Expertsgids voor lassen van thermoplastische composieten

In tegenstelling tot composieten gemaakt met een thermohardende matrix, vereisen thermoplastische composieten (TPC's) noch complexe chemische reacties noch langdurige uithardingsprocessen. Thermoplastische prepregs vereisen geen koeling, wat praktisch oneindige houdbaarheid biedt. De polymeren gebruikt in luchtvaart TPC's — polyfeenyleensulfide (PPS), polyetherimide (PEI), polyetheretherketon (PEEK), polyetherketonketon (PEKK) en polyaryleketon (PAEK) — bieden hoge schade-tolerantie in afgewerkte onderdelen, alsook vocht- en chemische bestendigheid en, dus, degraderen niet in hete/natte condities. En ze kunnen hergesmolten worden, wat voordelen beloft in reparatie en eind-van-leven herbruikbaarheid. Maar misschien de grootste drijfveer voor TPC gebruik in ontwikkelende vliegtuigen is de mogelijkheid om componenten via smeltbinding/lassen te verbinden. Het presenteert een aantrekkelijke alternatief voor de conventionele methoden — mechanische bevestiging en lijmbinding — gebruikt om thermohardende composiet (TSC) onderdelen te verbinden.

Zoals gedefinieerd in het wijd geciteerde papier, “Fusiebinding/Lassen van Thermoplastische Composieten,” door Ali Yousefpour, National Research Council Canada (Ottawa, ON, Canada), “Het proces van fusiebinding omvat het verwarmen en smelten van het polymereer op de bindingsoppervlakken van de componenten en het vervolgens samenperzen van deze oppervlakken voor polymere solidificatie en consolidatie.” Het resultaat is heel anders dan thermohardende verbinding.

“Je creëert een geünificeerde structuur, zoals een rib gelast aan een huid,” legt Arnt Offringa uit, hoofd van Aerostructuren R&T voor GKN Fokker (Hoogeveen, Nederland). “Wanneer bekeken onder een microscoop, zie je gewoon homogene polymere, dus dit is anders dan binden. Er is geen scheidingslijn, geen splitsing, geen identificeerbaar verbindingsmateriaal zoals lijm. Er is slechts één materiaal, weshalb autoriteiten zo'n verbinding zonder mechanische bevestigingsmiddelen accepteren.” (Offringa gebruikt het woord “verbinding” hier omdat het resultaat van het lasproces geen verbinding is, maar één vast stuk.)

Feitelijk vliegen dergelijke gelaste TPC structuren al decennialang. En hoewel weerstandlassen en inductielassen de twee meest gevestigde methoden zijn, worden anderen, inclusief ultrasonisch lassen, laserlassen en geleidingslassen, ontwikkeld voor gebruik met composieten. De ontwikkeling van deze methoden gaat door als voorstanders van lassen de benodigde betrouwbaarheid zoeken in voorspellende proces simulatie software, verhoogde inline controle van lasprocesvariabelen, en uitbreiding van lasprocessen naar productie van vliegtuig primaire structuren.

Weerstandlassen

Naast KVE Composites Group (Den Haag, Nederland), is GKN Fokker een erkende leider in TPC lasontwikkeling (zie CW's tour van Fokker Aerostructuren). “We begonnen met weerstandlassen in de vroege jaren '90,” zegt Offringa. “De elegantie van deze methode is dat warmte precies aan de lasinterface geproduceerd wordt.” Elektrische stroom, doorgegeven door een weerstandselement aan de lasinterface, creëert warmte en smelt het thermoplastische polymere (Fig. 1). Echter, dit weerstandselement — een metaal of koolstofvezel (CF) — blijft in het afgeronde onderdeel. “We hebben een methode ontwikkeld met een PPS-gecoate metalen mesh als het weerstandselement, en toen gecertificeerd en gevlogen weerstand-gelaste CF/PPS hoofdlanding gear deuren op de Fokker 50 turboprop vliegtuig in 1998,” zegt Offringa. “Dit leidde toen tot gesprekken met Airbus UK (Broughton, Chester, VK) en de ontwikkeling van glasvezel/PPS vaste voorste randen voor de A340/A350 en dan A380 wijd-romp vliegtuigen.” GKN Fokker heeft zijn weerstandlassen onderzoek voortgezet, gericht voornamelijk op koolstofvezelversterkte kunststof (CFK).

