RTM-processen versnellen met warmtestroomsensoren

Met een aandeel van 3-5% van een vliegtuigs gewicht, zijn landing gear lang een doelwit voor gewichtsreductie om vliegtuigefficiëntie te verbeteren. Dit is nog kritischer geworden met de komende overstap op energie- en emissiereducerende elektrische aandrijvingssystemen.

Bijvoorbeeld, Safran Landing Systems (Vélizy, Frankrijk) zal engines-off, elektrisch rollen via electromotoren geïntegreerd in vliegtuig landing gear wielen mogelijk maken, wat NOx, CO₂, CO en onverbrande koolwaterstof emissies met respectievelijk 51%, 61%, 73% en 62% reduceert. Dit is een enorme winst voor duurzamere luchtvaart, maar electromotoren vereisen stroom, en de benodigde batterijen om die stroom te leveren zijn zwaar.

Dus de vraag naar lichte landing gear structuren lijkt een perfecte pasvorm voor composieten, behalve voor één kwestie. "Omdat het landing gear een single-load path structuur is, kan falen van een structureel component resulteren in een ernstige noodlandingsconditie," zegt Peet Vergouwen, technoloog bij GKN Fokker Landing Gear (Helmond, Nederland). GKN Fokker Landing Gear heeft meer dan een decennium gewerkt aan het demonstreren van de technische haalbaarheid van composiet landing gear structuren, waaronder ontwikkeling van koolstofvezel-versterkte polymer (CFRP) drag stay braces voor de F-35 Lightning II. "Vanwege hun criticaliteit, zijn landing gear structuren onder de meest conservatieve in commerciële luchtvaart." Daarom zijn ze meestal geproduceerd uit hoogsterkte metalen.

Die getijde begint echter te keren. Clean Sky 2 nastreeft een 30% gewichtsreductie, maar via CFRP componenten in het HECOLAG (High Efficiency Composites LAnding Gear) project, voor twee toepassingen. In de eerste toepassing werd een CFRP alternatief ontwikkeld voor de bestaande aluminium upper drag stay voor de A350-1000 neus landing gear, oorspronkelijk ontwikkeld en geproduceerd door Liebherr-Aerospace (Lindenberg, Duitsland). HECOLAG partners Royal Netherlands Aerospace Centre (NLR, Marknesse) en GKN Fokker Landing Gear hebben deze CFRP drag stay ontworpen aan Liebherr vereisten. Met behulp van in-house ontwikkelde geautomatiseerde preforming technologie, heeft NLR functionele prototypes van de CFRP drag stay gebouwd, die getest werden door GKN Fokker Landing Gear.

In de tweede toepassing die door HECOLAG geëvalueerd wordt, hebben NLR en GKN Fokker Landing Gear ook een CFRP lower side stay ontwikkeld in samenwerking met Safran Landing Systems voor de geëlektrificeerde hooflanding gear. CW zal later in 2021 specifiek rapporteren over de algehele HECOLAG projectresultaten, maar hier ligt de focus op het INNOTOOL 4.0 subproject, geleid door topic manager GKN Fokker Landing Gear om hoog geautomatiseerde productie van CFRP landing gear structuren met behulp van resin transfer molding (RTM) vooruit te helpen. Specifiek streeft INNOTOOL 4.0 ernaar sensor-geïntegreerde hulpmiddelen te demonstreren die de weg wijzen naar kleinere hulpmiddelen met minder massa voor snellere productiecycli, eenvoudigere afhandeling en verminderd energieverbruik, alsook verhoogde automatisering voor lagere kosten en composieten 4.0-intelligente procescontrole. Het INNOTOOL 4.0 project wordt gefinancierd door de Clean Sky 2 Joint Undertaking onder het EU's Horizon onderzoek- en innovatieprogramma onder GAP No. 821261.

