Udoskonalanie kompozytów termoplastycznych na potrzeby kadłubów nowej generacji
Kompozyty termoplastyczne (ang. thermoplastic composite, TPC) są klasą materiałów zaawansowanych, które mogą znaleźć szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym i kosmicznym. TPC oferują większą wytrzymałość i zwiększoną odporność na uderzenia w porównaniu z termoutwardzalnymi tworzywami sztucznymi – obecnie standardowym materiałem stosowanym w tej branży – co może zmniejszyć nakłady na czynności konserwacyjne w całym okresie eksploatacji statku powietrznego. Produkcja TPC jest jednak trudna i kosztowna. Ich obróbka wymaga bardzo wysokich, sięgających 400 °C temperatur, aby nadać im kształt przed ich schłodzeniem. Na jakość części ma również wpływ prędkość nagrzewania i chłodzenia, która może być trudna do kontrolowania w przypadku dużych części z miejscowymi różnicami w grubości. „Na tym poziomie temperatury zakres możliwych do zastosowania materiałów pomocniczych jest bardzo ograniczony, drogi i nadal trudny do zastosowania w przypadku podwójnie zakrzywionych części z elementami usztywniającymi”, wyjaśnia Guillaume Fourage, inżynier z instytutu ESTIA (strona w języku francuskim) i koordynator projektu FRAMES. W ramach finansowanego ze środków UE projektu FRAMES naukowcy z instytutu ESTIA opracowali nowe podejście produkcyjne wspierające rozwój przyszłych zaawansowanych kadłubów i usterzenia ogonowego statków powietrznych z TPC.
Wieloczęściowa strategia produkcji TPC
Zamiast jednego konkretnego podejścia produkcyjnego zespół projektu FRAMES opracował szereg rozwiązań na potrzeby szerszego zakresu procesów związanych z produkcją tylnej części kadłuba. Obejmowały one: narzędzie symulacyjne do przewidywania temperatur obróbki podczas produkcji paneli poszycia poprzez zautomatyzowane umieszczanie włókien; rozwiązania w zakresie szybkiej produkcji usztywnień (struktur mocowanych do kadłuba samolotu w celu zapewnienia wsparcia); oraz samonagrzewające się narzędzie do montażu poszycia i usztywnień. Na potrzeby produkcji usztywnień o złożonych kształtach zespół projektu FRAMES udoskonalił niektóre procesy produkcyjne, takie jak tłoczenie na gorąco (do kształtowania kompozytów), ciągłe formowanie tłoczne (metoda tworzenia TPC) i umieszczanie włókien. Wreszcie, naukowcy stworzyli nowy zestaw narzędzi z wbudowanymi kanałami grzewczymi i chłodzącymi, aby móc skuteczniej kształtować TPC. To fizyczne narzędzie metaliczne opracowane w ramach projektu FRAMES do produkcji złożonych usztywnień stanowi krok naprzód w obróbce TPC. Zbudowano je w celu kontrolowania rozszerzalności cieplnej między różnymi komponentami montażowymi i zapewnienia precyzyjnej kontroli temperatury w całym cyklu produkcyjnym, wyjaśnia Fourage.
Symulacje w celu zwiększenia dokładności produkcji
Narzędzie symulacyjne opracowane w ramach projektu FRAMES zapewnia możliwość precyzyjnego kontrolowania ilości energii cieplnej dostarczanej do materiału podczas umieszczania włókien. Narzędzie to można wykorzystać do optymalizacji procesów formowania TPC, na przykład poprzez zwiększenie prędkości umieszczania włókien przy jednoczesnym zachowaniu kontroli nad zużyciem energii. „Udało nam się wyprodukować profile usztywniające o wysokim stopniu zakrzywienia, różnicach w grubości i w konkurencyjnym czasie trwania cyklu”, mówi Fourage.
Zastosowanie TPC w europejskich statkach powietrznych
Rozwiązania opracowane w ramach projektu FRAMES zostaną wkrótce wykorzystane w zaawansowanych platformach demonstracyjnych, testach z udziałem głównych firm lotniczych w całej Europie. „Rezultaty projektu pomogą w produkcji skonsolidowanego panelu kadłuba w skali rzeczywistej, wykorzystując oszczędność masy i tempo produkcji”, dodaje Fourage. Dzięki wiedzy zdobytej podczas realizacji projektu FRAMES zespół będzie teraz kontynuował udoskonalanie parametrów procesu i pomagał swoim klientom w osiąganiu celów w zakresie wydajności i ochrony środowiska. „Chciałbym podziękować zespołowi za ich wysiłki i zaangażowanie w ciągu ostatnich dwóch i pół roku, a także skupieniu na celach projektu pomimo trudnych momentów”, podsumowuje Fourage. „Oprócz osiągnięć technicznych projekt FRAMES był również wspaniałym doświadczeniem współpracy europejskiej”.
Słowa kluczowe
FRAMES, kadłub, lotnictwo i kosmonautyka, zaawansowany, kompozyty, produkcja, symulacja, wytwarzanie