De technologie is gevorderd. Premium AEROTEC (Augsburg, Duitsland) toonde een Airbus (Toulouse Frankrijk) A320 achterste drukschot demonstrator op de 2018 ILA Berlijn Luchtvaarttentoonstelling. Het drukschot bestaat uit acht persgevormde CF stof/PPS segmenten geassembleerd via weerstandlassen. “We gebruiken weerstandlassen al enige tijd,” zegt Dr. Michael Kupke, hoofd van het Center for Lightweight Production Technology (ZLP) voor het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) in Augsburg. “Voor de Premium AEROTEC demonstrator, hebben we de laslijnlengte uitgebreid tot 1,5m.”

ZLP koos een weerstandselement gemaakt van koolstofvezel vs. legacy roestvrij staal mesh. “Voor inductielassen is het moeilijk om de temperatuur en energie waar je het wilt te krijgen en niet elders in het onderdeel,” stelt Kupke. “Voor weerstandlassen is dit inherent opgelost, maar het nadeel, tot nu toe, is dat de weerstand in het onderdeel blijft.” Het gebruik van een koolstofvezel weerstand verlicht dit nadeel.

De basismethode blijft echter hetzelfde. “Je legt een spanning aan en zet druk op beide onderdelen om goede consolidatie te krijgen,” voegt hij toe. “Voor kleinere onderdelen past de robotische eindwerkzetting de druk toe, maar voor grotere onderdelen heb je een jig nodig om klemdruk te bieden.” De jig voor het A320 achterste drukschot is een gebogen metalen “lasbrug” gebouwd door Premium AEROTEC (Fig. 2). Het roteert om boven elk van de acht laslijnen te positioneren en past de benodigde druk toe via 10 pneumatische cilinders erin.

Naast PPS, heeft Kupke's DLR ZLP team gevalideerd dat dit proces ook werkt voor koolstofvezelstof/PEEK. “Als je PEEK kunt gebruiken, kun je aanpassen aan PEKK, PAEK en PEI,” voegt hij toe. “We zouden ook in staat moeten zijn om unidirectionele (UD) tape te lassen,” merkt hij ook op (uitdagingen geassocieerd met lassen van UD tapes worden hieronder uitgelegd). Kupke zegt dat er geen limiet is aan de onderdeeldikte die gelast wordt, “het kan 3 mm of 30 mm zijn, maar zorg moet gedragen worden aan thermisch beheer aan de laslijn.”

Hij zegt dat de volgende stap zal zijn om een reeks geoptimaliseerde CF weerstandselementen te ontwikkelen. “We hebben nu gewoon off-the-shelf materialen gebruikt.” Kupke wijst uit dat dit slechts een demonstrator was, geen industriëel proces. “Om te industrialiseren, zouden we het een beetje anders doen. Het lasproces voor elke verbinding in het A320 drukschot duurde 4 minuten, echter, slechts 90 seconden lasstroom werd toegepast. De overige tijd was voor verwarmen en afkoelen van de PPS thermoplast aan de laslijn. Met industrialisatie geloven we dat de totale tijd sneller zou zijn en het lassen nog steeds slechts 60-90 seconden per 1,5m verbinding zou duren.”

Inductielassen

KVE begon met inductielassen in de vroege jaren 2000. De basistechniek omvat het bewegen van een inductiespoel langs de laslijn. De spoel induceert eddy currents in de inherent geleidende CFK laminaat, die warmte genereren en de thermoplast smelten. “We begonnen met enkelvoudige lap-scheren coupons, volgend de building block aanpak, en gingen door naar L-verbindingen, T-verbindingen, dan basisstructuren en tenslotte stuurvlakken en roerders,” herinnert KVE managing director Harm van Engelen.

