CETMA: Italiens toonaangevende composiet R&D- en innovatie-hub

 

Opgericht in 1994, Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali (CETMA, Brindisi, Italië) is een van de grootste onafhankelijke onderzoek- en technologie-organisaties in Italië, met een 4.000-vierkante-meter faciliteit en 75 werknemers. Meer dan 20 jaar heeft CETMA zwaar geïnvesteerd in composieten, wat resulteert in een breed bereik aan expertise:

• Onderdeelontwerp en prototyping
• Nieuwe composietprocessen
• Recyclingsprocessen voor composieten en kunststoffen
• Procesoptimalisatie voor kosten, duurzaamheid, snelheid, etc.
• Real-time procesmonitoring
• Niet-destructieve testing (NDT)
• Structurele gezondheidsmonitoring (SHM) real-time en remote tijdens productie en dienst
• REACH-advies
• Thermoplastische stamping, continuous compression molding (CCM) en prepreg-compressievorming (PCM)
• Vloeistof-infusie, resin transfer molding (RTM) en same qualified RTM (SQRTM)
• Out of autoclave (OOA) prepreg
• Inductielassen

 

CETMA's hoofddoel is om bedrijven en innovatie te ondersteunen. Bediend door vier hoofdlabo's, zijn CETMA's composietactiviteiten georganiseerd binnen de Advanced Materials and Processes (AMP)-afdeling die ook vier gebieden omvat:

• Materialen en Karakterisering
• Technologieën en Processen
• Modellering en Simulatie
• Diagnostiek en Structurele Gezondheidsmonitoring

AMP empleyt 30 medewerkers inclusief materiaal-, luchtvaart-, civiele- en chemische ingenieurs alsook een scheikundige, materiaalkundige, architect en meerdere technici — in overeenstemming met het geloof in multidisciplinaire teams.

 

Kracht in thermoplastische composieten

"We bieden een vol spectrum aan diensten in composieten," merkt Alessandra Passaro, hoofd van de AMP-afdeling bij CETMA, op, "maar onze activiteiten in thermoplastische materialen is een van onze prioriteitsgebieden, momenteel. Alle verschillende soorten thermoplastische matrix-polymeren zijn in ons lab verwerkt. We begonnen met TWINTEX commingled-vezel in 2004 en met compressievorming met een eenvoudige pers ongeveer 15 jaar geleden. Nu hebben we gepatenteerde continuous compression molding (CCM) en inductielas-technologieën ontwikkeld. We hebben alle thermoplastische composietmaterialen geanalyseerd die in deze processen gebruikt kunnen worden."

 

De CCM-lijn kan constant-dooorsnede-onderdelen produceren met PPS, PEEK, PEKK of PAEK. Maar hoe is het CETMA-proces anders dan wat bedrijven zoals XELIS (Markdorf, Duitsland) en ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, VS) gebruiken? (Zie CW-artikelen: "Aerospace-grade compression molding" en "Accelerating thermoplastic composites in aerospace".) Passaro legt uit, "Er zijn enkele specifieke details in het ontwerp van de matric die we gebruiken. Onze technologie is flexibeler wat betreft geometrieën en matrix-materialen die gebruikt kunnen worden. Het is nog steeds in ontwikkeling." Hoewel gepatenteerd, is de technologie nog steeds in ontwikkeling en zijn sommige aspecten proprietair. De reden waarom CETMA CCM heeft nagevolgd, is niet. "We zagen het verhoogde gebruik en de behoefte aan continue thermoplastische composietprocessen," zegt Passaro. "XELIS is een productenbedrijf, geen machineleverancier. We zijn een onafhankelijke R&D-organisatie en investeren en ontwikkelen dus de technologie vanuit een ander perspectief."

Een voorbeeld hiervan is de uitgebreide proces-simulatie om de temperatuurdistributie in de matric te analyseren. "De simulatie-resultaten laten ons een volledig beeld hebben van de temperatuurevolutie in het materiaal over tijd," legt ze uit, "wat erg moeilijk is om inline te monitoren vanaf één kant, en toch cruciaal is voor het minimaliseren van defecten in het composiet."

