Thermoplastische composieten lassen

In tegenstelling tot composieten gemaakt met een thermoset matrix, thermoplastisch composieten (TPC's) vereisen geen complexe chemische reacties of langdurige uithardingsprocessen. Thermoplastische prepregs vereisen geen koeling en bieden een praktisch oneindige houdbaarheid. De polymeren die worden gebruikt in lucht- en ruimtevaart-TPC's - polyfenyleensulfide (PPS), polyetherimide (PEI), polyetheretherketon (PEEK), polyetherketonketon (PEKK) en polyarylketon (PAEK) - bieden een hoge schadetolerantie in afgewerkte onderdelen, evenals vocht- en chemische weerstand en, dus niet degraderen in warme/natte omstandigheden. En ze kunnen worden omgesmolten, wat voordelen biedt bij reparatie en recycleerbaarheid aan het einde van de levensduur. Maar misschien is de grootste drijfveer voor het gebruik van TPC bij het ontwikkelen van vliegtuigen de mogelijkheid om componenten samen te voegen via fusiebinding / lassen. Het vormt een aantrekkelijk alternatief voor de conventionele methoden — mechanische bevestiging en lijmverbinding — die worden gebruikt om onderdelen van thermohardend composiet (TSC) te verbinden.

Zoals gedefinieerd in het veel geciteerde artikel "Fusion Bonding/Welding of Thermoplastic Composites", door Ali Yousefpour, National Research Council Canada (Ottawa, ON, Canada), "Het proces van fusiebinding omvat het verhitten en smelten van het polymeer op de binding oppervlakken van de componenten en vervolgens deze oppervlakken samen te drukken voor het stollen en consolideren van het polymeer.” Het resultaat is heel anders dan bij thermohardende verbindingen.

"Je creëert een unitized structuur, zoals een rib die aan een huid is gelast", legt Arnt Offringa uit, hoofd Aerostructures R&T voor GKN Fokker (Hoogeveen, Nederland). “Als je onder een microscoop kijkt, zie je gewoon homogeen polymeer, dus dit is iets anders dan binding. Er is geen scheidslijn, geen splitsing, geen herkenbaar verbindingsmateriaal zoals lijm. Er is maar één materiaal, daarom gebruik je aan beide kanten van de las hetzelfde polymeer. De autoriteiten zullen een dergelijke verbinding dus accepteren zonder mechanische bevestigingsmiddelen. (Offringa gebruikt hier het woord "join" omdat het resultaat van het lasproces geen verbinding is, maar één massief stuk.)

In feite vliegen dergelijke gelaste TPC-constructies al tientallen jaren. En hoewel weerstandslassen en inductielassen de twee meest gevestigde methoden zijn, worden andere, waaronder ultrasoon lassen, laserlassen en conductielassen, geavanceerd voor gebruik met composieten. De ontwikkeling van deze methoden gaat door terwijl voorstanders van lassen de noodzakelijke betrouwbaarheid zoeken in voorspellende processimulatiesoftware, meer inline controle van lasprocesvariabelen en uitbreiding van lasprocessen tot de productie van primaire vliegtuigconstructies.

Weerstandslassen

Samen met KVE Composites Group (Den Haag, Nederland) is GKN Fokker een erkend leider in de ontwikkeling van TPC-lassen (zie CW ’s tour van Fokker Aerostructures). “We zijn begin jaren negentig begonnen met weerstandslassen”, zegt Offringa. “De elegantie van deze methode is dat de warmte precies op het lasraakvlak wordt geproduceerd.” Elektrische stroom, geleid door een weerstandselement op het lasinterface, creëert warmte en smelt het thermoplastische polymeer (Fig. 1). Dit resistieve element - een metaal- of koolstofvezel (CF) - blijft echter in het voltooide onderdeel. "We hebben een methode ontwikkeld waarbij een PPS-gecoat metalen gaas als weerstandselement wordt gebruikt, en vervolgens hebben we weerstandgelaste CF/PPS-hoofdlandingsgesteldeuren gecertificeerd en gevlogen op de Fokker 50 turbopropvliegtuigen in 1998”, zegt Offringa. "Dit leidde vervolgens tot gesprekken met Airbus UK (Broughton, Chester, UK) en de ontwikkeling van vaste glasvezel/PPS-voorranden voor de A340/A350 en vervolgens A380 widebody-vliegtuigen." GKN Fokker heeft zijn onderzoek naar weerstandslassen voortgezet, voornamelijk gericht op koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP).

