Voortgang in lassen van thermoplastische composieten: van onderzoek naar commercieel gebruik

Deze blog begeleidt de sep 2018 feature "Welding thermoplastic composites". Het is een compilatie van afbeeldingen en details die niet in het printartikel pasten, inclusief een tijdlijn van inductielassen ontwikkelingen en details over kwalificatie voor toekomstige commerciële vliegtuigen, alsook korte secties over reparatie, ontwikkelingen voor automotive en thermohardend naar thermoplastisch (TS-TP) lassen.

Ter herhaling waarom gelaste thermoplastische composiet (TPC) assemblage van belang is voor zowel luchtvaart als automotive lichtgewicht structuren, vergelijk de twee afbeeldingen hieronder van de Airbus A320 achterste drukschot. De bovenste afbeelding is de huidige versie gemaakt van aluminium. Let op het grote aantal nitten. Vergelijk dat nu met de gelaste TPC demonstrator gepresenteerd door Premium Aerotec op de 2018 ILA luchtvaarttentoonstelling in Berlijn. Let op de afwezigheid van nitten. Voor composieten elimineert dit niet alleen het gewicht, de tijd en de kosten van bevestigingsmiddelen, maar ook de tijd en kosten van positioneren en boren van gaten, plus reinigen en inspecteren van die gaten. Het betekent ook veel lichtere structuren zonder de laminaat pad-ups die nodig zijn om snijden door lastdragende vezels te compenseren.

"Een ander voordeel is dat inspectie voor gelaste structuren makkelijker is ten opzichte van adhesief gebonden assemblages," zegt Dr. Hans Luinge, thermoplastische composieten R&D en productontwikkeling directeur voor TPC-materiaalleverancier TenCate-Toray Group. "C-scan werkt goed, laat zien of er geen porositeit in het laminaat zit, wat betekent dat de las goed is. Voor adhesief gebonden structuren kun je een kissing bond of verontreinigingen hebben die moeilijk te detecteren zijn." Hoewel TenCate-Toray geen lastechnologie zelf ontwikkelt, ondersteunt het een verscheidenheid aan industrie- en klantprojecten. "We optimaliseren onze materialen zoals nodig," zegt Luinge, "en proberen ontwikkelingen in de juiste richting te sturen gebaseerd op onze langdurige deelname in inspanningen zoals TAPAS en met partners zoals KVE Composites, de TPRC, tier-leveranciers en OEM's."

Inductielassen ontwikkelingen

KVE Composites ontwikkelt inductielassen voor TPC's sinds 2001. Vroege toepassingen gebruikten koolstofvezel-stof/PPS laminaten, inclusief hoogsturingen en roer voor de Gulfstream G650 en Dassault Falcon 5X business jet vliegtuigen.

Andere geïnductie-gelaste TPC-toepassingen omvatten brandstoftank-toegangsdeuren geproduceerd door AVIACOMP S.A.S. (Launaguet, Frankrijk en nu onderdeel van Sogeclair Group) voor de Airbus A220 vleugel (voorheen Bombardier CSeries). (Aviacomp produceerde ook de stringers voor STELIA's gelaste TPC romp getoond op de 2017 Paris Air Show.)

Deze algemene categorie van toegangsdeuren is een kans voor TPC-lassen om kosten te besparen, getoond in een ontwerp- en productiestudie voltooid door KVE Composites. Zelfs kleinere vliegtuigen kunnen tot 60 van deze toegangspanelen hebben, allemaal anders gevormd, en typisch gemaakt met composiet sandwichconstructie met gemachineerde honingraatkern. "Als je gelaste thermoplastische assemblage gebruikt, kun je alle verschillende toegangspanelen voor een vliegtuig maken met slechts $100.000 aan toolingkosten, wat een dramatische besparing is," zegt KVE Composites managing director Harm van Engelen. "We hoeven geen kern te machine, we gebruiken gewoon 'lego-achtige' componenten - platte platen en gestempelde stijvers - gelast samen om de verschillende vormen te vormen. Ook is onze tooling meer als een lasjig, dus relatief laag kost vs. wat ze vandaag gebruiken. Alle toegangspanelen voor een vliegtuig kunnen in een enkele lascel gemaakt worden."

