Ontdek Veelo Technologies' Woodlawn faciliteit: Binnenkijken in de innovatieve CNT vezel fabriek

Wat doe je als de koolstofnanotube (CNT) vezel die je bedrijf probeerde te commercialiseren niet de prestaties levert die je potentiële klanten nodig hebben, waaronder de VS luchtmacht en Boeing (Chicago, Illinois, VS)? Je draait om, gaat terug naar het tekenbord, en gebruikt je geavanceerde materialen en composietverwerkingsexpertise om andere oplossingen te ontwikkelen. "We gebruiken vaak nanomaterialen, maar we zijn bij geen enkele manier een nanomaterialenbedrijf," zegt Veelo Technologies CEO Joe Sprengard. "We zijn een geavanceerde materialen bedrijf gericht op elektrisch geleidende materialen en niet-metallische verwarmingsoplossingen. De gemeenschappelijke draad tussen onze initiële focus op het ontwikkelen van continue CNT vezels en vellen en ons huidige productportfolio – bliksembeveiliging (LSP) en elektromagnetische afscherming, verwarmingsdeken voor efficiënte composietverwerking en niet-metallische electrothermische ontdooi-systemen – is ons vermogen om nieuwe materialen te ontwikkelen die niet alleen nieuwe prestatieniveaus leveren, maar ook aan gewichts- en kosteneisen voldoen."

Het bedrijf heeft geschaald van vier tot 24 werknemers en is verhuisd naar een nieuwe, 20.000 vierkante voet productiefaciliteit in Woodlawn, een Cincinnati voorstad gelegen één mijl van GE Aviation's hoofdkantoor in Evendale en een uur ten zuiden van het Air Force Research Laboratory (AFRL) op Wright-Patterson Air Force Base in Dayton, Ohio. Sprengard leidt CW's tour door Veelo Technologies' nieuwe productiesite, doorlopend de bedrijfsevolutie van nanomaterialen leverancier tot geavanceerde brede-goederen specialist tot innovatiepartner voor toekomstige composieten.

Van nano tot multifunctionele composieten en verwerking

Veelo Technologies begon met het ontwikkelen van continue CNT vezelvellen (boven links) maar heeft zich nu ontwikkeld om een reeks materialen in zijn producten voor bliksembeveiliging en niet-metallische verwarmingsdeken voor composietverwerking en ontdooi-systemen voor aerostructuren (onder en rechts) te gebruiken.

CNT vezels en vellen

Veelo Technologies werd oorspronkelijk uitgeplitst uit de University of Cincinnati (UC) als General Nano. De universiteit had de werelds langste CNT arrays geproduceerd – 18 millimeter lang – in 2007. "AFRL's Materials and Manufacturing Directorate toonde interesse en begon een meerjarige evaluatie," legt Sprengard uit, die het bedrijf in 2009 joint. "De eerste drie jaren probeerden we uit te zoeken hoe deze lange CNT's om te zetten in hoogsterkte, macro-schaal vezels, wat AFRL geïnteresseerd was in. Maar de eigenschappen realiseerden zich nooit."

Dus, het bedrijf draaide om, ontwikkelde een manier om de CNT's om te zetten in een continulandelijk vel. Boeing raakte geïnteresseerd, de technologie zieend als een potentiële oplossing voor de behoefte aan LSP en elektromagnetische interferentie (EMI) afscherming voor zijn composiet vliegtuigstructuren. "Gemiddeld worden commerciële vliegtuigen elke 1.000 uur door bliksem geraakt," zegt Sprengard. Hoewel koolstofvezel geleidend is, zijn de matrixharsen in composieten dat niet. Dus de koolstofvezelversterkte polymer (CFRP) aerostructuren die Boeing in recordaantallen produceerde voor de 777 en 787 commerciële vliegtuigen, vertrouwde op uitgebreide metaalfolie en andere metallische oplossingen om elektrische stroom snel naar een geaarde verbinding te geleiden om hitteschade te voorkomen. "Maar metaalmesh is zwaar, produceert veel parasitair gewicht en kan lastig zijn om in composietonderdelen te verwerken," zegt Veelo Technologies productontwikkelingsingenieur Larry Christy.