De technologie is vooruitgegaan. Premium AEROTEC (Augsburg, Duitsland) toonde een Airbus (Toulouse Frankrijk) A320 achterdrukschotdemonstrator op de 2018 ILA Berlin Air Show. Het schot bestaat uit acht persgevormde CF-stof/PPS-segmenten die zijn geassembleerd via weerstandslassen. "We gebruiken al geruime tijd weerstandslassen", zegt Dr. Michael Kupke, hoofd van het Centrum voor Lichtgewicht Productietechnologie (ZLP) voor het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) in Augsburg. "Voor de Premium AEROTEC-demonstrator hebben we de lengte van de laslijn verlengd tot 1,5 m."

ZLP koos voor een resistief element gemaakt van koolstofvezel versus legacy roestvrijstalen gaas. "Voor inductielassen is het moeilijk om de temperatuur en energie te krijgen waar je het wilt en niet ergens anders in het onderdeel", stelt Kupke. “Voor weerstandslassen is dit inherent opgelost, maar het nadeel was tot nu toe dat de weerstand in het onderdeel blijft.” Het gebruik van een koolstofvezelweerstand vermindert dit nadeel.

De basismethode blijft echter hetzelfde. "Je oefent een spanning uit en oefent druk uit op beide delen om een ​​goede consolidatie te krijgen", voegt hij eraan toe. "Voor kleinere onderdelen oefent de robotachtige eindeffector de druk uit, maar voor grotere onderdelen heb je een mal nodig om klemdruk te leveren." De mal voor het achterste drukschot van de A320 is een gebogen metalen "lasbrug" gebouwd door Premium AEROTEC (Fig. 2). Hij roteert naar positie boven elk van de acht laslijnen en oefent de nodige druk uit via 10 pneumatische cilinders binnenin.

Naast PPS heeft het DLR ZLP-team van Kupke gevalideerd dat dit proces ook werkt voor koolstofvezelstof/PEEK. "Als je PEEK kunt gebruiken, kun je je aanpassen aan PEKK, PAEK en PEI", voegt hij eraan toe. "We zouden ook unidirectionele (UD) tape moeten kunnen lassen", merkt hij ook op (uitdagingen die samenhangen met het lassen van UD-tapes worden hieronder uitgelegd). Kupke zegt dat er geen limiet is aan de dikte van het gelaste onderdeel, "het kan 3 mm of 30 mm zijn, maar wees voorzichtig met thermisch beheer bij de laslijn."

Hij zegt dat de volgende stap zal zijn om een ​​reeks geoptimaliseerde CF-resistieve elementen te ontwikkelen. "Voor nu hebben we alleen kant-en-klare materialen gebruikt." Kupke wijst erop dat dit slechts een demonstrator was, geen industrieel proces. “Om te industrialiseren zouden we het iets anders doen. Het lasproces voor elke verbinding in het A320-schot duurde 4 minuten, maar er werd slechts 90 seconden lasstroom toegepast. De resterende tijd was voor het opwarmen en afkoelen van de PPS-thermoplast bij de laslijn. Met industrialisatie denken we dat de totale tijd sneller zou zijn en dat het lassen nog steeds slechts 60-90 seconden zou duren per verbinding van 1,5 m.”

Inductielassen

KVE begon begin jaren 2000 te werken met inductielassen. De basistechniek omvat het verplaatsen van een inductiespoel langs de laslijn. De spoel induceert wervelstromen in het inherent geleidende CFRP-laminaat, die warmte genereren en de thermoplast doen smelten. “We begonnen met enkelvoudige afschuifcoupons, volgens de bouwstenenbenadering, en gingen door naar L-verbindingen, T-verbindingen, vervolgens basisstructuren en tenslotte liften en roeren”, herinnert KVE-directeur Harm van Engelen zich.

