Thermoplastische composites staan te popelen om commercieel vliegtuig te revolutioneren

Thermoplastische composites (TPC) zijn niet nieuw voor de luchtvaartsector, maar de afgelopen paar jaar hebben het thermoplastische gebruik in commercieel vliegtuig een keerpunt bereikt. Terwijl TPCs al enige tijd gebruikt worden voor kleinere onderdelen zoals klemmen en beugels, of kleinere interieurcomponenten, hebben thermoplastieken incrementeel hun weg gevonden naar grotere vliegtuigstructuren en lijken nu klaar om een grotere rol te spelen in de toekomst van commercieel vliegtuig.

Strategische overnames en allianties

In maart 2018 nam Toray Industries Inc. (Tokio, Japan), de werelds grootste koolstofvezel-fabrikant, TenCate Advanced Composites (Morgan Hill, Calif., VS en Nijverdal, Nederland) over voor €930 miljoen (TenCate heeft sindsdien zijn naam gewijzigd in Toray Advanced Composites). De overname leek een poging om Toray's thermoplastische mogelijkheden te versterken ter voorbereiding op de volgende golf van commercieel vliegtuigontwikkeling. Kort na die aankondiging, kondigden Hexcel (Stamford, Conn., VS) en Arkema Inc. (King of Prussia, Pa., VS) een strategische alliantie aan om thermoplastische composite-oplossingen voor luchtvaart te ontwikkelen, combineren Hexcel's vaardigheid in koolstofvezelfabricage met Arkema's polyetherketoneketon (PEKK) hars-expertise. En gedurende het jaar leken verschillende andere stukken van de thermoplastieken-puzzel op hun plaats te vallen.

In april 2018 onthulde Premium Aerotec GmbH (Augsburg, Duitsland) een demonstrator voor een Airbus (Toulouse, Frankrijk) A320 drukschot dat het had ontwikkeld en geproduceerd met koolstofvezel in een thermoplastische matrix. De demonstrator, die uit acht gelaste segmenten bestaat, illustreert hoe lasbaarheid van thermoplastieken het potentieel heeft om grotere vliegtuigcomponenten mogelijk te maken. (Lees meer over Premium Aerotec's A320 drukschot-demonstrator).

In augustus 2018 lanceerden Solvay (Alpharetta, Ga., VS), Premium Aerotec en Faurecia Clean Mobility (Columbus, Ohio, VS) IRG CosiMo (Industry Research Group: Composites for Sustainable Mobility), een consortium gericht op de ontwikkeling van materialen- en processtechnologieën gericht op het mogelijk maken van hoog-volume productie van thermoplastische composites voor de luchtvaart- en automobielmarkten. Het consortium combineert bedrijven langs de hele thermoplastische composites procesketen van materialen tot machines tot toepassingen in auto en luchtvaart. (Lees meer over het IRG CosiMo-consortium hier).

Solvay is sinds juni 2017 in partnerschap met GKN Fokker (Hoogeveen, Nederland) om technologie voor te dringen en de adoptie van TPCs voor grote luchtvaartstructuren te bevorderen. Het bedrijf lanceerde PEKK-polymerproductie in september 2017 en verdubbelde vervolgens zijn gekwalificeerde UD thermoplastische tape-capaciteit in 2018. Begin 2019 commissioneerde Solvay een toegewijd TPC-onderzoekslab in Alpharetta, Ga., VS, gericht op de ontwikkeling van next-generation materialen. Solvay plannet de kwalificatie van een nieuwe UD-tape-lijn in late 2019 te starten.

Teijin Ltd. (Tokio, Japan) kondigde in januari 2019 aan dat zijn TENAX koolstofvezel en koolstofvezel/thermoplastische unidirectionele voor-geïmpregneerde tape (TENAX TPUD) gekwalificeerd is door Boeing (Chicago, Ill., VS) voor gebruik als intermediair geavanceerd composietmateriaal voor primaire structurele onderdelen (Lees het volledige nieuwsbericht hier).