In 2015 had Boeing een bedrijfsbrede push om een next-generation LSP oplossing te ontwikkelen, en General Nano was een sleutelpartner. CW bezocht General Nano snel daarna, in 2016, op de oorspronkelijke locatie in een Cincinnati-gebaseerde business incubator faciliteit die meerdere start-ups huisvestte. Christy leidde die tour door de labs van het bedrijf en besprak de technologie-evolutie toen in voortgang. "De effectiviteit van metallische LSP en afscherming neemt af met frequentie," legde hij uit. "Je moet geleiding verbeteren en impedantie reduceren maar onder 25 micron dik zijn. Echter, CNT-naar-CNT junctions voegen weerstand toe binnen het vel. Van 2014 tot 2016 verbeterden we geleiding 12 keer en bewijzen een drop-in oplossing voor afscherming bij een frequentie van 200 [megahertz] MHz met 25% gewichtsbesparing versus metaal. Maar we moeten nog dikte reduceren."

Op dit punt had het bedrijf de capaciteit ontwikkeld om uitgelijnde CNT's op een 5-voet brede substrate te produceren in lengtes van honderden voeten. Het maakte ook 20-gram-per-vierkante-meter, 2-millimeter dik CNT papier en nonwoven materialen – een soort CNT continue nonwoven – met een netwerk van toll fabricage partners met overcapaciteit op hun papiermachines. "Deze aanpak geeft ons flexibiliteit," legde Christy uit, "en stelt ons in staat ons te richten op het werken met onze klanten om functionaliteit toe te voegen en de eigenschappen en formaat van onze producten aan te passen." Het bedrijf was ook gevraagd continue tapes te maken, wat het weer met zijn toll netwerk deed.

Ombuigen naar hoogpresterende brede goederen

Deze aanpasbaarheid en bereidheid om producten aan te passen op klantvereisten was cruciaal, aangezien ruwweg een decennium in zijn bestaan, het bedrijf begreep dat de toekomst er heel anders uit kon zien dan het verleden. Christy legde uit dat er meerdere behoeften waren, niet alleen voor LSP maar ook voor EMI afscherming. "Je moet de elektrische prestaties voor elk afstemmen. De eigenschappen van metaalmesh zijn frequentie-afhankelijk en gaan omlaag als frequentie toeneemt door lekkage van de gaten in het vel. Onze prestaties gaan omhoog met frequentie omdat onze producten continue zijn zonder gaten en geen lekkage. CNT's presteren beter dan metalen bij hoge frequenties, dus ze zijn geweldig voor hoge-intensiteit radiofrequentie (HIRF) en hoge-vermogen satellietcommunicatie toepassingen. CNT's hebben ook geen huid-effect, wat een kwestie is met metalen." Huid-effect is de neiging voor wisselstroom om reis door het centrum van een geleider te vermijden, beperkt tot het oppervlak of huid, wat effectief het doorsnedeoppervlak beschikbaar voor stroomtransport reduceert en weerstand verhoogt. Christy gaat door, "Maar CNT's kunnen niet concurreren bij lage frequenties. Hun geleiding is gewoon niet hoog genoeg en er is te veel signaalverlies. Dus we kijken naar hybriden."

"Dit leidde tot andere velmaterialen die niet gebaseerd zijn op nanomaterialen," zegt Sprengard. "We hebben VeeloVEIL ontwikkeld, een gemetaliseerde koolstofvezel oplossing voor LSP die 70% lichter is dan uitgebreide koperfolie (ECF) en Zone 1A bliksembeveiligingseisen meet." Zone 1A omvat de radome/neus, vleugelpunten, nacelles en uitersten van een vliegtuig's empennage en moet 200.000 ampère elektrische stroom weerstaan, gedefinieerd door VS Federal Aviation Administration (FAA) eisen (zie "LSP strategieën voor composiet vliegtuigen" en "LSP voor composiet structuren"). "VeeloVEIL is vier keer meer geleidend en toch half het gewicht versus andere gemetaliseerde nonwovens," gaat hij door. "Dit is mogelijk door de chemie en materialenverwerking die we ontwikkeld hebben."

