νέα

Βασιζόμενοι εδώ και πολύ καιρό σε θερμοσκληρυνόμενα υλικά από ανθρακονήματα για την κατασκευή πολύ ισχυρών σύνθετων δομικών μερών για αεροσκάφη, οι αεροδιαστημικοί OEM υιοθετούν τώρα μια άλλη κατηγορία υλικών από ανθρακονήματα καθώς οι τεχνολογικές εξελίξεις υπόσχονται αυτοματοποιημένη κατασκευή νέων μη θερμοσκληρυνόμενων εξαρτημάτων σε υψηλό όγκο, χαμηλό κόστος και ελαφρύτερο βάρος.

Ενώ τα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα «υπάρχουν εδώ και πολύ καιρό», μόνο πρόσφατα οι κατασκευαστές αεροδιαστημικής μπορούσαν να εξετάσουν την ευρεία χρήση τους στην κατασκευή εξαρτημάτων αεροσκαφών, συμπεριλαμβανομένων των βασικών δομικών στοιχείων, δήλωσε ο Stephane Dion, αντιπρόεδρος μηχανικός στη μονάδα Advanced Structures της Collins Aerospace.

Τα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα προσφέρουν δυνητικά στους αεροδιαστημικούς OEM αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα θερμοσκληρυνόμενα σύνθετα, αλλά μέχρι πρόσφατα οι κατασκευαστές δεν μπορούσαν να κατασκευάσουν εξαρτήματα από θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά σε υψηλές τιμές και χαμηλό κόστος, είπε.

Τα τελευταία πέντε χρόνια, οι ΚΑΕ άρχισαν να κοιτάζουν πέρα ​​από την κατασκευή εξαρτημάτων από θερμοσκληρυνόμενα υλικά καθώς αναπτύχθηκε η κατάσταση της επιστήμης κατασκευής σύνθετων εξαρτημάτων από ανθρακονήματα, αρχικά για να χρησιμοποιήσει τεχνικές έγχυσης ρητίνης και μεταφοράς ρητίνης (RTM) για την κατασκευή εξαρτημάτων αεροσκαφών και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά.

Η GKN Aerospace έχει επενδύσει πολλά στην ανάπτυξη της τεχνολογίας έγχυσης ρητίνης και RTM για την κατασκευή δομικών στοιχείων μεγάλων αεροσκαφών σε προσιτές τιμές και υψηλές τιμές. Η GKN κατασκευάζει τώρα ένα σύνθετο πτερύγιο μήκους 17 μέτρων, μονοκόμματο, χρησιμοποιώντας παραγωγή έγχυσης ρητίνης, σύμφωνα με τον Max Brown, αντιπρόεδρο της τεχνολογίας για την πρωτοβουλία προηγμένων τεχνολογιών Horizon 3 της GKN Aerospace.

Οι βαριές επενδύσεις κατασκευής σύνθετων υλικών των OEM τα τελευταία χρόνια περιελάμβαναν επίσης στρατηγικές δαπάνες για την ανάπτυξη ικανοτήτων που θα επιτρέψουν την παραγωγή θερμοπλαστικών εξαρτημάτων μεγάλου όγκου, σύμφωνα με την Dion.

Η πιο αξιοσημείωτη διαφορά μεταξύ θερμοσκληρυνόμενων και θερμοπλαστικών υλικών έγκειται στο γεγονός ότι τα θερμοσκληρυνόμενα υλικά πρέπει να φυλάσσονται σε ψυχρή αποθήκευση πριν διαμορφωθούν σε μέρη, και αφού διαμορφωθεί, ένα θερμοσκληρυνόμενο μέρος πρέπει να υποστεί σκλήρυνση για πολλές ώρες σε αυτόκλειστο. Οι διεργασίες απαιτούν πολλή ενέργεια και χρόνο, και έτσι το κόστος παραγωγής των θερμοσκληρυνόμενων εξαρτημάτων τείνει να παραμένει υψηλό.

Η σκλήρυνση μεταβάλλει τη μοριακή δομή ενός θερμοσκληρυνόμενου σύνθετου υλικού μη αναστρέψιμα, δίνοντας στο εξάρτημα τη δύναμή του. Ωστόσο, στο τρέχον στάδιο της τεχνολογικής ανάπτυξης, η σκλήρυνση καθιστά επίσης το υλικό στο τμήμα ακατάλληλο για επαναχρησιμοποίηση σε ένα κύριο δομικό στοιχείο.

