Fraunhofer IPT automatiseert productie thermoplastische CFRP-ventilatorbladen, verhoogt efficiëntie

Materialen voor luchtvaarttoepassingen moeten extreem bestand zijn en zo licht mogelijk. Koolstofvezel-versterkte kunststoffen (CFRP) bieden beide eigenschappen en worden steeds vaker gebruikt in ventilatorbladen van vliegtuigmotoren (zie "Rolls-Royce start productie grootste ventilatorbladen ter wereld"). De productie van deze componenten is echter zeer tijdrovend en duur, omdat ze urenlang in de autoclave moeten uitharden.

Een onderzoeksteam van het Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT, Aachen, Duitsland) werkt aan verdere automatisering van de productie van CFRP-ventilatorbladen om deze rendabeler te maken.

Van epoxy naar thermoplast: een flexibele procesketen

De productie van veel CFRP-componenten is al gedeeltelijk geautomatiseerd. Voorgeïmpregneerde halfabricaten (prepregs) – meestal op basis van vezelversterkte epoxyhars – worden in dunne lagen gelegd en georiënteerd om een op maat gemaakte opbouw te creëren. Deze wordt vervolgens onder druk en hitte uitgehard in een energie-, kosten- en tijdrovend autoclaveproces. Fraunhofer IPT onderzoekt de mogelijkheden om de fabricage van CFRP-bladen nog verder te automatiseren.

De onderzoekers richten zich niet op epoxyhars-gebaseerde materialen, maar op koolstofvezel-versterkte thermoplasten. Deze materialen worden al decennialang in vliegende structuren toegepast, hebben uitstekende lichtbouw-eigenschappen gecombineerd met een uitstekend impactgedrag en kunnen snel en flexibel op geautomatiseerde wijze worden verwerkt. Omdat ze thermoplastisch zijn, vereisen ze geen chemische vernetwing om te harden, alleen verwarmen om te smelten en druk om te consolideren tijdens gecontroleerd afkoelen. Ze kunnen ook opnieuw worden verhit en gevormd.

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

Flexibele procesketen: geautomatiseerd bandleggen en thermovormen

Met een volledig geautomatiseerd bandleggysteem, een eigen ontwikkeling van Fraunhofer IPT die onder licentie commercieel wordt gemaakt, worden unidirectionele (UD) versterkte thermoplastische banden volgens de benodigde belastingrichting in de structuur op elkaar gelegd. Hierdoor ontstaat een meervoudig gelaagd, uiterst bestand en flexibel paneel, een zogenaamd 'organisch vel'. De onderzoekers monitoren en documenteren elke stap van het volledig geautomatiseerde proces met diverse sensoren. Zo kunnen ze tijdens het proces in de 'black box' van de productie kijken en een zogenaamde 'digitale schaduw' creëren voor elk organisch vel. Deze virtuele afspiegeling van het echte organische vel maakt het mogelijk om kwaliteitsafwijkingen in een vroeg stadium te signaleren en passende maatregelen te nemen.

Het afgeronde organische vel wordt in de volgende productiestap verhit en in een thermovormproces naar bijna netto-afmeting gevormd. In de eerdere testreeksen werd het proces initieel getest op 16 millimeter dikke, stofversterkte organische vellen van PA12 en koolstofvezels en wordt binnenkort overgedragen op organische vellen van PEEK en koolstofvezelbanden.

Testreeksen voor frezen van FRP-componenten

Na het thermovormen worden de randen van het gevormde organische vel afgetrimd en gefreest tot de eindvorm. Frezen van FRP is uitdagend door de heterogene materialestructuur. Bovendien hebben koolstofvezels een sterke abrasieve werking op de snee van het freesgereedschap, wat leidt tot zware toolverslijting en wisselende verwerkingskwaliteit.

Een mogelijkheid om de toollevensduur te verlengen, is het gebruik van freesgereedschappen die zijn gecoat met polycristallijn diamant (PCD). Tijdens hun pogingen om CFRP-bladen op kleinere schaal te bewerken, vonden de onderzoekers dat de levensduur van PCD-gecoate freesgereedschappen aanzienlijk langer is dan die van ongecoate tools. Daarnaast had een individueel afgestemd ontwerp van de freesstrategie een positieve invloed op de bewerkingskwaliteit.

Implementatie in diverse industriële toepassingscontexten

De eerste resultaten met de thermoplastische CFRP-materialen zijn veelbelovend: "We hebben kunnen tonen dat de gekoppelde productieprocessen – fabricage en afwerking van bladen – werken," zegt Daniel Heinen, hoofd van de Business Unit Turbomachinery bij Fraunhofer IPT. "We hebben heel goede oppervlakkwaliteiten bereikt, zowel in de radiale richting van het blad als tussen de aan- en afstroomborden. Nu moeten we de individuele processen nader onderzoeken en optimaliseren."

Onderzoeksprojecten zijn gepland voor de komende maanden waarin de nieuwe processen verder worden geoptimaliseerd en in diverse industriële toepassingscontexten worden getest. De Aachense wetenschappers zijn met name geïnteresseerd in het gebruik van hoogpresterende thermoplastische PEEK als matrix en de laminatie van sensortechnologie binnen het organische vel. Het laatste zou het niet alleen mogelijk maken de productieprocessen te monitoren, maar ook de componentstatus tijdens later gebruik in de motor. De toepassing van de procesketen op andere componenten wordt ook beoogd, bijvoorbeeld op statoren en nacelle-componenten alsook componenten buiten de luchtvaartindustrie. Fraunhofer IPT nodigt geïnteresseerde bedrijven uit om deel te nemen aan de projecten.