Composietproductie revolutioneren om nieuwe marktkansen te ontgrendelen

Hoewel het bedrijf zeker is geworteld in filament winding, heeft CompoTech dat proces in nieuwe toepassingen geduwd via pin-based winding, overwinding en innovatieve tooling- en materiaalconcepten. Het resultaat is een vloeibaarheid in proces die vaak nieuwe prestatieniveaus bereikt via hybridisatie, bijvoorbeeld met metalen en productiemethoden zoals 3D-printen en een eigen versie van geautomatiseerde vezelplaatsing (AFL).

CompoTech (Sušice, Tsjechië) werd in 1995 opgericht door Ondrej Uher en Vitek Sprdlik, nu respectievelijk R&D-directeur en technisch directeur van het bedrijf. "Ze bouwden oorspronkelijk een filament winding machine voor het produceren van kajak- en kano-roerassen die hun eigen technologie voor axiale winding van 0° vezels integreerden," legt CompoTech business development director Humphrey Carter uit. "Dit is nu een kerncompetentie. We hebben aangetoond dat deze constructie sterkere en stijvere structuren produceert met hogere weerstand tegen kinking van vezels."

Het bedrijf ontwikkelde ook de mogelijkheid om integraal composiet hoepen te winden voor verbindingen. Deze worden gebruikt in onderdelen van hangglider-sparren tot aandrijfasen en industriële componenten. "CompoTech ontwerpt de machines en de besturingsoftware," zegt Carter. "Omdat we volledige controle over het proces hebben, kunnen we ontwerp beter optimaliseren. We ontwikkelen de proces technologie op maat voor de ontwerpcriteria en kunnen dit beschikbaar maken voor onze technologiepartners alsook composietontwerpers en -producenten. Bijvoorbeeld, we hebben de technologie gelicenseerd aan Southern Spars/North Marine Group."

Machine tools ontwerpen

Momenteel emploieert het bedrijf ongeveer 50 mensen, waarvan bijna de helft in ontwerp en engineering. Het heeft ook sterke banden met de Czech Technical University (CTU) in Praag en de University of West Bohemia (Pilsen, Tsjechië). CompoTech heeft composietoplossingen ontwikkeld voor een breed scala aan toepassingen, inclusief booms voor landbouwspuitapparaten, assen voor windturbineblad tips, fietsframes en wielen, buizen en frames voor automotieve assemblage-greppers en lichtgewicht portaalcomponenten voor lasersnijders en CNC-machines.

"We werken al sinds begin 2000 in de industriële en machine tool sector vanwege haar prevalentie in Tsjechië," legt Carter uit. "Dit is een erg conservatieve industrie die composieten niet kent. Dus gaan we naar machine tool tentoonstellingen en educeren ze." Die industrie weet al dat trillingen van versnellende onderdelen en snijoppervlakken, zoals freestanden, een reductie in bewerkingsnauwkeurigheid en tool-levensduur veroorzaken. CompoTech legt uit dat de harmonische van een snijgereedschap - zijn trilling gebaseerd op massa, stijfheid en toegepaste belasting/krachten - vaak de limiterende factor is in prestaties en productiviteit. Niet zo goed bekend is dat koolstofvezel-versterkt plastic (CFRP) in de structuur van machines en tool-holders kan worden gebruikt om massa te verminderen en stijfheid te verhogen ten opzichte van staal. Met pitch-vezel rapporteert CompoTech een gewichtsreductie van 25% en een stijfheidstoename van 200% (400 GPa bereikt met unidirectionele vezel), respectievelijk. Dit zijn de twee belangrijkste manieren om de eigenfrequentie van een structuur te verhogen en resonantie te voorkomen. Dit is wanneer de structuur op zichzelf begint te trillen, wat problemen verergeren voor al trillingsgevoelige rotatie-onderdelen en variabele-snelheid machines.

"Het gebruik van ons proces voor CFRP verlaagt ook machine tool drift ten opzichte van geautoklaafde composieten omdat we minder thermische spanning induceren," voegt Carter toe. "Tool-holders zijn vaak lange, slanke balken die in de tijd kunnen veranderen, afhankelijk van hun ontwerp en materiaalsamenstelling. Dit beïnvloedt dan de relationele positie van het gereedschap, wat de nauwkeurigheid vermindert."

Voor demping is CompoTech verder gegaan dan de inherente eigenschappen van vezel- en polymerecomposieten door de inclusie van andere materialen te pioneeren, wat 12 tot 20 keer de demping van staal biedt, direct tegengaan van trilling en het versnellen van de verval ervan (zie grafiek bovenaan). "We hebben meer dan een decennium ervaring in het ontwerpen van gedempte composieten om de gewenste eigenschappen en prestaties te bereiken," zegt Carter. Een voorbeeld is een nieuwe werkstukspankop-ontwerp zodat veel minder spankracht nodig is ten opzichte van een staal spankop. Een ander is de gewijzigde fixatie voor het draaien van een vliegtuigmotor low-pressure turbine (LPT) behuizing gemaakt van moeilijk te bewerken Inconel 718 alliage. Ontwikkeld via het EU-gefundeerde INTEFIX-project, ontwikkelde CompoTech CFRP-ringen om metalen ringen te vervangen die als locators in de fixatie gebruikt werden. Het resultaat was geen verlies in stijfheid of functie terwijl het werkstukgedrag verbeterde en de bewerkingsprestaties beter waren. In feite werd de fixatie intelligent, in staat om de werkstukspanning naar behoefte tijdens het proces aan te passen.

