Waar de kunst en wetenschap van vlechten elkaar ontmoeten

In de composietenindustrie zijn er een paar productieprocessen die op het eerste gezicht relatief eenvoudig en gemakkelijk uit te voeren lijken. Het vlechten van vezelversterkingen is daar ongetwijfeld een van. Vlechten wordt in feite gedaan door een behoorlijk aantal fabrikanten. Het aanschaffen en gebruiken van een vlechtmachine om koolstofvezel- of glasvezelpreforms, sleeves en/of weefsels te maken, kan inderdaad worden bereikt zonder een enorme investering van geld of tijd.

Er zijn echter maar weinig bedrijven in de wereld die vlechten tot de focus van allemaal hebben gemaakt van hun aandacht, expertise, investering en strategie. Minder hebben nog steeds de reputatie van A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, VS) voor technische en artistieke uitmuntendheid en brede ervaring met vrijwel elke vezelversterking die tegenwoordig wordt gebruikt.

What's in the name?

De A&P is afgeleid van Atkins &Pearce Manufacturing Co., opgericht in 1817 om katoenverwerkingsmachines te produceren. Atkins &Pearce begon uiteindelijk met het vlechten van katoen voor verschillende eindmarkten. Dit ging door tot het midden van de 19e en in de 20e eeuw. In 1986, toen de moderne composietindustrie vorm begon te krijgen, zag Atkins &Pearce een kans om zijn vlechtkennis toe te passen op de fabricage van composieten en creëerde A&P Technology als een R&D-eenheid om het vlechten van technische vezels te evalueren. De A&P Technology-activiteiten groeiden in het volgende decennium en werden in 1995 een volledige dochteronderneming van Atkins &Pearce. In 1997 zette het bedrijf de extra stap om A&P Technology als zelfstandig bedrijf af te stoten. Tegenwoordig is het volledig eigendom van de president, Andrew Head.

A&P Technology is verspreid over vijf gebouwen op een campus aan de oostkant van het grootstedelijk gebied van Cincinnati. Bezoekers worden welkom geheten in het 1.255 m2 grote Tech Center, een gebouw bij de hoofdingang van de campus. Hier begroetten Pam Schneider, COO, en Mike Braley, VP, Application Engineering, CW voor deze toer. Schneider voert haar A&P-wortels meer dan 30 jaar terug tot de oprichting van het bedrijf. Braley kwam meer dan 20 jaar geleden bij A&P, afkomstig van GE Aviation (Evendale, OH, VS), een van de al lang bestaande klanten van A&P.

Zittend op de bovenste verdieping van het Tech Center, tussen voorbeelden van onderdelen die zijn afgeleid van A&P's vlechtcontracten, samen met oude foto's uit de begintijd van Atkins &Pearce, legt Schneider uit dat het succes van A&P voornamelijk te danken is aan het vermogen om op maat gemaakte materiaaloplossingen te ontwerpen om te voldoen aan talloze mechanische en fysieke vereisten. En dit is mogelijk omdat de vlechtapparatuur van A&P in eigen huis wordt ontwikkeld en geproduceerd, wat betekent dat het bedrijf nauw verbonden is met zijn technologie, van concept tot ontwikkeling tot fabricage.

Braley beweert dat het vlechten van vezelversterkingen een reeks materiaalmogelijkheden biedt die nergens anders in de composietenindustrie te vinden zijn. "In principe", zegt hij, "kunnen we de vezelarchitectuur aanpassen aan elke specifieke dimensie en aan specifieke mechanische vereisten."

Vlechten 101

Het begrijpen van deze verklaring vereist een goed begrip van het vlechten zelf. Op het meest basale niveau is een vlecht een systeem van continue, mechanisch met elkaar verbonden vezels met twee of drie oriëntaties. Het garen wordt om een ​​cilindrische spoel gewikkeld en de spoel wordt op een drager gemonteerd. Meerdere dragers worden vervolgens bevestigd aan een vlechtplaat met een kronkelige baan die de dragers geleidt. Garen wordt van elke drager naar het formatievlak boven de vlechtbaan getrokken. De vlechter kan horizontaal of verticaal worden georiënteerd en de grootte (aantal dragers) bepaalt de diameter van het voltooide gevlochten onderdeel.

De geometrie van het afgewerkte vlechtwerk hangt af van de vorm en grootte van de doorn, evenals de configuratie van het vlechtwerk, en wordt gebruikt om mouwen, 2D-voorvormen en platte stoffen te maken. In alle gevallen biedt een goed uitgevoerd vlechtwerk een vezelstructuur die continu, consistent en gelijkmatig verdeeld is, die uitstekende weerstand biedt tegen impact en scheurvoortplanting aan het afgewerkte composietdeel.