INNOTOOL 4.0 doelen

De demonstrator voor dit tweede deel van HECOLAG (zie openingsafbeelding) is meer een generiek onderdeel, legt Vergouwen uit. "Het is voor het demonstreren van onderdeelontwerp, simulatie en productiemethodologieën die de prestaties, productiesnelheid en kosten zullen leveren die nodig zijn voor single-aisle vliegtuigen." Eind 2017 had het HECOLAG consortium het initiële CFRP demonstrator onderdeel en productiehulpmiddel gedefinieerd, hulpmiddel thermisch gedrag geanalyseerd en prestatietests uitgevoerd. Dit grote en complexe product passeerde preliminary design review en bereikte een technology readiness level (TRL) van 4 later dat jaar. "Op basis van de issues en lessen geleerd van die eerste demonstrator, zochten we partners om RTM hulpmiddeltechnologie te ontwikkelen om de hardcyclus te optimaliseren en te verkorten," zegt Vergouwen. Een Clean Sky 2 Call for Partners werd in 2018 uitgegeven en toegekend aan het INNOTOOL 4.0 consortium, bestaande uit equipment- en automatiseringsleverancier Techni-Modul Engineering (TME, Coudes, Frankrijk) en harsinjectiespecialist Isojet Equipements (Corbas, Frankrijk). Ze begonnen in april 2019 en voltooiden de initiële mijlpalen in maart 2021.

"Het composietonderdeel moet kostenconcurrenterend zijn met gesmeed staal en aluminium," merkt Vergouwen bij GKN Fokker Landing Gear op. "Dat is alleen mogelijk met automatisering, wat een zeer laag aantal arbeidsuren en meer betaalbare materialen dan de huidige luchtvaart-kwaliteit, autoklaaf-gecurde CFRP mogelijk maakt."

Daarom streefde INNOTOOL 4.0 ernaar sensoren in de RTM-hulpmiddelen te integreren die de injectie- en hardprocessen monitoren en managen, inclusief detectie van de harsstroomfront. "Het doel is volledig geautomatiseerd – preform laden, op een knop drukken en de vormgevingsequipment zal de temperatuur, druk, vacuum en harden managen," zegt Stéphane Besson, commercieel directeur bij TME. Echter, dit is de eerste keer dat GKN Fokker Landing Gear en TME met cure monitoring werken. "We hebben gewerkt met temperatuur- en druksensoren," zegt Besson, "maar niet met sensoren voor harsstroom en polymerisatie."

RTM productiehulpmiddel ontwerp

TME begon met de productie van het RTM hulpmiddelontwerp met CATIA V5 software van Dassault Systèmes (Vélizy-Villacoublay, Frankrijk) voor mechanisch en elektrisch ontwerp, en ANSYS (Canonsburg, Pa., VS) voor thermische en mechanische simulatie. Dit hulpmiddel zou gekoppeld worden met Isojet's zuiger-gebaseerde 1K-2K (voor een- en twee-component harsen) systeem om Hexcel (Stamford, Conn., VS) HexFlow 2K RTM 6 en Solvay (Alpharetta, Ga., VS) 1K PRISM EP 2400 eén-component, luchtvaart-kwaliteit epoxiharsen te injecteren bij een injectiedruk van maximaal 20 bar.

"De vorm van dit vormhulpmiddel is erg complex," merkt Besson op, "combinerend variërende diktes in de 3D droge preform met een gesloten, buisvormige vorm. Dit creëert complexe dikte-overgangen, met kwesties rond preform assemblage, laag einde nauwkeurigheid, interne temperatuurgradiënten en harskrimp, alsook hoe de verwarmingsmethode en verwarmingscapaciteit van de interne mandrel te optimaliseren om een korte cyclus tijd mogelijk te maken. Om korte cyclus tijden mogelijk te maken, moeten alle elementen van het hulpmiddel eenvoudig te gebruiken, robuust zijn en snelle vertering en afkoeling toelaten." Ondanks dat het INNOTOOL 4.0 project kort niet-metallische vormoplossingen verzocht, werd een typisch gematched set van boven- en onderstaalvormen bedacht vanwege de drukken nodig om krullen te minimaliseren en vezeluitlijning tijdens vormen te garanderen.

De gematchde boven- en undervormen en mandrel worden verhit en gekoeld. "De gematchde vormen gebruiken een geïntegreerd watercircuit terwijl de mandrel elektrisch verhit wordt," legt Besson uit. "Watercirculatie biedt snelle vertering en afkoeling om de onderdeelcyclus tijd te verlagen en de elektrische vertering bereikt hetzelfde in de mandrel waar ruimte beperkt is."