Het bedrijf ontwikkelde parallel computersimulaties. "Simulatie helpt je te voorspellen wat de temperatuur zal zijn aan het buitenoppervlak en aan de laslijn", legt hij uit. “Je moet de warmte in de laslijn concentreren, maar aangrenzende delen niet oververhitten. Het bovenoppervlak warmt sneller op dan de interface, dus die warmte moet je kwijt.” KVE patenteerde niet alleen de resulterende warmtebeheertechnologie en gereedschapsmaterialen, maar ook de op gereedschappen gebaseerde benadering om de druk tijdens het lassen te handhaven, en de robotbesturing van de inductiespoel en laskop, die het in 2005 ontwikkelde.

"Dit bood een alternatief voor weerstandslassen voor CFRP waarvoor geen susceptor of lasstrip nodig was", zegt Offringa van GKN Fokker. “We hebben de KVE-technologie in licentie gegeven en geïmplementeerd op de Gulfstream G650 liften en roer, die vliegen sinds 2008.” KVE was een belangrijke partner in de ontwikkeling en industrialisatie van het robotinductielasproces. Op de Dassault Falcon 5X wordt een verfijnde techniek van de tweede generatie gebruikt voor de hoogteverschillen en het roer. . Van Engelen merkt op dat lassen voor de G650 werd geautomatiseerd maar in meerdere stappen voltooid. "Voor de Dassault is het in één keer gedaan", voegt hij eraan toe. "Alle onderdelen worden in het gereedschap geplaatst en vervolgens worden twee liften en een roer 's nachts in één ploeg gelast."

In 2008 was KVE begonnen met het testen van UD CF/PEKK-tape (single-lap shear) (SLS) met één enkele lap en produceerde het demonstratiemodellen voor het Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS)-programma. Tegen 2010 had het 3D-simulaties van inductiegelaste UD CF-laminaten met blikseminslagbeveiliging (LSP) voltooid en met dikke laminaten gewerkt (≤5 mm voor UD PEEK en PEKK, ≤15 mm voor koolstofvezelstof/PPS). KVE had ook een TPC-roer ontworpen en gebouwd voor The Boeing Co.'s (Chicago, IL, VS) Phantom Eye UAV, die Boeing vervolgens in 2011 begon te produceren. In 2014 had het bedrijf inductiegelaste UD CF/PEKK-demonstrators geproduceerd en werkt het nu samen met meerdere OEM's en Tier 1-leveranciers om deze technologie te helpen kwalificeren voor andere vliegtuigconstructies.

Overstappen van stof naar UD-tape

Inductielassen is zeer geschikt voor koolstofvezelweefsel, zegt Offringa, "maar met UD-tape zijn er nieuwe uitdagingen om productiesnelheden te bereiken."

Zoals uitgelegd door Dr. Michel van Tooren, directeur van het SmartState Center for Multifunctional Materials and Structures, onderdeel van het McNair Center van de University of South Carolina (Columbia, SC, VS):“Voor inductie in CFRP-laminaten heb je vezels nodig op twee verschillende hoeken – liefst hoeken zo ver mogelijk weg – om wervelstromen te genereren.” De loodrechte 0° en 90° vezeloriëntatie in geweven stof is ideaal, waardoor wervelstromen kunnen worden gegenereerd in elke laag van het laminaat. Bij UD-laminaatstapels is het echter gebruikelijk om 45°-lagen door elkaar te laten lopen, zodat het hoekverschil kleiner is. "Het wervelstroomverwarmingsmechanisme wordt beïnvloed omdat deze richtingen niet loodrecht zijn , voegt Maarten Labordus, hoofd R&D bij KVE, toe. "Er is ook geen duidelijke vezelovergang tussen de lagen, ze zijn gewoon gelaagd. Je hebt dus meer vermogen nodig om stroom te induceren in vergelijking met textiellaminaat.”

