Innovatie van composieten om nieuwe markten te openen

Hoewel de basis van het bedrijf zeker filamentwikkeling is, heeft CompoTech dat proces naar nieuwe toepassingen geduwd via op pinnen gebaseerde wikkeling, overwikkeling en innovatieve tooling- en materiaalconcepten. Het resultaat is een vloeiend proces dat vaak nieuwe prestatieniveaus bereikt via hybridisatie, bijvoorbeeld met metalen en productiemethoden zoals 3D-printen en zijn eigen versie van geautomatiseerde vezellegging (AFL).

CompoTech produceert onderdelen voor een breed scala aan toepassingen, waaronder industriële apparatuur (vacuümgrijperassemblage, linksboven) en landbouwmachines (spuitboom, rechtsboven) vanuit haar faciliteiten in Sušice, Tsjechië (onder). BRON:Bilsing Automation (grijper, linksboven), Hardi International (spuitboom, rechtsboven) en CompoTech.

CompoTech (Sušice, Tsjechië) werd in 1995 opgericht door Ondrej Uher en Vitek Sprdlik, nu respectievelijk de R&D-directeur en technisch directeur van het bedrijf. "Ze bouwden oorspronkelijk een filamentwikkelmachine voor het produceren van kajak- en kano-peddelassen waarin hun eigen technologie voor het axiaal opwinden van 0°-vezels was geïntegreerd", legt Humphrey Carter, directeur bedrijfsontwikkeling van CompoTech, uit. “Dit is nu een kerncompetentie. We hebben aangetoond dat deze constructie sterkere en stijvere structuren oplevert met een hogere weerstand tegen het knikken van vezels.”

Het bedrijf ontwikkelde ook de mogelijkheid om integrale composiethoepels voor verbindingen op te winden. Deze worden gebruikt in onderdelen van hangglider rondhouten tot aandrijfassen en industriële componenten. "CompoTech ontwerpt de machines en de besturingssoftware", zegt Carter. “Omdat we het proces volledig in eigen hand hebben, kunnen we het ontwerp beter optimaliseren. We ontwikkelen de procestechnologie op maat van de ontwerpcriteria en kunnen deze beschikbaar stellen voor onze technologiepartners, maar ook voor composietontwerpers en -producenten. We hebben de technologie bijvoorbeeld in licentie gegeven aan Southern Spars/North Marine Group.”

CompoTech windt glasvezel op rond pinnen (links) om structuren te maken
met geïntegreerde connectoren (rechts). BRON:CompoTech

Gereedschapsmachines ontwerpen

Momenteel heeft het bedrijf ongeveer 50 mensen in dienst, waarvan bijna de helft in ontwerp en engineering. Het heeft ook sterke banden met de Tsjechische Technische Universiteit (CTU) in Praag en ook met de Universiteit van West-Bohemen (Pilsen, Tsjechië). CompoTech heeft composietoplossingen ontwikkeld voor een breed scala aan toepassingen, waaronder gieken voor landbouwspuitapparatuur, assen voor windbladuiteinden, fietsframes en -wielen, buizen en frames voor grijpers voor automontage en lichtgewicht portaalcomponenten voor lasersnijders en CNC-machines.

"We werken sinds het begin van de jaren 2000 in de industrie en de werktuigmachinesector vanwege de prevalentie in de Tsjechische Republiek", legt Carter uit. “Dit is een zeer conservatieve industrie die geen kennis heeft van composieten. Dus gaan we naar tentoonstellingen over werktuigmachines en leiden ze op.” Die industrie weet al dat trillingen van versnellende onderdelen en van snijvlakken, zoals freestanden, een vermindering van de bewerkingsnauwkeurigheid en de standtijd veroorzaken. CompoTech legt uit dat de harmonischen van een snijgereedschap - de trillingen gebaseerd op massa, stijfheid en uitgeoefende belastingen/krachten - vaak de beperkende factor zijn in prestaties en productiviteit. Niet zo bekend is dat koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP) kan worden gebruikt in de structuur van machines en gereedschapshouders om de massa te verminderen en de stijfheid te vergroten ten opzichte van staal. Met behulp van pekvezel rapporteert CompoTech een gewichtsvermindering van 25% en een toename van 200% stijfheid (400 GPa bereikt met unidirectionele vezel), respectievelijk. Dit zijn de twee belangrijkste manieren om de natuurlijke frequentie van een structuur te verhogen en resonantie te voorkomen. Dit is wanneer de constructie uit zichzelf trilt, wat de problemen verergert voor reeds trillingsgevoelige roterende onderdelen en machines met variabele snelheid.

