Fraunhofer IPT automatiseert de productie van thermoplastische CFRP-motorventilatorbladen

Materialen voor vliegtuigen moeten zeer veerkrachtig en tegelijkertijd zo licht mogelijk zijn. Door beide te bieden, worden koolstofvezelversterkte kunststoffen (CFRP) steeds vaker gebruikt in ventilatorbladen van vliegtuigmotoren. (Zie "Rolls-Royce start met de productie van 's werelds grootste ventilatorbladen"). De productie van deze componenten is echter zeer tijdrovend en kostbaar omdat ze enkele uren in de autoclaaf moeten uitharden. Een onderzoeksteam van het Fraunhofer Instituut voor Productietechnologie (IPT, Aken, Duitsland) probeert de productie van CFRP-ventilatorbladen nog verder te automatiseren.

De productie van veel CFRP-componenten is al gedeeltelijk geautomatiseerd. Voorgeïmpregneerde halffabrikaten - meestal gemaakt van vezelversterkte epoxyhars - worden in dunne lagen aangebracht en georiënteerd om een ​​op maat gemaakte lay-up te creëren. Dit wordt vervolgens onder druk en warmte uitgehard in een energie-, kosten- en tijdintensief autoclaafproces. Fraunhofer IPT heeft de mogelijkheden onderzocht om de productie van CFRP-bladen verder te automatiseren om ze nog kosteneffectiever te maken.

Deze onderzoekers vertrouwen echter niet op materialen op basis van epoxyhars, maar in plaats daarvan op met koolstofvezel versterkte thermoplastische kunststoffen . Deze materialen worden al tientallen jaren gebruikt in vliegconstructies, hebben goede lichtgewicht constructie-eigenschappen gecombineerd met een uitstekend slaggedrag en kunnen snel en flexibel geautomatiseerd worden verwerkt. Omdat ze thermoplastisch zijn, hebben ze geen chemische verknoping nodig om uit te harden, maar alleen verwarming om te smelten en onder druk te zetten om te consolideren tijdens gecontroleerde koeling. Ze kunnen ook worden opgewarmd en opnieuw gevormd.

Thermoplastische composieten zijn daarom veel geschikter voor efficiënte productieprocessen, legt Dr.-Ing uit. Henning Janssen, hoofd van de afdeling vezelcomposiet- en lasersysteemtechnologie bij Fraunhofer IPT. In verschillende testreeksen is zijn team er nu voor het eerst in geslaagd om twee van dergelijke processen voor de productie van ventilatorbladen te combineren:het volledig geautomatiseerd leggen en vormen van tape.

Flexibele procesketen:geautomatiseerd tape leggen en thermovormen

Met een volledig geautomatiseerd tape-legsysteem, een eigen ontwikkeling van de Fraunhofer IPT die onder licentie wordt gecommercialiseerd, worden unidirectionele (UD) versterkte thermoplastische tapes op elkaar gelaagd volgens de richting van de belasting vereist in de constructie. Op deze manier ontstaat een meerlaags, zeer veerkrachtig en flexibel paneel, een zogenaamde organische plaat. De onderzoekers monitoren en documenteren elke stap van het volledig geautomatiseerde proces met behulp van verschillende sensoren. Op deze manier kunnen ze tijdens het proces in de “black box” van de productie kijken en een zogenaamde “digitale schaduw” creëren voor elk organisch vel. Dit virtuele beeld van het echte biologische blad maakt het mogelijk kwaliteitsafwijkingen in een vroeg stadium te signaleren en passende tegenmaatregelen te nemen.

Het afgewerkte organische vel wordt in de volgende productiestap verwarmd en in een thermovormproces tot bijna netvorm gevormd. In de vorige reeks tests werd het proces aanvankelijk getest op 16 millimeter dikke, met stof versterkte organische platen van PA12 en koolstofvezels en zal binnenkort worden overgebracht naar organische platen van PEEK en koolstofvezeltapes.

Testserie voor het frezen van FRP-componenten

Na het thermovormen worden de randen van het gevormde organische vel bijgesneden en gefreesd tot de uiteindelijke vorm. Het frezen van GVK is zeer uitdagend vanwege de heterogene materiaalstructuur. Bovendien hebben koolstofvezels een sterk schurend effect op de snijkant van het freesgereedschap en leiden zo tot zware gereedschapsslijtage en fluctuerende verwerkingskwaliteit.

Een mogelijkheid om de standtijd te verlengen is het gebruik van freesgereedschappen die zijn gecoat met polykristallijn diamant (PCD). Tijdens hun pogingen om CFRP-bladen op kleinere schaal te bewerken, ontdekten de onderzoekers dat de levensduur van PCD-gecoate freesgereedschappen aanzienlijk langer is dan die van ongecoate gereedschappen. Bovendien had een individueel op maat gemaakte vormgeving van de freesstrategie een positieve invloed op de bewerkingskwaliteit.

Implementatie in verschillende industriële toepassingscontexten

De eerste resultaten met de thermoplastische CFRP-materialen zijn veelbelovend:"We waren in staat om aan te tonen dat de gekoppelde productieprocessen - fabricage en afwerking van bladen - werken", zegt Daniel Heinen, hoofd van de Turbomachinery Business Unit bij Fraunhofer IPT. “We waren in staat om zeer goede oppervlaktekwaliteiten te bereiken, zowel in de radiale bladrichting als tussen de voor- en achterrand van de bladen. Nu moeten we de afzonderlijke processen nader onderzoeken en optimaliseren.”

Voor de komende maanden staan ​​onderzoeksprojecten gepland waarin de nieuwe processen verder worden geoptimaliseerd en onderzocht in verschillende industriële toepassingscontexten. De wetenschappers van Aken zijn vooral geïnteresseerd in het gebruik van hoogwaardige thermoplastische PEEK als matrix en het lamineren van sensortechnologie in de organische plaat. Dit laatste zou het niet alleen mogelijk maken om de fabricageprocessen te bewaken, maar ook de status van de componenten tijdens later gebruik in de motor. Ook wordt gezocht naar toepassing van de procesketen op andere componenten, bijvoorbeeld op stators en gondelcomponenten, maar ook op componenten buiten de luchtvaartindustrie. Fraunhofer IPT verwelkomt geïnteresseerde bedrijven die willen deelnemen aan de projecten.