De aanpassing van de stofarchitectuur waarnaar Braley verwijst, wordt mogelijk gemaakt door de variabelen die kunnen worden afgestemd op een vlecht:aantal vezeltypes (koolstof, glas, aramide, natuurlijk, thermoplastisch of hybride), architectuur (biaxiaal, triaxiaal, triax/biax of unidirectioneel), aantal dragers, garenhoek (vast of variërend), garenspanning, vlechtsnelheid en doornvorm.

A&P Technology, zegt Schneider, exploiteert vlechtmachines variërend in grootte van 3 tot 800 dragers, met meer dan 40 maten ertussen, en produceert een reeks voorvormen en producten met koolstofvezel, glasvezel, aramidevezel en meer. De vlechtmachine met 800 dragers is enorm - met een diameter van meer dan 13 meter - de grootste ter wereld. De machinelijn van A&P evolueert voortdurend, waarbij vaak nieuwe machineformaten worden toegevoegd om aan de specifieke eisen van de klant te voldoen. In 2016 produceerde A&P meer dan 453,6 ton gevlochten producten, met een verwachte jaarlijkse groei van 15-20% in de komende jaren. De grootste eindmarkt van A&P is de lucht- en ruimtevaart, zegt Schneider, maar het bedrijf maakt ook gevlochten producten voor auto-, recreatie- en infrastructuurtoepassingen.

Braley zegt dat A&P veel van zijn succes te danken heeft aan zijn vermogen om goed te vlechten en daarbij klanten te helpen bij het oplossen van moeilijke problemen. Meestal, zegt hij, zullen klanten naar A&P komen met een metalen onderdeel dat op de een of andere manier defect is, en alle andere oplossingen zijn tekortgeschoten. "We zijn hier al heel lang extreem op gefocust", zegt hij over vlechten. “We hebben de apparatuur, historie, kennis en expertise om maatwerkoplossingen te ontwikkelen. Sterker nog," stelt hij, "sommige van onze klanten zijn een beetje overweldigd door onze aangepaste mogelijkheden."

De eerste stop van de tour na het verlaten van de tentoonstellingsruimte van het Tech Center is beneden in het prototypelab, waar de "tech" daadwerkelijk wordt gedaan. A&P maakt geen samengestelde onderdelen te koop, maar creëerde in plaats daarvan een ruimte voor klanten om hun prototyping-processen te versnellen. Hier beneden doet A&P prototyping voor klanten, en bouwt ook layup-tools en voert hydraulische burst-tests uit. Ook inbegrepen is een grote lay-uptafel, een kleine in de handel verkrijgbare vlechtmachine, niet-destructieve testapparatuur, een vriezer voor prepreg-opslag en een inloop-Wisconsin-oven (East Troy, WI, VS).

Overal zijn verschillende onderdelen zichtbaar in verschillende stadia van fabricage en beoordeling. Onder hen zijn een ventilatorbehuizing voor een straalmotor van de volgende generatie, een composietuitrusting voor een helikopterproject, een gondelgereedschap en een paar eigen producten die, merkwaardig genoeg, niets met composieten te maken hebben. Deze zijn echter niet misplaatst, zegt Braley:“We zijn ontworpen om projecten met een hoog risico en een hoge uitbetaling na te streven. We zijn altijd op zoek naar mogelijkheden om onze technologie aan het werk te zetten.”

Achter gesloten deuren

Vanaf hier gaat de tour achter gesloten deuren verder naar een gebied CW mag bezoeken met dien verstande dat alle opmerkingen die specifiek zijn voor toepassingen en machines vertrouwelijk zullen worden behandeld. A&P staat in feite meestal geen fabrieksrondleidingen toe om de eigendomsrechten van de ontwerpen van zijn klanten en zijn ultramoderne technologie te beschermen. In feite heeft alleen de Amerikaanse astronaut Neil Armstrong een volledige rondleiding gekregen. CW's bezoek, een zeldzame uitzondering, was georganiseerd om de branche die het bedient in staat te stellen de brede mogelijkheden van A&P beter te begrijpen.

