Fraunhofer IPT innoveert met thermoplastische composieten voor waterstofopslag, vliegtuigmotoren en meer

De ontwikkeling van Fraunhofer IPT omvat (kloksgewijs vanaf linksboven) thermoplastische composiet waaierbladen voor vliegtuigmotoren, hybride composiet-metaal structuren met laserstructurering en AFP, structurele gezondheidsmonitoring (SHM) van composieten en thermoplastische composiet bandverwerkingssystemen, zoals de PrePro 2D en PrePro3D systemen gecommercialiseerd door Conbility. Foto: Fraunhofer IPT

In december 2020 publiceerde ik een artikel over hoe het Fraunhofer Instituut voor Productietechnologie (IPT, Aken, Duitsland) volledig geautomatiseerde bandleggen en vormen voor thermoplastische koolstofvezel-versterkte polymer (CFRP) waaierbladen voor vliegtuigmotoren ontwikkelt. In-situ consolidatie (ISC) van thermoplastische composietband, blijkt een onderwerp waar Fraunhofer IPT goed in is, omdat ze deze technologie aan het begin hebben gedreven samen met ISC-pioniers Accudyne Systems Inc. (Newark, Del., VS) en Automated Dynamics, nu Trelleborg Sealing Solutions Albany (TSS Albany, Niksayuna, N.Y., VS). [Meer over deze ISC-pioniers: "Consolideren van thermoplastische aerostructuren op locatie, Deel 1 en Deel 2".] "De IPT is actief in laser-ondersteunde bandwikkeling (LATW) sinds 1988, en het blijft een van onze hoofdthema's," legt Dr. Henning Janssen, hoofdingenieur en afdelingshoofd voor vezel-versterkte kunststoffen en lasersysteemtechnologie bij Fraunhofer IPT, uit. Hij merkt op dat LATW-technologie veel is veranderd, vooral in de laatste 10-15 jaar. Deze blog geeft meer details over de ontwikkeling van LATW en thermoplastische composieten in het breder, alsook waar het instituut de technologie in de toekomst ziet.

Evolutie in laser bandwikkeling

"Toen we 30 jaar geleden begonnen, was lasertechnologie niet klaar voor hoogspoedverwerking van thermoplastische composieten," zegt Janssen. "Je kunt je voorstellen dat, vooral aan de besturingskant, je alleen een analoge camera had. Nu hebben we veel betere technologie. Bijvoorbeeld, toen we in 2008 een compacte laserwikkelkop ontwikkelden, wat resulteerde in de oprichting van AFPT Germany (Dörth, Duitsland), moesten we een 16-pixel x 16-pixel camera gebruiken, die een frame rate van slechts acht frames per seconde bood. Nu hebben we gemakkelijk 640 x 480 pixels en verwerking van 50 frames of meer per seconde." Hij legt uit dat dit belangrijk is, "omdat met de laser bandwikkeling die we hebben ontwikkeld, een van de belangrijkste voordelen is dat je in het proces kunt kijken en de verwerkingskracht binnen milliseconden kunt veranderen. Dat geeft je een goed voordeel, bijvoorbeeld als je om complexe geometrieën gaat, zoals de koepel van drukvaatjes, waar de wikkelsnelheid vertraagt, en je de laserverhittingskracht moet verlagen. Je moet dan weer aanpassen als de wikkeling weer snelheid opneemt langs de tankcilinder. Dit was 15 jaar geleden niet mogelijk omdat de laser, het besturingssysteem en de thermische imaging-technologieën niet klaar waren of te duur en niet zo krachtig als wat we vandaag hebben.

Janssen gaat verder: "Er is dus veel ontwikkeld aan de digitale kant. Nu leveren we bijvoorbeeld iets als een digitale tweeling, waarbij je al je sensorinformatie op het drukvat kunt afbeelden, zodat je het geproduceerde onderdeel kunt vergelijken met het digitale ontwerp om de kwaliteit te beoordelen en de prestaties te voorspellen. Het gebruik van virtuele procesensoren en modellen stelt ons ook in staat om de laminaatsterkte te voorspellen zoals gedefinieerd door de verwerkingsgeschiedenis." Dit is belangrijk omdat LATW met thermoplastische band snelle verwarming en afkoeling gebruikt, waarbij de materiaal- en onderdeigenschappen tijdens het wikkelen zelf worden bepaald, door het ontbreken van een thermische nabewerkingsstap, merkt hij op. Het is daarom cruciaal om de mogelijkheid voor snelle procescontrole te hebben.

