Composietproductie democratiseren met multicouche thermoplastische banden, AFP & harsinfusie

Novotech (Napels, Italië) begon als een spin-off van de Universiteit van Napels "Federico II" in zuidelijk Italië, opgericht door professor Leonardo Lecce in 1992. "We hebben algemene luchtvaartbedrijven ondersteund en R&D-diensten geleverd door heel Italië," zegt Lecce, die nu CEO van Novotech is. "We hebben structurele analyses geleverd voor vliegtuigonderdelen en ook geholpen met vliegtuigontwikkeling."

Gelegen dicht bij de Leonardo-fabriek die de composiet rumpfsecties voor de Boeing 787 produceert, begon Novotech zich in 2014 te richten op composieten. Het kocht een geautomatiseerde vezelplaatsingscel (AFP) van Coriolis Composites (Queven, Frankrijk) en ontwikkelde out-of-autoclave (OOA) verwerking, inclusief harsinfusie en thermoplastische composietproductie, met speciale expertise in in-situ consolidatie met AFP.

Novotech heeft deelgenomen aan talloze industriële onderzoeksprojecten, waaronder:

• MESEMA (Magnetoelastische Energiesystemen voor Nog Meer Elektrische Vliegtuigen)
• SARISTU (Slimme Intelligente Vliegtuigstructuren)
• ASAM (Geavanceerde Simulatie van Vliegtuigmechanismen)
• LAMITECH (Innovatieve Testmethoden voor Automatische Lagen van Hybride Composietmaterialen)
• PROALATECH (Structurele Karakterisering en Reparatieoplossingen Analyse van Innovatieve CFRP Empennages)
• FACE (Vriendelijke Vliegtuigcabine Omgeving)
• AIRGREEN 2 - CLEAN SKY 2 (Ontwikkeling van innovatieve vleugelconcepten en methodologieën voor next generation regionale vliegtuigen)
• SISTER CHECK (Onderzoek en integratie van innovatief systeem voor AFP Non-Destructieve Inspectie)
• TRINITI - CLEAN SKY 2 (Multi-Materiaal Thermoplastische hoge druk Stikstof Tanks voor Vliegtuigen)
• NHYTE - H2020 (Nieuwe Hybride Thermoplastische Composiet Luchtvaartstructuren geproduceerd door OOA)

"We hebben ook een speciale relatie met Cytec in het VK, nieuwe composietmaterialen en processen ontwikkelend," zegt Lecce. Let op dat Cytec overgenomen is door Solvay en de locatie waarnaar verwezen wordt is Solvay Composite Materials in Heanor, VK – een site met een lange geschiedenis van innovatie, inclusief het dubbele diaphragma vormproces recent getest via het RAPM-programma. "Onze laatste dergelijke activiteit was het ontwikkelen van een OOA thermoplastisch proces dat een nieuwe, innovatieve pers gebruikt die PEEK (polyetheretherketon) en PEI (polyetherimide) combineert in een nieuw composietmateriaal." Dit nieuwe materiaal, apparatuur en proces is nu gedemonstreerd in een koolstofvezel-versterkte kunststof (CFRP) vliegtuigstringer, gemaakt met AFP in-situ consolidatie en lassen via het NHYTE-project.

NHYTE

Gefinancierd door het Europese Commissie Horizon 2020-programma, is NHYTE een onderzoeksproject uitgevoerd van mei 2017 tot oktober 2020. "NHYTE gaat over het gebruik van amorfe binding om duurzame temperatuur- en procesomstandigheden voor thermoplastische composieten (TPC) mogelijk te maken," legt Dr. Marco Barile, NHYTE-projectcoördinator en CTO van Novotech, uit. Deze amorfe binding (zie diagram hieronder) is een concept geïmpatenteerd door een andere NHYTE-partner, de luchtvaartstructuren-afdeling van Leonardo (Rome, Italië) die meerdere productiefaciliteiten in zuidelijk Italië heeft.

Foto: NHYTE-project

"Met het materiaal ontwikkeld in NHYTE, kunnen we de huidige materiaalbeperkingen met AFP in-situ consolidatie (ISC) van thermoplastische composieten (TPC) overwinnen. In plaats van verwerken bij temperaturen net onder 400 graden C voor de semi-kristallijne PEEK-polymeren, kunnen we net boven de 215-graden glasovergangstemperatuur (Tg) voor de amorfe PEI-laag verwarmen. De smelt en afkoeling van PEI is ook sneller, niet zo gecontroleerd versus PEEK." Barile merkt op dat dit concept andere amorfe thermoplasten kan gebruiken. PEI werd gekozen omdat het goed bindt aan PEEK, een materiaal dat bewezen is in meerdere AFP luchtvaartstructuur demonstrators.

