nieuws

Terwijl ze lange tijd afhankelijk waren van thermohardende koolstofvezelmaterialen voor het maken van zeer sterke composiet structurele onderdelen voor vliegtuigen, omarmen OEM's in de lucht- en ruimtevaart nu een andere klasse van koolstofvezelmaterialen, omdat de technologische vooruitgang de geautomatiseerde productie van nieuwe niet-thermohardende onderdelen in hoog volume, tegen lage kosten belooft. lichter gewicht.

Hoewel thermoplastische koolstofvezelcomposietmaterialen “al heel lang bestaan”, konden fabrikanten in de lucht- en ruimtevaart pas onlangs het wijdverbreide gebruik ervan bij het maken van vliegtuigonderdelen, inclusief primaire structurele componenten, overwegen, zegt Stephane Dion, vp engineering bij de Advanced Structures-eenheid van Collins Aerospace.

Thermoplastische koolstofvezelcomposieten bieden OEM's in de lucht- en ruimtevaart mogelijk verschillende voordelen ten opzichte van thermohardende composieten, maar tot voor kort konden fabrikanten geen onderdelen maken van thermoplastische composieten tegen hoge tarieven en tegen lage kosten, zei hij.

In de afgelopen vijf jaar zijn OEM's verder gaan kijken dan het maken van onderdelen uit thermohardende materialen naarmate de wetenschap van de productie van koolstofvezelcomposietonderdelen zich ontwikkelde, eerst door gebruik te maken van harsinfusie- en harsoverdrachtgiettechnieken (RTM) om vliegtuigonderdelen te maken, en vervolgens thermoplastische composieten te gebruiken.

GKN Aerospace heeft zwaar geïnvesteerd in de ontwikkeling van zijn harsinfusie- en RTM-technologie voor de vervaardiging van structurele componenten van grote vliegtuigen, betaalbaar en tegen hoge tarieven. GKN maakt nu een 17 meter lange, uit één stuk bestaande vleugelligger van composiet met behulp van harsinfusieproductie, volgens Max Brown, vice-president technologie voor het Horizon 3-initiatief voor geavanceerde technologieën van GKN Aerospace.

De zware investeringen van OEM's in de productie van composieten in de afgelopen jaren omvatten ook strategische uitgaven aan het ontwikkelen van capaciteiten om grootschalige productie van thermoplastische onderdelen mogelijk te maken, aldus Dion.

Het meest opvallende verschil tussen thermohardende en thermoplastische materialen ligt in het feit dat thermohardende materialen in een koude opslag moeten worden bewaard voordat ze tot onderdelen worden gevormd, en eenmaal gevormd, moet een thermohardend onderdeel vele uren in een autoclaaf worden uitgehard. De processen vergen veel energie en tijd, waardoor de productiekosten van thermohardende onderdelen vaak hoog blijven.

Door uitharding verandert de moleculaire structuur van een thermohardend composiet onomkeerbaar, waardoor het onderdeel zijn sterkte krijgt. In het huidige stadium van de technologische ontwikkeling zorgt het uitharden er echter ook voor dat het materiaal in het onderdeel ongeschikt is voor hergebruik in een primair structureel onderdeel.

Thermoplastische materialen vereisen echter geen koude opslag of bakken wanneer ze in onderdelen worden verwerkt, aldus Dion. Ze kunnen in de uiteindelijke vorm van een eenvoudig onderdeel worden gestempeld (elke beugel voor de rompframes in de Airbus A350 is een onderdeel van thermoplastisch composiet) of in een tussenfase van een complexer onderdeel.

Thermoplastische materialen kunnen op verschillende manieren aan elkaar worden gelast, waardoor complexe, sterk gevormde onderdelen uit eenvoudige onderconstructies kunnen worden gemaakt. Tegenwoordig wordt vooral gebruik gemaakt van inductielassen, waarbij volgens Dion alleen nog vlakke onderdelen met een constante dikte uit subonderdelen kunnen worden gemaakt. Collins ontwikkelt echter trillings- en wrijvingslastechnieken voor het verbinden van thermoplastische onderdelen, waarvan het verwacht dat het, zodra het gecertificeerd is, uiteindelijk in staat zal zijn om “werkelijk geavanceerde complexe structuren” te produceren, zei hij.

De mogelijkheid om thermoplastische materialen aan elkaar te lassen om complexe structuren te maken, stelt fabrikanten in staat de metalen schroeven, bevestigingsmiddelen en scharnieren die thermohardende onderdelen nodig hebben voor het verbinden en vouwen achterwege te laten, waardoor een gewichtsbesparing van ongeveer 10 procent ontstaat, schat Brown.