Ωστόσο, τα θερμοπλαστικά υλικά δεν απαιτούν αποθήκευση στο ψυγείο ή ψήσιμο όταν γίνονται εξαρτήματα, σύμφωνα με τον Dion. Μπορούν να τυπωθούν στο τελικό σχήμα ενός απλού εξαρτήματος—κάθε βραχίονας για τα πλαίσια της ατράκτου στο Airbus A350 είναι ένα θερμοπλαστικό σύνθετο εξάρτημα—ή σε ένα ενδιάμεσο στάδιο ενός πιο σύνθετου εξαρτήματος.

Τα θερμοπλαστικά υλικά μπορούν να συγκολληθούν μεταξύ τους με διάφορους τρόπους, επιτρέποντας την κατασκευή πολύπλοκων, υψηλού σχήματος εξαρτημάτων από απλές υποδομές. Σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως η επαγωγική συγκόλληση, η οποία επιτρέπει μόνο επίπεδα, σταθερού πάχους εξαρτημάτων να κατασκευάζονται από υποεξαρτήματα, σύμφωνα με τον Dion. Ωστόσο, η Collins αναπτύσσει τεχνικές συγκόλλησης με δόνηση και τριβή για την ένωση θερμοπλαστικών εξαρτημάτων, τα οποία μόλις πιστοποιηθούν αναμένει ότι θα της επιτρέψουν τελικά να παράγει «πραγματικά προηγμένες πολύπλοκες δομές», είπε.

Η ικανότητα συγκόλλησης θερμοπλαστικών υλικών για την κατασκευή σύνθετων δομών επιτρέπει στους κατασκευαστές να καταργήσουν τις μεταλλικές βίδες, τους συνδετήρες και τους μεντεσέδες που απαιτούνται από τα θερμοσκληρυνόμενα μέρη για την ένωση και την αναδίπλωση, δημιουργώντας έτσι ένα όφελος μείωσης βάρους περίπου 10%, εκτιμά ο Brown.

Ωστόσο, τα θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά συνδέονται καλύτερα με τα μέταλλα από τα θερμοσκληρυνόμενα σύνθετα υλικά, σύμφωνα με τον Brown. Ενώ η βιομηχανική Ε&Α που στοχεύει στην ανάπτυξη πρακτικών εφαρμογών για αυτήν την θερμοπλαστική ιδιότητα παραμένει «σε επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητας πρώιμης ωρίμανσης», μπορεί τελικά να επιτρέψει στους μηχανικούς αεροδιαστημικής να σχεδιάσουν εξαρτήματα που περιέχουν υβριδικές ενσωματωμένες δομές θερμοπλαστικής και μετάλλου.

Μια πιθανή εφαρμογή θα μπορούσε, για παράδειγμα, να είναι ένα μονοκόμματο, ελαφρύ κάθισμα επιβατών αεροσκάφους που περιέχει όλα τα μεταλλικά κυκλώματα που χρειάζονται για τη διεπαφή που χρησιμοποιεί ο επιβάτης για να επιλέγει και να ελέγχει τις επιλογές ψυχαγωγίας του/της εν πτήσει, φωτισμός καθίσματος, ανεμιστήρας , ηλεκτρονικά ελεγχόμενη ανάκλιση καθίσματος, αδιαφάνεια σκιάστρου παραθύρου και άλλες λειτουργίες.

Σε αντίθεση με τα θερμοσκληρυνόμενα υλικά, τα οποία χρειάζονται σκλήρυνση για να παράγουν την ακαμψία, τη δύναμη και το σχήμα που απαιτούνται από τα μέρη στα οποία κατασκευάζονται, οι μοριακές δομές των θερμοπλαστικών σύνθετων υλικών δεν αλλάζουν όταν γίνονται μέρη, σύμφωνα με τον Dion.

