Snelle groei van thermoplastische composieten in de luchtvaart drijven

 Continu fiber-versterkte thermoplastische composieten (TPCs) worden aangehaald als een enabling technology voor de toekomst van duurzame vliegtuigen, biedend verhoogde productiesnelheden van lichtgewicht, hoge-toughness onderdelen die zonder gaten of bevestigingsmiddelen gelast kunnen worden in economische gelaste assemblages.

CW publiceerde een reeks artikelen in 2018 over TPC tapes, in-situ consolidatie en lassen en presenteerde twee webinars in 2019 over TPCs in automotieve toepassingen en TPC ontwikkelingen voor luchtvaart. Meeste van mijn artikelen en presentaties tot nu toe refereren naar TPC onderdelenfabrikanten en apparatuursleveranciers in Europa, alsook Trelleborg's Automated Dynamics divisie in de VS. Ik deed ook een tour van VS-gebaseerde Tri-Mack Plastics. Maar ik heb helaas een andere TPC onderdelenfabrikant hier in de VS over het hoofd gezien die 15 jaar lang de technologie en productiegrens stilzwijgend vooruit geduwd heeft. ATC Manufacturing – gelegen in Post Falls, Idaho net buiten Spokane, Washington – produceert één miljoen onderdelen per jaar, alle continuous fiber-versterkte thermoplasten en alle voor de luchtvaartindustrie. Met een unieke expertise in snelle vorming van 3D-onderdelen ontwikkeld, is ATC ook een sleutelpartner in het RApid high-Performance Molding (RAPM) onderzoeksprogramma met Boeing Co. (Chicago, Illinois, VS) en de Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA, Arlington, Virginia, VS) voor het VS Department of Defense (DoD).

ATC Manufacturing produceert één miljoen thermoplastische composietonderdelen per jaar voor luchtvaarttoepassingen, inclusief ribben, klemmen, beugels en versterkers. BRON: ATC Manufacturing

Wie is ATC?

ATC Manufacturing werd in 2004 opgericht door voormalig Boeing ingenieur Dan Jorgenson, die het bedrijf's co-chairman blijft. "We hebben altijd een sterke technische en engineering focus gehad," zegt David Leach, director of business development voor ATC Manufacturing. Het bedrijf heeft ook een lange geschiedenis met Boeing, erkend als Silver level leverancier de afgelopen vijf opeenvolgende jaren en genomineerd als Boeing Supplier of the Year in 2016 en 2017. "We zijn voornamelijk een build-to-print bedrijf geweest, gestart in klemmen, beugels en kleinere gestempelde onderdelen," zegt Leach. "Maar in recente jaren zijn we uitgegroeid tot meer complexe assemblages, alsook veel dikker, grotere onderdelen – tot 60 inch in lengte – en onderdelen gericht op primaire structuren." De laatste omvatten structurele wingtip componenten, lange balken met aangepaste layups in een verscheidenheid van dwarsdoorsnedes alsook romphuls- en empennage structuren.

Het bedrijf heeft 150 werknemers met meer dan 20 ingenieurs. De productie is gericht in een enkele 67.000 vierkante voet faciliteit, doelmatig gebouwd in 2015 en ontworpen voor geoptimaliseerde workflow met ruimte om uit te breiden. (Let op, 52.500 vierkante voet ruimte is al voor toekomstige groei voorbehouden.) "Alles is onder één dak," merkt Leach op, "wat operaties vereenvoudigt." Dit omvat negen stampvormpersen met capaciteiten variërend van 30 tot 150 ton en platenoppervlakken tot 60 inch bij 30 inch. "We installeren een extra 200-ton pers die eind 2019 volledig operationeel zal zijn," voegt hij toe. ATC heeft 10 CNC bewerkingsstations capabel om onderdelen tot 12 voet lengte te hanteren en waterjet snijden voor onderdelen tot 30 voet lengte.