Dit nieuwe materiaal ontwikkeld in NHYTE werd geproduceerd in een continue pers ontworpen door NOVOTECH. Orma Macchine (Bergamo, Italië) leverde de perslichaam en COMEC Innovatief (Chieti, Italië) leverde de wikkel- en afwikkelmodules. "Deze pers kan een continue rol materiaal maken die we dan insnijden in gesneden band voor gebruik in een AFP-machine," zegt Barile. Drie verschillende materialen gaan de pers binnen van links, zoals gezien in de afbeelding bovenaan. "We hebben PEI boven en onder en dan PEEK in het midden," legt Barile uit.

Als semi-kristallijne polymere, levert PEEK de hoge mechanische eigenschappen die nodig zijn voor primaire structuren, terwijl de amorfe PEI-lagen snelle, eenvoudige smelting voor binding bieden. "We controleren de druk en afkoeling van het materiaal langs de persplaten, beginnend bij ongeveer 400 graden C aan het begin van de pers tot minder dan 200 graden C aan het einde van de pers. Het resultaat is één materiaal dat een combinatie is van de drie invoerlagen."

Deze nieuwe soort thermoplastische band is al geconsolideerd tijdens productie, zodat tijdens AFP het alleen hoeft te worden verhit om de PEI-lagen te smelten en te compacteren voor amorfe binding. Het resultaat is een laminaat bestaande uit volledig geconsolideerde PEEK-naar-PEI band en PEI-naar-PEI lagen, zoals getoond in het Leonardo-octrooi. Dit AFP-proces presenteert minder hindernissen versus huidige AFP ISC met PEEK en PEKK (polyetheretherketon) banden. Zoals uitgelegd in Deel 2 van mijn 2018-feature over in-situ consolidatie, vereist huidige AFP ISC het verwarmen van de band en substraat tot smelttemperatuur, het plaatsen van de band op het substraat en vervolgens consolideren met een rol zodat het afkoelingsproces precies gecontroleerd wordt, waardoor de semi-kristallijne polymeren voldoende hoge kristallijnheid (30-40%) en lage gaten (<3-5%) voor structurele eigenschappen bereiken.

Kritici van AFP ISC claimen dat het te langzaam is – een legssnelheid van 60-100 mm/s versus 600-700 mm/s voor de "twee-stap" methode bestaande uit snelle AFP-legging gevolgd door een secundaire stap in oven of autoclave om het laminaat volledig te consolideren/thermische spanning te annealen. "Met ons materiaal kun je AFP-legssnelheden bereiken die niet zo langzaam zijn als typische in-situ consolidatie en de verwarming die tijdens AFP vereist is, kan ook onder de 300 graden C gehouden worden," zegt Barile. "Je kunt het prestatiegap met standaardmaterialen die we nu hebben dichten." Hier vergelijkt Barile AFP ISC van thermoplastische composieten met thermohardende composieten gebruikt in de Boeing 787 en Airbus A350 vliegtuigen. "Met grote componenten als rumpfsecties, is het probleem met betaalbaarheid bij gebruik van autoclave curing. Thermoplasten maken een meer betaalbaar productieproces mogelijk, maar je hebt hoge temperaturen en lage AFP-snelheden met de luchtvaart-kwaliteitsmaterialen die momenteel op de markt beschikbaar zijn. Onze aanpak helpt deze problemen op te lossen. We kunnen ongeveer 30 procent kristallijnheid in de band bereiken via de continue dus. Dus je hebt die kristallijnheid in het onderdeel en werkt alleen met de amorfe laag tijdens AFP. Hoewel dit nog een experimenteel materiaal is, dat verbeterd kan worden, is het doel van het NHYTE-project om een één-stap productieproces te hebben dat je in structurele luchtvaarttoepassingen kunt gebruiken."