CompoTech gebruikt CFRP en extra dempingsmaterialen om het gewicht te verminderen en de stijfheid en demping te verhogen ten opzichte van staal om trillingen te voorkomen. Hun technologie vermindert ook de drift van bewerkingsmachines, wat de bewerkingsprestaties en productiviteit verbetert. BRON:CompoTech

"Het gebruik van ons proces voor CFRP vermindert ook het driften van gereedschapswerktuigen in vergelijking met geautoclaveerde composieten omdat we minder thermische stress veroorzaken", voegt Carter toe. “Gereedschapshouders zijn vaak lange, slanke balken die in de loop van de tijd kunnen veranderen, afhankelijk van hun ontwerp en materiaalsamenstelling. Dit beïnvloedt vervolgens de relationele positie van het gereedschap, waardoor de nauwkeurigheid afneemt.”

Op het gebied van demping is CompoTech verder gegaan dan de inherente eigenschappen van vezel- en polymeercomposieten en heeft het pionierswerk verricht met het opnemen van andere materialen, waarbij het 12 tot 20 keer de demping van staal biedt, trillingen direct tegengaat en het verval bespoedigt (zie bovenstaande grafiek). "We hebben meer dan tien jaar ervaring in het ontwerpen van gedempte composieten om de gewenste eigenschappen en prestaties te bereiken", zegt Carter. Een voorbeeld is een nieuw ontwerp van de werkstukhouder, zodat er veel minder klemkracht nodig is in vergelijking met een stalen klauwplaat. Een ander voorbeeld is de gemodificeerde armatuur voor het draaien van een lagedrukturbine (LPT)-behuizing van een vliegtuigmotor, gemaakt van een moeilijk te bewerken Inconel 718-legering. CompoTech is ontwikkeld via het door de EU gefinancierde INTEFIX-project en heeft CFRP-ringen ontwikkeld ter vervanging van metalen ringen die als zoeker in de armatuur worden gebruikt. Het resultaat was geen verlies aan stijfheid of functie, terwijl het werkstukgedrag en betere bewerkingsprestaties werden verbeterd. In feite is de opspanning intelligent gemaakt, zodat de werkstukklemming tijdens het proces naar behoefte kan worden aangepast.

CompoTech heeft , in samenwerking met CTU, KIMM en Samyang Reduction Gear, een hybride metalen/composiet versnellingsbak voor elektrische voertuigen en tandwielassen met minder gewicht en minder geluid. BRON:CompoTech

CompoTech werkt ook voortdurend aan een hybride metalen/composiet versnellingsbak voor elektrische voertuigen, met als doel de massa met 25 procent te verminderen en ook het geluid te verminderen door de natuurlijke frequentie en demping te verhogen. Dit project (2016 tot oktober 2019) is in samenwerking met de Tsjechische Technische Universiteit (CTU) in Praag, het Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM, Daejeon, Zuid-Korea) en Samyang Reduction Gear Co. Ltd. (Inchon, Zuid-Korea). Het hoofdgedeelte van de versnellingsbak zal van composiet zijn met metalen inzetstukken voor lageroppervlakken. CompoTech ontwierp en produceerde het bovenste en onderste versnellingsbakhuis, evenals de tandwielassen. Ze bestaan ​​allemaal uit meerdere delen, die verlijmd zijn. CTU heeft tests en FE-analyse geleverd, terwijl de Koreaanse partners van het project de technische specificatie leveren en de versnellingsbakken zullen afwerken, monteren en testen.

