nybörjare

Långt beroende av termoset kolfibermaterial för att göra mycket starka sammansatta konstruktionsdelar för flygplan, flyger nu rymds-oek ut som en annan klass av kolfibermaterial eftersom tekniska framsteg lovar automatiserad tillverkning av nya icke-termosetdelar till hög volym, låg kostnad och lättare vikt.

Medan termoplastiska kolfiberkompositmaterial "har funnits länge", bara nyligen kunde flyg- och rymdtillverkare överväga sin utbredda användning för att göra flygplansdelar, inklusive primära strukturella komponenter, säger Stephane Dion, VP Engineering vid Collins Aerospace's Advanced Structures Unit.

Termoplastiska kolfiberkompositer erbjuder potentiellt flyg- och rymd-OEM-tal flera fördelar jämfört med termosetkompositer, men tills nyligen kunde tillverkare inte göra delar av termoplastiska kompositer till höga priser och till låg kostnad, sade han.

Under de senaste fem åren har OEM: er börjat titta bortom att göra delar från termosetmaterial när tillståndet för kolfiberens sammansatta delstillverkning utvecklades, först för att använda hartsinfusion och hartöverföring (RTM) -tekniker för att göra flygplansdelar och sedan För att använda termoplastiska kompositer.

GKN Aerospace har investerat kraftigt i att utveckla sin hartsinfusion och RTM-teknik för tillverkning av stora flygplanstrukturkomponenter överkomligt och i höga priser. GKN gör nu en 17-meter lång, enstycks sammansatt vingspar med hartsinfusionstillverkning, enligt Max Brown, VP för teknik för GKN Aerospace's Horizon 3 Advanced-Technologies Initiative.

OEM: s tunga komposittillverkande investeringar under de senaste åren har också inkluderat utgifter strategiskt på att utveckla kapaciteter för att möjliggöra tillverkning av hög volym av termoplastiska delar, enligt Dion.

Den mest anmärkningsvärda skillnaden mellan termoset och termoplastmaterial ligger i det faktum att termosetmaterial måste hållas i kylförvaring innan de formas i delar, och en gång formad måste en termosettdel genomgå härdning i många timmar i en autoklav. Processerna kräver mycket energi och tid, och produktionskostnaderna för termosettdelar tenderar att förbli höga.

Curing förändrar molekylstrukturen för en termoset sammansatt irreversibelt, vilket ger delen sin styrka. Men vid det nuvarande stadiet av teknisk utveckling gör härdningen också materialet i den del som är olämpligt för återanvändning i en primär strukturell komponent.

Emellertid kräver termoplastiska material inte kylförvaring eller bakning när de görs i delar, enligt Dion. De kan stämplas i den slutliga formen av en enkel del - varje konsol för flygkroppsramarna i Airbus A350 är en termoplastisk sammansatt del - eller till ett mellanstadium av en mer komplex komponent.

Termoplastiska material kan svetsas ihop på olika sätt, vilket gör att komplexa, mycket formade delar kan tillverkas av enkla understrukturer. Idag används induktionssvetsning huvudsakligen, vilket endast tillåter platta, konstant-tjockleksdelar att tillverkas av underdelar, enligt Dion. Collins utvecklar emellertid vibrations- och friktionssvetsningstekniker för att gå med i termoplastiska delar, som en gång certifierade den förväntar sig så småningom kommer att tillåta den att producera "verkligen avancerade komplexa strukturer", sade han.

Förmågan att svetsa termoplastiska material för att göra komplexa strukturer gör det möjligt för tillverkare att undanröja metallskruvarna, fästelementen och gångjärnen som krävs av termosetdelar för att sammanfogas och vikas, vilket skapar en viktminskningsfördel på cirka 10 procent, Brown uppskattar.