Band en AFP-optimalisatie

"De eerste multicouche bandmaterialen werden hier in Novotech gemaakt," zegt Barile. Deze banden gebruikten Sabic (Riyad, Saoedi-Arabië) Ultem 1000 ongevulde gesneden film voor de PEI en APC-2/AS4 koolstofvezel-versterkte PEEK-band van Solvay. Totale dikte was ≈0,26 millimeter, met PEI-lagen die 1 of 2 mils (.001 of .002 inch) dik waren. In de eerste fase van het project, werden meerdere coupons van beide variaties getest voor interlaminaire schuifsterkte (ILSS) om het hybride thermoplastische materiaal productieproces te valideren. Kleine coupons werden ook getest door NHYTE-partner Applus Laboratories (Barcelona, Spanje) voor een volledig bereik van mechanische eigenschappen inclusief trek- en druksterkte en modulus, open gat compressie (OHC), gevulde gat trek, compressie na impact (CAI), nauwelijks zichtbare impactschade (BVID) en eigenschappen na vloeistofconditionering.

"We hadden niet dezelfde ervaring als thermoplastische composiet bandleveranciers, dus de kwaliteit van het materiaal kan verbeterd worden. Bijvoorbeeld, het vezelvolume varieert van laag tot hoog door de dikte, wat de eigenschappen van de band en laminaat beïnvloedt, inclusief ILSS. Maar NHYTE was gericht op het demonstreren van het concept, wat we gedaan hebben."

Zoals te zien is in de afbeeldingen bovenaan, vereiste het optimaliseren van het AFP-proces voor het nieuwe materiaal significant experimenteel werk. "We gebruikten ook een design of experimenten (DOE) benadering om de AFP-parameters te optimaliseren en een tool werd ontwikkeld door NHYTE-partner Universiteit van Zuid-Brittannië (USB, Lorient, Frankrijk) om de laserverwarmingsbelasting te verbeteren via voorspellende numerieke simulatie." merkt Barile op.

Deze simulatie werd eerst gebruikt op de APC-2-band om de kwaliteit van het voorspellende instrument te verifiëren en vervolgens toegepast op het nieuwe, multicouche materiaal. Een paper over dit werk is ingediend voor publicatie in het tijdschrift Composite Structures. "Je modelleert de warmteleiding bij het knelpunt," zegt Barile. "We verifiëren experimenteel wat voorspeld was in de numerieke simulatie. Dit is nodig om de beste compromis te bepalen tussen legssnelheid, smeltstroom van de polymeren en veroudering [koken] van de composietlamina. Het is een balans van verschillende variabelen tijdens het in-situ consolidatieproces. We kijken naar de afname in temperatuur van de inkomende band op de band al geplaatst op de tool. Als je deze temperatuurverandering kunt managen, kun je de residuele spanning in het laminaat verminderen. Dus we werkten om de variatie in temperatuur tijdens leggen te beoordelen. Je moet de verwarming aanpassen volgens de vorm van het pad en de oriëntatie van de lamina."

Stringer en rumpf demonstrators

De volgende stap was om stringer-demonstrators te produceren, eerst als kleinschalemonsters gemaakt met een stationaire pers en dan als demonstrators van een continu stringervormingsproces om te verifiëren wat vereist zou zijn voor industriële onderdelenproductie. Deze stringers werden vervolgens bevestigd aan een AFP rumpf huidpaneel demonstrator met inductielassen ontwikkeld door de R&D-organisatie CETMA (Brindisi, Italië).

Foto: Novotech.

Boet het nieuwe, multicouche materiaal enig voordeel voor inductielassen? "Het verwerkte eigenlijk hetzelfde," zegt Barile. "Echter, het was niet makkelijk voor CETMA om lasprocesparameters te definiëren omdat ons nieuwe materiaal een lager hoeveelheid koolstofvezel heeft versus standaardbanden." De stringer-demonstrators en uiteindelijke rumpf paneel demonstrator werden vervolgens getest door Applus. NHYTE-projectpartners Universiteit van Bath (Bath, VK) en Leonardo Aircraft gebruikten ook NDI om de kwaliteit van panelen en stringers te beoordelen.

"We hebben veel coupons en kleine onderdelen gemaakt, alsook de grote demonstrator," merkt Barile op. "Testresultaten van Applus zijn erg goed rekening houdend met de lagere kosten van het productieproces versus wat nu standaard is. We zijn 20-25% lager in sterkte- en stijfheidseigenschappen versus standaard thermoplastische bandmaterialen momenteel beschikbaar, maar we hebben verbeteringen geïdentificeerd met het proces die dit moeten helpen verbeteren."