 

Inductielassen voor assemblage

Een ander sleuteldeel van CETMA's thermoplastische composiet-expertise is gepatenteerde inductielas-technologie, die een controlsysteem en koeling omvat om warmte binnen de letsel te behouden. CETMA gebruikte de technologie met partner EURECAT (Barcelona, Spanje) om CCM-profielen en -platen te assembleren tot een thermoplastische composiet-kielbalk voor een Airbus A320-type vliegtuig in het Clean Sky 2 KEELBEMAN-project. Mijn jan 2020-blog, "Advancing thermoplastic composites and RTM for Clean Sky 2 …", geeft meer details over dit project alsook de details van CETMA's lassen.

 

"We hebben twee typen inductielas-systemen ontwikkeld," merkt Passaro op. "Eén is een vaste machine voor platte oppervlakken en een die robot-gebaseerd is voor complexe, 3D-geometrieën. Beide stellen continue lassen op industriële schaal in zonder additionele materialen in de letsel te vereisen, maar leveren nog steeds zeer hoge hechtingprestaties in assemblages."

CETMA heeft inductielassen gedemonstreerd op composietlaminaten gemaakt met koolstofvezel geweven stof en unidirectionele (UD) tape alsook een bereik van matrix-materialen: PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 en een hybride thermoharde epoxy/PVB (polyvinyl butyral) thermoplastisch systeem.

Het heeft ook zijn expertise in computermodellering en simulatie toegepast op het inductielas-proces. "Dit stelt ons in staat om de temperatuurevolutie in het letselgebied tijdens lassen te voorspellen, wat een fundamentele hulp biedt bij het optimaliseren van procesparameters," zegt Passaro.

 

Clean Sky 2 en composiet R&D-projecten

Naast KEELBEMAN, is CETMA's AMP-afdeling momenteel betrokken bij vier andere Clean Sky 2-projecten.

TRINITI - Multi-materiaal thermoplastische hoge-druk stikstoftanks voor vliegtuigen (JTI-CS2-CFP09-2018-02). Het tweejaarproject, dat in 2019 startte, heeft als doel een prototype vliegtuigtank te bouwen voor langdurige opslag van stikstof voor brandbestrijdingsdoeleinden. Diehl Aviation (Gilching en Dresden, Duitsland) is de topic-manager voor het project. Partners omvatten ook aerospace R&D-lab Novotech s.r.l. (Napels, Italië), Composites Testing Laboratory (Inverin, Co. Galway, Ierland). Het project zal multi-materiaal thermoplastische composiet-tanks produceren door een combinatie van processen zoals co-extrusie om een multi-laag en multifunctionele liner/laminaat te vormen, gevolgd door in-situ consolidatie (ISC) met laser-geassisteerde geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP). (Voor meer over ISC AFP, zie "Consolidating thermoplastic composite aerostructures in place, Part 1 and Part 2".) Een doel binnen TRINITI is om micro-kraking in cryogene omgevingen te reduceren of zelfs te elimineren. Momenteel werkt CETMA aan het identificeren van alle thermoplastische materialen die aan de eisen van aerospace-drukvaartuigen kunnen voldoen.

SPARE – Full scale innovatieve composiet passagiers- en vrachtvloer-roosters voor regionale vliegtuig-fuselage vat-demonstratoren – (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14). Gestart in okt 2018, dit 18-maandenproject heeft als doel full-scale passagiers- en vrachtvloer-roosters te produceren gemaakt met koolstofvezel-versterkte thermoplastische (TP) composieten. De hoogst geautomatiseerde productie omvat progressieve rolvorming en inductielassen voor assemblage. Het doel is gewicht en terugkerende kosten te reduceren ten opzichte van traditionele metaal- en thermoharde composiet-oplossingen. De composiet-vloer-roosters zullen geassembleerd worden in de Clean Sky 2 regionale vliegtuig-fuselage demonstratoren voor on-ground-testen en geëvalueerd voor technisch en economisch impact alsook vlamweerstandprestaties per FAR 25.583 regelgeving. Topic-leider is Leonardo terwijl CETMA het project coördineert in samenwerking met machinefabrikant OMI S.r.l. (Fogliano Redipuglia, Italië).

  CETMA heeft infrarood-thermografie (IRT) ontwikkeld voor diverse processen, inclusief inductielassen van thermoplastische composiet huid-stringer-assemblages (boven) en testen van die assemblages (onder).