Het toevoegen van meer vermogen maakt het beheer van het lasproces echter niet eenvoudiger. Het balanceren van elektrisch vermogen en temperatuur bij de laslijn is niet eenvoudig, omdat het inductielasproces niet alleen verandert met de stapelvolgorde, maar ook met de laminaatdikte en de onderdeelgeometrie. “We kijken dus naar de procesparameters en hoe warmte ontstaat in de materialen”, zegt Sebastiaan Wijskamp, ​​technisch directeur van TPRC. “We willen richtlijnen en ontwerptools hebben om de lasprestaties van tevoren te voorspellen. Als u wilt overstappen van stof naar UD, hoe kunt u dit dan snel doen zonder een proces van vallen en opstaan? Idealiter zouden simulaties op basis van de elektrische en thermische geleidbaarheidseigenschappen van vezels en polymeren, zelfs voor een bepaalde lay-out, en ook rekening houdend met onderdeelgeometrie, u in staat stellen uw lasproces per onderdeel te ontwerpen. We doen gezamenlijk onderzoek met KVE en Michel van Tooren in het McNair Center om het fundamentele begrip voor deze richtlijnen en tools te ontwikkelen.”

"We kwantificeren al deze factoren - UD versus stof, stapelvolgorde, gebieden met meer hars en minder hars - en stellen hun relatie vast, dan voegen we dit weer toe aan het algemene lasmodel", legt Labordus uit (Fig. 3) . Gebieden met een hoog harsgehalte fungeren als een isolator, waardoor de warmte wordt vertraagd, terwijl gebieden met een lager harsgehalte (en een hoger vezelgehalte) de verwarming vergemakkelijken. "Eerst hadden we 40% korting op onze lasvoorspellingen met UD, maar nu zitten we binnen 10% en komen we dicht bij onze hoge nauwkeurigheidsniveaus voor CF-stof/PPS", voegt Labordus toe.

Van Tooren is ook bijna in staat om te voorspellen inductielasprestaties voor UD-laminaten. "Tegen het einde van 2018 zullen we een simulatietool hebben die werkt voor relatief eenvoudige geometrieën, waarmee we de benodigde spoelvorm, het vermogen, de robotsnelheid en het verwarmingsprofiel voor een bepaalde toepassing kunnen identificeren." Dit voorspellingsvermogen wordt parallel met fysieke tests ontwikkeld om het gebruik van gelaste TPC-componenten in grotere primaire constructies voor toekomstige vliegtuigen te ondersteunen. Het laboratorium van Van Tooren is een onderzoekspartner van KVE en een van de vier locaties - samen met de KVE-faciliteit in Den Haag, het Netherlands Aerospace Centre (NLR, Amsterdam) en het ThermoPlastic Composites Research Centre (TPRC, Enschede, Nederland) - die een gestandaardiseerde inductielasopstelling ontwikkeld door KVE (Fig. 4) ter ondersteuning van proceskwalificatie bij OEM's en Tier 1-leveranciers (zie "Nieuwe horizonten in het lassen van thermoplastische composieten").

Op maat gemaakte inductiespoelen

Composite Integrity (Porcelette, Frankrijk) heeft een alternatieve benadering voor inductielassen gebruikt om het "dynamische inductielassen"-proces te ontwikkelen dat wordt gebruikt om CF/PEKK UD-tapestringers en romphuiden samen te voegen in de Arches TP-structuurdemonstratie van STELIA Aerospace (Toulouse, Frankrijk) project, onthuld op de Paris Air Show 2017 (Fig. 5). Composite Integrity is de composietdivisie binnen het Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, Frankrijk). "We putten uit meer dan 100 jaar ervaring van IS Groupe in het lassen van metalen om onze eigen inductiespoelen te ontwerpen en te bouwen die zijn geoptimaliseerd voor elk materiaal, elke dikte en elk onderdeelvorm, inclusief specifieke spoelen voor geweven stof, non-crimp stof en UD", legt Composite Integrity uit. ontwikkelingsmanager Jérôme Raynal. "Het grootste probleem met UD is dat er geen lasknooppunten zijn om inductiestroom te genereren, dus we hebben een specifieke spoel nodig - in dit geval een multi-spoel."

Composite Integrity, 25 jaar geleden opgericht als Pôle de Plasturgie de l'Est (PPE), is een leider op het gebied van resin transfer molding (RTM) en met epoxyhars doordrenkte vliegtuigconstructies bij Franse lucht- en ruimtevaartbedrijven. Het werd in 2016 opgenomen in de IS Groupe en heeft samengewerkt met Aviacomp (Launaguet, Frankrijk) om co-consolidatielastechnologie te ontwikkelen die wordt gebruikt in TPC-brandstoftoegangsdeuren voor het Airbus A350-vliegtuig. "Resistieve componenten op het oppervlak van de gegoten binnen- en buitencomponenten brengen warmte in de laslijn", zegt Raynal.