Next-gen LSP voor aerostructuren

Commerciële vliegtuigen worden gemiddeld elke 1.000 uur door bliksem geraakt. VeeloVEIL gemetaliseerde koolstofvezel nonwoven voldoet aan Zone 1A bliksembeveiliging (LSP) eisen voor composiet vliegtuigen bij 70% minder gewicht vs. uitgebreide koperfolie. Ontworpen om verwerkt te worden door geautomatiseerde vezelplaatsing/tape leggen (AFP/ATL) machines, levert VeeloVEIL disruptieve geleiding in een enkele 80-micron dik laag en reduceert totale LSP materialen en verwerkingstijd met meer dan 75%.

De luchtvaartindustrie gebruikt momenteel geen koolstofvezel veil voor LSP, zegt Sprengard, "omdat er geen producten genoeg geleidend zijn om Zone 1A eisen te halen." VeeloVEIL is ontworpen om 5-10 milliohm elektrische weerstand (lagere weerstand betekent meer geleidend materiaal) te leveren bij een areagewicht van 40-50 gram per vierkante meter, en voldoet aan vliegtuig LSP eisen met een enkele, 80-micron dikke laag. "Dit maakt het materiaal zeer drapable, wat resulteert in een gladde oppervlakteafwerking zonder de porositeit-vullende post-verwerking die vaak vereist is met ECF producten," merkt hij op. "Dit ziet toe op fabrikanten om minder oppervlaktehars te gebruiken, wat materiaal- en fabricagekosten bespaart. We zijn verteld door de top drie aerostructuren OEMs dat VeeloVEIL hen in staat stelt totale LSP materialen en verwerkingstijd van meer dan twintig uur te reduceren tot minder dan drie uur."

VeeloVEIL wordt geleverd in hetzelfde productformaat als ECF, wat fabrikanten toelaat het te gebruiken zonder hun bestaande fabricageprocessen te wijzigen. "Al onze elektrisch geleidende materialen voor luchtvaartcomposieten zijn ontworpen om verwerkt te worden door [geautomatiseerde vezelplaatsing] AFP machines," zegt Sprengard. Veelo Technologies is ook in het proces VeeloVEIL te integreren in een standaard oppervlaktelaagproduct, werkend met Tier 1 luchtvaart prepreggers.

Geleiding afstemmen voor verwarming

Tijdens ontwikkeling van VeeloVEIL, realiseerde Sprengard's team dat het vermogen om elektrische geleiding van zijn brede goederen af te stemmen ook gebruikt kon worden voor electrothermische verwarmingsapplicaties. Dit opende de deur voor een ander van zijn productfamilies, VeeloHEAT.

"VeeloHEAT is een koolstof-gebaseerd, niet-metallisch materiaal dat geïntegreerd wordt in aerostructuren voor ontdooien," zegt Sprengard. Let op dit is niet koolstofvezel. "Vandaag gebruiken vliegtuig ontdooi-systemen vaak metallische draden, die problemen hebben met duurzaamheid, vooral in hoge-vermoeidheidsomgevingen zoals rotorcraft. Als één van de draden breekt, presteert het systeem niet meer. Deze conventionele metaal ontdooi-systemen falen vaak, en moeten gerepareerd worden, wat tijd- en kostenintensief is. We hebben gedemonstreerd dat onze producten veel duurzamer zijn, wat downtime voor het vliegtuig dramatisch verlaagt." Hij merkt op dat deze producten inderdaad gebruikt worden op rotorbladen voor helikopters en significant potentieel hebben voor EVTOL (elektrisch verticaal opstijgen en landen) vliegtuigen die momenteel ontwikkeld worden voor stedelijke luchtmobiliteit en de volgende generatie transport.

Meer op korte termijn, zegt Sprengard dat VeeloHEAT producten gepland zijn om in Q1 2020 op een vastvleugel commercieel vliegtuig te vliegen voor vroege-kwalificatie. "De aantrekkingskracht van deze technologie is geen geheim," zegt hij, merkend dat Collins Aerospace (voorheen UTC, wat nu deel zal zijn van Raytheon) in januari 2017 een exclusieve licentie aangaf voor CNT-gebaseerde ontdooi-systemen. "Ze kennen de markt goed en positioneren zich voor de toekomst. Hun investering is een goede indicatie van waar deze technologie naartoe gaat," voegt Sprengard toe.

Veelo Technologies test elke VeeloHEAT Blanket voor temperatuuroutput en uniformiteit.

