новини

Довгий час покладаючись на термореактивні матеріали з вуглецевого волокна для виготовлення дуже міцних композитних конструкційних деталей для літаків, виробники аерокосмічного обладнання тепер використовують інший клас матеріалів з вуглецевого волокна, оскільки технологічний прогрес обіцяє автоматизоване виробництво нових нетермореактивних деталей у великих обсягах, низькій вартості та легша вага.

Хоча термопластичні композиційні матеріали з вуглецевого волокна «існують уже давно», лише нещодавно виробники аерокосмічної галузі могли розглянути можливість їх широкого використання у виготовленні частин літаків, включаючи основні структурні компоненти, сказав Стефан Діон, віце-президент з інженерних питань підрозділу Advanced Structures Collins Aerospace.

Термопластичні композити з вуглецевого волокна потенційно пропонують аерокосмічним виробникам декілька переваг перед термореактивними композитами, але до недавнього часу виробники не могли виготовляти деталі з термопластичних композитів з високою швидкістю та за низькою ціною, сказав він.

Протягом останніх п’яти років виробники комплектного обладнання почали виходити за рамки виготовлення деталей із термореактивних матеріалів, оскільки розвинулась наука про виробництво композитних деталей із вуглецевого волокна, спершу для використання методів інфузії смоли та формування з перенесенням смоли (RTM) для виготовлення деталей літаків, а потім використовувати термопластичні композити.

Компанія GKN Aerospace вклала значні кошти в розробку своєї технології вливання смоли та RTM для виробництва компонентів конструкції великих літаків за доступними цінами та високими темпами. За словами Макса Брауна, віце-президента з технологій для ініціативи передових технологій Horizon 3 компанії GKN Aerospace, GKN тепер виготовляє 17-метровий цільний композитний лонжерон крила, використовуючи інфузійну смолу.

Великі інвестиції OEM-виробників у виробництво композитних матеріалів за останні кілька років також включали стратегічні витрати на розвиток можливостей, щоб дозволити виробництво великих обсягів термопластичних деталей, за словами Діона.

Найпомітніша відмінність між термореактивними та термопластичними матеріалами полягає в тому, що термореактивні матеріали повинні зберігатися в холодному зберіганні, перш ніж бути сформованими в деталі, а після формування термореактивна деталь повинна пройти багатогодинну затвердіння в автоклаві. Ці процеси потребують багато енергії та часу, тому витрати на виробництво термореактивних деталей, як правило, залишаються високими.

Затвердіння незворотно змінює молекулярну структуру термореактивного композиту, надаючи цій частині міцність. Однак на поточному етапі технологічного розвитку затвердіння також робить матеріал у частині непридатним для повторного використання в первинному конструктивному компоненті.

Однак, за словами Діона, термопластичні матеріали не вимагають холодного зберігання або випічки, коли їх виготовляють на частини. Вони можуть бути відштамповані в остаточну форму простої деталі (кожен кронштейн для каркасів фюзеляжу Airbus A350 є деталлю з термопластичного композиту) або в проміжну стадію більш складного компонента.

Термопластичні матеріали можна зварювати між собою різними способами, що дозволяє виготовляти складні деталі високої форми з простих підструктур. За словами Діона, сьогодні в основному використовується індукційне зварювання, яке дозволяє виготовляти лише плоскі деталі постійної товщини з частин. Проте Collins розробляє методи вібраційного та фрикційного зварювання для з’єднання термопластичних деталей, які, як очікується, після сертифікації згодом дозволять створювати «справді передові складні конструкції», — сказав він.

Здатність зварювати разом термопластичні матеріали для виготовлення складних конструкцій дозволяє виробникам відмовитися від металевих гвинтів, кріплень і петель, необхідних термореактивним деталям для з’єднання та складання, таким чином створюючи вигоду щодо зменшення ваги приблизно на 10 відсотків, підрахував Браун.