Er zijn ook ontwikkelingen in materialen, zegt Janssen. "Twintig jaar geleden was er een beperkt aantal thermoplastische composietbandmaterialen beschikbaar, zoals APC-2 van Cytec, wat nu Solvay is (Alpharetta, Ga., VS)," legt hij uit. "Maar nu zijn veel meer materialen gekwalificeerd voor industriële toepassingen, en je hebt ook veel commodity-materialen zoals polypropyleen (PP) versterkt met koolstofvezel en ook met glasvezel, evenals polyamide zes (PA6), bijvoorbeeld, wat veel in de auto-industrie gebruikt wordt. Er zijn nu ook toepassingen voor LATW die meer gericht zijn op massaproductie. Er is bijvoorbeeld een duw naar retentiemanschetten en andere onderdelen in electromotoren. Dit zijn eenvoudige thermoplastische composiet ringen of buizen, maar in volumes van 10.000 tot 50.000 per jaar."

ambliFIBRE, buizen voor olie en gas

Deel van de digitale controle in LATW die Janssen hierboven beschrijft, is ontwikkeld in het ambliFIBRE-project (2015-2018). "Er waren veel partners in dat project," zegt hij, "maar een was Baker Hughes (Newcastle, Engeland en Houston, Texas, VS) en we gebruikten onze LATW-apparatuur voor hun niet-metalen buizen." Let op dat kort na het einde van ambliFIBRE in 2018, Baker Hughes een joint venture aankondigde met Saudi Aramco (Riyad, Saoedi-Arabië) om het gebruik van niet-metalen buizen uit te breiden, inclusief het mogelijke gebruik van koolstofvezel-versterkt plastic (CFRP).

Baker Hughes streeft nu ernaar de introductie van niet-metalen materialen in de energiesector te versnellen, en er zijn andere bedrijven die laser-gebaseerde technologie voor buizen gebruiken, zoals Magma (Portsmouth, VK). (Zie "Thermoplastische buizen op de vlakte in de diepe zee" en "Magma Global levert hoogdruk composiet riser...").

"Het is ook vrij gebruikelijk om laser bandwikkeling te gebruiken voor thermoplastische composiet risers en flowlines," zegt Janssen. "Hoewel dit nog geen algemene kennis is in andere industrieën." Hij voegt toe dat veel van de recente aandacht voor LATW gericht is op waterstofopslagtanks, maar de technologie al een veel breder toepassingsgebied heeft.

Binnen het ambliFIBRE-project ontwikkelde Fraunhofer IPT digitale procescontrolemodellen voor discontinu (bijv. tanks) en continue bandwikkeling, bijvoorbeeld om buizen van enkele kilometers lang te produceren. Foto: Fraunhofer IPT video voor ambliFIBRE-project

"En wat wij bij Fraunhofer IPT voor deze toepassingen bieden is essentieel," zegt Janssen. "Ontwijken, we draaien hier in ons instituut geen full-scale productielijn voor continue buizenproductie, maar wat we aanbieden voor onze klanten is materiaaltesten en productkwalificatie. Er is de testpiramide, bijvoorbeeld, gebaseerd op DNV-GL F114, beginnend met kwalificatie en testen van het polymer en de vezels, en dan opschalen naar de composiet laminaat microstructuur of mesostructuur. Dus we doen veel testen op coupon-niveau, en schalen dan op naar kleinere buizen en representatieve buizen, bijvoorbeeld, omdat wikkelen andere eigenschappen geeft dan pressen of geautomatiseerd bandleggen (ATL)."

Ook merkt hij op: "Omdat je verschillende spanningen in je materiaal hebt, worden veel van deze composietmaterialen getest in kleinere buizen, bijvoorbeeld 2-3 inch tot enkele meters lang. Dus we doen deze testen en passen daarna ons procesbegrip toe voor de echte onderdeellengte, bijvoorbeeld 2-3 kilometer. En dat is erg interessant, omdat de verwerkingstijd bij die lengte een paar dagen kan beslaan, en je moet rekening houden met krimp en andere factoren, zoals veranderingen in omgevingstemperatuur, die nogal een impact kunnen hebben."

