieredzi ar sporta preču lietojumiem, tostarp nūjām un velosipēdu komponentiem."Mūsu tehnoloģija var ražot plašu sarežģītu detaļu klāstu ar veiktspēju, cikla laiku un izmaksu priekšrocībām," saka Garthaus.“Mūsu cikla laiks, izmantojot PEEK, ir 20 minūtes, salīdzinot ar 240 minūtēm, izmantojot autoklāvā konservētu prepreg.Mēs redzam plašas iespējas, taču šobrīd mūsu uzmanības centrā ir pirmā pielietojuma ieviešana ražošanā un šādu detaļu vērtības demonstrēšana tirgū.
Herone prezentēs arī Carbon Fiber 2019. Uzziniet vairāk par pasākumu vietnē carbonfiberevent.com.
Koncentrējoties uz tradicionālās roku izkārtojuma optimizēšanu, gondolu un vilces reversoru ražotāji pievērš uzmanību automatizācijas un slēgtās formēšanas izmantošanai nākotnē.
Lidmašīnu ieroču sistēma iegūst augstu oglekļa/epoksīda veiktspēju ar kompresijas formēšanas efektivitāti.
Metodes kompozītmateriālu ietekmes uz vidi aprēķināšanai nodrošina uz datiem balstītus salīdzinājumus ar tradicionālajiem materiāliem līdzvērtīgos konkurences apstākļos.
Izlikšanas laiks: 19. augusts-2019