Het bedrijf ontwikkelde computermodellen parallel. “Simulatie helpt je voorspellen wat de temperatuur zal zijn aan het buitenoppervlak en aan de laslijn,” legt hij uit. “Je moet warmte concentreren in de laslijn, maar niet oververwarmen aangrenzende secties. Het bovenoppervlak verwarmt sneller dan de interface, dus je moet die warmte kwijtraken.” KVE octrooieerde niet alleen de resulterende warmtebeheertechnologie en gereedschapsmaterialen, maar ook zijn gereedschaps-gebaseerde benadering om druk tijdens lassen te handhaven, en zijn robotische controle van de inductiespoel en laskop, die het in 2005 ontwikkelde.

“Dit bood een alternatief voor weerstandlassen voor CFK dat geen susceptor of lasstrip vereiste,” zegt GKN Fokker's Offringa. “We licentiëerden de KVE technologie en implementeerden het op de Gulfstream G650 stuurvlakken en roerder, die sinds 2008 vliegen.” KVE was een sleutelpartner in de ontwikkeling en industrialisering van het robotische inductielasproces. Een verfijnde tweedegeneratiemethode wordt gebruikt voor de stuurvlakken en roerder op de Dassault Falcon 5X. Van Engelen merkt op dat lassen voor de G650 geautomatiseerd was maar in meerdere stappen voltooid. “Voor de Dassault, wordt het in één klap gedaan,” voegt hij toe. “Alle onderdelen worden in de gereedschappen geplaatst en dan worden twee stuurvlakken en een roerder in één nachtdienst gelast.”

In 2008 had KVE begonnen met enkelvoudige lap-scheren (SLS) testen van UD CF/PEKK tape en produceerde demonstrators voor het Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS) programma. In 2010 had het 3D simulaties voltooid van geïnductie-gelaste UD CF laminaten met bliksembescherming (LSP) en had gewerkt met dikke laminaten (≤5 mm voor UD PEEK en PEKK, ≤15 mm voor koolstofvezelstof/PPS). KVE had ook een TPC roerder ontworpen en gebouwd voor The Boeing Co.'s (Chicago, IL, VS) Phantom Eye UAV, wat Boeing toen in 2011 begon te produceren. In 2014 had het bedrijf geïnductie-gelaste UD CF/PEKK demonstrators geproduceerd en werkt nu met meerdere OEM's en Tier 1 leveranciers om deze technologie te kwalificeren voor andere vliegtuigstructuren.

Van stof naar UD tape

Inductielassen is goed geschikt voor koolstofvezelstof, zegt Offringa, “maar met UD tape is er een nieuwe set uitdagingen om productiesnelheden te bereiken.”

Zoals uitgelegd door Dr. Michel van Tooren, directeur van het SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, deel van het McNair Center aan de University of South Carolina (Columbia, SC, VS), “Voor inductie in CFK laminaten, heb je vezels op twee verschillende hoeken nodig — bij voorkeur hoeken zo ver uit elkaar als mogelijk — voor eddy currents te genereren.” De loodrechte 0° en 90° vezeloriëntatie in geweven stof is ideaal, wat eddy currents in elke laag van het laminaat mogelijk maakt. Met UD laminaatstapels is het echter gebruikelijk om 45° lagen tussengevoegd te hebben zodat de hoekverschil kleiner is. “Het eddy current verwarmingsmechanisme wordt beïnvloed omdat deze richtingen niet loodrecht zijn, voegt Maarten Labordus, R&D-hoofd bij KVE, toe. “Er is ook geen duidelijke vezelkruising tussen de lagen, ze zijn gewoon gelaagd. Dus je hebt meer vermogen nodig om stroom te induceren vergeleken met stof laminaten.”

Echter, meer vermogen toevoegen maakt het managen van het lasproces niet makkelijker. Het balanceren van elektrisch vermogen en temperatuur aan de laslijn is niet straightforward omdat het inductielasproces niet alleen verandert met stapelvolgorde maar ook met laminaatdikte en onderdeelgeometrie. “Dus we kijken naar de procesparameters en hoe warmte gegenereerd wordt in de materialen,” zegt Sebastiaan Wijskamp, TPRC's technisch directeur. “We willen richtlijnen en ontwerptools om lasprestaties van tevoren te voorspellen. Als je wilt schakelen van stof naar UD, hoe kun je dit snel doen zonder door een trial-and-error proces te hoeven gaan? Idealiter zouden simulaties gebaseerd op de elektrische en thermische geleidingseigenschappen van vezels en polymeren, zelfs voor een bepaalde leg, en ook rekening houdend met onderdeelgeometrie, je in staat stellen je lasproces per onderdeel te ontwerpen. We voeren collaboratief onderzoek uit met KVE en Michel van Tooren aan het McNair Center om het fundamentele begrip voor deze richtlijnen en tools te ontwikkelen.”