De volgende stop is het gebouw Long-Term Contracts, een faciliteit van 3.250 m2 aan de noordrand van de campus. Hier vinden we A&P-systemen aan het werk, zoals de naam al aangeeft, bij vlechtprojecten voor meerjarige projecten - die, zegt Braley, statisch zijn en niet kunnen veranderen. De eerste die te zien is, betreft een indrukwekkende en gecompliceerde reeks vlechtmachines en doornen die koolstofvezelvoorvormen vervaardigt voor rompframes die bestemd zijn voor de Boeing Co.'s (Chicago, IL, VS) 787-8 Dreamliner . A&P maakt 290 frames per vliegtuig voor Boeing, waarvan 161 uniek. In één dienst, één van deze A&P-vlecht-/doornsystemen produceert vier preforms, waaruit acht frames worden gemaakt, en het systeem dat dit doet, wordt bediend door een van de meest complexe en hoogontwikkelde softwareprogramma's die het bedrijf tot nu toe heeft ontwikkeld.

Schneider en Braley wijzen vervolgens op een grote werkcel met een vlechtmachine die in werking is om voorgevormde ventilatorbehuizingen van koolstofvezel te maken voor de GE Aviation's GEnx-motor. Deze voorvorm komt van de vlechtmachine als een cilinder, die vervolgens naar een mezzanine over de vlechtmachine wordt gevoerd, afgeplat en ingesneden om een ​​tweelaagse stof te creëren, op een spoel gewikkeld en vervolgens verscheept naar de straalmotorfaciliteit van GE Aviation in Batesville, MS , VS (zie "Plant Tour:GE Aviation"). Braley zegt dat consistentie hier van cruciaal belang is, omdat een ventilatorbehuizing is ontworpen om een ​​"blade-out" -gebeurtenis te bevatten, waarbij een ventilatorblad tijdens bedrijf losraakt (een zeldzame gebeurtenis) en de behuizing raakt:"Elke laag moet hetzelfde zijn en is hetzelfde ," hij zegt. "Vanuit het oogpunt van impact is het extreem consistent." Naast de GEnx levert A&P gevlochten ventilatorbehuizing voor de GE CF6-80C2, de HTF7000-familie van motoren van Honeywell Aerospace (Pheonix, AZ, VS) en voor de FJ44-4-motor van Williams International (Commerce Township, MI, VS).

De volgende is een vlechtmachine met 336 dragers, die koolstofvezelvoorvormen maakt voor de LEAP 1B / 2B-motoren, evenals de GEnx. Daarna volgt een complex systeem dat koolstof- en aramidevezels vlecht om preforms te maken voor statorschoepen op een Honeywell-motor. Deze vlechter, CW wordt verteld, biedt plaats aan zeven ontwerpvariaties, maar functioneert volledig zonder menselijk toezicht.

Schneider en Braley gaan het LTC-gebouw uit en gaan naar het Core Products-gebouw. Het is slechts 2 jaar geleden gebouwd en het is de nieuwste van A&P. Er zijn hier 20 vlechtmachines van verschillende formaten (de grootste uitgerust met 400 dragers), veelvouden van vele maten, en de meeste draaien op elk moment. Het constante "klik-klak" van roterende dragers maakt het een van de meest luidruchtige faciliteiten op de campus. De geheel nieuwe apparatuur die hier is gehuisvest, is gericht op het met hoge snelheid vlechten van kousen voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder isolatie van vrachtwagenemissies over de weg, vliegtuigvleugelconstructies, protheses, hockeysticks en honkbalknuppels.

De volgende stop is het Fabrics Building, waar A&P zijn vier kant-en-klare gevlochten stoffen, QISO, Bimax, ZERO en TX-45, maakt voor een verscheidenheid aan toepassingen. QISO, dat al ongeveer vijf jaar op de markt is, is een quasi-isotrope stof die is ontworpen voor composietgereedschappen, infrastructuurreparatie en automobieltoepassingen. Materiaalcombinaties variëren afhankelijk van de toepassing en omvatten koolstofvezel van luchtvaartkwaliteit en industriële kwaliteit. Stoffen zijn er in verschillende oppervlaktegewichten en breedtes.

Bimax is een gestabiliseerd materiaal van ±45° dat veel wordt gebruikt in hockeysticks, grote radiosignaalschotels en auto-onderdelen. Het vezeltype is hier een hybride van koolstof en glas, met thermoplastische axiale elementen die zijn toegevoegd om de stofarchitectuur tijdens de lay-up te stabiliseren. Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, VS), vertelt A&P, schakelde over van geweven koolstofvezel naar Bimax voor zijn hockeysticks en verminderde daarbij het materiaalgebruik met 7%.

ZERO, de enige ongevlochten stof van A&P, is oorspronkelijk ontworpen voor het F-22-programma. Deze niet-geweven unidirectionele stof heeft vrijwel geen krimp en wordt aangeboden in verschillende ounce-gewichten.