Naarmate deze en vergelijkbare technologieën en materialen vorderen, komt een beeld van hoe de luchtvaartindustrie in de komende jaren en decennia eruit zou kunnen zien, geleidelijk in focus. De rol van TPCs wordt een steeds groter deel van dat beeld.

Verwerkbaarheid van TPCs

Een groot deel van waarom TPCs hun plaats in vliegtuigprogramma's vinden is hun verwerkbaarheid. Omdat thermoplastieken al volledig gepolymereerd zijn, hebben ze snellere productiesnelheden dan thermoharders, die moeten uitharden.

"Als je kijkt naar de hoeveelheid tijd die het kost om een thermohardend deel te maken vandaag en vergelijkt het met de hoeveelheid tijd die het kost om een thermoplastisch composietdeel te maken, is [thermoplastisch] ongeveer 10 keer sneller," zegt Mike Favaloro, president en CEO van CompositeTechs LLC (Amesbury, Mass., VS), een composietbranche-adviesbureau.

Een groot voordeel van thermoplastische geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) vergeleken met thermohardende AFP - met name gegeven het gebrek aan uithardingscyclus - zijn hogere productiesnelheden door snellere verwerkingstijd. Er zijn kostenbesparingen te vinden in in-situ lamineren en out-of-autoclave (OOA) na-consolidatie. Bovendien maakt het weglaten van de autoklaaf de ontwikkeling van grotere structuren mogelijk.

David Leach, directeur van business development voor ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, VS), erkent dat de eenheidskost van thermoplastieken de kost van thermoharders overschrijdt, maar argumenteert dat TPC-materiaalprijzen zullen dalen. Verder, zegt hij, bieden verwerkings-efficiënties een mogelijkheid om kosten vandaag te verlagen. De algemene consensus in de composietenindustrie is dat OOA thermoplastische processen, nu, kostenbesparingen van meer dan 30 procent bieden vergeleken met thermoharders.

"Thermoplastieken vinden hun weg in programma's zelfs nadat vliegtuigen in productie zijn gegaan," wijst Leach uit. "Het is een getuigenis van de kostenvoordelen van thermoplastieken."

Het potentieel van high-performance matrix-polymeren strekt zich uit verder dan wat momenteel op de markt beschikbaar is. Doug Brademeyer, hoofd van Ultra-Polymers Materialen bij Solvay, zegt dat het bedrijf zowel intern als met partners werkt aan het ontwikkelen van op maat gemaakte polymeren die aangepast zijn aan de verschillende fabricageprocessen.

"We zijn enthousiast over deze op maat gemaakte PAEK-oplossingen en kunnen deze snel commercialiseren in onze wereldwijde assets, gebaseerd op klantbehoeften," zegt Brademeyer.

Low-melt PAEK

Met vliegtuig-OEMs en leveranciers die scharrelen voor hogere productiesnelheden en kortere cyclus-tijden, is verwerkbaarheid de sleutel. Polyetheretherketon (PEEK) is lang de favoriete thermoplastische polymer geweest omdat het de grootste database heeft en het meest uitgebreid gekwalificeerd is. Maar volgens Favaloro biedt low-melt polyarlyetherketon (LM PAEK) enkele voordelen, vooral voor geautomatiseerde verwerkingsmethoden zoals ATL.

"PEEK is verwerkbaar via stampvorming en continue vorming, maar LM PAEK verwerkt bij een lagere temperatuur, heeft een lagere werkende viscositeit wat betere geautomatiseerde verwerking mogelijk maakt, en heeft een lagere graad van kristalliniteit wat residuale vormspanningen vermindert," zegt hij. "Het uiteindelijke doel is om een ATL-machine de tape neer te leggen en klaar te zijn - je hebt de juiste graad van kristalliniteit, een goed venster en goede neerleggsnelheden nodig."