KVE Composites blijft de ontwikkeling van TPC-lastechnologieën voortzetten, geïllustreerd in de tijdlijnen hieronder. De productiecel getoond onderaan voor 2019 is de Falko ATL (automated tape laying) machine, geproduceerd door Boikon (Leek, Nederland) met een ultrasonische las-eind-effectuator ontwikkeld door GKN Fokker. "Deze robotische cel maakt een efficiënter proces en controlsysteem mogelijk voor het volgende niveau van volume TPC-onderdeelproductie vs. de pick-and-place methoden die vandaag gebruikt worden," legt KVE Composites hoofd R&D Maarten Labordus uit. "Bijvoorbeeld, je kunt de huid- en rib-laminaten voor een regionale jet besturingsovervlak (ruwweg 60mm x 3m) volledig automatisch leggen, een out-of-autoclave consolidatie- en vormstap toepassen, en dan de assemblage in een aangrenzende lascel voltooien." De Falko ATL machine demonstreert ook gesloten-lus controle al ontwikkeld door GKN Fokker voor ultrasonisch lassen. "De machine is in staat om het energieniveau te controleren zoals nodig per materiaaltype, dikte en vorm, echter volledige smeltconsolidatie van de platte preform is daarna vereist tijdens het vormgeven van het voltooide TPC-onderdeel," legt Arnt Offringa, hoofd van Aerostructures R&T voor GKN Fokker, uit.

Kwalificatie

Getoond hierboven als een sleutelontwikkelinitiatief in 2017, is kwalificatie van inductielasprocessen voor TPC aerostructuren een lopende prioriteit. Volgens het abstract voor KVE Composites' komende presentatie op de 4e Int. Conf. en Tentoonstelling over Thermoplastische Composieten (ITHEC, 30-31 okt 2018 in Bremen, Duitsland), heeft thermoplastische composiet (TPC) lassen de afgelopen jaren een verschuiving gezien van polymeren zoals PPS en PEI naar hogere-eind polymeren zoals PEEK, PEKK en nu Low Melt PAEK (LM PAEK, lees meer in mijn blog "PEEK vs. PEKK vs. PAEK..."), alsook naar automatisch geplaatste UD tapes en dikker laminaten voor meer belaste structuren. Als reactie heeft KVE Composites gezocht om tooling en apparatuur alsook FEA-gebaseerde simulatiemodellen te verbeteren en te standaardiseren.

Om de rijping en kwalificatie van het inductielasproces met deze nieuwe composietlaminaten te ondersteunen, heeft KVE Composites een gestandaardiseerde opstelling ontwikkeld voor lassen van single lap shear en ook L- en T-trek-test coupons. Deze opstelling omvat:

• Een starre frame om belasting op te vangen van het toepassen van druk op het laminaat tijdens lassen.
• Een onderblok dat onder het frame gepositioneerd kan worden om reproduceerbaar lassen van standaardpanelen mogelijk te maken.
• Een opblaasbare mandrel (drukbel in bovenstaande figuur) in het onderblok die in slechts één richting kan uitzetten om het te lassen laminaat te comprimeren tegen een speciale heatsink ("KVE materiaal" in bovenstaande figuur) om warmte aan de lasinterface te beperken.

Door de onderblokken te wisselen, kunnen diverse standaard coupons gelast en dan ultrasonisch geïnspecteerd worden, waarna kleinere coupons gesneden en mechanisch getest kunnen worden. Deze gestandaardiseerde opstelling is al geïnstalleerd door:

• Thermoplastic Research Centre (TPRC, Enschede, Nederland)
• McNair Center aan de University of South Carolina (Columbus, SC, VS)
• Netherlands Aerospace Centre (NLR, Marknesse, Nederland).

Reparatie

Een ander belangrijk ontwikkelgebied is hoe TPC aerostructuren te repareren. "We richten ons eerst op CF-stof/PPS structuren die gekwalificeerd zijn en vliegen," zegt Labordus. "Het proces is in wezen hetzelfde als dat gebruikt voor thermohardende composietreparaties: het beschadigde materiaal verwijderen, dat gebied voorbereiden met een taper scarf en dan een prepreg reparatie-plek inbinden. Labordus zegt dat een van de kwesties is dat thermoplastische prepreg bij kamertemperatuur boardy is en niet plakt, "dus het is lastig om geometrie te matchen." Echter, hij gelooft dat de robotische reparatiesystemen die door Airbus, Lufthansa en anderen ontwikkeld worden een oplossing bieden.

Zulke systemen gebruiken metrologie om robotisch gemachineerde taper scarfs precies te meten en dan een voorfabriceerde plek te binden die robotisch getaperd is gemachineerd om te matchen. "We willen inductielassen gebruiken om een thermoplastische plek te lassen aan de oorspronkelijke structuur," zegt Labordus, maar er zijn nog kwesties om op te lossen. "Afhankelijk van de vorm van het onderdeel en de plek, vormen eddy currents niet overal, dus we kunnen gebieden van koelheid of oververhitting krijgen. KVE Composites heeft dit doorgewerkt en was in staat om een 2D lineaire taper joint in CF-stof/PPS laminaten te bereiken met uniforme dikte en een perfecte las. "We waren binnen 10% van de oorspronkelijke materiaaleigenschappen," zegt Labordus.

