nyheter

Långa tid förlitade sig på härdade kolfibermaterial för att tillverka mycket starka sammansatta strukturella delar för flygplan, anammar flyg-OEM nu en annan klass av kolfibermaterial eftersom tekniska framsteg lovar automatiserad tillverkning av nya icke-värmehärdande delar till hög volym, låg kostnad och lättare vikt.

Medan termoplastiska kolfiberkompositmaterial "har funnits länge", kunde flygtillverkare först nyligen överväga deras utbredda användning vid tillverkning av flygplansdelar, inklusive primära strukturella komponenter, säger Stephane Dion, vp engineering vid Collins Aerospaces enhet för avancerade strukturer.

Termoplastiska kolfiberkompositer erbjuder potentiellt OEM-företag inom flygindustrin flera fördelar jämfört med härdplastkompositer, men tills nyligen kunde tillverkare inte tillverka delar av termoplastiska kompositer med höga hastigheter och till låg kostnad, sa han.

Under de senaste fem åren har OEM-tillverkare börjat se bortom att tillverka delar av härdade material i takt med att vetenskapen om tillverkning av kolfiberkompositdelar utvecklats, först för att använda hartsinfusions- och hartsöverföringsformningstekniker (RTM) för att tillverka flygplansdelar, och sedan att använda termoplastiska kompositer.

GKN Aerospace har investerat kraftigt i att utveckla sin hartsinfusions- och RTM-teknologi för tillverkning av strukturella komponenter för stora flygplan till överkomliga priser och till höga priser. GKN tillverkar nu en 17 meter lång kompositvinge i ett stycke med tillverkning av hartsinfusion, enligt Max Brown, vp of technology för GKN Aerospaces Horizon 3 avancerade teknologiinitiativ.

OEMs tunga investeringar i komposittillverkning under de senaste åren har också inkluderat strategiska utgifter för att utveckla kapacitet för att möjliggöra storvolymtillverkning av termoplastdelar, enligt Dion.

Den mest anmärkningsvärda skillnaden mellan härdplast och termoplastmaterial ligger i det faktum att härdplastmaterial måste förvaras i kylförvaring innan det formas till delar, och när det väl formas måste en härdplastdel genomgå härdning i många timmar i en autoklav. Processerna kräver mycket energi och tid, varför produktionskostnaderna för härdplastdelar tenderar att förbli höga.

Härdning förändrar molekylstrukturen hos en härdplast komposit irreversibelt, vilket ger delen dess styrka. Men i det nuvarande skedet av teknisk utveckling gör härdning också materialet i delen olämpligt för återanvändning i en primär strukturell komponent.

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

Termoplastiska material kan svetsas samman på olika sätt, vilket gör att komplexa, högt formade delar kan tillverkas av enkla understrukturer. Idag används främst induktionssvetsning, vilket endast tillåter att platta delar med konstant tjocklek tillverkas av underdelar, enligt Dion. Collins utvecklar dock vibrations- och friktionssvetstekniker för att sammanfoga termoplastiska delar, som när de är certifierade förväntar sig att de så småningom kommer att kunna producera "verkligen avancerade komplexa strukturer", sa han.

Möjligheten att svetsa samman termoplastiska material för att göra komplexa strukturer gör det möjligt för tillverkare att göra sig av med de metallskruvar, fästelement och gångjärn som krävs av härdade delar för sammanfogning och vikning, vilket skapar en viktminskningsfördel på cirka 10 procent, uppskattar Brown.

Ändå binder termoplastiska kompositer bättre till metaller än härdplastkompositer, enligt Brown. Medan industriell FoU som syftar till att utveckla praktiska tillämpningar för den termoplastiska egenskapen förblir "på en tidig mognadsteknologisk beredskapsnivå", kan det så småningom låta flygingenjörer designa komponenter som innehåller integrerade termoplast- och metallstrukturer.

En potentiell applikation skulle till exempel kunna vara ett lätt passagerarsäte i ett stycke i ett stycke som innehåller alla metallbaserade kretsar som behövs för det gränssnitt som passageraren använder för att välja och styra hans eller hennes underhållningsalternativ ombord, sätesbelysning, takfläkt , elektroniskt styrd sitslutning, fönsterskydd och andra funktioner.

Till skillnad från härdplastmaterial, som behöver härdas för att producera den styvhet, styrka och form som krävs från delarna som de görs till, förändras inte de molekylära strukturerna hos termoplastiska kompositmaterial när de görs till delar, enligt Dion.

Som ett resultat är termoplastiska material mycket mer brottbeständiga vid stötar än härdade material samtidigt som de erbjuder liknande, om inte starkare, strukturell seghet och styrka. "Så du kan designa [delar] till mycket tunnare mätare," sa Dion, vilket betyder att termoplastiska delar väger mindre än alla härdplastdelar de ersätter, även bortsett från de ytterligare viktminskningarna som beror på det faktum att termoplastiska delar inte kräver metallskruvar eller fästelement .

Återvinning av termoplastdelar bör också visa sig vara en enklare process än att återvinna härdplastdelar. Vid det nuvarande teknologiska tillståndet (och under en tid framöver) förhindrar de oåterkalleliga förändringarna i molekylstrukturen som produceras genom härdning av härdade material användningen av återvunnet material för att göra nya delar med motsvarande styrka.

Återvinning av härdade delar innebär att man maler upp kolfibrerna i materialet till små längder och bränner blandningen av fiber och harts innan man bearbetar den. Materialet som erhålls för upparbetning är strukturellt svagare än det härdade materialet som den återvunna delen gjordes av, så återvinning av härdade delar till nya förvandlar vanligtvis "en sekundär struktur till en tertiär", sa Brown.

Å andra sidan, eftersom de molekylära strukturerna hos termoplastiska delar inte förändras i processerna för tillverkning av delar och sammanfogning av delar, kan de helt enkelt smältas ner till flytande form och bearbetas till delar lika starka som originalen, enligt Dion.

Flygplansdesigners kan välja från ett brett urval av olika termoplastiska material som finns att välja mellan vid design och tillverkning av delar. "Ett ganska brett utbud av hartser" är tillgängligt i vilka endimensionella kolfiberfilament eller tvådimensionella vävar kan bäddas in, vilket ger olika materialegenskaper, sa Dion. "De mest spännande hartserna är lågsmältande hartser", som smälter vid relativt låga temperaturer och därför kan formas och formas vid lägre temperaturer.

Olika klasser av termoplaster erbjuder också olika styvhetsegenskaper (hög, medium och låg) och övergripande kvalitet, enligt Dion. Högkvalitativa hartser kostar mest, och prisvärdhet representerar akilleshälen för termoplaster i jämförelse med härdplastmaterial. Vanligtvis kostar de mer än härdplaster, och flygplanstillverkare måste ta hänsyn till det faktum i sina kostnads-nyttodesignberäkningar, sa Brown.

Dels av den anledningen kommer GKN Aerospace med flera att fortsätta att fokusera mest på härdplastmaterial vid tillverkning av stora konstruktionsdelar till flygplan. De använder redan termoplastmaterial i stor utsträckning för att tillverka mindre strukturella delar som t.ex. empennages, roder och spoilers. Men snart, när tillverkning av lätta termoplastdelar till låga volymer blir rutin, kommer tillverkare att använda dem mycket mer – särskilt på den växande marknaden för eVTOL UAM, avslutade Dion.

kommer från ainonline