NHYTE eindigde op 30 oktober 2020. "Ons idee is om door te gaan met een nieuw project om alle verbeteringen die we in gedachten hebben op te nemen," zegt Barile. "We hebben bewezen hoe het materiaal te maken en hoe te verwerken met AFP in-situ consolidatie, continue vormgeving en inductielassen. Nu moeten we verder optimaliseren voor industrialisatie." Novotech zoekt om door te gaan met hetzelfde consortium verrijkt met nieuwe partners.

Opvallend is dat Leonardo ook werkt aan het verbeteren van AFP in-situ consolidatie met inductielassen en TPC-band die snel verhit en afgekoeld kan worden. Bovendien zijn bemoedigende resultaten over PEI/PEEK multicouche composieten net gepubliceerd door onderzoekers van IMDEA Materials Instituut (Madrid, Spanje) en FIDAMC (Madrid, Spanje), de laatste een leider in AFP in-situ consolidatie al jaren. Voor meer technische papers, zie NHYTE's publicaties.

SWING-project

De Slimme Vleugel voor Nieuwe Algemene Luchtvaart (SWING) is een project dat begon met een endorsement van Piaggio Aerospace (Villanova d'Albenga, Italië) en gecofinancierd door het Italiaanse Ministerie van Economische Ontwikkeling (MISE). Naast Novotech, omvat het Italiaanse projectconsortium technologie-ontwikkelingsbedrijf Protom (Napels) als coördinator, Laer Aeronautical Manufacturing (Airola), A. Abete Aerostructures (Nola) en luchtvaartontwerpspecialist ItalSystem (Avellino). Een van de SWING-doelen is om geautomatiseerde out-of-autoclave (OOA) composietprocessen – inclusief AFP en vloeibare harsinfusie (LRI) – aan te passen voor kosteneffectieve en duurzame productie van kleinere vliegtuigen, met Piaggio's P.180 Avanti voorwaartse vleugel als demonstratieplatform.

"Het idee is om de voorwaartse vleugel van de P.180 in slechts twee hoofdonderdelen te produceren: een bovenpaneel en een onderpaneel, beide gevormd geïntegreerde stringer en spar," zegt Lecce.

"Voor ons begon dit met ons werk als een gekwalificeerd laboratorium voor Solvay in het VK. We hebben sinds 2015 samengewerkt aan nieuwe materialen en processen voor AFP, LRI en thermoplastische composieten. We maakten droge preforms met behulp van Solvay's PRISM TX1100 droge vezelband voor gebruik met AFP. Deze preforms werden vervolgens geïmpregneerd met Solvay PRISM EP 2400 verfijnde epoxyhars en gecureerd in een oven. We deden dit werk in het kader van AIRGREEN 2 project voor het Clean Sky 2 Green Regional Aircraft programma, en gingen daarna door in het SWING-project." Let op dat PRISM TX1100 en PRISM EP 2400 gekwalificeerd zijn door United Aircraft Corporation voor productie van de eerste harsgeïmpregneerde vleugel voor een commercieel vliegtuig – de Irkut MS-21 single-aisle jetliner geproduceerd door AeroComposit.

De gevormde boven- en onderpanelen worden gejoined met structurele lijm en dan statisch getest volgend jaar. "In parallel, karakteriseren we een ander composiet gebaseerd op TX1100 droge band en een harsmengsel van Covestro (Leverkusen, Duitsland) dat een geldige alternatief kan zijn voor luchtvaart-kwaliteitsharsen, in het bijzonder voor sectoren die hogere productiesnelheden vereisen," voegt Barile toe. "Deze hars is niet zo hoogpresterend als die systemen, maar het werkt goed met infusie en voldoet aan eisen voor de vleugelbox. Er moet enige compromis zijn als je kosten wilt verlagen. We hopen dat deze ontwikkeling zal bijdragen aan het introduceren van AFP-technologie in de algemene luchtvaart. Het kan ook in de auto-sector gebruikt worden."

TRINITI

Novotech werkt ook in het Clean Sky 2-project TRINITI – Multi-materiaal thermoplastische hoge-druk stikstoftanks voor vliegtuigen – dat in 2019 begon en in 2021 eindigt. Novotech's instap in dit project evolueerde opnieuw uit ontwikkeling met een Italiaans luchtvaartbedrijf. "We werkten aan het verifiëren van het potentieel van AFP met behulp van onze multicouche band in de productie van cryogene brandstoftanks voor lanceraaketten versus de huidige filament winding processen die gebruikt worden," legt Barile uit. "Eigenlijk zal TRINITI een multicouche materiaalconcept ontwikkelen vergelijkbaar met NHYTE en dan een tank maken met AFP in-situ consolidatie."