LATW in waterstofopslagtanks

Janssen zegt dat Fraunhofer IPT sinds 2000 met olie- en gasbedrijven werkt. "En toen, acht jaar geleden, ontdekten we dat dit bijna dezelfde technologie is die je nodig hebt voor waterstoftanks," herinnert hij zich. "En nu hebben we een grote initiatief voor waterstofproductie hier bij IPT en ook voor koolstofvezelcomposieten in brandstofcellen. We richten een 80-miljoen-euro faciliteit op voor geautomatiseerde brandstofcelproductie en investeren ook in een nieuwe, vrij grotewikkelfaciliteit zodat we onderdelen tot 7 meter lang en 2,5 meter diameter kunnen produceren, die we ook zullen gebruiken voor grote drukvaatjes."

LATW met thermoplastische composietbanden is nog niet de state-of-the-art voor drukvatproductie, zegt Janssen, "omdat de chemie van de thermoplasten, evenals de verwerking en duurzaamheid nog steeds worden onderzocht. Maar onze sterke overtuiging is dat de lage permeabiliteit, zwaartekracht en herbruikbaarheid die thermoplasten bieden, belangrijk is." Hij ziet ook potentieel voor thermoplasten in Type V drukvaatjes, die volledig composiet zijn maar geen aparte thermoplastische liner gebruiken. "Deze kunnen een toekomstige oplossing bieden voor sommige mobiele waterstofopslagtoepassingen, zoals brandstofcel elektrische vrachtwagens."

"We zien ook dat conventionele thermoharsende filamentwikkeling beperkt is wat betreft minimale wikkelhoeken," zegt Janssen. "Bijvoorbeeld, je moet om de koepels heen in helicale lagen gaan met niet veel minder dan een 10° vezelhoek. Je kunt dus geen 0° versterking in een conventioneel filament gewikkelde tank aanbrengen." Echter, hij stelt, "in klassieke LATW wordt de binnenkomende thermoplastische prepreg direct gelast op het substraat, zodat je in elke richting kunt gaan, wat je veel meer ontwerpvrijheid geeft. We draaien momenteel projecten met partners uit de auto-industrie voor het ontwikkelen van thermoplastische drukvaatjes voor waterstofopslag die veilig, energiezuinig en makkelijk te recyclen zijn."

Thermoplastische composiet waaierbladen

Fraunhofer IPT heeft een zeer sterke achtergrond in turbomachinery, zegt Janssen. "We hebben hier in Aken het International Center for Turbomachinery Manufacturing, of ICTM, een pre-competitive community waar we samen met de motorfabrikanten en hun leveranciers in pre-competitive R&D-projecten werken om productietechnologie te ontwikkelen en te verbeteren."

Hij merkt op dat in de afgelopen 20 jaar de focus voornamelijk lag op bewerken van titanium of nikkel-gebaseerde legeringen voor geavanceerde producten van de compressiesectie en turbines, zoals de blade integrated disk (blisk). Terwijl in de koude sectie, onderdelen van composietmaterialen — zoals koolstofvezel-composiet waaierbladen — werden ontwikkeld door GE in de jaren '90 en nu in dienst zijn in de GE90 en GEnx. "Nu echter worden ceramische matrix composieten (CMC) gezien als next-generation materialen voor de hete sectie van straalmotoren," zegt Janssen, "wat hogere temperaturen bij minder gewicht mogelijk maakt voor grotere efficiëntie."

"De productie van onderdelen uit composieten vergeleken met metaal is heel anders," gaat hij verder. "In metaal begin je met een blok materiaal en haal je het onderdeel af door subtractieve verwerking, voornamelijk bewerken, zodat het ontwerp niet zo afhankelijk is van de productie. Het is precies het omgekeerde in composieten, die altijd een generatief proces vereisen. Daarom hebben we besloten dat we nieuwe waaierbladstrategieën vanuit een productieperspectief zullen adresseren."

Hij wijst ook op de Clean Sky 2 joint undertaking, waarin Fraunhofer de Eco-Design activiteiten leidt. Fraunhofer IPT richt zich op de eco-design voor motoren, wat levenscyclusanalyse en het evalueren van milieu-impact omvat. "Dit is waarom we begonnen zijn te kijken naar thermoplastische composieten," legt hij uit. "Tot nu toe zijn we op een zeer laag TRL [technology readiness level]. Voorlopig gaat de ontwikkeling over productie en het uitproberen van verschillende procesroutes, zoals near net shape leggen en een beetje thermovormen — wat meer een kalibratiestap is — en dan de afwerking in termen van bewerken. Er is dus nog heel wat werk voor ons."