De volgende stap zal zijn om twee rechthoekige delen elk met een gescarfde rand te lassen en dan een getaperde plek te lassen aan een cirkelvormige/elliptische gat met een getaperde scarf, wat in wezen de methode is die gebruikt wordt voor thermohardende composietreparaties. "Als dat werkt, zullen we dan overgaan op UD laminaten gemaakt met PEEK en PEKK," zegt Labordus. Hij merkt op dat een systeem voor het gebruik van een inductiespoel om reparaties in het veld te maken nog niet gedemonstreerd is, "maar kan in de lab." Een ander kwestie is hoe druk toe te passen voor voldoende nauw contact tussen de reparatieplek en getaperde oppervlakte. "Nu is de druk in het lab-tool 5 bar. Ik weet niet of druk van alleen vacuümzak genoeg is, maar met vlakker UD-materiaal, kan 1 bar van alleen vacuümzak ok zijn."

Dit werk bij KVE Composites wordt uitgebreid door Michel van Tooren, directeur van het SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, onderdeel van het McNair Center aan de University of South Carolina (Columbia, SC, VS). "We lassen thermoplastische composieten onder een vacuümzak, wat heel erg lijkt op hoe in-veld composietreparaties vandaag gedaan worden met een hot bonder en warmte-deken," legt hij uit. "De vacuümzak gedraagt zich als zacht tooling voor compressie van de twee delen. Je legt inductiestroom aan en bereikt een smelt-reparatie. Je hebt alleen de procesgrenzen en parameters gedefinieerd nodig. Op sommige manieren is het makkelijker dan thermohardende reparatie omdat je de reparatie altijd opnieuw kunt smelten als nodig, zelfs aan de andere kant van de wereld of na 20 jaar dienst. En het resultaat is geen adhesieve binding maar een cohesief deel, dus je elimineert alle kwesties met binden en hoe te weten of je een goede binding hebt in een thermohardende reparatie." Hij gelooft ook dat met de geautomatiseerde robotische reparatietechnologieën die nu ontwikkeld worden, "inductielassen van een reparatie relatief straightforward zou zijn."

Thermohardend naar thermoplastisch lassen

Van Tooren ontwikkelt ook inductielassen om thermohardende en thermoplastische composieten te verbinden. "We introduceren thermoplastisch aan een thermohardend composiet, maar alleen waar we willen lassen," legt hij uit. "We graften een nanopartikeltje op en doen een klein beetje kruispolymerisatie. Het resultaat is een eiland van thermoplastisch geïmplanteerd in en chemisch co-gesmolten met het thermohardende composiet. Ik kan dan op het thermoplastische eiland lassen." Opnieuw is de visie alternatieve methoden voor composietverbinding en assemblage die boren van gaten en de kwesties geassocieerd met conventionele adhesieve binding vermijden.

Lassen van thermohardende composiet (TSC) laminaten aan TPC laminaten (of TS-TP lassen) wordt achtervolgd door meerdere onderzoeksorganisaties. Irene Fernandez Villegas aan TU Delft - die in het printartikel genoemd wordt als leider in het ontwikkelen van continue ultrasonische lassen van TPC's - co-auteurde een 2017 papier getiteld "Hybrid welding of carbon-fiber reinforced epoxy based composites" samen met Francesca Lionetto aan de University of Salento (Lecce, Italië), Silvio Pappadà aan CETMA Composites (Brindisi, Italië), en anderen. De basis is als volgt:

• Polyvinylbutyral (PVB) is een semi-kristallijn, goedkoop thermoplastisch polymere met een smelttemperatuur van 150-170°C gekenmerkt door uitstekende binding en filmvormende eigenschappen en adhesie aan veel oppervlakken.
• PVB (Mowital, geleverd door Kuraray) werd gebruikt als koppelingslaag, toegevoegd en co-gecured aan een 14-laags koolstofvezel-stof/epoxy TSC laminaat (Hexcel 3501-6 prepreg met een 58% vezelvolume-inhoud en 180°C cure).
• Macro-mechanische interlocking tussen de PVB koppelingslaag en het CF/epoxy composiet werd bereikt door deeltelijke penetratie van de PVB hars in de eerste laag van de TSC (typisch tussen 10 en diverse honderden micron in dikte) tijdens co-curing en diffusie van epoxy monomeren in de PVB thermoplastische film.
• Inductielassen en ultrasonische lasprocessen resulteerden in voldoende sterke gelaste verbindingen, met de resulterende CF/epoxy aan CF/epoxy verbindingen gelast door de PVB koppelingslagen een lap-schuifsterkte van ≈25 MPa, wat binnen het typische bereik van sterktewaarden voor CF/epoxy adhesief gebonden verbindingen valt.