ATC Manufacturing bedient 9 stampvormpersen, inclusief de 80-ton pers getoond hier, met capaciteiten tot 150 ton en platenoppervlakken tot 60 x 30 inch. BRON: ATC Manufacturing

Non-destructieve inspectie (NDI) is ook geïntegreerd in de faciliteit's operaties en workflow ontwerp, inclusief vijf C-scan tank systemen die pulse-echo en through-transmissie testen bieden voor onderdelen tot 30 voet lengte. Andere in-house expertise omvat alle oppervlaktevoorbereiding en schilderen. "We hebben zeer efficiënte oppervlaktepreparatie voor thermoplastische composieten ontwikkeld, die moeilijk te schilderen en lijmen kunnen zijn," zegt Leach, merkend dat ATC ook gewerkt heeft aan plasma behandeling van TPC onderdelen. Het bedrijf schildert 200.000 onderdelen/jaar en randzeelt 70.000 onderdelen per jaar.

"We hebben ook zwaar geïnvesteerd in onderzoek, zoals het RAPM programma voor DARPA, en we zijn leden van het ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Enschede, Nederland)," gaat hij verder. ATC deelt mee aan de TPRC's 10-jarig jubileumconferentie getiteld "Future of Thermoplastic Composites" te houden op 8 oktober aan de Universiteit van Twente in Nederland. "Corbin Chamberlain, ATC vice chairman zal op een panelsessie zitten en we zullen ook luchtvaart structurele onderdelen demonstreren die we gefabriceerd hebben op een tentoonstelling die in samenhang met de conferentie gehouden wordt," zegt Leach.

Geschilderde thermoplastische composiet kanalen met montages geïnstalleerd. BRON: ATC Manufacturing

Van stoffen naar UD tape, vormen en snelle cyclus tijden

Hoewel ATC's productie van TPC beugels en klemmen begon met stofversterkingen, zijn ze nu gemigreerd naar het gebruik van unidirectionele (UD) tape. "We zijn dan geëvolueerd naar grotere structurele onderdelen omdat we al goede ervaring hadden ontwikkeld met hoe 3D-onderdelen met UD tape te vormen," legt Leach uit. "Deze onderdelen, die variëren in dikte van 1-2 millimeter tot 6,5 millimeter, moeten passen op andere structuren. We moeten strakke dimensionale toleranties halen voor aanliggende oppervlakken, bijvoorbeeld ± 0,010 inch (0,25 millimeter) profieltolerantie en ± 0,5 graden hoektolerantie."

Het bedrijf begon toen met het ontwikkelen van lange TPC profielen. "We maken onze eigen vlakke laminaatvoorraad met behulp van continuous compression molding (CCM)," zegt Leach. "We hebben twee CCM machines voor vlakke laminaat en een die TPC prepregs vormt in een continu 3D profiel, producerend kanalen tot 75 voet in lengte."

Thermoplastisch composiet profiel gevormd met continuous compression molding (CCM). BRON: ATC Manufacturing

Toen gevraagd naar de uitdagingen in het vormen van 3D profielen en vormen, legt ATC Manufacturing's director of R&D engineering, Trevor McCrea, uit dat met stoffen, "het weefsel zelf controleert veel van de deformatie die aan de gang is. Met UD zijn er andere dynamieken. Bijvoorbeeld, 90° tot de straal wil uittunen of indikken, maar je kunt dat niet hebben in een structureel onderdeel. Deze problemen worden erger met complexere vormen. Je hebt ook meer uitdaging in hoe het proces te managen in vormen."

Het proces managen? "Voor ons is dit heel anders dan vormen in thermosets omdat we slechts 2 seconden hebben om te vormen," zegt McCrea. "Je kunt veel zonden bedekken in een autoclave cyclus," voegt hij toe. "Maar we gebruiken heel snelle vorm- en stampingsprocessen zonder die marge. We moeten ook kristalliniteit managen." Dit is omdat zwaar belaste luchtvaartstructuren semi-kristallijne thermoplastische matrix polymeren gebruiken – zoals polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK) en low-melt polyaryletherketone (LM PAEK) – die hun opvallende mechanische eigenschappen en chemische resistentie afleiden van de kristallijne structuur die ontstaat tijdens afkoeling. "Je kunt isothermisch kristalliseren, wat niet te moeilijk is voor platte platen maar veel uitdagender wordt met 3D vormen," zegt McCrea. "De materialen moeten voldoende verhit worden om te vormen [let op smelttemperaturen voor deze materialen liggen tussen 300-400°C] maar dan snel genoeg afkoelen om hot demould te kunnen doen om thermisch cycli van de tools te vermijden terwijl vorm, tolerantie, kristalliniteit en oppervlaktefinish beheerd worden."