Tussenzeitse, breidt Fraunhofer IPT zijn expertise in het bewerken van metalen motoronderdelen uit naar composieten, met behulp van zijn digitale technologie om de bewerkingsparameters op elk blad te monitoren en te beoordelen. Maar is het doel in composieten niet om weg te gaan van dergelijke subtractieve productie naar meer additieve productie voor minder afval? "Ja, maar voor sommige procesroutes is bewerken vereist om dimensionele toleranties te halen," zegt Janssen. "Waar we nu aan werken is very near net shape."

Hij wijst erop dat het ontwerp dat momenteel wordt ontwikkeld, een 0,75-inch dik thermoplastisch laminaat aan de wortel is en slechts 2 millimeter dik aan de punt. "En er zijn verschillende ontwerpstrategieën, die we bespreken met de ontwerpingenieurs. Ook, heb je een autoclave of een persstap voor dat soort zwaar belaste onderdelen? Dit zal ook een rol spelen wat betreft interne spanningen, want we weten dat dit blad een beetje draait tijdens rotatie. En natuurlijk is vogelstoot een kernpunt." Voor het laatstementioned ziet Janssen de verhoogde zwaartekracht van thermoplasten als een enabler, wijzend op het feit dat PPS (polyfeensulfide) composieten worden gebruikt in vleugel voorranden voor deze reden.

Toekomstige toepassingen voor thermoplastische composieten

Ik vroeg naar de mogelijkheid om thermoplastische composieten in motor nacelles te gebruiken, wat misschien een oplossing kan bieden voor vier recente blade-out incidenten, waar, zoals gerapporteerd in een maart 2021 Aviation Week artikel:

"... schade veroorzaakt door bladfragmenten die secties van de motorbekleding, of nacelle, raakten, leidde tot een reeks gebeurtenissen die grote stukken structuur, inclusief delen van motorinlopen en waaierkapjes, lieten losbreken." In alle vier ongevallen liep de vliegtuigromp schade op, en voor Southwest Vlucht 1380 in april 2018 werd een van de ramen losgeschopt, wat een passagiersdodelijkheid veroorzaakte.

"Er is enige interesse van de industrie om thermoplastische composieten in motorcompartimenten te gebruiken," zegt Janssen, "maar dit is een langetermijnontwikkeling." Een kwestie voor zo'n ontwikkeling is certificering door luchtvaartautoriteiten, een ander gebied waar Fraunhofer IPT actief is. "We zijn nu in gesprek met certificeringsinstanties over hoe we de certificeringsinspanning kunnen reduceren door digitaal aan te tonen dat nieuwe productieprocessen voldoen aan huidige en evolutieve standaards. Dat is een nieuwe manier van denken. In 21e-eeuwse productie is er zoveel data beschikbaar, het gaat niet alleen om het certificeren van één proces of één ontwerp door testen, en dan is dat bevroren." Met andere woorden, de nadruk van vandaag op Industrie 4.0 en Composieten 4.0 is dat sensoren en AI-ingeschakelde software continu data zullen verzamelen en intelligentie zullen ontwikkelen die dan continu de productie zal optimaliseren en die intelligentie terug zal sturen in de digitale draad om ontwerpen te verbeteren. Dit is inderdaad heel anders van de productie van vandaag.

Fraunhofer IPT's werk wat betreft certificering, zegt Janssen, "kan helpen nieuwe technologieën zoals thermoplastische composieten voor motoronderdelen mogelijk te maken — dat is, zodra alle aspecten, inclusief technologie, ontwerp en risicomanagement, zijn overwogen." Hij stelt dat thermoplastische composieten enorm potentieel bieden om sleuteluitdagingen in een verscheidenheid van industriële sectoren te overwinnen, en merkt op dat Fraunhofer IPT werkt aan het overwinnen van de verwerkingscomplexiteit van thermoplastische composieten — bijvoorbeeld door gebruik te maken van nieuw beschikbare digitale productiemethoden. "Bovendien kan het potentieel van thermoplastische composieten alleen volledig benut worden zodra de volledige levenscyclus — inclusief hergebruik en recycling — in overweging wordt genomen," zegt Janssen. "Dus Fraunhofer IPT werkt ook aan mechanische recycling van thermoplastische composieten. We zien dat het mogelijk zal zijn om hoogwaardig gerecyceld materiaal te bereiken door zowel de data die gegenereerd wordt tijdens productie als die die gegenereerd wordt gedurende de gehele levenscyclus van composietonderdelen in overweging te nemen."