LM PAEK heeft een wijd procesvenster van 350-385°C. Ter referentie, polyphenylene sulfide (PPS) verwerkingstemperaturen lopen van 330-350°C, terwijl polyetherketoneketon (PEKK) en PEEK verwerkingstemperaturen respectievelijk 380°C en 400°C zijn.

"Het materiaal heeft zoveel tractie gekregen vanwege de verwerkbaarheid," zegt Scott Unger, chief technical officer bij Toray Advanced Composites. Toray Advanced Composites collaboreerde met Victrex (Lancashire, VK) om Cetex TC1225 te produceren, een unidirectionele tape met LM PAEK.

"De bedoeling met de ontwikkeling van TC1225 was om een product te creëren dat gemakkelijk verwerkt bij temperaturen dicht bij die gebruikt voor PPS, een gunstige kostenpositie had voor de eindgebruiker en de mechanische en vloeistofweerstandseigenschappen van PEEK had," zegt Unger. "Met TC1225 LM PAEK voel ik dat we al die doelen bereikt hebben."

Cetex TC1225 wordt momenteel gekwalificeerd door het National Center for Advanced Materials Performance (NCAMP, Wichita, Kan., VS). Daarnaast zijn er twee grote luchtvaart-fabrikant-gebaseerde kwalificaties in de werking voor het materiaal, alsook een paar kwalificatiesprogramma's gebaseerd op opkomende markten zoals luchttaxi's en urbane luchtmobiliteit.

Tapes met LM PAEK leveren rapporteerd verbeterde neerleggsnelheden. Tim Herr, directeur van Aerospace SBU bij Victrex, zegt: "De neerleggsnelheden die we kunnen bereiken voor zowel in-situ AFP als out-of-autoclave geconsolideerde AFP zijn ongekend." Hij geeft aan dat 60 meter per minuut bereikt kan worden op oven-geconsolideerde panelen; 20 meter per minuut is rapporteerd mogelijk met in-situ consolidatie.

Wat kwaliteit betreft, claimt Unger dat low-melt PAEK de mogelijkheid biedt om dezelfde laminaatkwaliteit te krijgen met in-situ vezelplaatsing als met een vezelgeplaatst laminaat dat door een na-vezplaatsing oven-consolidatie is gegaan.

Composiethechting

De lasbaarheid van TPCs is een groot voordeel van het materiaal voor gebruik in vliegtuigontwikkeling. Smelthechting/lassen biedt een alternatief voor mechanische bevestiging en het gebruik van lijmen, die beide methoden zijn die gebruikt worden voor het verbinden van thermohardende composietonderdelen.

"Hechten en lassen speelt een grote rol in de toekomst van montage en heeft het potentieel om kosten te verlagen en de betrouwbaarheid van aerostructuren te verbeteren. Bedrijven zoals GKN Fokker nemen de lead in het demonstreren van lassen," zegt Stephen Heinz, productontwikkelingsdirecteur bij Solvay.

"Met thermoplastieken kan een orthogrid veel worden vereenvoudigd door het grid 'butt-joined' aan de schil te maken," legt Arnt Offringa, hoofd Thermoplastische Composieten Technologie-ontwikkeling voor GKN Fokker, uit. "Het grid bestaat nu uit slechts eenvoudige, platte preforms die geco-consolideerd worden met de schil-laminaat om een laagkost, integraal verstevigde schil te vormen. Frames worden op het grid gelast. Deze lassen worden in schuif belast, wat het haalbaar maakt om alle bouten weg te laten."

Hoewel gelaste thermoplastische structuren al enige tijd op vliegtuigen gebruikt worden, lijkt de technologie nu goed gepositioneerd voor gebruik in primaire structuren. Mike Favaloro gelooft dat luchtvaartfabrikanten en OEMs vertrouwen winnen in TPCs, met name met procescontrole. "Op een 10-jaar horizon zullen we het veel meer zien worden geadopteerd," zegt hij.

Lees meer over lastechnologie in Ginger Gardiner's artikel "Welding thermoplastic composites."