"Een andere uitdaging was het aantal onderdelen in de mandrel," zegt Besson. "Vanwege de complexe vorm en de noodzaak om de mandrel na vormgeving te verwijderen, bestond het uit zes zelf-verhittende componenten en twee ondersteunende elementen waar de sensoren doorheen gaan om de interne temperatuur van de mandrelstukken te controleren. In gebruik worden deze elementen met de hand gemonteerd met de hulp van een basisondersteuning die de operator leidst." Werk met een opblaasbare mandrel als oplossing zal binnen het grotere HECOLAG project voltooid worden, maar dat was niet opgenomen in het INNOTOOL 4.0 subproject.

Warmtestroomsensoren

TME had initieel van plan dielectrische sensoren te gebruiken om harsstroom en harden te monitoren (zie "Combining AC and DC dielectric measurements for cure monitoring of composites") maar schakelde over naar warmtestroomsensoren van TFX (Boncourt, Zwitserland). "Naarmate we vorderden in de ontwikkeling, wilden we sensoren die meting zonder direct contact met de polymere en composietmaterialen die gecontroleerd moeten worden toelieten," legt Jorge Lopez Torres, project manager bij TME, uit. "De TFX sensoren stelden dit in staat omdat ze warmtestroom meten, wat door de materialen propageert." Hij wijst erop dat dit in essentie dezelfde meting is die gebruikt wordt in differentiele scanning calorimetrie (DSC), een laboratoriumtechniek die de hardingsstaat van een polymere of composiet analyseert. Opvallend is dat TFX sensoren en DSC testen beide de warmte meten die vrijkomt tijdens polymerisatie/harding en resulteren in een kromme van warmtestroom versus temperatuur en tijd.

Voor TFX sensoren komt de temperatuurdata van een interne temperatuursensor binnen de warmtestroomsensoren. Hoewel dielectrische sensoren ook uitgerust zijn met een interne temperatuursensor, zijn de twee sensoren heel anders. "Dielectrische sensoren meten direct de polymereigenschappen tijdens harden," legt TFX manager Dr. Fabien Cara uit. "Warmtestroomsensoren geven de materiaalstaat op een gegeven moment niet. Echter, het meten van de gegenereerde warmte tijdens harsstroom en polymerisatie geeft een mooi beeld van hoe het proces zich gedraagt en hoe herhaalbaar de hardcyclus is voor elk geproduceerd onderdeel. En zoals bij DSC, moeten we de hele kromme van het hardingsproces zien, maar onze mogelijkheid om harden te monitoren is zeer betrouwbaar."

Decennia aan ervaring

Opgericht als Thermoflux in 2000, zijn TFX sensoren gebruikt in proeven bij R&D centra en in industriële toepassingen door meer dan 100 klanten wereldwijd. "We begonnen met RTM meer dan 15 jaar geleden," zegt Cara, "eerst met BMW voor auto-onderdelen en ook voor het technisch centrum nu bekend als Institute de Soudure [(Saint-Avold, Frankrijk)]. In 2006 en 2012 startten we twee grote projecten voor het monitoren van de harding van vliegtuigmotoren waaierbladen gemaakt met RTM en 3D-geweven preforms. Safran heeft een data acquisition systeem dat we voor hen ontwikkelden in hun composietenlab bij Parijs. Ze kunnen tot 100 signalen simultaan opnemen [(warmtestroom, temperatuur en druk]) en deze analyseren voor hardings- en procescycli monitoren." TFX heeft ook gewerkt met Hexcel in zijn lab op Les Avenières, Frankrijk, om kwaliteit en verwerkingscycli te monitoren met thermoharsende harsen geïmjecteerd in droge preforms. TFX sensoren werden ook gebruikt in een project met IRT-M2P (Porcelette, Frankrijk) om Compression RTM (Lees Meer) te demonstreren. "Onze sensoren zijn zeer efficiënt voor snelle processen zoals compressiegieten, inclusief met SMC en BMC moulding compounds," merkt Cara op. "We wonnen ook een JEC Innovatieprijs in 2016 met Huntsman Advanced Materials [(Basel, Zwitserland)] voor een ontwikkeling getiteld, 'Structural epoxy parts with autoclave quality in less than 1 minute.'"

TFX heeft sensoren voor elk type composietvormingsproces, gebaseerd op de methode van warmteoverdracht naar de sensor: conductie (RTM, compressie en injectiegieten), convectie (autoklaaf, oven) en straling (filament winding, AFP). De sensoren gebruikt in het INNOTOOL 4.0 project waren conductief, ontworpen voor inbedding in metalen RTM-vormen. "Ze bieden een uitzonderlijk herhaalbaar signaal op een afstand van tot 1 millimeter van het hulpmiddeloppervlak en composietmateriaal," merkt Cara op.

