Hoe Koolstofvezel de Toekomst van Luchttaxi eVTOLs Versnelt

De BMW i3 en i8 lichaamsframes zijn erg vergelijkbaar met die van de Airbus Helicopters EC135.
BRON: Milestones of the Leading-Edge Cluster – Review and Future Prospects, MAI Carbon, pp 36-7 (boven), BMW en Airbus Helicopter (onder).

Tegelijkertijd is de Audi A8 achterwand gemaakt met een 5-minuten cyclus tijd met RTM en geautomatiseerde plaatsing van droge koolstofvezeltape, afgestemd in lengte en vezeloriëntatie om specifieke belasting te halen, en variërend van een basis van 6 lagen (1,5-mm-dik) tot 19 lagen (3,7-mm-dik) waar lokale versterking wordt toegevoegd om hoge puntbelasting te halen. Dit enkele onderdeel levert 33% van de dryfcel's torsiestevigheid bij 50% van het gewicht vs. een montage van drie tot vijf gelaste aluminiumonderdelen.

De 2019 Audi A8 heeft een CFRP achterwand gemaakt in 5 minuten van koolstofvezeltape. BRON: Audi en Voith Composites.

Thermoplasten

Maar deze voorbeelden exploiteren nog niet eens thermoplastische technologie, favoriet als keuze voor Boeing's nieuwe mid-size aircraft (NMA), die voor 2Q 2019 aangekondigd zou worden. Thermoplastische onderdelen vliegen al sinds de jaren 90 op vliegtuigen, terwijl de ontwikkeling voortduurt, met Airbus en Europese Tier 1 leveranciers die steeds grotere vleugel- en rompsecties (met geïntegreerde verstevigers) prototypen, geschaald tot full-size romp demonstrators dit jaar. Let op dat thermoplastische composieten ook lassen mogelijk maken, wat verdere kansen biedt om bevestigingsmiddelen en montage te elimineren.

Automated Dynamics, nu onderdeel van Trelleborg Group, produceerde deze full-size, integraal verstevigde CF/PEEK helikopter staartboom in 2012 met in-situ consolidatie tijdens geautomatiseerde vezelplaatsing, wat lange autoclave cyclussen alsook bevestigingsmiddelen en lijmen elimineerde.
BRON: Automated Dynamics, Trelleborg

De toeleveringsketen voor TPC materialen en verwerking is de afgelopen drie jaar snel samengekomen, met alle grote koolstofvezelleveranciers die nu thermoplastische tapes en lage-cyclus-tijd overgietende onderdelen produceren, gedemonstreerd door meerdere bedrijven voor zowel luchtvaart- als auto-toepassingen. Thermoplastisch lassen is ook gedemonstreerd door meerdere bedrijven.

Uittreksel uit „Overmolding als enabler voor composieten, van luchtvaart tot auto”, interview met Scott King bij composietfabrikant CCP Gransden:

CCP Gransden heeft zijn een-stap thermovormen en thermoplastisch composiet overgieten technologie verfijnd om lichte, complexe componenten te produceren met typisch < 2-min cyclus tijden, met een breed scala aan polymeren en vezels. BRON: CCP Gransden

Nieuwste Technologie

Maar de technologie is voortgeschreden sinds 2014 om nu diverse interessante ontwikkelingen te omvatten:

Thermoplastisch-overgietende Thermoharsende

Het OPTO-Light project bij AZL Aachen demonstreerde overgietende thermoplastische composiet (TPC) ribben en klemmen op een koolstofvezel/epoxy composietonderdeel.

Overgieten + UD Belastingdragende Pultrusies

MAI Skelett project heeft overgietende TPC pultrusies gedemonstreerd in een twee-stap, 75-seconde proces om een structureel daklid/voorruitkader te produceren dat alle BMW i3 onderdeelvereisten overtreft terwijl bevestigingen en klemmen geïntegreerd zijn, evenals het veranderen van crashgedrag van broos naar duktil falen modus voor verhoogde BIJ residuale sterkte.

Projectpartner SGL Carbon levert nu koolstofvezel met geschikte sizing voor single-matrix oplossingen met PP of PA6 familie, inclusief pultrusies, organoplaat en overgietcompound alsook ontwerp- en procesdeskundigheid voor onderdeelontwikkeling, de laatste via hun Lightweight Applications Center (LAC, Meitingen, Duitsland).

BMW's nieuwe gepatenteerde, hoge-precisie bevestigingssysteem gebruikt injectiegietende of overgietende klemmen (onder) en 3D-geprinte ballen (boven) zonder bevestigingsmiddelen, geboorde gaten of lijm. De onderste afbeeldingen tonen hoe dit systeem maatwerk 3D-geprinte interieurtrim ‚aanklikt' als onderdeel van het 2019 MINI Yours Customised programma.

BRON: Octrooi DE 10 2013 214 269 B3 (boven)
https://www.youtube.com/watch?v=1pyxNKw-nf8 (onder)

Terug naar het WIRED artikel en zijn onwetende claims:

Het is waar dat deze methode van CFRP-productie al jaren gebruikt wordt, maar het is ook waar dat zowel vliegtuig- als autofabrikanten al zijn overgeschakeld op meer geautomatiseerde, nabij-nul afval materialen en processen, alsook thermoplasten met bewezen voordelen in het elimineren van bevestigingsmiddelen, het mogelijk maken van herbruikbaarheid/geherbruikte inhoud en herstelbaarheid.

Uiteindelijk tegenspreekt de WIRED auteur zijn hele thesis omdat eVTOL-pionier ICON van plan is niet alleen voort te gaan met zijn CFRP luchtraam, maar ook onderdelen te produceren voor grotere vliegtuigen. Koolstofvezel gaat eVTOLs dus zeker niet op de grond houden, maar speelt al een sleutelrol in bedrijven die slimme engineering voor een breed scala aan toekomstige voertuigen voortduwen, zowel in de lucht als op de weg. Het gebruik van de nieuwste technologie zinvol is omdat al deze nieuwe voertuigen gecertificeerd moeten worden.

Een belangrijk punt was wel gemaakt in het artikel door BetaTechnologies CEO Kyle Clark:

Blue Force Technologies CEO Scott Bledsoe benadrukte ook het belang van het hebben van aerodynamica, aandrijving, styling, structuren en productie teams, elk met een gelijke zetel aan tafel tijdens elke stap van ontwerp en ontwikkeling.

Maar misschien het allerbelangrijkste is om up-to-date te blijven over waar composietproductie naartoe beweegt en contact te maken met de vele materialen-, apparatuur- en technologieleveranciers die hun expertise willen delen en helpen toekomstige toepassingen te ontwikkelen. Neem contact met ons op bij CompositesWorld want dat doen we – technische, betrouwbare connecties en informatie bieden.