Издавна полагаясь на термореактивные материалы из углеродного волокна для изготовления очень прочных композитных конструктивных деталей для самолетов, производители оборудования для аэрокосмической отрасли теперь используют другой класс материалов из углеродного волокна, поскольку технологические достижения обещают автоматизированное производство новых нетермореактивных деталей в больших объемах, с низкой стоимостью и меньший вес.
Хотя термопластичные композитные материалы из углеродного волокна «существуют уже давно», только недавно производители аэрокосмической отрасли смогли рассмотреть возможность их широкого использования при изготовлении деталей самолетов, включая основные конструкционные компоненты, говорит Стефан Дион, вице-президент по проектированию подразделения Advanced Structures компании Collins Aerospace.
По его словам, термопластичные композиты на основе углеродного волокна потенциально предлагают OEM-производителям аэрокосмической отрасли несколько преимуществ по сравнению с термореактивными композитами, но до недавнего времени производители не могли изготавливать детали из термопластичных композитов по высоким ценам и с высокой скоростью, сказал он.
За последние пять лет OEM-производители начали выходить за рамки изготовления деталей из термореактивных материалов, поскольку наука о производстве деталей из углеродного волокна развивалась, сначала используя методы вливания смолы и технологии трансферного формования смолы (RTM) для изготовления деталей самолетов, а затем использовать термопластичные композиты.
Компания GKN Aerospace вложила значительные средства в разработку технологии вливания смолы и технологии RTM для производства крупных компонентов конструкции самолетов по доступной цене и по высоким ценам.По словам Макса Брауна, вице-президента по технологиям инициативы GKN Aerospace в области передовых технологий Horizon 3, GKN теперь производит цельный композитный лонжерон крыла длиной 17 метров с использованием технологии вливания смолы.
По словам Дион, крупные инвестиции OEM-производителей в производство композитов за последние несколько лет также включали стратегические расходы на развитие возможностей, позволяющих производить крупносерийное производство деталей из термопластов.
Наиболее заметная разница между термореактивными и термопластическими материалами заключается в том, что термореактивные материалы необходимо хранить в холодильнике до того, как им придадут форму деталям, а после придания формы термореактивная деталь должна подвергаться многочасовому отверждению в автоклаве.Эти процессы требуют большого количества энергии и времени, поэтому затраты на производство термореактивных деталей, как правило, остаются высокими.
Отверждение необратимо изменяет молекулярную структуру термореактивного композита, придавая детали его прочность.Однако на современном этапе развития технологий отверждение также делает материал детали непригодным для повторного использования в первичном конструктивном элементе.
Однако, по словам Дион, термопластичные материалы не требуют хранения в холодильнике или запекания при изготовлении деталей.Им можно отштамповать окончательную форму простой детали (каждый кронштейн шпангоутов фюзеляжа Airbus A350 представляет собой деталь из термопластичного композита) или промежуточной стадии более сложного компонента.
Термопластические материалы можно сваривать различными способами, что позволяет изготавливать сложные детали сложной формы из простых подструктур.По словам Дион, сегодня в основном используется индукционная сварка, которая позволяет изготавливать из составных частей только плоские детали постоянной толщины.Тем не менее, Collins разрабатывает методы сварки вибрацией и трением для соединения термопластических деталей, которые, как ожидается, после сертификации в конечном итоге позволят ей производить «по-настоящему продвинутые сложные конструкции», сказал он.
По оценкам Брауна, способность сваривать термопластические материалы для создания сложных конструкций позволяет производителям отказаться от металлических винтов, крепежей и петель, необходимых термореактивным деталям для соединения и складывания, тем самым обеспечивая снижение веса примерно на 10 процентов.
Тем не менее, по словам Брауна, термопластичные композиты лучше связываются с металлами, чем термореактивные композиты.Хотя промышленные исследования и разработки, направленные на разработку практических применений этого свойства термопласта, остаются «на раннем уровне технологической готовности», они могут в конечном итоге позволить аэрокосмическим инженерам разрабатывать компоненты, содержащие гибридные интегрированные структуры термопласта и металла.
Одним из потенциальных применений может быть, например, цельное легкое пассажирское сиденье авиалайнера, содержащее все металлические схемы, необходимые для интерфейса, используемого пассажиром для выбора и управления опциями развлечений в полете, освещением сиденья, потолочным вентилятором. , электронное управление наклоном сиденья, непрозрачность шторок окон и другие функции.
По словам Дион, в отличие от термореактивных материалов, которые требуют отверждения для придания жесткости, прочности и формы, требуемых от деталей, из которых они изготовлены, молекулярные структуры термопластичных композитных материалов не меняются при изготовлении деталей.
В результате термопластические материалы гораздо более устойчивы к разрушению при ударе, чем термореактивные материалы, обеспечивая при этом аналогичную, если не более высокую, структурную вязкость и прочность.«Таким образом, вы можете проектировать [детали] гораздо более тонких размеров», — сказал Дион, имея в виду, что термопластические детали весят меньше, чем любые термореактивные детали, которые они заменяют, даже если не считать дополнительного снижения веса в результате того, что для термопластических деталей не требуются металлические винты или крепежные детали. .
Переработка термопластических деталей также должна оказаться более простым процессом, чем переработка термореактивных деталей.На нынешнем уровне развития технологий (и в течение некоторого времени) необратимые изменения в молекулярной структуре, вызванные отверждением термореактивных материалов, не позволяют использовать переработанный материал для изготовления новых деталей эквивалентной прочности.
Переработка термореактивных деталей включает измельчение углеродных волокон материала на небольшие отрезки и сжигание смеси волокна и смолы перед ее повторной обработкой.Материал, полученный для переработки, структурно слабее, чем термореактивный материал, из которого была изготовлена переработанная деталь, поэтому переработка термореактивных деталей в новые обычно превращает «вторичную структуру в третичную», — сказал Браун.
С другой стороны, по словам Дион, поскольку молекулярная структура термопластических деталей не меняется в процессах изготовления и соединения деталей, их можно просто расплавить в жидкую форму и переработать в детали, столь же прочные, как оригиналы.
Конструкторы самолетов могут выбирать из широкого спектра различных термопластических материалов, доступных для проектирования и производства деталей.«Доступен довольно широкий спектр смол», в которые можно встроить одномерные нити углеродного волокна или двумерные переплетения, придавая материалу различные свойства, сказал Дион.«Наиболее интересными смолами являются легкоплавкие смолы», которые плавятся при относительно низких температурах и поэтому могут формироваться и формоваться при более низких температурах.
По словам Дион, разные классы термопластов также обладают разными свойствами жесткости (высокая, средняя и низкая) и общим качеством.Смолы высочайшего качества стоят дороже всего, а доступность представляет собой ахиллесову пяту термопластов по сравнению с термореактивными материалами.Как правило, они стоят дороже, чем термореактивные материалы, и производители самолетов должны учитывать этот факт при расчете соотношения затрат и выгод, сказал Браун.
Частично по этой причине GKN Aerospace и другие компании продолжат уделять основное внимание термореактивным материалам при производстве крупных конструкционных деталей самолетов.Они уже широко используют термопластичные материалы при изготовлении более мелких деталей конструкции, таких как хвостовое оперение, рули направления и спойлеры.Однако вскоре, когда крупносерийное и недорогое производство легких термопластических деталей станет обычным делом, производители будут использовать их гораздо шире, особенно на растущем рынке eVTOL UAM, заключил Дион.
пришел из ainonline
Время публикации: 08 августа 2022 г.