“We kwantificeren al deze factoren — UD vs. stof, stapelvolgorde, gebieden met meer hars en minder hars — en stellen hun relatie vast, dan voegen we dit terug in het algemene lasmodel,” legt Labordus uit (Fig. 3). Gebieden met hoge harsinhoud fungeren als isolator, vertragend warmte, terwijl gebieden waar harsinhoud lager is (en vezelinhouder hoger) verwarmen vergemakkelijken. “In het begin waren we 40% afwijkend van onze lasvoorspellingen met UD, maar nu zijn we binnen 10% en komen we dichtbij onze hoge-nauwkeurigheidsniveaus voor CF stof/PPS,” voegt Labordus toe.

Van Tooren is ook dichtbij in staat om te voorspellen inductielasprestaties voor UD laminaten. “Aan het einde van 2018 zullen we een simulatietool hebben die werkt voor relatief eenvoudige geometrieën, helpend om de benodigde spoelvorm, vermogen, robotsnelheid en verwarmingsprofiel voor een gegeven toepassing te identificeren.” Deze voorspellingscapaciteit wordt in parallel met fysieke testen ontwikkeld om het gebruik van gelaste TPC componenten in grotere primaire structuren voor toekomstige vliegtuigen te ondersteunen. Van Tooren's lab is een onderzoekspartner met KVE en een van vier sites — naast KVE's faciliteit in Den Haag, het Netherlands Aerospace Centre (NLR, Amsterdam) en ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Enschede, Nederland) — die een gestandaardiseerde inductielasopstelling ontwikkeld door KVE (Fig. 4) heeft geïnstalleerd om proceskwalificatie bij OEM's en Tier 1 leveranciers te ondersteunen (zie “Nieuwe horizonten in lassen van thermoplastische composieten”).

Maatwerk inductiespulen

Een alternatieve inductielasbenadering is gebruikt door Composite Integrity (Porcelette, Frankrijk) om het “dynamische inductielassen” proces te ontwikkelen gebruikt om CF/PEKK UD tape stringers en romphullen te verbinden in het STELIA Aerospace (Toulouse, Frankrijk) Arches TP structuur demonstratieproject, onthuld op de 2017 Paris Air Show (Fig. 5). Composite Integrity is de composieten afdeling binnen het Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, Frankrijk). “We halen meer dan 100 jaar IS Groupe ervaring in lassen van metalen om onze eigen inductiespulen te ontwerpen en bouwen geoptimaliseerd voor elk materiaal, dikte en onderdeelvorm, inclusief specifieke spulen voor geweven stof, non-crimp stof en UD,” legt Composite Integrity business development manager Jérôme Raynal uit. “Het grote probleem met UD is dat er geen lasknoopen zijn om inductiestroom te genereren, dus we hebben een specifieke spoel nodig — in dit geval, een multi-spoel.”

Opgericht als Pôle de Plasturgie de l'Est (PPE) 25 jaar geleden, is Composite Integrity een leider in hars overbrengvormen (RTM) en epoxyhars-geïnfuseerde luchtvaartstructuren met Franse luchtvaartbedrijven. Geïntegreerd in de IS Groupe in 2016, heeft het gewerkt met Aviacomp (Launaguet, Frankrijk) om co-consolidatielastechnologie te ontwikkelen gebruikt in TPC brandstoftank toegangspoorten voor de Airbus A350 vliegtuigen. “Weerstandselementen op het oppervlak van de gevormde binnen- en buitencomposietonderdelen brengen warmte in de laslijn,” zegt Raynal.