CompoTech heeft ook lopend werk aan een elektrisch voertuig hybride metaal/composiet tandwielkast, met als doel de massa met 25 procent te verminderen en ook geluid te verminderen door de eigenfrequentie en demping te verhogen. Dit project (2016 tot okt 2019) is in samenwerking met Czech Technical University (CTU) in Praag, Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM, Daejeon, Zuid-Korea) en Samyang Reduction Gear Co. Ltd. (Inchon, Zuid-Korea). De hoofdbodem van de tandwielkast zal composiet zijn met metalen inserts voor lageroppervlakken. CompoTech ontwierp en produceerde de boven- en onderkant van de tandwielkast, alsook de tandwielassen. Al deze bestaan uit meerdere onderdelen, die adhesief gelijmd zijn. CTU leverde testen en FE-analyse, terwijl de Koreaanse projectpartners de technische specificaties leveren en de tandwielkasten zullen afwerken, assembleren en testen.

Delaminatie-bestendige aileron

Carter legt uit dat veel van het R&D dat CompoTech uitvoert voor machine tools, vervolgens wordt toegepast op nieuwe toepassingen, zoals de aileron voor de Aero Vodochody AEROSPACE (Odolena Voda, Tsjechië) L-39NG straaltrainer. "Dit is een veeleisende toepassing, met zeer hoge drukken aan de trailing edge," zegt hij. Naast vluchtbelasting, ervaart de gewapende versie van het vliegtuig drukgolven wanneer raketten op de vleugels worden afgevuurd. "Met conventionele composietconstructie was er delaminatie aan de aileron trailing edge," merkt Carter op. "We elimineerden alle adhesieve bonding en creëerden in plaats daarvan een integraal structuur met natte filament winding en co-curing. We besteedden maanden aan het ontwikkelen van het ontwerp en de processtappen. Eerst wordt onze robot-geassisteerde winder gebruikt om de vier box-balken te filament-winden die de aileron-sparren vormen. Dit zijn trapeziums en dan D-vormen aan de voor- en trailing edge. De trailing edge heeft ook een apart stukje erop om een meer aerodynamisch oppervlak te creëren."

"We voegen dan al deze delen op hun mandrels samen en overwinden om de buitenoppervlakken bovenop de longitudinale ribben te creëren," vervolgt Carter. De hele structuur wordt vacuümgezakken en gecured bij kamertemperatuur met een post-cure bij 90°C.

"Dit project is een goed voorbeeld van hoe we met een klant werken aan het ontwikkelen van de proces technologie en ontwerp. Ons idee is niet om ailerons of andere onderdelen massaal te produceren. We zouden de machines produceren en onze klanten zullen de onderdelen winden." De aileron vliegt nu en Aero Vodochody heeft een 4-jarige bestellingen-achterstand voor L-39NG straaltrainer orders.

In het algemeen is CompoTech's natte winding proces een proces gebaseerd op precisie, in wezen het creëren van towpreg on the fly. "We gebruiken meestal epoxyharsen en 100°C cure," zegt Carter. "Voor toepassingen die een hogere Tg vereisen, zoals sommige downhole tools die we produceerden voor gebruik in de olie- en gasindustrie, kunnen we curen bij 140°C."

Nieuwe processen

3D cellulaire composiet (3Dc) is CompoTech's naam voor een reeks processen die een composiet produceren met driedimensionale versterking. Resulterend in een dwarsdoorsnede met een cellulaire uiterlijk, bereikt deze constructie hoge axiale vezelinoud in de x-richting geïntegreerd met vezels in de y- en z-richtingen, die de celwanden vormen. "We creëerden dit proces voor dikke onderdelen die zeer hoge axiale stijfheid vereisen," zegt Carter. Die stijfheid wordt gecreëerd door de zeer hoge 0° (axiale) vezelinoud. De celwanden dragen ook schuifbelasting over de doorsnede via de celwanden en laten meer interessante doorsnedes toe, zoals de T-slot hierboven getoond.

Het bedrijf 3D-print ook mandrels en supports om aan torsie- en eigenfrequentie-eisen te voldoen zonder dikke laminaten. "Dit is nog een project samenwerkend met CTU," zegt Carter, "waar we geautomatiseerd intern ontwerp van structuren ontwikkelen." Hij merkt op dat thermoplastische composiet winding massaal aan het opkomen is. "Dat is onze volgende stap, om onze winding in thermoplastieken te combineren met 3D-printen en vouwen om innovatieve vormgevings-tools voor composieten alsook machine tool structuren te creëren."