aktualności

Od dawna polegając na termoutwardzalnych materiałach z włókna węglowego do wytwarzania bardzo mocnych kompozytowych części konstrukcyjnych samolotów, producenci OEM z branży lotniczej i kosmicznej sięgają obecnie po inną klasę materiałów z włókien węglowych, ponieważ postęp technologiczny zapewnia zautomatyzowaną produkcję nowych, nietermoutwardzalnych części w dużych ilościach, przy niskich kosztach i lżejsza waga.

Chociaż termoplastyczne materiały kompozytowe z włókna węglowego „istnieją już od dawna”, dopiero niedawno producenci z branży lotniczej i kosmicznej mogli rozważyć ich szerokie zastosowanie w produkcji części samolotów, w tym podstawowych elementów konstrukcyjnych, powiedział Stephane Dion, wiceprezes ds. inżynierii w jednostce Advanced Structures firmy Collins Aerospace.

Termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego potencjalnie oferują producentom OEM z branży lotniczej i kosmicznej kilka zalet w porównaniu z kompozytami termoutwardzalnymi, ale do niedawna producenci nie mogli wytwarzać części z kompozytów termoplastycznych przy dużych prędkościach i niskich kosztach, powiedział.

W ciągu ostatnich pięciu lat producenci OEM zaczęli wykraczać poza wytwarzanie części z materiałów termoutwardzalnych w miarę rozwoju nauki o wytwarzaniu części kompozytowych z włókna węglowego, najpierw stosując techniki infuzji żywicy i formowania przetłaczanego żywicy (RTM) do wytwarzania części samolotów, a następnie zastosowanie kompozytów termoplastycznych.

GKN Aerospace poczyniła znaczne inwestycje w rozwój technologii wlewu żywicy i RTM do produkcji elementów konstrukcyjnych dużych samolotów po przystępnej cenie i po wysokich cenach. Według Maxa Browna, wiceprezesa ds. technologii inicjatywy zaawansowanych technologii „Horyzont 3” w GKN Aerospace, GKN produkuje obecnie 17-metrowe, jednoczęściowe kompozytowe drzewce skrzydła, wykorzystując wlew żywicy.

Według Dion inwestycje producentów OEM w produkcję kompozytów w ciągu ostatnich kilku lat obejmowały także strategiczne wydatki na rozwój możliwości umożliwiających masową produkcję części termoplastycznych.

Najbardziej zauważalna różnica między materiałami termoutwardzalnymi i termoplastycznymi polega na tym, że materiały termoutwardzalne muszą być przechowywane w chłodni przed uformowaniem ich w części, a po uformowaniu część termoutwardzalna musi być utwardzana przez wiele godzin w autoklawie. Procesy te wymagają dużej ilości energii i czasu, w związku z czym koszty produkcji części termoutwardzalnych zwykle pozostają wysokie.

Utwardzanie zmienia strukturę molekularną kompozytu termoutwardzalnego nieodwracalnie, nadając części jego wytrzymałość. Jednak na obecnym etapie rozwoju technologicznego utwardzanie powoduje również, że materiał danej części nie nadaje się do ponownego wykorzystania w podstawowym elemencie konstrukcyjnym.

Jednak według Dion materiały termoplastyczne nie wymagają przechowywania w chłodni ani pieczenia, jeśli zostaną przetworzone na części. Można je wytłoczyć w celu uzyskania ostatecznego kształtu prostej części – każdy wspornik ram kadłuba w Airbusie A350 jest częścią z termoplastycznego kompozytu – lub jako etap pośredni bardziej złożonego komponentu.

Materiały termoplastyczne można ze sobą zespawać na różne sposoby, co pozwala na wykonanie skomplikowanych części o dużych kształtach z prostych podkonstrukcji. Według Dion obecnie stosuje się głównie spawanie indukcyjne, co pozwala na wykonywanie z podczęści jedynie płaskich części o stałej grubości. Jednakże Collins opracowuje techniki zgrzewania wibracyjnego i tarciowego do łączenia części termoplastycznych, które, jak ma nadzieję, po uzyskaniu certyfikatu, ostatecznie pozwolą na produkcję „naprawdę zaawansowanych, złożonych struktur” – powiedział.

Możliwość spawania materiałów termoplastycznych w celu uzyskania złożonych konstrukcji pozwala producentom zrezygnować z metalowych śrub, elementów złącznych i zawiasów wymaganych w przypadku części termoutwardzalnych do łączenia i składania, co zapewnia redukcję masy o około 10 procent, szacuje Brown.