TME installeerde twee TFX-191 sensoren – één bij harsinvoer en één bij harsuitgang – in de bovenvorm van de gematchde productiehulpmiddelset die het vervolgens naar NLR stuurde (Fig. 1, 2). NLR gebruikte dit productiehulpmiddel om HECOLAG demonstrator onderdelen in maart en april 2021 te produceren. De TFX-191 sensoren zijn voor dikke metalen hulpmiddelen.

Parallel hiermee, nam TME een kleiner, in-house hulpmiddel gebruikt voor het maken van monster CFRP platen en wijzigde het met twee TFX-224 sensoren, die korter zijn, voor dunne hulpmiddelen (Fig. 3). Deze RTM platen hulpmiddelset werd vervolgens gebruikt om sensordemonstratieproeven uit te voeren per de INNOTOOL 4.0 doelen beschreven hierboven. "Deze sensoren zijn vergelijkbaar met wat we voor Safran gebruikten," zegt Cara, "maar zijn nu verbeterd om veel compacter en gevoeliger te zijn." De sensoren werden geplaatst nabij het centrum van het onderdeel en de harsuitgang. Naast warmtestroomsensoren, ontwikkelde en leverde TFX twee data acquisition systemen – één geleverd aan Isojet en één gebruikt door TME voor de CFRP platen proeven.

INNOTOOL 4.0 testresultaten

De proeven die TME uitvoerde met zijn platenhulpmiddel gewijzigd met TFX sensoren testten twee verschillende harsen – HexFlow RTM 6 en PRISM EP 2400 – alsook de invloed van onderdeeldikte en algehele hardtijd. "De sensoren gaven mooie signalen om de hardcyclus te monitoren," zegt Cara. "Het team analyseerde de hardkrommen en toonde aan dat de hardtijd voor RTM 6 met ten minste 30 minuten kon worden verlaagd van de voorgeschreven twee-uurs harding."

Dit is zichtbaar in de kromme hieronder, waar t=0 uur de aanvang van injectie is. Merk op, hardingtijd begint wanneer temperatuur 180°C bereikt en einde van harding correspondeert met 99% van het relatieve hardingsniveau (zie verticale as rechts). Einde van harding coincideert ook met ruwe warmtestroom stabilisatie.

Dit werd geverifieerd door hardingstoestandmetingen van gedemolde onderdelen met dynamische mechanische analyse (DMA), een alternatieve laboratoriumtechniek voor DSC die glasovergangstemperatuur (T_g) meet voor composieten. "De DMA resultaten bevestigden dat voor RTM 6 hars, de T_g ongewijzigd blijft na 90 minuten harden bij 180°C," voegt hij toe.

Het effect van dikte werd ook onderzocht. "De eerste CFRP platen getest door TME in hun sensordemonstratieproeven waren minder dan 2 millimeter dik," merkt Cara op. "Deze platen hadden ook een hoog vezelvolume (50-60%) en een trage hardcyclus om exotherm en potentiële problemen met thermische spanning en onderdeelkwaliteit te voorkomen. Al dit is heel normaal voor luchtvaartonderdelen, maar het betekent dat er erg weinig hars is, en dus de hoeveelheid warmtestroom vrijgekomen door de harsreactie was klein. Dus we zochten in feite de naald van warmtestroom door harsharding in een oceaan van verwarmen van het hulpmiddel en het onderdeel."

Met andere woorden, zoals Cara uitlegt: "De meeste luchtvaart RTM hardcycli omvatten het injecteren van hars bij één temperatuur en daarna opschalen naar harden bij een tweede, hogere temperatuur. Dus wanneer je injectie voltooit, verwarm je het hulpmiddel op naar de hardingtemperatuur, wat een grote warmtestroom in het algehele systeem genereert." Echter, zoals bij DSC testen, is de sleutel tot het monitoren van harden met warmtestroomsensoren het meten van de vrijgekomen warmte tijdens polymerisatie/harding en deze metingen weer te geven in een kromme van warmtestroom versus temperatuur in het vormsysteem en tijd. "Dus vonden we een methode die ons helpt om de baseline van verwarmen van de vorm, en de conductie van die warmte naar het onderdeel, af te trekken, zodat het mogelijk is om de warmtestroom van de harsreactie te identificeren."