Van ontdooien tot composietverwerking en reparatie

Conventionele verwarmingsdekens zijn al decennia gebruikt om relatief kleine gebieden – typisch minder dan 1 vierkante meter – van composietstructuren te verharden tijdens gelijmde schaarpreparaties. Deze verwarmingsdekens gebruiken traditionele metaaldraden ingesloten in siliconenrubber of andere materialen (afhankelijk van de benodigde verhardingstemperatuur). "Vergelijkbaar met de metaal-gebaseerde ontdooi-systemen, als één draad breekt, kortsluiten verwarmingsdekens en werken niet meer," zegt Sprengard. "We hebben onze koolstof-gebaseerde ontdooi-product gebruikt in een niet-metallische verwarmingsdeken die ongekende duurzaamheid en drapabiliteit heeft, alsook prestaties." De industriestandaard voor het laatstgenoemde is 3% coefficient of variance (COV), wat een maat is voor uniformiteit in verwarmingsproducten, cover-to-cover en edge-to-edge. De VeeloHEAT Blanket overtreft deze standaard bij de typische energie-output van 5 watt per vierkante inch.

Veelo's verwarmingsdekens kunnen temperaturen produceren tot 550°F (288°C) en kunnen net-vorm gegeven worden om onderdelen en hulpmiddelen te passen. "Deze capaciteit is mogelijk door onze capaciteit om chemieën te formuleren en unieke geavanceerde materialen te fabriceren met afgestemde weerstanden," merkt Sprengard op. Veelo Technologies commercialiseerde deze technologie in 15 maanden en is nu in volle productie. "We zien heel goede groei in deze productlijn," voegt hij toe, "en produceren nu grote volumes VeeloHEAT Dekens die gebruikt worden om grote composietstructuren uit de autoclave en oven te lijmen, gebruikmakend van meerdere temperatuurzones en andere verwerkingsfeatures die onze klanten hebben aangevraagd."

Verhuizen en productie opschalen

Veelo Technologies' nieuwe 20.000 kvm productiehal biedt veel ruimte om VeeloHEAT Blanket productie op te schalen, wat verplaatst en opgeschaald werd naar volle snelheid in fase één van de fabricageovergang. Fase twee zal voltooid zijn door 3Q 2019.

Fabriceren om klantbehoeftes te halen

In oktober 2018 ontving Veelo Technologies bevestiging dat het een groot defensieprogramma had gewonnen dat directe opschaling vereiste. "Gelukkig vonden we een nabij perfecte, move-in klaar faciliteit die al uitgerust was met de infrastructuur die we nodig hadden om de grond te raken," herinnert Sprengard. De Woodlawn faciliteit heeft state-of-the-art omgevingscontrole, verlichting en muur-tot-muur epoxy vloeren – kenmerken die Sprengard noemt als standaard in luchtvaart vanuit zijn tours van klantenoperaties. "We namen geen korte slagen – onze investering in de hoogste kwaliteit materialen en afwerkingen weerspiegelt onze lange-termijn strategie en visie voor de toekomst," legt hij uit. Deze investering is ook zichtbaar in de faciliteit's toegangscontrole en beveiligingsbemanning, noodzakelijk voor de defensiecontracten.

De vereiste uitbouw van de faciliteit werd voltooid in 2Q 2019, waarna Veelo de verhuizing van de productielijnen begon. "Al onze apparatuur draait bij bijna volle capaciteit, wat het plannen van afsluiting voor het verplaatsen van alle lijnen naar de nieuwe faciliteit een uitdaging maakte," geeft hij toe. Het bedrijf voltooide fase één van de fabricageovergang in juli 2019, de VeeloHEAT Blanket lijn verplaatsen en terug op schalen naar volle productie.

De nieuwe faciliteit's grote, open productiehal is toegankelijk vanaf de voorlobby. Rechts is het VeeloHEAT Blanket fabricagegebied. Vier 4-voet bij 10-voet legtafels worden gebruikt om VeeloHEAT film met andere materialen op gevormde metaal vormhulpmiddelen te lagen. Deze legingen worden vervolgens verhard in een 10-bij-10-voet oven geleverd door JPW Industrial Furnaces (Trout Run, Pa., VS). De afgewerkte dekens worden gedemold en aangesloten op elektrische voedingsdraden, wat gebruik mogelijk maakt met gecomputeriseerde controle-eenheden (hot bonders) om composietlaminaten en reparaties te verharden. Elke VeeloHEAT Blanket wordt getest voor temperatuuroutput en uniformiteit.