Een van CETMA's hoofd-bijdragen aan SPARE is de ontwikkeling van infrarood-thermografie (IRT) voor inline-monitoring van de progressieve rolvorming. Dit proces onderwerpt rollen van TP-composiet-laminaat aan compactie en verwarmen tot de materiaal-proces-temperatuur, complexe vorm en ontwerpdikte is bereikt. "Echter, het is belangrijk om ervoor te zorgen dat de binnenste lagen volledige smelting van de matrix en consolidatie ervaren," legt Passaro uit. "Bovendien is er een smal temperatuurvenster dat smelting garandeert maar de polymere niet degradeert. IRT is een contactloze methode die gestraalde warmte-energie over het onderdeeloppervlak meet met hoge nauwkeurigheid."

CETMA gebruikte vensters van zink-selenide (ZnSe) om in de gesloten apparatuur te kijken. Transparant voor IR-golven, presteren ze bij temperaturen tot 500°C. Twee dergelijke vensters werden geconstrueerd in de SPARE-project progressieve rolvormings-lijn met IRT-camera's aufgehangen erboven om een bijna loodrechte kijk op het verwerkte materiaal te hebben. Bewerkbare controlsftware maakte het mogelijk om te monitoren, registreren en alarmeren als waarden buiten het gedefinieerde doelbereik vielen.

 

Uniformiteit van de materiaaltemperatuur door de profiel-dwarsdoorsnede werd geëvalueerd bij de twee grenspunten — lijn 1 is dicht bij de verwarminstap en lijn 2 verder langs het vormproces. Elke werd verdeeld in 3 opeenvolgende stappen (Fig. 19): initiële fase (stap 1), vormproces gestart (stap 2) en vormen met verminderde snelheid (stap 3). IRT toonde aan dat temperatuur aan de uiterste randen van het laminaat lager was dan in het centrale gebied, wat leidde tot onevenmatige verwarmin en mechanische eigenschappen. Een 3D-representatie van de IRT-geregistreerde oppervlaktetemperaturen (Fig. 20) bood een visuele hulp om de temperatuurdistributie beter te begrijpen.

TOD – Thermoplastic on Doors (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12). TOD streeft ernaar om snelle productie en assemblage van een full-scale thermoplastische composiet-deur (inclusief fuselage-substructuren) voor een regionaal vliegtuig te ontwikkelen en te valideren. TOD is onderdeel van de Clean Sky 2 Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform), die de integratie van technologieën ontwikkeld in de Clean Sky fase één Green Regional Aircraft ITD (Innovative Technology Demonstrator) naar een hogere complexiteits- en rijpgraad til via twee vliegende test-beds en drie grote geïntegreerde grond-demonstratoren. Onder leiding van Leonardo, zal CETMA samenwerken met projectpartners The Welding Institute (TWI, Cambridge, VK) en aerospace Tier 1- en engineering/industrialisatie-firma DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Italië).

De voorgestelde benadering omvat optimalisatie en validatie van thermoforming voor componentfabricatie en joining-processen zoals inductielassen (IW) en resistieve implantaat-lassen (RIW), die gewichtsreductie mogelijk maken door mechanische bevestigingen te elimineren. TOD zal ook industrie 4.0-automatisering en inline-monitoring bevorderen om hoge-snelheidsproductie van hoge-kwaliteit-onderdelen (nul defecten) met robuuste procescontrole te ondersteunen. Verwachte voordelen omvatten:

• Minimaal 15% gewichtsreductie
• Reductie van afval en schroot met 10% door sensoren en inline-monitoring
• Tot 75% energiebesparing ten opzichte van standaard autoclave-verwerking
• Gereduceerde terugkerende kosten via adaptieve slimme productie (verhoogde flexibiliteit, verminderde volledige lijn-hulpmiddelkosten)
• Verbeterde CO2-uitstoot tijdens productie en lichter vliegtuig-bedrijf.

CETMA is betrokken bij tal van andere ontwikkelingsprojecten. Een voorbeeld is NHYTE (New Hybrid Thermoplastic Composite Aerostructures manufactured by Out of Autoclave Continuous Automated Technologies) dat als doel heeft innovatieve geïntegreerde aerostructuren te demonstreren gemaakt van hybride thermoplastische matrix-materialen met multifunctionele mogelijkheden.

Gefinancierd onder het Horizon 2020-programma en geleid door NOVOTECH (Napels, Italië), NHYTE startte in sep 2018 en was gepland om in jan 2020 te eindigen. Het hoge-prestatie hybride materiaal is gebaseerd op een commerciële koolstofvezel/PEEK-prepreg met toegevoegde amorfe PEI-films om in-situ-consolidatie met geautomatiseerde vezelplaatsing (ISC AFP) te mogelijk maken en vervolgens assemblage via CETMA's gepatenteerde inductielas-technologie. CETMA heeft een brede karakteriseringscampagne voltooid bestaande uit fysiek-mechanische en virtuele testen van het hybride composietmateriaal en inductielas-procesopzet.