Dus, hoewel de procescondities in de initiële dunne platen heel uitdagend waren, zegt Cara, "konnen we nog de warmtestroom van de harsreactie zien. Echter, door ook dikkere onderdelen te maken, konden we precies het verschil in warmtestroomniveaus volgens onderdeeldikte zien en dit valideerde onze hardmonitoring in de dunne onderdelen." Merk op, de kromme hierboven (ook getoond in de openingsfoto) werd verkregen met RTM 6 hars in een 3,2-millimeter-dikke plaat.

Resultaten voor harsstroomfrontdetectie waren echter problematischer. "Voor de sensor nabij de uitgang konden we stroom goed zien, maar niet voor de sensor nabij het centrum, waar hars erg laat aankwam," zegt Cara. "Stroomfrontdetectie met warmtestroomsensoren vereist dat de harsstroom een verandering in het lokale thermische veld produceert. Dit treedt op wanneer de hars niet op dezelfde temperatuur is als de preform." Hij merkt op dat ΔT groter dan 0,1°C voldoende is voor detectie. "Echter, met de dunne CFRP platen proeven was de temperatuur heel gelijkmatig in de vorm en de hars kwam heel langzaam aan. Dus de thermische contrast was niet voldoende om harsaankomst te detecteren versus de thermische ruis in het algehele systeem. De harsaankomst bij de uitgang was echter sneller door runners [gaten tussen de preform en vormrand, zie "Manufacturing the complex geometry parts of RAPM"] wat helpt om een groter thermisch contrast te creëren dat gemakkelijker te detecteren en monitoren was."

Cara stelt voor dat deze harsstroomfrontmonitoring verbeterd kan worden met nieuwe actieve sensoren die TFX heeft ontwikkeld die een geïntegreerde verwarmingscapaciteit binnen de sensor gebruiken. "Dit stelt de sensoren in staat om het benodigde thermische contrast in onderdelen en processen waar het inherent moeilijk is, te helpen leveren," legt hij uit.

Composiet procescontrole mogelijkheden uitbreiden

"We zijn tevreden met het werk dat we tot nu toe hebben voltooid," zegt Torres, "maar dit is slechts een eerste stap. Het doel is om deze warmtestroomsensoren te gebruiken voor het managen van composietverwerking in productieomgevingen." Dit is mogelijk, zegt Cara, door automatisch een signaal van het sensordysteem naar de injectieapparatuur te sturen op basis van harsaankomst en naar de pers op basis van een nulhelling in de hardkromme. Torres voegt toe dat TME procescontrolesystemen heeft voor de injectiemachine en RTM-pers die temperatuur en druk managen. "De volgende stap," zegt hij, "is de TFX sensoren te integreren in deze controlsystemen en het algehele proces vanaf een laptop te managen." Cara merkt op dat TFX sensoren en data acquisition ook werken met druksensoren (bijv. Kistler, Winterthur, Zwitserland) om bij te dragen aan deze algehele procescontrole, en zijn bedrijf ontwikkelt een sensor die warmtestroom, temperatuur en druk in een enkel geïntegreerd apparaat zal meten.

Maar is deze procescontrole betaalbaar? Cara zegt dat de initiële $10-30.000 investering voor het monitoringsysteem doorgaans een rendement haalt in de ontwikkelingsfase, door trial and error te verminderen via verbeterd proces- en onderdeelbegrip. "Het systeem gaat vervolgens door om besparingen tijdens productie te leveren, cyclus tijd te verlagen, herhaalbaarheid te garanderen en vroege detectie van drifts of non-conformities te bieden."

Bij GKN Fokker gelooft Vergouwen dat zodra de capaciteit om cyclus tijd te verlagen en kosten te verbeteren bewezen is, "dan is het mogelijk om composieten in niet alleen het type landing gear component gedemonstreerd in de INNOTOOL 4.0 en HECOLAG projecten, maar alle typen onderdelen te verteren. Dat zou ons ontwerpruimte openen en ons in staat stellen de grenzen van lichtgewicht landing gear nog verder te verleggen." Besson ziet een nog bredere toepassing: "Dit type procescontrole kan voor allerlei soorten vormen en composietonderdelen ontwikkeld worden."