Zdaniem Browna kompozyty termoplastyczne wiążą się jednak z metalami lepiej niż kompozyty termoutwardzalne. Chociaż przemysłowe prace badawczo-rozwojowe mające na celu opracowanie praktycznych zastosowań tej właściwości termoplastycznej pozostają „na wczesnym etapie gotowości technologicznej”, mogą ostatecznie pozwolić inżynierom z branży lotniczej i kosmicznej projektować komponenty zawierające hybrydowe zintegrowane struktury termoplastyczne i metalowe.

Potencjalnym zastosowaniem może być na przykład jednoczęściowy, lekki fotel pasażera samolotu pasażerskiego zawierający wszystkie obwody metalowe potrzebne do interfejsu używanego przez pasażera do wybierania i kontrolowania opcji rozrywki pokładowej, oświetlenia foteli, wentylatora nad głową , elektronicznie sterowane oparcie siedzenia, zaciemnienie rolety okiennej i inne funkcje.

Według Diona, w przeciwieństwie do materiałów termoutwardzalnych, które wymagają utwardzania, aby uzyskać sztywność, wytrzymałość i kształt wymagany od części, z których są wykonane, struktury molekularne termoplastycznych materiałów kompozytowych nie zmieniają się po przekształceniu w części.

W rezultacie materiały termoplastyczne są znacznie bardziej odporne na pękanie pod wpływem uderzenia niż materiały termoutwardzalne, oferując jednocześnie podobną, jeśli nie większą, wytrzymałość i wytrzymałość strukturalną. „Dzięki temu można projektować [części] o znacznie cieńszych średnicach” – stwierdził Dion, co oznacza, że ​​części termoplastyczne ważą mniej niż jakiekolwiek części termoutwardzalne, które zastępują, nawet pomijając dodatkowe zmniejszenie masy wynikające z faktu, że części termoplastyczne nie wymagają metalowych śrub ani elementów złącznych .

Recykling części termoplastycznych powinien również okazać się prostszym procesem niż recykling części termoutwardzalnych. Przy obecnym stanie technologii (i w przyszłości) nieodwracalne zmiany w strukturze molekularnej powstałe w wyniku utwardzania materiałów termoutwardzalnych uniemożliwiają wykorzystanie materiału pochodzącego z recyklingu do wytwarzania nowych części o równoważnej wytrzymałości.

Recykling części termoutwardzalnych polega na rozdrabnianiu włókien węglowych zawartych w materiale na małe kawałki i spalaniu mieszaniny włókien i żywicy przed ponownym przetworzeniem. Materiał uzyskany do ponownego przetworzenia jest strukturalnie słabszy niż materiał termoutwardzalny, z którego wykonano część pochodzącą z recyklingu, dlatego recykling części termoutwardzalnych na nowe zazwyczaj zmienia „strukturę drugorzędową w trzeciorzędową” – powiedział Brown.

Z drugiej strony, ponieważ struktury molekularne części termoplastycznych nie zmieniają się w procesach wytwarzania i łączenia części, można je po prostu stopić do postaci płynnej i ponownie przetworzyć na części tak mocne jak oryginały – twierdzi Dion.

Projektanci samolotów mogą wybierać spośród szerokiej gamy różnych materiałów termoplastycznych dostępnych do wyboru podczas projektowania i produkcji części. Dostępna jest „dość szeroka gama żywic”, w których można osadzić jednowymiarowe włókna węglowe lub dwuwymiarowe sploty, uzyskując w ten sposób różne właściwości materiału, powiedział Dion. „Najbardziej ekscytującymi żywicami są żywice niskotopliwe”, które topią się w stosunkowo niskich temperaturach, dzięki czemu można je kształtować i formować w niższych temperaturach.

Według Dion różne klasy tworzyw termoplastycznych oferują również różne właściwości sztywności (wysoka, średnia i niska) oraz ogólną jakość. Żywice najwyższej jakości kosztują najwięcej, a przystępna cena stanowi piętę achillesową tworzyw termoplastycznych w porównaniu z materiałami termoutwardzalnymi. Zwykle kosztują więcej niż materiały termoutwardzalne i producenci samolotów muszą wziąć to pod uwagę w swoich obliczeniach kosztów i korzyści projektowych, powiedział Brown.

Częściowo z tego powodu GKN Aerospace i inne firmy będą w dalszym ciągu koncentrować się głównie na materiałach termoutwardzalnych podczas produkcji dużych części konstrukcyjnych samolotów. Już teraz szeroko korzystają z materiałów termoplastycznych przy wytwarzaniu mniejszych części konstrukcyjnych, takich jak usterzenia, stery i spojlery. Wkrótce jednak, gdy masowa i tania produkcja lekkich części termoplastycznych stanie się rutyną, producenci będą z nich korzystać znacznie szerzej – szczególnie na rozwijającym się rynku eVTOL UAM – podsumował Dion.

pochodzą z ainoline