TX-45 is de nieuwste stof van A&P, een ±45°, 193-g/m2, 2x2 twill geleverd op dragerpapier voor eenvoudige verwerking en consistente vezeloriëntatie. Braley zegt dat TX-45 door A&P is ontwikkeld voor een ruimtevaartklant die geïnteresseerd is in een vervanging voor ±45° platbinding prepreg.

Ook in het Fabrics Building produceert A&P een gevlochten thermoplastische voorvorm voor het handelsmerk TiSeat (Titanium Seat) van Expliseat (Parijs, Frankrijk). Met een gewicht van slechts 4 kg noemt Expliseat het de lichtste vliegtuigstoel ter wereld. Het beschikt over composietvoorvormen die zijn gemaakt door thermoplastische tapes met smalle spleten te vlechten, die volgens Braley stijver zijn dan garen en dus moeilijker te vlechten zijn. TiSeat wordt uitgerust voor de Airbus A320, waardoor Airbus ongeveer 2.090 kg per vliegtuig bespaart in vergelijking met concurrerende materialen en producten.

Het grootste gebouw op de A&P-campus is het Business Development Building, een faciliteit van 7.430 m2 die dienst doet als productiecentrum voor een verscheidenheid aan militaire, industriële en ruimtevaartprojecten, met name motorgerelateerd. Tijdens de walk-through wijst Braley op vlechtsystemen die in ontwikkeling zijn voor GE-motorstroombaanafstandhouders, een GE9X-motorvoorvormsysteem dat kwalificatie ondergaat (de GE9X zal de komende Boeing 777X aandrijven), GEnx-lichaamslagen, een ventilatorbehuizing voor een Williams motor en een voorvorm van een Honeywell-motorventilator.

Hier is ook de Automation Room, waarin A&P robotica en vergelijkbare technologieën beoordeelt om de productiesnelheid van vlechten te helpen versnellen. Dit omvat een robot met meerdere assen om te helpen bij het laden van de doorn en de ontwikkeling van meer geavanceerde overvlechttechnieken. Er wordt ook gekeken naar dynamische planningssoftware met realtime feedback van de vlechter en vision-systemen die worden gebruikt voor inspecties tijdens het proces. "We hebben het gevoel dat we voorop lopen op het gebied van vlechtmogelijkheden", merkt Braley op, "maar er is altijd een mogelijkheid om te verbeteren, en daar moeten we naar streven."

Gaan vooruit

Terug in het Tech Center, CW ontmoet Andy Head, die algemeen wordt beschreven als de technische en mechanische drijvende kracht van A&P. Gevraagd om de plaats van A&P in de toeleveringsketen van composieten te beschrijven, noemt hij vier sterke punten:sterke numerieke controle, goed digitaal ontwerp, uitstekende interne mechanische capaciteit en flexibiliteit die inherent is aan het vlechtproces zelf.

Deze capaciteitenmix, zegt Head, heeft A&P in een unieke positie gebracht in de composietenindustrie:een bron van hoogontwikkelde, geavanceerde gevlochten oplossingen die moeilijk elders te vinden zijn vanwege de hoge toetredingsdrempel van vlechtwerk.

"Onze organisatie is gebaseerd op het wederzijds dwingende belang om onze klant succesvol te maken", voegt hij eraan toe. “Ons vermogen om machines in eigen huis te ontwerpen en te bouwen, stelt ons in staat om onze klanten binnen een kort tijdsbestek optimale oplossingen te bieden. Deze ontwerpflexibiliteit plaatst A&P in de voorhoede van vlechttechnologie, een positie die we zeer serieus nemen.”

"Toegegeven," zegt Head, "onze enige bronpositie is uniek, maar we hebben een lange geschiedenis in het ondersteunen van programma's met grote volumes, programma's met vereisten waaraan alleen onze machines voldoen. We zijn trots op ons vermogen om niet alleen aan deze eisen te voldoen, maar ook om de verwachtingen van onze klanten op het gebied van kwaliteit en service te overtreffen.”

Terugkijkend op hoe ver A&P is gekomen, en op de focus van de composietenindustrie, op productiesnelheid, cyclustijd, automatisering, procesbeheersing en consistentie, ziet Schneider dat A&P goed is afgestemd op deze doelen en klaar is om te voldoen aan de preforming-behoeften in de lucht- en ruimtevaart , automobiel- en industriële sectoren en daarbuiten. "Het zijn 20 geweldige jaren geweest", zegt ze, "maar we zijn nog niet klaar."