nyheder

Længe afhængig af termohærdede kulfibermaterialer til fremstilling af meget stærke sammensatte strukturelle dele til fly, rumfarts-OEM'er omfavner nu en anden klasse af kulfibermaterialer, da teknologiske fremskridt lover automatiseret fremstilling af nye ikke-termohærdede dele til høj volumen, lave omkostninger og lettere vægt.

Mens termoplastiske kulfiber-kompositmaterialer "har eksisteret i lang tid", kunne luftfartsproducenter først for nylig overveje deres udbredte brug til fremstilling af flydele, herunder primære strukturelle komponenter, sagde Stephane Dion, vp engineering hos Collins Aerospaces Advanced Structures-enhed.

Termoplastiske kulfiberkompositter tilbyder potentielt luftfarts-OEM'er adskillige fordele i forhold til termohærdende kompositter, men indtil for nylig kunne producenterne ikke lave dele af termoplastiske kompositter til høje priser og til lave omkostninger, sagde han.

I de sidste fem år er OEM'er begyndt at se ud over at lave dele af termohærdende materialer, efterhånden som videnskaben om fremstilling af kulfiberkompositdele udviklede sig, først for at bruge harpiksinfusions- og harpiksoverførselsstøbningsteknikker (RTM) til at fremstille flydele, og derefter at anvende termoplastiske kompositter.

GKN Aerospace har investeret kraftigt i at udvikle sin harpiks-infusion og RTM-teknologi til fremstilling af strukturelle komponenter til store fly til en overkommelig pris og til høje priser. GKN laver nu en 17 meter lang kompositvinge i ét stykke ved hjælp af harpiksinfusionsfremstilling, ifølge Max Brown, vicedirektør for teknologi for GKN Aerospaces Horizon 3 avancerede teknologiinitiativ.

OEM'ers tunge investeringer i kompositproduktion i de sidste par år har også inkluderet strategiske udgifter til udvikling af kapaciteter til at tillade højvolumen fremstilling af termoplastiske dele, ifølge Dion.

Den mest bemærkelsesværdige forskel mellem termohærdende og termoplastiske materialer ligger i, at termohærdende materialer skal opbevares på køl, før de formes til dele, og når den først er formet, skal en termohærdende del hærdes i mange timer i en autoklave. Processerne kræver meget energi og tid, og produktionsomkostningerne for hærdeplastdele har en tendens til at forblive høje.

Hærdning ændrer den molekylære struktur af en termohærdende komposit irreversibelt, hvilket giver delen dens styrke. Men på det nuværende stadie af teknologisk udvikling gør hærdning også materialet i delen uegnet til genbrug i en primær strukturel komponent.

Imidlertid kræver termoplastiske materialer ikke kold opbevaring eller bagning, når de laves til dele, ifølge Dion. De kan stemples ind i den endelige form af en simpel del - hvert beslag til skrogrammerne i Airbus A350 er en termoplastisk kompositdel - eller ind i et mellemtrin af en mere kompleks komponent.

Termoplastiske materialer kan svejses sammen på forskellige måder, hvilket gør det muligt at fremstille komplekse, højt formede dele af simple understrukturer. I dag bruges hovedsageligt induktionssvejsning, hvilket ifølge Dion kun tillader flade dele med konstant tykkelse at blive fremstillet af underdele. Imidlertid udvikler Collins vibrations- og friktionssvejseteknikker til sammenføjning af termoplastiske dele, som, når de er certificeret, i sidste ende vil give den mulighed for at producere "virkelig avancerede komplekse strukturer," sagde han.

Evnen til at svejse termoplastiske materialer sammen for at lave komplekse strukturer gør det muligt for producenterne at gøre op med de metalskruer, fastgørelseselementer og hængsler, der kræves af termohærdede dele til sammenføjning og foldning, og derved skabe en vægtreduktionsfordel på omkring 10 procent, vurderer Brown.