Composite Integrity begon in 2015 te werken aan het STELIA Arches TP-project, waardoor inductielassen van gebogen onderdelen ter grootte van de romp mogelijk werd. Het proces wordt beschreven als "dynamisch" omdat de robot de stringers over de lengte van de romp last en biedt plaats aan 3D-vormen, inclusief beweging in de z-richting tijdens het lassen. "Zowel de stringers als de huid in de STELIA-demonstrator hebben een verandering in dikte", legt Raynal uit. Een aluminium rail dient als bevestigingsmal om beweging van de stringer op de huid te voorkomen wanneer deze wordt gelast. Voor de demonstrator werd druk uitgeoefend via twee rollen in de laskop. Deze zitten boven de spoel. Tijdens het lassen lopen de rollen langs de draagbalk, naast de bevestigingsrail terwijl de spoel over de laslijn beweegt.

"We hebben nu een nieuwe laskop ontwikkeld, waarvoor patent is aangevraagd, die een enkele rol gebruikt en de mechanische eigenschappen van de laslijn verbetert", merkt Raynal op. "We hebben ook een koelapparaat dat onder druk lucht op het lasoppervlak blaast om er zeker van te zijn dat we onder de kristallisatietemperatuur blijven, dus er is geen risico op decompactering als de druk eenmaal is opgeheven."

Voorzieningen voor koeling beïnvloeden ook de kristalliniteit van de thermoplastische matrix bij de laslijn. "We testen om te meten of de kristalliniteit voldoet aan de lucht- en ruimtevaartnormen en stellen vervolgens de bijbehorende 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 is nu 5 m/min”, zegt hij. "Het beheer van de afkoeling en kristalliniteit van PEEK en PEKK is ingewikkelder, wat de globale lassnelheid beïnvloedt, maar we hebben goede resultaten met beide, met behulp van conventionele organosheet die is gekwalificeerd door Airbus." De maximale dikte van de tot nu toe gelaste onderdelen is 5 mm. "We hebben dit aangetoond, wat ongeveer de dikte is die je zou hebben in structurele componenten", merkt Raynal op. “Voor STELIA gebruikten we de koolstofvezel als geleider zonder metaal in de interface, maar nu ontwikkelen we technologie om elke vezel – glasvezel bijvoorbeeld – ook zonder metalen gaas te lassen. We voegen geen materiaal toe aan de interface, maar kunnen UD aan geweven en UD aan UD lassen, zonder problemen”, beweert hij.

Ultrasoon lassen

De derde meest voorkomende techniek, ultrasoon lassen, is een andere technologie waarmee GKN Fokker veel ervaring heeft opgedaan. Het proces maakt gebruik van een sonotrode om hoogfrequente (20-40 kHz) trillingen te genereren die wrijvingswarmte en smelten aan de lasoppervlakken veroorzaken.

"Dit is goed voor puntlassen", zegt Offringa, die opmerkt dat voor Gulfstream-vliegtuigen:"We hebben ultrasoon lassen gebruikt om meer dan 50.000 spuitgegoten TPC-onderdelen aan vloerpanelen te verbinden. Het is erg snel en sterk geautomatiseerd, maar het is een puntlas, op slechts één locatie.” Toch ziet hij potentieel voor deze methode in de productie van een geïntegreerde romp, zoals voorgesteld in de Multifunctional Fuselage Demonstrator van het Clean Sky 2-programma (zie "Nieuwe horizonten in het lassen van thermoplastische composieten"). "Fuselage brackets zijn vaak verlijmd, geklonken of vastgeschroefd aan de huidige thermohardende composiet rompstructuren", merkt Offringa op. “Met ultrasoon lassen bereik je een zeer goede verbinding met beugels, die vaak onversterkt thermoplastisch zijn.”