Composite Integrity begon met werken aan het STELIA Arches TP project in 2015, wat inductielassen van romp-grote, gekromde onderdelen mogelijk maakte. Het proces wordt beschreven als “dynamisch” omdat de robot de stringers langs de lengte van de romp last en 3D-vormen accommodeert, inclusief beweging in de z-richting tijdens lassen. “Zowel de stringers als de huid in de STELIA demonstrator hebben een verandering in dikte,” legt Raynal uit. Een aluminium rail fungeert als fixatiejig om beweging van de stringer op de huid te voorkomen terwijl het gelast wordt. Voor de demonstrator werd druk toegepast via twee rollen in the laskop. Deze zitten boven de spoel. Tijdens lassen lopen de rollen langs de stringer, naast de fixatierail terwijl de spoel over de laslijn reist.

“We hebben nu een nieuwe, octrooi-pendente laskop ontwikkeld, die een enkele rol gebruikt en de laslijn mechanische eigenschappen verbetert,” merkt Raynal op. “We hebben ook een koelapparaat dat lucht blaast op het lasoppervlak in druk om zeker te zijn dat we onder de kristallisatietemperatuur zijn, dus er is geen risico op de-compactie zodra druk vrijgegeven wordt.”

Voorziening voor afkoeling beïnvloedt ook de kristalliniteit van de thermoplastische matrix aan de laslijn. “We testen om te meten dat kristalliniteit voldoet aan de luchtvaartstandaarden en stellen dan de corresponderende parameters voor het lasproces vast,” legt Raynal uit. Snelheid is ook een factor. “Voor de demonstrator was de snelheid 2 m/min, maar ons doel nu is 5 m/min,” zegt hij. “Het managen van de afkoeling en kristalliniteit van PEEK en PEKK is gecompliceerder, wat de globale lassnelheid beïnvloedt, maar we hebben goede resultaten met beide, gebruikmakend van conventioneel organosheet gekwalificeerd door Airbus.” De maximum dikte van onderdelen tot nu toe gelast is 5 mm. “We hebben dit gedemonstreerd, wat ruwweg de dikte is die je in structurele componenten zou hebben,” observeert Raynal. “Voor STELIA gebruikten we de koolstofvezel als geleider zonder metaal in de interface, maar nu ontwikkelen we technologie om elke vezel te lassen — glasvezel, bijvoorbeel — zonder een metaal mesh ook. We voegen geen materiaal aan de interface toe toch kunnen we UD aan geweven en UD aan UD lassen, zonder probleem,” claimt hij.

Ultrasonisch lassen

De derde meest voorkomende techniek, ultrasonisch lassen is een andere technologie waarmee GKN Fokker significante ervaring heeft opgebouwd. Het proces gebruikt een sonotrode om hoge-frequente (20-40 kHz) trillingen te genereren die wrijvingswarmte en smelting aan de lasoppervlakken veroorzaken.

“Dit is goed voor spotlassen,” zegt Offringa, merkend dat voor Gulfstream vliegtuigen, “We hebben ultrasonisch lassen gebruikt voor het verbinden van meer dan 50.000 gespruiten TPC onderdelen aan vloerpaneelen. Het is heel snel en hoog geautomatiseerd, maar het is een spotlas, op slechts één locatie.” Toch ziet hij potentieel voor deze methode in productie van een geïntegreerde romp, zoals voorgesteld in het Clean Sky 2 programma's Multifunctionele Romp Demonstrator (zie “Nieuwe horizonten in lassen van thermoplastische composieten”). “Rompbeugels worden vaak gelijmd, geriveteerd of gebout aan huidige thermohardende composiet rompstructuren,” observeert Offringa. “Met ultrasonisch lassen kun je heel goede verbinding bereiken met beugels, die vaak ongeversterkte thermoplasten zijn.”

Ultrasonisch lassen is al verschillende decennia gebruikt met kunststoffen, typisch met energieregisseurs aan de lasinterface. Deze driehoekige of rechthoekige riffels van zuiver hars, gevormd in de te lassen oppervlakken, verhogen lokale warmteopwekking. Echter, Irene Fernandez Villegas aan Delft University of Technology (TU Delft, Delft, Nederland) heeft getoond dat 0,08-mm dikke, ongeversterkte thermoplastische films in hun plaats gebruikt kunnen worden. “Zij werkt aan het ontwikkelen van continu ultrasonisch lassen,” zegt Offringa, en dit werk gaat door binnen Clean Sky 2.