Automotive

Bijna alle bedrijven die in het thermoplastische las-printartikel opgenomen zijn, kijken naar automotive alsook luchtvaarttoepassingen. "Lassen helpt composieten competitief te maken ten opzichte van aluminium," zegt Offringa bij GKN Fokker. "Automotive kijkt ook naar lassen als een snelle alternatief voor binden. We hebben met verschillende automotieve bedrijven gesproken over snelle verwerking van composieten." Hij wijst erop dat koolstofvezel-composiet auto-carrosseries meestal thermohardend zijn, gebonden met een gespecificeerde dikte van lijm. "Als je deze onderdelen met thermoplastische composieten kunt maken en gaten tussen de componenten kunt elimineren door de assemblage te lassen, dan kun je een stijvere carrosseriestructuur maken, wat gewicht, kosten en prestatievoordelen oplevert."

Jérôme Raynal, business development manager voor Composite Integrity, ziet ook potentieel. Zijn bedrijf werkte met STELIA Aerospace om het dynamische inductielasproces te ontwikkelen dat gebruikt om CF/PEKK UD-tape stringers en romp-huiden te verbinden in de TP-demonstrator, onthuld op de 2017 Paris Air Show. "We hebben resistieve lassen voor automotive ontwikkeld met zowel polyamide [PA, nylon] als polypropyleen [PP] composieten," zegt Raynal. "We hebben een verscheidenheid aan verschillende technologieën hiervoor. Bijvoorbeeld, we kunnen een metalen draad in één onderdeel inbedden, het in contact brengen met een ander onderdeel en stroom injecteren. We kunnen ook een koolstofvezel-resistieve plek aan de lasinterface plaatsen om de benodigde laswarmte te genereren." In één ontwikkeling werden twee componenten gemaakt van CF/PA gelast met een speciaal ontworpen resistieve plek gemaakt met hetzelfde polymer en een glasvezel-vlies om het aangrenzende laminaat elektrisch te isoleren en de energie op de laslijn te concentreren. Wat met metaalinserts die heel typisch zijn in automotieve onderdelen? "Onderdelen met metaalinserts zijn geen probleem met resistieve lassen, en met inductielassen zou je een speciaal ontworpen spoel of de elektromagnetische velden en stroom op een andere manier modificeren," antwoordt Raynal. "Dit zou ontwikkeld moeten worden, maar het is vergelijkbaar met wat we al gedemonstreerd hebben voor geautomatiseerde productie van vliegtuigstructuren."

Verdere ontwikkelingen en andere projecten

Een opmerking over de openingsafbeelding. Het toont een CAD-rendering van het geautomatiseerde proces ontwikkeld door het DLR Center for Lightweight Production Technology (DLR ZLP, Augsburg, Duitsland) met een ultrasonische laskop op een KUKA Quantec KR210 industriële robot om acht TPC-secties te verbinden in een achterste drukschot (RPB) voor een A320-type vliegtuig. In het bijbehorende printartikel over TPC-lassen besprak ik DLR ZLP's ontwikkeling van een resistieve lasmethode die gebruikt werd op Premium Aerotec's A320 RPB demonstrator getoond op de 2018 ILA luchtvaarttentoonstelling in Berlijn. Volgens Lars Larsen, groepsmanager voor assemblage- en verbindingstechnologieën bij DLR ZLP, "In parallel to the resistance welding process using a 'welding bridge', we have also developed a robotically actuated ultrasonic welding head. We have completed preliminary tests to determine the relevant welding process parameters, and in the next months we will refine the integration of that ultrasonic welding end-effector in our robot. Our goal is to develop a single industrial process for welding both aircraft fuselage stringers and rear pressure bulkhead made using thermoplastic composites."

Andere projecten die ik niet de kans had om deze keer te dekken omvatten EireComposites en haar deelname aan de Ybridio en Innova projecten, het potentieel van lassen om kosten te verlagen en automatisering te verhogen. Het bedrijf rapporteert inductielassen en resistieve lascapaciteit voor CF/PEEK, CF/PEKK en GF/PP composieten en dat thermoplastisch lassen geëvalueerd werd voor de Bombardier CSeries (nu de Airbus A220) vleugel.

Tods Aerospace, nu onderdeel van Unitech Aerospace, deed mee aan een National Aerospace Technology Exploitation Programme (NATEP) gesponsord door Rolls-Royce dat keek naar ontwikkeling van een resistieve lastechniek die geen ingebouwde metalen implantaten gebruikt. TenCate-Toray en het National Composites Centre (Bristol, VK) waren ook partners.

Blijf op de hoogte, ik plan om Laser Zentrum Hannover's (LZH) ontwikkelingen met laserlassen van thermoplastische composieten in de nabije toekomst te dekken.