Тим не менш, за словами Брауна, термопластичні композити краще зв’язуються з металами, ніж термореактивні композити. У той час як промислові дослідження та розробки, спрямовані на розробку практичних застосувань цієї термопластичної властивості, залишаються «на рівні технологічної готовності ранньої зрілості», зрештою це може дозволити аерокосмічним інженерам розробляти компоненти, які містять гібридні інтегровані структури з термопласту та металу.

Одним із потенційних застосувань може бути, наприклад, цільне, легке пасажирське сидіння авіалайнера, що містить усі металеві схеми, необхідні для інтерфейсу, який використовується пасажиром для вибору та керування розважальними функціями в борту, освітлення сидінь, вентилятор у верхній частині. , нахил сидіння з електронним керуванням, непрозорість шторки та інші функції.

На відміну від термореактивних матеріалів, які потребують затвердіння, щоб отримати жорсткість, міцність і форму, необхідні для деталей, у які вони виготовляються, молекулярні структури термопластичних композитних матеріалів не змінюються, коли їх виготовляють на частини, за словами Діона.

Як наслідок, термопластичні матеріали набагато стійкіші до руйнування під час удару, ніж термореактивні матеріали, водночас пропонуючи подібну, якщо не більшу, структурну в’язкість і міцність. «Тож ви можете розробляти [деталі] для набагато тонших калібрів», — сказав Діон, маючи на увазі, що термопластичні деталі важать менше, ніж будь-які термореактивні деталі, які вони замінюють, навіть не враховуючи додаткового зменшення ваги внаслідок того, що термопластичні деталі не потребують металевих гвинтів чи кріплень. .

Переробка термопластичних деталей також має виявитися простішим процесом, ніж переробка термореактивних деталей. За нинішнього рівня технологій (і на деякий час у майбутньому) незворотні зміни в молекулярній структурі, викликані затвердінням термореактивних матеріалів, перешкоджають використанню переробленого матеріалу для виготовлення нових деталей еквівалентної міцності.

Переробка термореактивних деталей передбачає подрібнення вуглецевих волокон у матеріалі на невеликі відрізки та спалювання суміші волокна та смоли перед її повторною обробкою. Матеріал, отриманий для повторної обробки, є структурно слабшим, ніж термореактивний матеріал, з якого була виготовлена ​​перероблена частина, тому переробка термореактивних деталей у нові зазвичай перетворює «вторинну структуру на третинну», — сказав Браун.

З іншого боку, оскільки молекулярні структури термопластичних деталей не змінюються в процесах виготовлення та з’єднання деталей, за словами Діона, їх можна просто переплавити в рідку форму та переробити на деталі, такі ж міцні, як і оригінали.

Авіаконструктори можуть вибирати з широкого вибору різних термопластичних матеріалів, доступних для проектування та виробництва деталей. Доступний «досить широкий спектр смол», у які можна вставляти одновимірні нитки вуглецевого волокна або двовимірні переплетення, створюючи різні властивості матеріалу, сказав Діон. «Найцікавіші смоли — це смоли з низьким рівнем плавлення», які плавляться при відносно низьких температурах і тому їх можна формувати за нижчих температур.

За словами Діона, різні класи термопластів також пропонують різні властивості жорсткості (високі, середні та низькі) і загальну якість. Найякісніші смоли коштують дорожче, а доступність є ахіллесовою п’ятою для термопластів у порівнянні з термореактивними матеріалами. Як правило, вони коштують дорожче, ніж термореактивні, і виробники літаків повинні враховувати цей факт у своїх розрахунках вартості та вигоди, сказав Браун.

Частково з цієї причини GKN Aerospace та інші й надалі зосереджуватимуться на термореактивних матеріалах при виготовленні великих структурних деталей для літаків. Вони вже широко використовують термопластичні матеріали для виготовлення менших конструктивних деталей, таких як оперення, керма та спойлери. Однак незабаром, коли великомасштабне та недороге виробництво легких термопластичних деталей стане рутиною, виробники використовуватимуть їх набагато ширше, зокрема на ринку eVTOL UAM, який розвивається, підсумував Діон.

прийшли з ainonline