"Het voordeel van AFP ten opzichte van FW," vervolgt hij, "is dat je kunt beslissen waar je het materiaal wilt plaatsen. Je bent niet gebonden door filament continu gewonden om het onderdeel. Overweeg een tank waar je veel materiaal aan de eindkappen hebt omdat je het materiaal niet kunt snijden tijdens filament winding. Door te snijden en herstarten van vezel/banden waar je wilt met AFP, wordt materiaal alleen gebruikt waar het nodig is. Zo kun je gaten tussen de banden managen, wat belangrijk is om gaspermeatie te voorkomen. Om dit met filament winding te doen, moet je het toegepaste materiaal verhogen, zelfs omdat met AFP je gesneden band gebruikt, niet towpreg. En dan met in-situ consolidatie, is er geen behoefte aan een autoclave. We hebben gedemonstreerd dat AFP een haalbare alternatief kan zijn en erg betaalbaar."

"Momenteel voert CETMA gaspermeatietests uit om de prestaties van de multicouche materialen ten opzichte van de specificaties te beoordelen," zegt Barile. Eisen zijn geleverd door de topic manager, Diehl Aviation (Gilching en Dresden, Duitsland) voor een hoge-druk lange-opslag stikstoftank gebruikt in vliegtuig brandblusssystemen. Deze tanks moeten temperaturen van -55°C tot 85°C op de grond, -40°C tot 70°C tijdens vluchtoperaties en druk tot 1.000 bar weerstaan.

"Het doel is om gewicht en fabricagestappen te verminderen," merkt hij op. "Echter, de kosten van productie met deze methode moeten gedefinieerd worden. Gewicht wordt bespaard door geen onnodig materiaal te plaatsen, maar filament winding is een sneller proces vergeleken met AFP." Een ander factor is dat dit type tank typisch een metaal- of kunststof liner heeft die overwrapt is met CFRP. Barile zegt TRINITI probeert een liner-loze (Type V) tank. "We zullen gaspermeatie vermijden door een laag-void AFP laminaat te gebruiken. We testen nu bij CETMA met verschillende combinaties van materialen en bereiden ons voor om down te selecteren. We zullen dan een prototypetank bouwen, maar het ontwerp van de tank hangt af van het geselecteerde materiaal en het finale proces. Dus dit is waar we nu naartoe werken. De testactiviteit zal uitgevoerd worden door CTL Composites (Galway, Ierland)."

SEAGULL

Het uitdagende project SEAGULL werd drie jaar geleden gestart. "Ons doel is om een nieuwe generatie klein hydrovliegtuig te ontwikkelen die nieuwe composietproductietechnologie, hybride elektrische aandrijving en een geautomatiseerde vouwbare vleugel omvat, die we ontwikkeld en gepatenteerd hebben," legt Lecce uit. "De bedoeling was een kort start- en landings (STOL) vliegtuig dat concurrerend is met verticaal opstijgen en landen (VTOL) vliegtuigen maar meer betaalbaarheid biedt. We geloven dat dit een persoonlijk vliegtuig kan zijn dat van elk oppervlak geopereerd kan worden en een belangrijke mogelijkheid is voor toekomstige luchtvaart en mobiliteit."

Het SEAGULL-team heeft een hybride aandrijvingssysteem getest, een eerste in-water prototype gebouwd en in-water testen begonnen in oktober. "Na voltooiing van deze testen, zullen we dan een vliegend prototype bouwen binnen nog een paar maanden," zegt Lecce. "Dit is een erg ervaren team, bestaande uit significante bedrijven met meer dan 50 jaar ervaring in algemene luchtvaart."

Het SEAGULL vliegende prototype zal een composiet rumpf, staart en vleugel hebben. "We zullen weer de toepassing van geautomatiseerde productie met AFP en harsinfusie duwen," zegt Barile. "Een van de hoofdproblemen met composieten die deze processen gebruiken, is de kosten van de materialen. Inderdaad, wat we proberen te doen is om ook een combinatie van materiaal en proces te vinden die meer democratisch is in termen van kosten."