Alligevel binder termoplastiske kompositter bedre til metaller end termohærdende kompositter, ifølge Brown. Mens industriel forskning og udvikling, der sigter mod at udvikle praktiske applikationer for denne termoplastiske egenskab, forbliver "på et teknologisk parathedsniveau for tidlig modenhed", kan det i sidste ende lade rumfartsingeniører designe komponenter, der indeholder hybride termoplastiske og metalintegrerede strukturer.

En potentiel anvendelse kunne f.eks. være et letvægtspassagersæde i ét stykke, der indeholder alle de metalbaserede kredsløb, der er nødvendige for den grænseflade, som passageren bruger til at vælge og styre hans eller hendes underholdningsmuligheder ombord, sædebelysning, overheadventilator , elektronisk styret sædetilbagelæning, vinduesskærmens opacitet og andre funktioner.

I modsætning til termohærdende materialer, som har brug for hærdning for at producere den stivhed, styrke og form, der kræves fra de dele, som de bliver lavet til, ændres de molekylære strukturer af termoplastiske kompositmaterialer ikke, når de laves til dele, ifølge Dion.

Som et resultat er termoplastiske materialer langt mere brudbestandige ved stød end termohærdende materialer, mens de tilbyder lignende, hvis ikke stærkere, strukturel sejhed og styrke. "Så du kan designe [dele] til meget tyndere målere," sagde Dion, hvilket betyder, at termoplastiske dele vejer mindre end alle termohærdende dele, de erstatter, selv bortset fra de yderligere vægtreduktioner som følge af det faktum, at termoplastiske dele ikke kræver metalskruer eller fastgørelsesanordninger .

Genbrug af termoplastiske dele skulle også vise sig at være en enklere proces end genbrug af termohærdende dele. I den nuværende teknologiske tilstand (og i nogen tid fremover) forhindrer de irreversible ændringer i molekylær struktur, der frembringes ved hærdning af termohærdende materialer, brugen af ​​genbrugsmateriale til at fremstille nye dele med tilsvarende styrke.

Genanvendelse af hærdehærdede dele indebærer at slibe kulfibrene i materialet op i små længder og brænde fiber-og-harpiksblandingen, før den genforarbejdes. Materialet opnået til oparbejdning er strukturelt svagere end det termohærdende materiale, som den genanvendte del blev lavet af, så genanvendelse af termohærdende dele til nye gør typisk "en sekundær struktur til en tertiær", sagde Brown.

På den anden side, fordi de molekylære strukturer af termoplastiske dele ikke ændres i dele-fremstilling og dele-sammenføjning processer, kan de simpelthen smeltes ned til flydende form og genforarbejdes til dele så stærke som originalerne, ifølge Dion.

Flydesignere kan vælge mellem et bredt udvalg af forskellige termoplastiske materialer, der kan vælges imellem i design og fremstilling af dele. "En temmelig bred vifte af harpikser" er tilgængelig, hvori endimensionelle kulfiberfilamenter eller todimensionelle vævninger kan indlejres, hvilket producerer forskellige materialeegenskaber, sagde Dion. "De mest spændende harpikser er lavsmeltende harpikser," som smelter ved relativt lave temperaturer og kan derfor formes og formes ved lavere temperaturer.

Forskellige klasser af termoplast tilbyder også forskellige stivhedsegenskaber (høj, medium og lav) og overordnet kvalitet, ifølge Dion. Harpikser af højeste kvalitet koster mest, og overkommelighed repræsenterer akilleshælen for termoplast i sammenligning med termohærdende materialer. Typisk koster de mere end termohærdende, og flyproducenter skal overveje det faktum i deres cost/benefit-designberegninger, sagde Brown.

Dels af den grund vil GKN Aerospace og andre fortsat fokusere mest på hærdede materialer ved fremstilling af store konstruktionsdele til fly. De bruger allerede termoplastiske materialer i vid udstrækning til fremstilling af mindre strukturelle dele såsom empennages, ror og spoilere. Men snart, når højvolumen, lavprisfremstilling af letvægts termoplastiske dele bliver rutine, vil producenterne bruge dem meget mere bredt - især på det spirende eVTOL UAM-marked, konkluderede Dion.

kommer fra ainonline