Thermoplastische tapes blijven potentieel tonen voor composiet aerostructuren

De productie van aerostructuren is zwaar getroffen door de COVID-19-pandemie, maar de lucht- en ruimtevaartinspanningen volgden niet noodzakelijkerwijs het voorbeeld, althans niet voor Web Industries (Marlborough, Mass., VS), een bedrijf dat thermoplastische tape-slitservices biedt voor een verscheidenheid aan klanten toepassingen. Volgens Grand Hou, wereldwijd directeur van onderzoek en technologie, lucht- en ruimtevaart, zijn onderzoeksinspanningen in de ruimte, stedelijke luchtmobiliteit (UAM) en het leger vol gas gegaan om de volgende generatie vliegtuigen mogelijk te maken - en zijn composieten, met name thermoplastische tapes, sleutel tot veel van deze inspanningen.

Thermoplastische tapes zijn natuurlijk niet nieuw (zie CW Hoofdredacteur Jeff Sloan's "I want to say two words to you:'Thermoplastische tapes'" voor een meer achtergrondverhaal dat teruggaat tot de jaren zestig), maar de afgelopen jaren is hun interesse toegenomen, met name voor commerciële ruimtevaart en andere hoogwaardige toepassingen (zoals ribben voor onder meer het Wing of Tomorrow-programma en het Multifunctional Fuselage Demonstrator-programma). In vergelijking met thermohardende tapes bieden thermoplasten voordelen zoals een hogere taaiheid, gemakkelijker recyclebaar, hun vermogen om uit autoclaaf (OOA) te worden verwerkt en het feit dat ze bij kamertemperatuur kunnen worden bewaard.

Web Industries staat in de frontlinie van thermoplastische ontwikkeling en toepassingen, met name met zijn meerdere formatteringsmogelijkheden, waaronder:het snijden van thermohardende en thermoplastische tapes van leveranciers in verschillende vormen en formaten om aan specifieke klantvereisten te voldoen. Met productielijnen voor het snijden van tape in Amerikaanse en Europese faciliteiten, omvat Web's mogelijkheden het formatteren van hoogwaardige polyetheretherketon (PEEK), polyetherketoneketon (PEKK) en polyaryletherketon (PAEK) thermoplastische tapes, die het meest worden gebruikt in ruimtevaarttoepassingen.

TP-tapes voor secundaire aerostructuren - en uitdagingen in primaire structuren

Op dit moment, merkt Hou op, concentreren de meeste activiteiten op het gebied van aerostructuren in thermoplastische prepregs zich op secundaire structuren zoals clips, toegangspanelen of substructuren, terwijl vluchtkritische primaire structuren zoals vleugels en rompen worden gemaakt met thermohardende composieten of metalen.

"Veel van de uitdagingen hebben te maken met het beheersen van risico's", zegt hij, en een deel van het probleem was historisch gezien de groeipijnen van thermoplastische prepregs van leveranciers. Thermoplastische materialen zijn minder volwassen dan thermohardende tapes. Volgens Hou, terwijl thermohardende tapes tientallen jaren van grootschalige productie op schaal en perfectie hebben ondergaan, staan ​​thermoplastische materialen nog in de kinderschoenen voor gebruik in geautomatiseerde processen voor productie van grote volumes.

Web Industries werkt echter met verschillende leveranciers van composietmaterialen en Hou zegt dat de algehele materiaalconsistentie en schaal de afgelopen jaren sterk zijn verbeterd. Materiaalbreedte, lengte, dikte, vezelspanning en harsuniformiteit zijn tegenwoordig allemaal veel consistenter en van hogere kwaliteit, zegt hij.

Een andere belemmerende factor bij het maken van grotere thermoplastische primaire structuren is dat thermoplastische materialen doorgaans duurder zijn dan thermoharders. "Het zal niet op grotere schaal worden toegepast als er geen algemeen kostenvoordeel is", geeft Hou toe, waarbij hij opmerkt dat samenwerking en technische hulp van cruciaal belang zijn om de proceskosten te verlagen. "We kunnen betere oplossingen bereiken als iedereen vanaf de vroege stadia van het project tot het einde samenwerkt om gemeenschappelijke doelen te bereiken."

Procesflexibiliteit en materiaalaanpassing

Over het algemeen ziet Hou veel potentieel en toenemende activiteit voor thermoplastische tapes, nu en in de toekomst, waarbij flexibiliteit een van de belangrijkste kantelpunten is voor klanten.

Momenteel zijn thermohardende tapes voornamelijk beperkt tot geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP), met de beperkingen van autoclaafharding en opslagtemperatuurvereisten. Thermoplasten kunnen een flexibelere procesbenadering mogelijk maken, evenals OOA-verwerking, zegt Hou, inclusief tapeformaten voor geautomatiseerde tape-legging (ATL) en filamenten voor additive manufacturing.

Volgens Web Industries zullen formatterings- en supply chain-oplossingen op commerciële schaal van cruciaal belang zijn om fabrikanten van aerostructuren de thermoplastische spleettapes te bieden die nodig zijn om de verwachte bouwsnelheid van de industrie te ondersteunen.

Thermoplastische prepregs kunnen ook op maat worden gemaakt voor specifieke toepassingen. Volgens Hou willen eindgebruikers materialen afstemmen op elke toepassing. Omdat thermoplasten zeer aanpasbaar zijn, kan een specifiek formaat worden ontwikkeld voor een specifiek onderdeel, zegt hij, waardoor het materiaalgebruik wordt gemaximaliseerd en de downstreamkosten van de klant worden verlaagd. Aangezien UAM, de ruimtevaart en het leger belangrijke aandachtsgebieden zijn, merkt Ashley Graeber, directeur verkoop en nieuwe bedrijfsontwikkeling, op dat de activiteit per project wordt toegesneden, in plaats van per vliegtuigprogramma.

Het formatteren van thermoplastische materialen voor specifieke toepassingen helpt ook om afval te verminderen, zegt Jason Surman, VP sales, aerospace. In de lucht- en ruimtevaartindustrie is de buy-to-fly-ratio, de verhouding tussen de grondstof en de massa van het afgewerkte onderdeel, een belangrijk punt van zorg. Het doel is om een ​​buy-to-fly-verhouding te hebben die zo dicht mogelijk bij 1:1 ligt, wat betekent dat er weinig afvalmateriaal is. Het juiste materiaal in het juiste formaat voor de juiste toepassing kan afval drastisch verminderen, merkt Surman op. In de lucht- en ruimtevaartindustrie is 30% afval "gek", zegt hij, en om het afval onder dat niveau te krijgen, is een gezamenlijke inspanning van alle kanten nodig.

"Het is van cruciaal belang om het materiaal te combineren met het proces", voegt Surman eraan toe, "en thermoplastische tapes komen naar voren als een ondersteunende oplossing voor fabrikanten van vliegtuigstructuren."