Optymalne narzędzia do produkcji dużych części kompozytowych Wytwarzanie dużych, złożonych części samolotów z materiałów kompozytowych to proces skomplikowany, odbywający się w znacznej części w ogromnym autoklawie w skrajnych warunkach. Naukowcom udało się zwiększyć wydajność i opłacalność tego procesu. Technologie przemysłowe © Thinkstock W przemyśle lotniczym coraz częściej stosuje się materiały kompozytowe, które łączą niewielką masę z dużą wytrzymałością mechaniczną. Pilnie potrzebne jest jednak zmniejszenie kosztów ich produkcji, szczególnie w przypadku bardzo dużych części, na przykład kadłuba, do których potrzebne są wyjątkowo duże autoklawy. Aby zmierzyć się z tym wyzwaniem, naukowcy powołali do życia finansowany ze środków UE projekt OPTOCOM (Optimal tooling system design for large composite parts). Jako element testowy wybrano panel kadłuba o podwójnej krzywiźnie z usztywnieniami współutwardzanymi, mający powierzchnię około dwóch metrów kwadratowych. Badacze zaprojektowali dużą instalację produkcyjną. Jako materiał narzędziowy wybrano INVAR 36 — stop żelaza i 36% niklu, wyróżniający się wyjątkowo niską rozszerzalnością cieplną. Do produkcji testowej części kadłuba wybrano system matrycy epoksydowej HexPly M21 z włóknami wzmacniającymi. Ze względu na plastyczno-elastyczne właściwości stosowanych materiałów duże, skomplikowane części z ostrymi załamaniami wykazują cechę zwaną sprężynowaniem. Badacze zajęli się dokładnym symulowaniem sprężynowania występującego po utwardzaniu, aby zminimalizować występowanie tego zjawiska i ograniczyć koszty przeróbek i montażu. Następnie, posłużono się metodą elementów skończonych (FEM) w celu stworzenia modeli symulujących zniekształcenia i sprężynowanie podczas utwardzania na podstawie danych doświadczalnych. Modele dały dobre jakościowo wyniki i są obecnie optymalizowane. Zajęto się również optymalizacją rozkładu temperatur w cyklu utwardzania, aby zapewnić jednolitość części kompozytowych, mniejsze naprężenia szczątkowe i niższe zużycie energii. Modele FEM posłużyły do oceny i optymalizacji zachowań termicznych oprzyrządowania w autoklawie, a tym samym znaczącego przyspieszenia pracy, obniżenia kosztów i zmniejszenia zużycia energii. Wyniki modelowania i dane doświadczalne potwierdziły, że oprzyrządowanie prawie nie ulega deformacji, a jego nagrzewanie i stygnięcie przebiega bardzo jednorodnie. Ostateczną wersję narzędzia zaprojektowano z myślą o dużych możliwościach adaptacji. Analiza kosztowa wykazała, że wyniki projektu OPTOCOM faktycznie przynoszą znaczne skrócenie czasu obróbki w autoklawie, co przekłada się na niższe zużycie energii, mniej emisji i skrócenie czasu poprawek i montażu. Po dalszej optymalizacji rozwiązanie zostanie wprowadzone na rynek i powinno istotnie zwiększyć konkurencyjność europejskiego przemysłu lotniczego. Słowa kluczowe Części kompozytowe, samoloty, autoklaw, oprzyrządowanie, kadłub, sprężynowanie