 

Koolstofvezel recyclen

Een ander sleutelgebied voor CETMA is recycling. Het CIRCE-project heeft als doel prepreg-schroot gegenereerd tijdens composietonderdeelproductie te recyclen in een compressievormings-compound, dat vervolgens gebruikt zal worden om teen-inserts voor veiligheidsschoenen te vormgeven. CETMA zal dit secundaire rauwmateriaal karakteriseren en een numeriek model ontwikkelen om de structurele prestaties van de schoen-inserts te voorspellen. Dit model zal helpen de impactgedrag te analyseren en te verifiëren om aan veiligheidsregelgeving te voldoen, met resultaten gebruikt om de teen-inserts-ontwerp te verfijnen en te finaliseren. Het Italiaanse projectteam omvat Base Protection (Barletta), composiet-motorsport/automobiele-onderdelenfabrikant HP Composites (Ascoli Piceno), machine- en productielijn-specialist Elks Group (Ascoli Piceno) en Petroceramics (Stezzano).

 

Misschien is CETMA's grootste investering in recycling tot nu toe geweest via het REVALUE-project gericht op REcycled koolstofvezels voor hoge VALUE-composieten. Gefinancierd door het European Institute of Innovation & Technology (EIT, Boedapest, Hongarije), is het doel van het REVALUE-project om gerecyclde koolstofvezel (RCF) geleverd door toonaangevende producent ELG Carbon Fibre (Coseley, VK) met pyrolyse te combineren met virgin en gerecyclde thermoplastische polymeren om huidige materialen te vervangen die gebruikt worden door Centro Ricerche Fiat (CRF, Turin, Italië) voor de productie van geselecteerde automobiele-componenten.

Echter, zoals opgemerkt in het jan-feb 2020 JEC Composites magazine artikel, "New sizing formulation for recycled carbon fibres" door Alessandra Passaro, et. al., heeft RCF geproduceerd door pyrolyse geen sizing, wat de brosse vezels vatbaar maakt voor frequente breuk tijdens afhandeling alsoos scheiding van de vezel-tows in filamenten, wat resulteert in een verwarrende, "fluweelachtige" vorm met lage bulk-dichtheid. Als deel van REVALUE, ontwikkelde CETMA een specifieke formulering van sizing voor RCF, compatibel met virgin of gerecyclde polypropyleen (PP) en PA6. Vervolgens evalueerde het de sizing-capaciteit om RCP-verwerkbaarheid te verbeteren en de interface met de geselecteerde thermoplastische matrices te vergroten.

Om dit te doen, ontwikkelde CETMA een pilot-plant voor sizing van RCF, in staat om de sizing in kilogram-hoeveelheden toe te passen en tegelijkertijd het effect van de hoofdparameters op het depositieproces te evalueren. De plant omvat drie hoofdstations: behandeling van sizing en wassen van de vezels; afhandeling van de droge vezels voor en na behandeling; en oven-drogen van de vezels. Vier kilogram RCF per dag kan in een continue cyclus behandeld worden.

De gesize RCF van CETMA werden vervolgens gebruikt door het Franse onderzoekscentrum CEA en Franse compounder SUEZ om een vormmassa te produceren met virgin en gerecyclde thermoplastische polymeren. Fysisch-chemische karakterisering van de compounds was voltooid, en de capaciteit van de CETMA-sizing om de finale composiet-mechanische prestaties te verbeteren, geverifieerd.

 

De innovatieve RCF-vormmassen werden vervolgens gebruikt om automobiele semi-structurele componenten te injectie-vormgeven die momenteel gemaakt worden met glasvezel-versterkte PP of PA6. Naast het duidelijke voordeel in recycling en hergebruik van materialen, werden ook reductie van voertuiggewicht, brandstofverbruik en CO2-uitstoot gedemonstreerd.

Buiten REVALUE, heeft CETMA ook verder ontwikkeld en geëvalueerd sizing voor RCF in meerdere composietprocessen inclusief compressievorming, vacuüminfusie en RTM, met verbeterde eigenschappen in alle gevallen.

 

Structurele gezondheidsmonitoring (SHM)