Thermoplastische Banden: Drijvende Kracht achter Innovatie in Composiet Aerostructuren

De productie van aerostructuren is zwaar beïnvloed door de COVID-19 pandemie, maar de luchtvaartinspanningen volgden niet noodzakelijk dezelfde trend, tenminste niet voor Web Industries (Marlborough, Massachusetts, VS), een bedrijf dat thermoplastische bandenschuifsdiensten aanbiedt voor diverse klanttoepassingen. Volgens Grand Hou, wereldwijde directeur van onderzoek en technologie, luchtvaart, zijn onderzoeksinspanningen in ruimtevaart, stedelijke luchtmobiliteit (UAM) en militair vol gas gegaan om de volgende generatie vliegtuigen mogelijk te maken – en composieten, specifiek thermoplastische banden, zijn daarbij cruciaal geweest.

Thermoplastische banden zijn natuurlijk niet nieuw (zie CW Hoofdredacteur Jeff Sloan's "I want to say two words to you: 'Thermoplastic tapes'" voor meer achtergrond vanaf de jaren 1960), maar de afgelopen jaren hebben een toename van belang gezien, met name voor commerciële luchtvaart en andere hoogprestatie toepassingen (zoals ribben voor het Wing of Tomorrow programma en het Multifunctional Fuselage Demonstrator programma, onder andere). Vergeleken met thermohars banden, bieden thermoplasten voordelen zoals hogere zwaarte, gemakkelijkere herbruikbaarheid, hun vermogen om out-of-autoclave (OOA) te verwerken en het feit dat ze bij kamertemperatuur opgeslagen kunnen worden.

Web Industries staat aan de frontlijn van thermoplastische ontwikkeling en toepassingen, met name met zijn multiple formateringsmogelijkheden, waaronder het schuiven van thermohars en thermoplastische banden van leveranciers in verschillende vormen en formaten om specifieke klantvereisten te vervullen. Met bandenschuifproductielijnen in VS en Europese faciliteiten, omvatten Web's mogelijkheden het formateren van hoogpresterende polyetheretherketon (PEEK), polyetherketoneketon (PEKK) en polyaryletherketon (PAEK) thermoplastische banden, die het meest gebruikt worden in luchtvaarttoepassingen.

TP banden voor secundaire aerostructuren – en uitdagingen in primaire structuren

Op dit moment, merkt Hou op, centreert de meeste aerostructurenactiviteit in thermoplastische prepregs op secundaire structuren zoals klemmen, toegangspanelen of substructuren, terwijl vlucht-kritieke primaire structuren zoals vleugels en rumpen gemaakt worden met thermohars composieten of metalen.

"Veel van de uitdagingen gaan over risicobeheer," zegt hij, en een deel van het probleem is historisch gezien de groeipijnen van thermoplastische prepregs van leveranciers. Thermoplastische materialen zijn minder volwassen dan thermohars banden. Volgens Hou, terwijl thermohars banden decennialang groot-volume productie hebben gehad om te schalen en te perfectioneren, zijn thermoplastische materialen in de kinderschoenen van gebruik in geautomatiseerde processen voor groot-volume productie.

Echter, Web Industries werkt met een verscheidenheid aan composietmateriaalleveranciers, en Hou zegt dat de algehele materiaalconsistentie en schaal de afgelopen jaren aanzienlijk is verbeterd. Materiaalafmetingen, lengte, dikte, vezelspanning en harsuniformiteit zijn allemaal veel consistenter en van hogere kwaliteit vandaag, zegt hij.

Een andere belemmerende factor voor het maken van grotere thermoplastische primaire structuren is dat thermoplastische materialen duurder zijn dan thermoharsen. "Het zal niet breder geadopteerd worden als er geen algehele kostenvoordeel is," erkent Hou, en merkt op dat samenwerking en technische hulp cruciaal zijn om proceskosten te verlagen. "We kunnen betere oplossingen bereiken als iedereen samenwerkt vanaf de vroege fasen van het project tot het einde om gemeenschappelijke doelen te bereiken."

Procesflexibiliteit en materialecustomisatie

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

Op dit moment zijn thermohars banden voornamelijk beperkt tot geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP), met de beperkingen van autoclave harden en opslagtemperatuurvereisten. Thermoplasten kunnen een flexiblere procesbenadering mogelijk maken alsook OOA verwerking, Hou zegt, inclusief bandformaten voor geautomatiseerde bandlegging (ATL), en filamenten voor additive manufacturing.

Volgens Web Industries zullen commerciële schaal formatering en supply chain oplossingen cruciaal zijn om aerostructurenfabrikanten de thermoplastische geschuifde banden te leveren die nodig zijn om de verwachte industriële bouwsnelheden te ondersteunen.

Thermoplastische prepregs kunnen ook op maat gemaakt worden voor specifieke toepassingen. Volgens Hou zoeken eindgebruikers materialen aan te passen aan elke toepassing. Omdat thermoplasten hoogst aanpasbaar zijn, kan een specifiek formaat ontwikkeld worden voor een specifiek onderdeel, zegt hij, wat materiaalgebruik maximaliseert en de downstream kosten van de klant reduceert. Met UAM, ruimtevaart en het leger als gebieden met hoge activiteit, merkt Ashley Graeber, directeur sales and new business development, op dat activiteit per project wordt afgestemd, in plaats van per vliegtuigprogramma.

Het formateren van thermoplastische materialen voor specifieke toepassingen helpt ook afval te verminderen, zegt Jason Surman, VP sales, aerospace. In de luchtvaartindustrie is de buy-to-fly ratio, wat de verhouding is van het grondstofmateriaal tot de massa van het afgeronde onderdeel, een belangrijk aandachtspunt. Het doel is een buy-to-fly ratio zo dicht mogelijk bij 1:1 te hebben, wat betekent dat er weinig afvalmateriaal is. Het juiste materiaal in het juiste formaat voor de juiste toepassing kan afval drastisch reduceren, merkt Surman op. In de luchtvaartindustrie is 30% afval "gekkenwerk algemeen," zegt hij, en om de afval onder dat niveau te krijgen vereist een samenwerkingsinspanning aan alle kanten.

"Het huwen van het materiaal aan het proces is cruciaal," voegt Surman toe, "en thermoplastische banden duiken op als een enabling oplossing voor aerostructurenfabrikanten."