Toch hechten thermoplastische composieten beter aan metalen dan thermohardende composieten, aldus Brown. Terwijl industriële R&D gericht op het ontwikkelen van praktische toepassingen voor die thermoplastische eigenschap “op een technologisch gereedheidsniveau voor vroege volwassenheid” blijft, zou het uiteindelijk lucht- en ruimtevaartingenieurs in staat kunnen stellen componenten te ontwerpen die hybride thermoplastische en metaal-geïntegreerde structuren bevatten.

Een mogelijke toepassing zou bijvoorbeeld een uit één stuk bestaande, lichtgewicht passagiersstoel kunnen zijn die alle op metaal gebaseerde circuits bevat die nodig zijn voor de interface die door de passagier wordt gebruikt om zijn of haar entertainmentopties aan boord, de stoelverlichting en de plafondventilator te selecteren en te bedienen. , elektronisch geregelde rugleuning, ondoorzichtigheid van de zonwering en andere functies.

In tegenstelling tot thermohardende materialen, die moeten worden uitgehard om de stijfheid, sterkte en vorm te verkrijgen die nodig is voor de onderdelen waaruit ze worden gemaakt, veranderen de moleculaire structuren van thermoplastische composietmaterialen niet wanneer ze tot onderdelen worden gemaakt, aldus Dion.

Als gevolg hiervan zijn thermoplastische materialen veel breukbestendiger bij impact dan thermohardende materialen, terwijl ze een vergelijkbare, zo niet sterkere, structurele taaiheid en sterkte bieden. "Je kunt [onderdelen] dus ontwerpen met veel dunnere diktes", zegt Dion, wat betekent dat thermoplastische onderdelen minder wegen dan alle thermohardende onderdelen die ze vervangen, zelfs afgezien van de extra gewichtsbesparingen die het gevolg zijn van het feit dat thermoplastische onderdelen geen metalen schroeven of bevestigingsmiddelen nodig hebben. .

Het recyclen van thermoplastische onderdelen zou ook een eenvoudiger proces moeten blijken dan het recyclen van thermohardende onderdelen. Bij de huidige stand van de technologie (en nog enige tijd) verhinderen de onomkeerbare veranderingen in de moleculaire structuur die worden veroorzaakt door het uitharden van thermohardende materialen het gebruik van gerecycled materiaal om nieuwe onderdelen van gelijkwaardige sterkte te maken.

Bij het recyclen van thermohardende onderdelen worden de koolstofvezels in het materiaal in kleine stukjes vermalen en het vezel-harsmengsel verbrand voordat het opnieuw wordt verwerkt. Het materiaal dat wordt verkregen voor herverwerking is structureel zwakker dan het thermohardende materiaal waaruit het gerecyclede onderdeel is gemaakt, dus het recyclen van thermohardende onderdelen in nieuwe verandert doorgaans “een secundaire structuur in een tertiaire structuur”, aldus Brown.

Aan de andere kant, omdat de moleculaire structuren van thermoplastische onderdelen niet veranderen tijdens de productie- en verbindingsprocessen van onderdelen, kunnen ze eenvoudigweg worden gesmolten in vloeibare vorm en opnieuw worden verwerkt tot onderdelen die zo sterk zijn als de originelen, aldus Dion.

Vliegtuigontwerpers kunnen kiezen uit een brede selectie van verschillende thermoplastische materialen waaruit ze kunnen kiezen bij het ontwerpen en vervaardigen van onderdelen. “Er is een behoorlijk breed scala aan harsen beschikbaar waarin eendimensionale koolstofvezelfilamenten of tweedimensionale weefsels kunnen worden ingebed, waardoor verschillende materiaaleigenschappen ontstaan”, aldus Dion. “De meest opwindende harsen zijn de laagsmeltende harsen”, die bij relatief lage temperaturen smelten en dus bij lagere temperaturen kunnen worden gevormd en gevormd.

Verschillende klassen thermoplastische materialen bieden volgens Dion ook verschillende stijfheidseigenschappen (hoog, gemiddeld en laag) en algehele kwaliteit. De harsen van de hoogste kwaliteit kosten het meest, en de betaalbaarheid vertegenwoordigt de achilleshiel voor thermoplastische materialen in vergelijking met thermohardende materialen. Normaal gesproken kosten ze meer dan thermoharders, en vliegtuigfabrikanten moeten daarmee rekening houden in hun kosten-batenontwerpberekeningen, zei Brown.

Mede om die reden zullen GKN Aerospace en anderen zich het meest blijven richten op thermohardende materialen bij de productie van grote structurele onderdelen voor vliegtuigen. Ze gebruiken thermoplastische materialen al op grote schaal bij het maken van kleinere structurele onderdelen zoals staartvlakken, roeren en spoilers. Maar binnenkort, wanneer de productie van lichtgewicht thermoplastische onderdelen in grote aantallen en tegen lage kosten routine wordt, zullen fabrikanten deze op veel grotere schaal gaan gebruiken, vooral in de snelgroeiende eVTOL UAM-markt, concludeerde Dion.

kom van ainonline