Ultrasoon lassen wordt al tientallen jaren gebruikt met kunststoffen, meestal met energieleiders bij de lasinterface. Deze driehoekige of rechthoekige ribbels van zuivere hars, gegoten in de te lassen oppervlakken, verhogen de lokale warmteontwikkeling. Irene Fernandez Villegas van de Technische Universiteit Delft (TU Delft, Delft, Nederland) heeft echter aangetoond dat in plaats daarvan 0,08 mm dikke, onversterkte thermoplastische films kunnen worden gebruikt. "Ze werkt aan de ontwikkeling van continu ultrasoon lassen", zegt Offringa, en dit werk gaat door binnen Clean Sky 2.

In haar artikel uit 2016, getiteld "Smart ultrasoon lassen van thermoplastische composieten", stelt Villegas dat het mogelijk is om het ultrasone lasproces op te schalen via sequentieel lassen - dat wil zeggen, een ononderbroken lijn van aangrenzende puntlassen hetzelfde doel laten dienen als een continue lijn las kraal. Sequentieel puntlassen op laboratoriumschaal werd gebruikt in het TPC-cascopaneel van de Clean Sky EcoDesign-demonstrator, waarbij gebruik werd gemaakt van platte energiegeleiders 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 afschuif- en doortrektests met dubbele overlappen waren veelbelovend. Het proces wordt verder onderzocht in 2018-papers door Tian Zhao, teamlid van de TU Delft van Villegas.

Kupke meldt dat DLR ZLP ook bezig is met robotgebaseerd continu ultrasoon lassen. “Puntlassen is de huidige stand van de techniek, maar dat van ons is echt continu”, zegt hij. “We optimaliseren het proces op een ongeveer 1 meter lange testbank en voeren parametrische studies uit met verschillende materialen en configuraties. Hoewel het lasapparaat en de digitale besturing zijn ontworpen voor een robotmanipulator, onderzoeken we nog hoe we de kop kunnen verfijnen en welke snelheid en energie het beste werken voor elk materiaal en elke laminaatdikte. Ons doel is om te laten zien dat je heel lang kunt lassen, zoals de verbindingen van een romp.”

Laserlassen

Hoewel lasertransmissielassen werd besproken in Yousefpour's beoordeling van TPC-lastechnologieën uit 2004, is het sindsdien aanzienlijk verbeterd door Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH, Hannover, Duitsland). In dit proces wordt laserlicht eerst door een deel geleid dat transparant of gedeeltelijk transparant is in het nabij-infraroodspectrumbereik (bijvoorbeeld een onversterkte thermoplastische of glasvezel TPC). Het licht wordt vervolgens geabsorbeerd door koolstofvezel of geleidende additieven in een tweede aangrenzend deel, waarbij de laserenergie wordt omgezet in warmte, waardoor de las tussen de twee materialen ontstaat.

Offringa van GKN Fokker wijst erop dat veel spuitgegoten vliegtuigbeugels lasertransparant zijn. Hij ziet een groot potentieel voor het gebruik van laserlassen om de montage van deze beugels op CFRP-rompconstructies te realiseren zonder gaten, stof of bevestigingsmiddelen. Hoewel zowel het wapeningstype als de laminaatdikte de las beïnvloeden, heeft LZH goede resultaten laten zien met glasvezel- en koolstofvezelversterkte PPS- en polyetherimide (PEI)-laminaten in het project Laser Transmission Welding of Thermoplastic Composite Structures (LaWoCS, 2010-2013), dat omvatte ook KVE, TenCate Advanced Composites (Nijverdal, Nederland), Unitech Aerospace (Yeovil, VK) en Element Materials Technology (Hitchin, VK). LZH heeft deze technologie gepatenteerd en was in 2018 finalist van de JEC World Innovation Award in de categorie lucht- en ruimtevaarttoepassingen voor "Modulaire thermoplastische verstijvingspanelen", waarbij een stempelvormig CFRTP-verstevigingsrooster met laser op een composiethuid is gelast. Projectpartners waren onder meer de Duitse firma's Fraunhofer ICT (Pfinztal), Airbus Operations (Hamburg), ElringKlinger (Dettingen an der Erms) en KMS Automation (Schramberg), evenals TenCate.