Duurzamere en vormbare, niet-metallische verwarmingsdekens

Hoewel draden gebruikt worden om metaalhulpmiddelen te verwarmen in de productie van VeeloHEAT Dekens (boven) en om elektrische stroom van gecomputeriseerde controle-eenheden (hot bonders) aan de dekens te leveren tijdens composietverharding en reparatie, worden metaaldraden niet binnenin gebruikt. Dit stelt deze niet-metallische verwarmingsdekens in staat om in 3D vormen geproduceerd te worden zonder gebroken draden, kortsluitingen en problemen in temperatuuniformiteit (heet en koude plekken). De koolstof-gebaseerde VeeloHEAT film binnenin produceert temperaturen tot 550°F (288°C) met 3% COV bij 5 W/in².

Net na het verwarmingsdeken productiegebied is de natte chemie productiekamer. Hier wordt industriële apparatuur afkomstig van Silverson Machine (East Longmeadow, Mass., VS) en Netzsch (Burlington, Mass., VS) gebruikt om de geavanceerde chemische formuleringen te mengen die in Veelo's producten gebruikt worden. Vervolgens is de filmfabricagekamer, die een eigen systeem huisvest voor het fabriceren van Veelo's koolstof-gebaseerde VeeloHEAT film, de sleuteltechnologie binnen de VeeloHEAT Dekens. Opnieuw links bewegend is het VeeloVEIL productiegebied. Hoewel leeg op het moment van deze tour, werden zowel de 15-inch als 36-inch brede roll-to-roll fabricagelijnen voor VeeloVEIL productie in augustus in de nieuwe faciliteit verplaatst. Het bedrijf is ook in het proces een 60-inch brede lijn te ontwerpen om toekomstige vraag te halen. Tot oktober zal Veelo Technologies al zijn productlijnen onder één dak hebben en opschalen naar verhoogde productie.

Next-generation oplossingen

De weg naar Veelo Technologies' huidige succes is lang geweest, en niet altijd rechttoe rechtaan. "Ja, we begonnen in nanomaterialen, en we behouden nog steeds een significante expertise in dit domein, maar geen van onze klanten vindt het er om of we nanomaterialen gebruiken of niet," zegt Sprengard. "Ze zorgen er alleen voor of we een overtuigende oplossing leveren die hun prestatie- en ROI-doelen meet. Bijvoorbeeld, producten die de volgende generatie ontdooi-systemen in staat stellen minder vermogen op het vliegtuig te gebruiken, wat nieuwe mogelijkheden opent voor luchtvoertuigontwerpen en operationele efficiëntie."

Sprengard zegt dat alle drie Veelo productfamilies vooruitgaan, ofwel worden afgerond in OEM en leverancier gekwalificeerde productlijsten (QPLs) "of worden toegevoegd als een onderdeelnummer in onze klant's toeleveringsbasis." Hoewel de overgrote meerderheid van wat het bedrijf nu doet voor thermoharsende composieten is, merkt hij op dat het begint te kijken naar thermoplastische composieten en additieve fabricage ook.

Waar richt Veelo Technologies zich op voor de toekomst? "Onze eerste prioriteit is om door te leveren op onze bestaande orders en strategische kansen," zegt Sprengard. "De markt duwt ons om nieuwe vraagniveaus te halen, wat geweldig en uitdagend is. Gefocust blijven is onze top prioriteit."

De doelen die Veelo voor zichzelf nu stelt zijn net zo indrukwekkend als zijn volharding en uithoudingsvermogen door 12 jaar ontwikkeling om dit punt te bereiken. "Als je kijkt naar de beste luchtvaart composiet leveranciers, zoals Airtech en A&P Technologies," zegt Sprengard, "hebben ze een zitplaats aan tafel vroeg in hun klantenontwikkelcycli. Om zo'n innovatiepartner te zijn kost tijd." Hij voegt toe, "en toewijding."

Veelo Technologies heeft geschaald van vier tot 24 werknemers en zich ontwikkeld van een nanomaterialen leverancier tot geavanceerde brede goederen specialist tot innovatiepartner voor toekomstige composieten, erkend door Boeing als Leverancier van het Jaar in 2015.