In haar 2016 papier, getiteld “Slim ultrasonisch lassen van thermoplastische composieten,” stelt Villegas dat het mogelijk is om het ultrasonisch lasproces op te schalen via sequentieel lassen — dat is, een continue lijn van aangrenzende spotlassen laten dienen hetzelfde doel als een continue lasnaad. Lab-schaal sequentiële spotlassen werd gebruikt in de Clean Sky EcoDesign demonstrator's TPC rompframepaneel, met platte energieregisseurs om een CF/PEEK scharnier en CF/PEKK clips aan CF/PEEK C-frames te lassen (Fig. 6). Experimentele vergelijkingen met mechanisch bevestigde verbindingen in dubbele-lap-scheren en trek-door tests toonden belofte. Het proces wordt verder verkend in 2018 papers door Villegas' TU Delft teamlid Tian Zhao.

Kupke rapporteert dat DLR ZLP ook werkt aan robot-gebaseerd continu ultrasonisch lassen. “Spotlassen is de huidige stand van de techniek, maar de onze is werkelijk continu,” zegt hij. “We optimaliseren het proces op een ruwweg 1m-lange testbank, parametrische studies uitvoerend met verschillende materialen en configuraties. Hoewel de lasmachine en digitale controle ontworpen zijn voor een robotmanipulator, verkennen we nog steeds hoe de kop te verfijnen en welke snelheid en energie het beste werkt voor elk materiaal en laminaatdikte. Ons doel is te tonen dat je heel lang kunt lassen, zoals de verbindingen van een romp.”

Laserlassen

Hoewel laser transmissielassen besproken werd in Yousefpour's 2004 overzicht van TPC lastechnologieën, is het sindsdien significant gevorderd door Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH, Hannover, Duitsland). In dit proces wordt laserlicht eerst doorgegeven door een onderdeel dat transparant of deels transparant is in het nabij-infrarood spectrale bereik (bijv., een ongeversterkt thermoplastisch of glasvezel TPC). Het licht wordt dan geabsorbeerd door koolstofvezel of conductieve additieven in een tweede aangrenzend onderdeel, wat de laserenergie omzet in warmte, wat de las tussen de twee materialen creëert.

Offringa bij GKN Fokker wijst erop dat veel gespruiten luchtvaartbeugels laser transparant zijn. Hij ziet groot potentieel voor het gebruik van laserlassen om assemblage van deze beugels aan CFK rompstructuren te bereiken zonder gaten, stof of bevestigingsmiddelen. Hoewel zowel versterkingstype als laminaatdikte de las beïnvloeden, heeft LZH goede resultaten gedemonstreerd met glasvezel- en koolstofvezelversterkte PPS en polyetherimide (PEI) laminaten in het Laser Transmission Welding of Thermoplastic Composite Structures project (LaWoCS, 2010-2013), dat ook KVE, TenCate Advanced Composites (Nijverdal, Nederland), Unitech Aerospace (Yeovil, VK) en Element Materials Technology (Hitchin, VK) omvatte. LZH heeft deze technologie geoctrooierd en was een 2018 JEC World Innovatieprijs finalist in de luchtvaarttoepassingen categorie voor “Modulaire Thermoplastische Verstevigingspanelen” waar een stempelgevormd CFRTP versteviginggrid gelast wordt aan een composiet huid. Projectpartners omvatten Duitse bedrijven Fraunhofer ICT (Pfinztal), Airbus Operations (Hamburg), ElringKlinger (Dettingen an der Erms) en KMS Automation (Schramberg), alsook TenCate.

Geleidingslassen

Na industrialisatie van inductielassen, ontwikkelde GKN Fokker geleidingslassen (Fig. 7). “Dit is een nieuwe technologie,” zegt Offringa. “Een soort hete ijzer wordt gebruikt om warmte te geleiden door ten minste één van de te verbinden onderdelen. Als weerstandlassen, is de processtijd onafhankelijk van laslengte — dus of de verbinding een halve meter of 10m is, de processtijd is hetzelfde voor beide.” Dit is omdat beide technieken elektriciteit gebruiken om warmte langs de lengte binnen seconden te leveren. Het TPC orthogrid rompaneel getoond op JEC 2014 had geleidingslassen. “De frames werden in een tweede stap gelast met een robot met een las-eindwerkzetting,” zegt Offringa. “Het rompaneel was gekromd en de frames waren redelijk kort. Echter, deze methode zou goed kunnen werken voor het lassen van 6-10m-lange stringers aan romphullen.”