CompoTech heeft een rolroer uit één stuk met filamentwikkeling en langsribben - in plaats van conventionele schotribben, prepreg en lijmverbinding - wat resulteert in een lichtgewicht, delaminatiebestendige structuur, vooral aan de achterrand.
BRON:Ginger Gardiner, CW op JEC 2019

Delaminatiebestendig rolroer

Carter legt uit dat veel van de R&D-prestaties van CompoTech voor werktuigmachines vervolgens worden toegepast op nieuwe toepassingen, zoals het rolroer voor de Aero Vodochody AEROSPACE (Odolena Voda, Tsjechië) L-39NG jettrainer. "Dit is een veeleisende toepassing, met zeer hoge drukken aan de achterrand", zegt hij. Naast vliegbelastingen ervaart de bewapende versie van het vliegtuig drukgolven wanneer op de vleugels gemonteerde raketten worden afgevuurd. "Bij een conventionele composietconstructie was er delaminatie aan de achterrand van het rolroer", merkt Carter op. “We hebben alle lijmverbindingen geëlimineerd en in plaats daarvan een integrale structuur gecreëerd met behulp van natte filamentwikkeling en co-curing. We zijn maanden bezig geweest met het ontwikkelen van de ontwerp- en processtappen. Ten eerste wordt onze door een robot ondersteunde winder gebruikt om de vier kokerbalken die de rolroeren vormen, te filament op te winden. Dit zijn trapeziums en dan D-vormen aan de voor- en achterranden.” De achterrand heeft ook een apart stuk om een ​​meer aerodynamisch oppervlak te creëren.

"Vervolgens voegen we al deze onderdelen op hun doornen aan elkaar en winden ze om om de buitenoppervlakken bovenop de longitudinale ribben te creëren", vervolgt Carter. De hele structuur wordt vacuüm verpakt en bij kamertemperatuur uitgehard met een nabehandeling bij 90°C.

Dit project is een goed voorbeeld van hoe we samenwerken met een klant die de procestechnologie en het ontwerp ontwikkelt. Ons idee is niet om rolroeren of andere onderdelen massaal te produceren. Wij zouden de machines produceren en onze klanten zullen de onderdelen opwinden.” Het rolroer vliegt nu en Aero Vodochody heeft een achterstand van 4 jaar voor bestellingen van L-39NG jettrainers.

Over het algemeen is het natte wikkelproces van CompoTech gebaseerd op precisie, waarbij in feite een sleeppreg wordt gecreëerd. "We gebruiken meestal epoxyharsen en een uitharding van 100°C", zegt Carter. "Voor toepassingen die een hogere Tg vereisen, zoals sommige boorgatgereedschappen die we hebben geproduceerd voor gebruik in de olie- en gasindustrie, kunnen we uitharden bij 140°C."

Voorbeelden van 3D cellulaire composieten voor hoge axiale stijfheid, dikke en complexe gesegmenteerde onderdelen. BRON:CompoTech

Nieuwe processen

3D cellulair composiet (3Dc) is de naam van CompoTech voor een reeks processen die een composiet produceren met driedimensionale versterking. Resulterend in een dwarsdoorsnede met een cellulair uiterlijk, bereikt deze constructie een hoog axiale vezelgehalte in de x-richting, onderling verbonden met vezels in de y- en z-richtingen, die de celwanden vormen. We hebben dit proces ontwikkeld voor dikke onderdelen die een zeer hoge axiale stijfheid vereisen”, zegt Carter. Die stijfheid wordt gecreëerd door het zeer hoge 0° (axiale) vezelgehalte. De celwanden dragen ook schuifbelasting over de sectie via de celwanden en maken het mogelijk om interessantere secties te realiseren, zoals de hierboven getoonde T-gleuf.

Het bedrijf print ook doornen en steunen in 3D om te voldoen aan de vereisten voor torsie en natuurlijke frequentie zonder dikkere laminaten. "Dit is een ander project dat samenwerkt met CTU", zegt Carter, "waar we geautomatiseerd intern ontwerp van constructies ontwikkelen." Hij merkt op dat de wikkeling van thermoplastisch composiet een enorme vlucht neemt. "Dat is onze volgende stap, om onze wikkeling in thermoplasten te combineren met 3D-printen en vouwen te gebruiken om innovatieve vormgereedschappen voor composieten en werktuigmachines te maken."

CompoTech gebruikt gehybridiseerde processen om stijve, lichtgewicht CFRP-portaalconstructies te creëren die de nauwkeurigheid en snelheid van de machine verbeteren. BRON:CompoTech, Eagle Laser.