Een van de redenen dat TPC onderdelen in recente jaren gegroeid zijn, is hun capaciteit om echt snelle cyclus tijden te bieden. "We hebben ribben voor militaire vliegtuig demonstrators gemaakt met een cyclus tijd van 5 minuten, en onze gemiddelde cyclus tijd is ongeveer 10 minuten," merkt Leach op. "We kunnen de hoge productiesnelheden mogelijk maken die vliegtuig OEM's momenteel zoeken." Die heel snelle gemiddelde cyclus tijd resulteert eigenlijk in een constant veranderende mix van onderdelen. "We zouden graag gewoon één onderdeel voor maanden op eind produceren, maar onze snelheidscapaciteit overstijgt die van vliegtuigproductie," zegt McCrea. "Dus we cyclen constant door verschillende onderdelen." Meeste van ATC's productie is op één shift per dag, 5 dagen per week. "We hebben voldoende capaciteit om verhoogde productie te halen," merkt Leach op.

Thermoplastische composiet structurele riemen en geschilderd profiel. BRON: ATC Manufacturing

Visie voor de toekomst

ATC biedt een significante waarde via zijn decennium-plus TPC productieervaring. "We helpen onze klanten frequenter ontwerpen voor productie," zegt Leach. "We converteren vaak onderdelen van thermoset composiet, bijvoorbeeld een romphuls primaire structurele fitting die geproduceerd wordt om de originele dikte te behouden. Maar het zou een veel lichter onderdeel kunnen zijn als oorspronkelijk ontworpen voor TPC." Waarom? "Omdat deze semi-kristallijne TP matrix materialen hogere prestaties zijn," legt hij uit. "Je hoeft niet te ontwerpen voor microkraken en schade tolerantie zoals je met een thermoset matrix zou doen, en er is ook veel minder hot/wet knockdown. Feitelijk is er geen wet knockdown helemaal in PEEK, PEKK of PAEK. Er is ook geen hot knockdown tenzij je dicht bij de Tg bent, wat typisch ≈150°C is. Voor de standaard open hole compressie (OHC) test voor schade tolerantie, bijvoorbeeld, waar je de sterkte beoordeelt als je de monster overgaat van RT naar 120°C, is er nauwelijks enige knockdown."

"We zullen in staat zijn dunner onderdelen te ontwerpen en ook veel van het aluminium en titanium te elimineren dat in de huidige eerste generatie ontwerpen voor composieten zit [zoals de Boeing 787 en Airbus A350 wide body vliegtuigen]," voegt McCrea toe. "We blijven het vormen van deze materialen verbeteren en dat zal nieuwe toepassingen openen."

Leach gelooft dat dit een significante impact zal hebben op toekomstige vliegtuigtoepassingen. "We kijken eigenlijk naar onderdelen nu die je simpelweg niet kunt produceren met thermosets vanwege de eigenschappen en productiesnelheid die gevraagd worden."

Voor meer informatie, zal ATC Manufacturing het technische papier 'Cost Effective Thermoplastic Composites in Aerostructures' presenteren door auteurs Corbin Chamberlain, David Leach en Trevor McCrea op CAMX 2019 in de Thermoplastic Materials and Applications Sessie, woensdag 25 september om 16:00 uur in Zaal 210C.

Het presenteerde ook een gezamenlijk papier met Boeing in een gesloten sessie op SAMPE 2019 (4-7 mei, Charlotte, NC, VS) getiteld: "Rapid High Performance Molding of Structural Thermoplastic Composite Parts". Zie mijn blog: https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications