High-Pressure RTM: efficiënte, kosteneffectieve productie van CFRP luchtvaartstructuren

Toen resin transfer molding (RTM) ongeveer een decennium geleden begon over te gaan in high-pressure RTM (HP-RTM), werd het vooral geprezen voor automotieve toepassingen, het reduceren van composietonderdeel cyclusduur van uren tot minder dan 2 minuten. Minder is gezegd over het toepassen van deze technologie op luchtvaartonderdelen. De vliegtuigindustrie heeft een lange geschiedenis met conventionele RTM, inclusief het gebruik ervan om duizenden koolstofvezel-versterkte plastic (CFRP) waaierbladen en containmentschillen voor commerciële vliegtuigmotoren te produceren. Airbus heeft zelfs een 7-meter lange, één-stuks composiet multispar flap voor de Airbus A320 geprototyped met RTM. Maar is het mogelijk om deze ervaring met urenlange processen om te zetten in volledig geautomatiseerd vormgeven van composiet vliegtuigonderdelen in minuten? Verschillende sleutelspelers zeggen dat het mogelijk is.

Traditionele RTM, hier aangeduid als LP-RTM voor duidelijkheid, gebruikt typisch injectiedrukken van 10-20 bar. HP-RTM daarentegen gebruikt injectiedrukken van 30-120 bar.

"We begonnen 10 jaar geleden met luchtvaart RTM-verwerking via een EU-gefondeerd project om rompframes te produceren," zegt Bernhard Rittenschober, hoofd van research and development voor Alpex Technologies (Mils, Oostenrijk), een leverancier van innovatieve tooling systemen voor seriële composietonderdeelproductie. "Op dat moment waren de voorspellingen dat veel onderdelen voor de [Airbus] A350 met RTM gemaakt zouden worden, maar dit gerealiseerde zich niet." Alpex bleef echter aan de technologie werken, en als leverancier aan zowel de auto- als luchtvaartindustrie, begon te kijken hoe de processen in deze twee industrieën samengevoegd konden worden. "Het idee was om de [Hexcel] RTM6 epoxyhars gekwalificeerd in de luchtvaart te gebruiken, maar met automotieve tooling best practices en een geautomatiseerd injectiesysteem voor lagere cyclusduur," legt Rittenschober uit.

Het resultaat was een onderzoeksprogramma van 2013-2015 genaamd TAKE OFF, gefinancierd door de Oostenrijkse overheid, waar Alpex aan deelnam met partners Airbus Helicopters (Donauworth, Duitsland faciliteit), leverancier KraussMaffei (München, Duitsland), testspecialist Aerospace and Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Oostenrijk) en harsleverancier Hexcel (Stamford, Conn., VS). Het programma demonstreerde dat HP-RTM resulteerde in een 30 procent kostenreductie voor een A350 deurframe en significante technologieontwikkeling, inclusief gebruik van een two-component (2K) harsysteem, intelligente injectie en harding monitoring via in-mold sensoren en de mogelijkheid om de onderdeelcyclusduur verder te verminderen. Alpex heeft de ontwikkeling voortgezet en ziet potentieel voor deze HP-RTM technologie om te helpen de huidige CFRP productieproblemen te overwinnen.

Dit standpunt wordt ondersteund door het Composites Technology Center (CTC), een dochteronderneming van Airbus Operations GmbH, dat ook al een decennium geautomatiseerde RTM ontwikkelt, eerst met LP-RTM en toen overgaand op HP-RTM ongeveer vijf jaar geleden. (CompositesWorld noteerde CTC's KraussMaffei HP-RTM machine en ontwikkelingswerk tijdens een 2016 tour door hun faciliteit.) "HP-RTM lost de knelpunt van injectie en harding op door zijn high-speed mixing, wat het gebruik van hoog reactieve harsen mogelijk maakt," legt Jan Schiller, CTC projectleider voor productiesystemen en lead contact voor RTM-technologieën, uit. "We hebben een proces ontwikkeld dat enigszins complexe geometrie onderdelen van 1-2 meter produceert, voldaan aan luchtvaartvereisten (bijvoorbeeld 60 procent vezelvolume en minder dan 2 procent gaten) in een cyclusduur van 20 minuten." Hij voegt toe dat na bezoeken en discussies met Airbus-leveranciers vorig jaar, een aantal onderdelen geïdentificeerd zijn voor overgang naar HP-RTM, wat hogere productiesnelheden voor het A320 vliegtuig mogelijk maakt. "We ontwikkelen nu specifieke verwerking voor deze en werken dit jaar eraan om ze in seriële productie te krijgen."

HP-RTM A350 deurframe

Alpex's ontwikkeling werd voltooid via het Oostenrijkse TAKE OFF programma via een project genaamd SPARTA. "Airbus Helicopters koos het onderdeel," herinnert Rittenschober. "Dit deurframe is wat je ziet als je in een A350 stapt met de deur open. Het is ruwweg 2 meter hoog, 200-250 millimeter breed en 8-10 millimeter dik, met een complexe vorm en ontwerpkenmerken om aan de diverse eisen van de gemonteerde deur te voldoen, wat primaire structuur is." De A350 deur bestaat uit 14 onderdelen gemaakt door Airbus Helicopters in Donauworth, Duitsland, met LP-RTM. Het frame gekozen voor SPARTA is een van de meer uitdagende onderdelen van de deur. "Het is een goed demonstratieonderdeel omdat we HP-RTM direct kunnen vergelijken met standaard luchtvaart LP-RTM," voegt Rittenschober toe.

Alpex ontwierp en bouwde de LP-RTM tooling die momenteel gebruikt wordt voor A350 deurframe productie bij Airbus Helicopters. Voor het ontwerp en de bouw van de HP-RTM tooling, zou het een meer automotieve mindset toepassen. "Ons doel was om automotieve-type automatisering in luchtvaart composietonderdeelproductie mogelijk te maken," zegt Rittenschober. "Dit is nodig als Airbus een toekomstige A320 gaat bouwen met meer composietonderdelen en een snelheid van 60 tot 100 vliegtuigen per maand."

Hij vervolgt: "We kwamen van het produceren van matten voor BMW, die actief probeerde zijn onderdelen en processen te vereenvoudigen om cyclusduur te verminderen, terwijl Airbus kwam van eerdere luchtvaartcomplexiteit. Bijvoorbeeld, toen we begonnen, vroeg Airbus Helicopters hoeveel onderdelen deze molde zou hebben." Let op, de huidige LP-RTM deurproductie omvatte complexe multi-piece tools. "We lieten weten dat de HP-RTM tool gewoon één boven- en één ondermold zou hebben," zegt Rittenschober.

Dus Alpex begon met een eenvoudig molde-ontwerp en voegde dan kenmerken toe om verwerking robuuster en flexibeler te maken - bijvoorbeeld, afdichtingssystemen gebruikt voor high-volume automotieve productie. "Plus, we hebben alle sensoren geïntegreerd in de molde," merkt hij op.

Preforms en proces

De preforms momenteel gebruikt voor de A350 deurframe gebruiken geweven materiaal en vereisen meerdere debulking stappen, wat resulteert in een drie-daagse productiecyclus. "We besloten non-crimp fabric (NCF) te gebruiken," zegt Rittenschober. "Dit verlaagt prijs en cyclusduur aanzienlijk. We hebben ook enkele onderdelen gedemonstreerd met de Hexcel-gekwalificeerde geweven preforms, maar we zien een switch in de composietindustrie buiten de luchtvaart, met ontwikkeling door SGL en anderen weg van geweven stoffen en naar tapes en lagere-kost vormen zoals NCF's."

Toegepast op injectiepunten en eventuele problemen met vezelwassing, legt Rittenschober uit dat de HP-RTM tool slechts één injectiepunt heeft, maar er is geen vezelwassing omdat de preform gespannen is zodat het in de molde fix is en zeer stabiel.

Een ander belangrijk punt is dat Alpex ervoor koos om een two-component (2K) harsysteem te gebruiken in plaats van de one-component RTM6 momenteel gebruikt door Airbus Helicopters. Rittenschober beweren dat het 2K systeem meer reactief kan zijn, wat beter past bij HP-RTM, en kan kosten besparen omdat het niet voorgemengd is en geen gevaarlijke materialen verzending vereist. Het vereist echter een hogere temperatuur van 180°C. "Dit was het meest uitdagende deel voor ons," zegt Rittenschober, "omdat we meer gewend waren aan verwerken bij 120°C."

KraussMaffei installeerde, in zijn lightweight tech center in München, Duitsland, de voltooide tooling in zijn RimStar Compact HP-RTM systeem met geautomatiseerde, high-pressure (tot 80 bar/1.100 psi) mix, meter en injectie. Het produceerde toen 20 demonstratieonderdelen. Rittenschober beschrijft het basale proces: Injecteren bij 80°C, opwarmen naar 120°C, 1 uur houden, opwarmen naar 180° en 90 minuten harden, afkoelen (2°C/min) en demolden. "De injectie duurt maar 20 seconden," zegt hij, "maar de totale moldingscyclus is ongeveer vier uur."

Cyclusduur en kosten

De nog steeds langdurige hardingscyclus voor het SPARTA deurframe wordt gedreven door de Hexcel RTM6 harsformulering en verwerking die Airbus-gekwalificeerd is. "We waren in staat om hardingscycli van 30 minuten bij 180°C te bereiken met een additionele post-harding onder vacuum daarna om thermische spanning te verwijderen en mechanische eigenschappen te waarborgen," merkt Rittenschober op, met de toevoeging dat de eigenschappen heel goed waren en vergelijkbaar met het LP-RTM onderdeel.

"We lieten zien dat je het proces kunt gebruiken en productie kunt automatiseren voor hogere onderdeelvolumes," zegt Rittenschober. "Je kunt injecteren en harden in de molde en dan post-harden buiten de pers." Hij toegeven dat dit extra sets tools vereist, maar slechts één pers en injectie-eenheid. "Met dit systeem kun je de onderdeelkosten met €700 verminderen, wat je in staat stelt de apparatuur gemakkelijk te betalen met een productiesnelheid van 500 tot 1.000 onderdelen/jaar, wat niet eens een erg hoog volume is."

CTC procesontwikkeling en demonstratoren

Naast tooling en proces, omvatte het HP-RTM deurproject ook innovatief gebruik van vezelformaat. "We begonnen met geweven textiel al gekwalificeerd door Airbus en waren erg succesvol," herinnert Schiller. "Toen gingen we door met NCF en meer innovatieve textiel." De laatste omvatte droge vezelplaatsing en interleaving met spread tow lagen voor verhoogde zachtigheid, maar het laatste presenteerde problemen met strakke verpakking van vezels en lagen, wat slechte permeabiliteit veroorzaakte en harsinfiltratie hinderd. "Er zijn ook ontwikkelingen om dit aan te pakken, zoals NCF met speciale vezels om permeabiliteit te verbeteren," voegt hij toe.

Over drukken voor HP-RTM, benadrukt Schiller dat de beslissing om het proces te gebruiken meer gedreven werd door mengtechnologie uit de polyurethaanindustrie dan door hoge procesdrukken. "We gebruiken HP-RTM gewoon om een goede menging van hoog reactieve harsen te krijgen," legt hij uit. "Er kan iets hogere druk in de molde zijn, maar dit is een secundair effect van snelle injectie. Voor automotieve onderdelen met 2-minuten cyclusduur, moeten ze de droge preform veel sneller met hars infiltreren dan wij. Onze 15-minuten hardingstijd laat meer tijd voor harsinfiltratie, wat ook de druk in de molde verlaagt."

Pers tonnage hangt onder andere van de onderdeelgrootte af. "Onderdelen tot 2 meter maken goed werk (ongeveer 1.500 ton) maar onderdelen van 4-6 meter vereisen het berekenen van de business case omdat de persinvestering erg hoog wordt," zegt Schiller. CTC toonde een 1,5-meter bij 0,5-meter CFRP rib die elk mogelijk luchtvaart primaire structuur vertegenwoordigt op JEC World in 2018. Het zal ook een hogere-tonnage pers ontvangen eind 2019.

2K harsen en sensor-gebaseerde QA

Schiller observeert dat alle eerdere RTM vliegtuigstructuren alleen 1K systemen hebben gebruikt, gemengd door de leverancier, die dan de menging certificeert en de aansprakelijkheid draagt voor het waarborgen dat de hars aan de kwalificatievereisten voldoet. "Nu overwegen we 2K systemen, maar de uitdaging is om de mengkwaliteit te waarborgen," legt hij uit. Voorgemengde 1K systemen vereisen koude verzending en opslag om reactie te voorkomen tot onderdeelverwerking. Dus voordelen van 2K systemen omvatten eliminatie van deze kosten alsook hogere reactiviteit voor snellere verwerking. Een kwestie is echter dat kwaliteitszekering (QA) zal verschuiven van de harsleverancier naar de onderdelenfabrikant. "Deze QA vereist detectie van de mengverhouding EN de gemengde harskwaliteit. Beide zijn nodig voor Airbus kwalificatie van een nieuw materiaal. Dus dit betekent metingen van de twee componenten net voor het mengen en van de hars na mengen. Vandaag hebben we alleen sensoren voor de mix head, die laten hoeveel hars en hoeveel hardener in de mix gemeten worden. Dit is niet genoeg voor kwalificatie."

Alpex werkt derhalve aan het ontwikkelen van een inline kwaliteitssysteem om de verificatie van 100% correct gemengde hars te bieden die Airbus vereist. "We hebben gewerkt met Netzsch in-mold sensoren vanaf het begin van deze ontwikkeling," merkt Rittenschober op. "Nu Netzsch gepartnerd is met Kistler (Winterthur, Zwitserland), is nieuwe technologie beschikbaar. We kunnen temperatuur, druk en de harding van de hars monitoren vanuit een enkele sensor, die we in de molde opnemen."

"Alpex zegt in-mold sensoren te gebruiken, en de mix/injectie leveranciers zeggen dat de sensoren in HUN systemen moeten zitten," zegt Schiller. "Beide hebben gelijk." Maar hij merkt op dat er ook verbetering nodig is in de laatste. "In automotieve HP-RTM wordt de hars mengverhouding gemeten over het complete proces, dus het is een gemiddelde. Echter, ik heb deze meting nodig op elk discrete punt tijdens het proces, zodat ik weet dat de mengverhouding altijd correct is, zelfs voor de laatste halve seconde tijdens injectie. We hebben betere tijdresolutie in de meetsystemen nodig." Schiller suggereert dat sensoren waarschijnlijk nodig zullen zijn voor de mix head, IN de mix head EN in de molde. "We werken aan deze QA-ontwikkeling parallel aan het evalueren van 2K harsen in luchtvaarttoepassingen, en samen met de machineleveranciers hebben we sensoreensystemen geïdentificeerd die voldoende resolutie beloven. Ze zullen dit jaar gevalideerd worden."

Alpex test ook een nieuwe hybride multifunctionele piezoelectrische sensor ontwikkeld door Aerospace & Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Oostenrijk). Geplaatst OP de RTM-molde, fungeert het als druksensor om de harsvloefront in de molde te monitoren. Eenmaal de geïmpregneerd door de hars en harding begint, wordt verandering in het impedantiespectrum door de sensor gebruikt om de hardingsgraad te bepalen. Eenmaal harding compleet, worden de piezoelectrische sensoren co-gehard op het oppervlak van het onderdeel om gebruikt te worden voor structurele gezondheidsmonitoring of in passieve modus als akoestische emissiesensoren of in actieve modus met behulp van geguidde ultrasone golven. Ze zijn gedemonstreerd voor monitoring van impact en schade op voltooide onderdelen.

Let op dat deze procesdata geanalyseerd kan worden door Industry 4.0 intelligente productiesystemen om routes voor verdere verbeteringen in kwaliteit en efficiëntie te identificeren. Deze procesdata kan ook gelogd worden voor elk onderdeel's digitale tweeling.

Toekomstpotentieel

Rittenschober zegt dat de enige echte obstakel voor de HP-RTM technologie certificering is: "We demonstreren met Airbus Helicopters dat dit proces kan werken, maar iemand moet het certificeren." Schiller is het ermee eens dat het altijd een obstakel is om te vinden wie de eerste zal zijn, maar hij heeft ook business cases berekend voor veel onderdelen over het afgelopen jaar. "Voor 200 onderdelen per jaar, heeft het geen zin. Echter, voor onderdelen op de A320, bijvoorbeeld, wordt het aantrekkelijk. Elke maand zien we een hogere doelsnelheid voor het A320 programma. Veel van deze onderdelen zijn ontworpen in de jaren 80 en worden handmatig geproduceerd, dus ze kunnen veel efficiënter gemaakt worden met HP-RTM."

Met CTC-gedemonstreerde onderdeelcyclusduur van 20 minuten, zou HP-RTM ook aantrekkelijk kunnen zijn voor de elektrische verticale opstijgen en landen (eVTOL) vliegtuigmarkt, waar productievolumes van 5.000 vliegtuigen per jaar voorgesteld zijn als bovengrens door air taxi fabrikant UBER.

Alpex zal blijven een reeks RTM-voortgang ontwikkelen, zegt Rittenschober. "We geloven dat HP-RTM echt potentieel heeft om te helpen sommige van de issues met meer kosteneffectieve, geïndustrialiseerde productie van CFRP aerostructuren op te lossen." Schiller is het ermee eens, met de opmerking dat voor veel van de getargete A320 toepassingen, er talrijke CFRP onderdelen per shipset zijn. "Dus het voordeel van een efficiënter proces begint op te lopen. Als we de eerste toepassing in productie krijgen, zullen er anderen volgen."