Geleidingslassen

Na het industrialiseren van het inductielassen ontwikkelde GKN Fokker het geleidingslassen (Fig. 7). "Dit is een nieuwe technologie", zegt Offringa. “Een soort heet ijzer wordt gebruikt om warmte door minstens één van de te verbinden delen te geleiden. Net als bij weerstandslassen is de procestijd onafhankelijk van de laslengte - dus of de verbinding nu een halve meter of 10 m is, de procestijd is voor beide hetzelfde.” Beide technieken gebruiken namelijk elektriciteit om binnen enkele seconden warmte over de lengte te leveren. Het TPC-orthogrid-romppaneel dat op JEC 2014 werd getoond, bevatte geleidingslassen. “De frames werden in een tweede stap gelast met een robot met een laseindeffector”, zegt Offringa. “Het romppaneel was gebogen en de frames waren vrij kort. Deze methode zou echter goed kunnen werken voor het lassen van 6-10 meter lange stringers aan romphuiden.”

Inline procescontrole en meer

Een belangrijke stap in het rijpen van TPC-lassen voor rompconstructies is de mogelijkheid om het proces in situ te bewaken en te beheren. “Op dit moment is ons inductielasproces voorgeconfigureerd”, zegt van Engelen van KVE. “We gebruiken thermokoppels in de laslijn om het proces te kalibreren. Maar we meten liever de temperatuur in de las en geven die terug om het vermogen naar de spoel te regelen.”

“Onze lasprocessen worden digitaal aangestuurd en alle procesgegevens worden opgeslagen”, zegt Offringa van GKN Fokker, “maar we gaan richting inline procescontrole, gebaseerd op realtime temperatuurmeting.” Voor inductie- en weerstandslassen denkt hij dat dit binnen enkele jaren mogelijk is, terwijl ultrasoon lassen al redelijk dichtbij is. Villegas van de TU Delft stelt dat in-situ procesbewaking van sequentieel ultrasoon lassen mogelijk is op basis van de vermogens- en verplaatsingscurves van het lasapparaat, waarmee snel optimale verwerkingsparameters kunnen worden gedefinieerd.

Naast procesbeheersing werkt KVE ook aan inline inspectie. “Als de las een probleem vertoont, gaan we gewoon terug en lassen ze opnieuw”, zegt van Engelen.

"Dit is de reden waarom thermoplastische composieten zo goed zijn", merkt Raynal op van Composite Integrity. “Herlassen doet ze geen pijn. We hebben specifieke technologie om te lassen en te ontlassen met weerstandslassen om te demonteren door stroom te injecteren.” Zijn bedrijf ontwikkelt ook inline inspectie. "We zullen een thermografische cel hebben net na de inductielaskop en de las controleren met behulp van live thermografie", zegt Raynal. Van Tooren streeft ook naar in-situ procesbewaking en -inspectie, maar met behulp van glasvezelsensoren, waaronder het ODiSI-systeem van Luna (Roanoke, VA, VS), dat meer dan 1.000 sensorpunten per meter levert.

TPRC en van Tooren hebben elk lopende projecten om inline procesbesturing te ontwikkelen voor inductielassen van grote, gebogen constructies en verschillende 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 oppervlakken die worden gelast", zegt hij, en is momenteel gericht op mogelijke reparatietoepassingen (zie "Nieuwe horizonten in het lassen van thermoplastische composieten"). Van Engelen’s list of KVE future developments also includes TPC repair, induction welding of glass fiber TPCs, nonaerospace applications and flux concentrators. “We are developing reflective materials to concentrate the electromagnetic field at the weldline,” he explains. “You want to put the energy here instead of at the part’s outer surface. With these flux concentrators, you direct the energy, similar to how you direct fiber where you want, using automated placement.”

“We are still developing all of the welding technologies,” Offringa sums up, “and exploring new ones. Most importantly, we don’t think there is a single technology with the most promise, but that each has its place.”

Wijskamp notes that with the recent Clean Sky 2 calls for proposals, it has become clear that Airbus wants to use welded TPCs in large airframe structures. “But we have seen this already in our 19 partners that have joined since 2009,” he adds.

Van Tooren believes that a welded, fastenerless, large component, if not a full fuselage, is within reach. “Preferably, on the Boeing New Midsize Airplane, but definitely the next aircraft.”