Fortfarande binds termoplastiska kompositer bättre till metaller än termosetkompositer, enligt Brown. Medan Industrial FoU som syftar till att utveckla praktiska tillämpningar för den termoplastiska egenskapen förblir "på en beredskapsnivå för tidig förfall", kan det så småningom låta flygindustrins utformningskomponenter som innehåller hybrid termoplastiska och metallintegrerade strukturer.

En potentiell applikation kan till exempel vara en, lätt, lätt, lätt flygplan passagerarsäte som innehåller alla metallbaserade kretsar som behövs för gränssnittet som används av passageraren för att välja och styra hans eller hennes inflightunderhållningsalternativ, sittbelysning, överfläktfläkt , elektroniskt kontrollerad sätescla, fönsterskugga opacitet och andra funktioner.

Till skillnad från termosetmaterial, som behöver härdas för att producera styvhet, styrka och form som krävs från de delar som de görs, förändras inte molekylstrukturerna för termoplastiska sammansatta material när de görs till delar, enligt Dion.

Som ett resultat är termoplastiska material mycket mer sprickbeständiga vid påverkan än termosetmaterial samtidigt som de erbjuder liknande, om inte starkare, strukturell seghet och styrka. "Så du kan designa [delar] till mycket tunnare mätare," sade Dion, vilket innebär att termoplastiska delar väger mindre än alla termosetdelar som de ersätter, även bortsett från de extra viktminskningar som härrör från det faktum att termoplastiska delar inte kräver metallskruvar eller fästelement .

Återvinning av termoplastiska delar bör också visa sig vara en enklare process än återvinning av termosettdelar. Vid det nuvarande teknikläget (och under en tid framöver) förhindrar de irreversibla förändringarna i molekylstruktur som produceras genom att härda termosetmaterial använda återvunnet material för att göra nya delar av ekvivalent styrka.

Återvinning av termosetdelar innebär att slipa upp kolfibrerna i materialet i små längder och bränna fiber-och-resinblandningen innan den upparbetar den. Det material som erhållits för upparbetning är strukturellt svagare än termosetmaterialet från vilket den återvunna delen gjordes, så återvinning av termosetdelar till nya förvandlar vanligtvis "en sekundär struktur till en tertiär", sade Brown.

Å andra sidan, eftersom de molekylstrukturerna för termoplastiska delar inte förändras i delar tillverkning och delar-sammanfogningsprocesser, kan de helt enkelt smälta ner till flytande form och omarbetas till delar så starka som originalen, enligt Dion.

Flygplandesigners kan välja mellan ett brett urval av olika termoplastiska material som finns att välja mellan vid design- och tillverkningsdelar. "Ett ganska brett utbud av hartser" finns tillgängligt i vilka endimensionella kolfiberfilament eller tvådimensionella väver kan inbäddas och producera olika materialegenskaper, säger Dion. "De mest spännande hartserna är de lågmältande hartserna", som smälter vid relativt låga temperaturer och så kan formas och bildas vid lägre temperaturer.

Olika klasser av termoplast erbjuder också olika styvhetsegenskaper (höga, medelstora och låga) och totala kvalitet, enligt Dion. De högsta kvalitetshartserna kostar mest, och prisvärdhet representerar Achilles-hälen för termoplast i jämförelse med termosetmaterial. Vanligtvis kostar de mer än termosetter, och flygplanstillverkare måste överväga det faktum i deras kostnads-/förmånsdesignberäkningar, säger Brown.

Delvis av den anledningen kommer GKN Aerospace och andra att fortsätta att fokusera mest på termosetmaterial när man tillverkar stora strukturella delar för flygplan. De använder redan termoplastiska material i stor utsträckning för att göra mindre strukturella delar som empennier, rodrar och spoilers. Snart, när högvolym, lågkostnadstillverkning av lätta termoplastiska delar blir rutinmässiga, kommer tillverkarna att använda dem mycket mer allmänt-särskilt på den växande Evtol UAM-marknaden, avslutade Dion.

Kom från AinOnline