Tool-loze productie

Een andere innovatie op de horizon die het versnellen van thermoplastieken gebruik mogelijk kan maken is tool-loze composietproductie. Het concept, zoals de naam impliceert, maakt de noodzaak voor traditionele vormpjes en tooling overbodig, vervangend ze met robotica.

Luchtvaartfabrikant General Atomics Aeronautical Systems Inc. (GA-ASI, San Diego, Calif., VS) ontwikkelt zo'n proces voor de fabricage van thermoplastische composietstructuren. Composite Automation LLC (Cape Coral, Fla., VS), met Mikrosam (Prilep, Macedonië) apparatuur, werkte met GA-ASI om de automatisering te ontwikkelen. Het proces gebruikt twee 6-as robots die samenwerken om thermoplastische tape te plaatsen. Een robot bestaat uit een standaard unidirectionele tape-plaatsingssysteem dat laserverhitting gebruikt om in-situ consolidatie van het thermoplastische materiaal uit te voeren. De tweede robot biedt ondersteuning, werkend tegenover de geautomatiseerde tape-laag (ATL) om een bewegend tooling-oppervlak te bieden waar de ATL tape tegen plaatst. (Om meer te leren, zie "General Atomics Aeronautical developing tool-less thermoplastics composites process.")

Recycleerbaarheid

Een ander voordeel van TPCs is recycleerbaarheid. Omdat thermoplastische polymeren hergesmolten en hergevormd kunnen worden, kijken verschillende bedrijven naar TPCs als een manier om materialen te hergebruiken.

De samenwerking omvat diverse industriële partners in de waarderketen, van materiaal, productie, ontwerp en toepassing, inclusief GKN Fokker, Toray Advanced Composites, Cato Composite Innovations (Rheden, Nederland), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Nederland) en Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Nederland).

Het juiste materiaal voor de juiste klus

Midden in de excitation over deze materialen, rijst de vraag: zijn TPCs aangekomen? Tier 1 en Tier 2 luchtvaartleveranciers investeren in thermoplastieken. Er is meer interesse en investering van kleinere en middelgrote leveranciers. Consortiums als IRG CosiMo kijken naar zowel luchtvaart- als automobielmarkten om processtechnologieën voor te dringen om hoog-volume productie te bereiken.

"Het is de Trifecta," zegt Mead, "OEMs investeren, machine-folks investeren, het juiste materiaal is ontwikkeld. Alle onderdelen van het recept komen samen."

In bredere zin, wat betekent dit alles voor materiaalgebruik op next-generation vliegtuigen? Immiddels zijn er talloze materialen die concurreren om een plek op het vliegtuig van de toekomst, en innovatie vertraagt niet - thermohardende composites evolueren door; aluminium en titanium zullen een rol blijven spelen.

"Naarmate luchtvaartfabrikanten een kwalificatiebasis ontwikkelen met thermoplastieken, hebben ze nu een keuze," zegt Unger. "En die keuze zal gebaseerd zijn op het selecteren van het juiste materiaal voor een gegeven toepassing wat voldoet aan de productiesnelheid en kostvereisten voor het onderdeel of de structuur in kwestie. Als je kijkt naar commerciële luchtvaart gaandeweg, wat ik geloof dat je zult zien is dat luchtvaartfabrikanten het juiste materiaal voor de juiste klus gebruiken. Als een materiaal de meest geschikte structuur voor de laagste kosten mogelijk maakt en aan de programma-bouwsnelheidseisen voldoet, zal het zijn weg op het vliegtuig winnen."

Met de commerciële luchtvaartindustrie die verwacht wordt te verdubbelen in de komende 20 jaar, zal het voldoen aan de vraag naar passagiers- en vrachtvliegtuigen nieuwe technologieën en ongekende productiesnelheden vereisen.

Lees meer over de materialen en processen die next-generation vliegtuigen zullen vormgeven in een verzameling verhalen van CompositesWorld, Modern Machine Shop en Additive Manufacturing, beschikbaar om gratis te lezen of te downloaden. Haal het hier.