Inline procescontrole en verder

A sleutelstap in het rijpen van TPC lassen voor rompstructuren is de mogelijkheid om het proces in situ te monitoren en managen. “Op dit moment is ons inductielasproces pre-geconfigureerd,” zegt van Engelen bij KVE. “We gebruiken thermocouples in de laslijn om het proces te kalibreren. Maar we prefereren de temperatuur in de las te meten en die terug te voeden om het vermogen aan de spoel te managen.”

“Onze lasprocessen zijn digitaal gecontroleerd en alle procesdata wordt opgeslagen,” zegt Offringa bij GKN Fokker, “maar we bewegen richting inline procescontrole, gebaseerd op real-time temperatuurmeting.” Hij gelooft dat dit mogelijk is voor inductie- en weerstandlassen binnen een paar jaar, terwijl ultrasonisch lassen al redelijk dichtbij is. Villegas aan TU Delft stelt dat in-situ procesmonitoring van sequentieel ultrasonisch lassen mogelijk is gebaseerd op de vermogen- en verplaatsingscurves geleverd door de lasmachine, wat het mogelijk maakt om snel optimale verwerkingsparameters te definiëren.

Naast procescontrole, werkt KVE ook aan inline inspectie. “Als de las een probleem toont, gaan we gewoon terug en lasten het opnieuw,” zegt van Engelen.

“Dit is waarom thermoplastische composieten zo goed zijn,” merkt Raynal bij Composite Integrity op. “Herlassen schaadt ze niet. We hebben specifieke technologie om te lassen en ont-lassen met weerstandlassen om te demonteren door stroom te injecteren.” Zijn bedrijf ontwikkelt ook inline inspectie. “We zullen een thermografische cel net na de inductielaskop hebben en de las controleren met live thermografie,” zegt Raynal. Van Tooren achtervolgt ook in-situ procesmonitoring en inspectie, maar met vezeloptische sensoren, inclusief het ODiSI systeem van Luna (Roanoke, VA, VS), dat meer dan 1.000 sensorpunten per meter biedt.

TPRC en van Tooren hebben elk lopende projecten om inline procescontrole te ontwikkelen voor inductielassen van grote, gekromde structuren en variërende diktes, inclusief laagopbouw en drop-offs in stringers. Van Tooren ontwikkelt ook inductielassen onder een vacuümzak. “Het wordt als zacht gereedschap voor compressie van de twee te lassen oppervlakken,” zegt hij, en is momenteel gericht op potentiële reparatietoepassingen (zie “Nieuwe horizonten in lassen van thermoplastische composieten”). Van Engelen's lijst van KVE toekomstige ontwikkelingen omvat ook TPC reparatie, inductielassen van glasvezel TPC's, niet-luchtvaarttoepassingen en fluxconcentratoren. “We ontwikkelen reflecterende materialen om het elektromagnetische veld te concentreren aan de laslijn,” legt hij uit. “Je wilt de energie hier plaatsen in plaats van aan het onderdeelbuitenoppervlak. Met deze fluxconcentratoren, richt je de energie, vergelijkbaar met hoe je vezels richt waar je ze wilt, met geautomatiseerde plaatsing.”

“We ontwikkelen nog alle lastechnologieën,” vat Offringa samen, “en verkennen nieuwe. Het meest belangrijk is dat we niet denken dat er een enkele technologie is met de meeste belofte, maar dat elk zijn plaats heeft.”

Wijskamp merkt op dat met de recente Clean Sky 2 oproepen voor voorstellen, het duidelijk is geworden dat Airbus gelaste TPC's in grote rompstructuren wil gebruiken. “Maar we hebben dit al gezien in onze 19 partners die zich sinds 2009 aangesloten hebben,” voegt hij toe.

Van Tooren gelooft dat een gelast, bevestigingsmiddeloos, groot onderdeel, zo niet een volledige romp, bereikbaar is. “Bij voorkeur, op het Boeing New Midsize Airplane, maar zeker het volgende vliegtuig.”