Ως αποτέλεσμα, τα θερμοπλαστικά υλικά είναι πολύ πιο ανθεκτικά στη θραύση κατά την κρούση από τα θερμοσκληρυνόμενα υλικά, ενώ προσφέρουν παρόμοια, αν όχι ισχυρότερη, δομική σκληρότητα και αντοχή. «Έτσι, μπορείτε να σχεδιάσετε [εξαρτήματα] σε πολύ λεπτότερους μετρητές», είπε ο Dion, που σημαίνει ότι τα θερμοπλαστικά μέρη ζυγίζουν λιγότερο από οποιαδήποτε θερμοσκληρυνόμενα μέρη που αντικαθιστούν, ακόμη και εκτός από τις πρόσθετες μειώσεις βάρους που προκύπτουν από το γεγονός ότι τα θερμοπλαστικά μέρη δεν απαιτούν μεταλλικές βίδες ή συνδετήρες .

Η ανακύκλωση θερμοπλαστικών εξαρτημάτων θα πρέπει επίσης να αποδειχθεί πιο απλή διαδικασία από την ανακύκλωση θερμοσκληρυνόμενων εξαρτημάτων. Στην τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας (και για αρκετό καιρό ακόμη), οι μη αναστρέψιμες αλλαγές στη μοριακή δομή που παράγονται από τη σκλήρυνση των θερμοσκληρυνόμενων υλικών εμποδίζουν τη χρήση ανακυκλωμένου υλικού για την κατασκευή νέων εξαρτημάτων ισοδύναμης αντοχής.

Η ανακύκλωση θερμοσκληρυνόμενων εξαρτημάτων περιλαμβάνει την άλεση των ινών άνθρακα του υλικού σε μικρά μήκη και την καύση του μείγματος ινών και ρητίνης πριν από την επανεπεξεργασία του. Το υλικό που λαμβάνεται για επανεπεξεργασία είναι δομικά ασθενέστερο από το θερμοσκληρυνόμενο υλικό από το οποίο κατασκευάστηκε το ανακυκλωμένο μέρος, επομένως η ανακύκλωση θερμοσκληρυνόμενων εξαρτημάτων σε νέα συνήθως μετατρέπει «μια δευτερεύουσα δομή σε τριτογενή», είπε ο Μπράουν.

Από την άλλη πλευρά, επειδή οι μοριακές δομές των θερμοπλαστικών μερών δεν αλλάζουν στις διαδικασίες κατασκευής και σύνδεσης εξαρτημάτων, μπορούν απλώς να λιώσουν σε υγρή μορφή και να επανεπεξεργαστούν σε μέρη τόσο ισχυρά όσο τα πρωτότυπα, σύμφωνα με τον Dion.

Οι σχεδιαστές αεροσκαφών μπορούν να επιλέξουν από μια μεγάλη ποικιλία διαφορετικών θερμοπλαστικών υλικών που είναι διαθέσιμα για να επιλέξουν για το σχεδιασμό και την κατασκευή ανταλλακτικών. Διατίθεται «ένα αρκετά ευρύ φάσμα ρητινών» στις οποίες μπορούν να ενσωματωθούν μονοδιάστατα νημάτια από ανθρακονήματα ή δισδιάστατες πλέξεις, παράγοντας διαφορετικές ιδιότητες υλικού, είπε ο Dion. «Οι πιο συναρπαστικές ρητίνες είναι οι ρητίνες χαμηλής τήξης», οι οποίες λιώνουν σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες και έτσι μπορούν να διαμορφωθούν και να σχηματιστούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Διαφορετικές κατηγορίες θερμοπλαστικών προσφέρουν επίσης διαφορετικές ιδιότητες ακαμψίας (υψηλή, μεσαία και χαμηλή) και συνολική ποιότητα, σύμφωνα με τον Dion. Οι ρητίνες υψηλότερης ποιότητας κοστίζουν περισσότερο και η προσιτή τιμή αντιπροσωπεύει την αχίλλειο πτέρνα για τα θερμοπλαστικά σε σύγκριση με τα θερμοσκληρυνόμενα υλικά. Τυπικά, κοστίζουν περισσότερο από τα θερμοσυσσωρευτές και οι κατασκευαστές αεροσκαφών πρέπει να λάβουν υπόψη αυτό το γεγονός στους υπολογισμούς σχεδιασμού κόστους/οφέλους, είπε ο Μπράουν.

Εν μέρει για αυτόν τον λόγο, η GKN Aerospace και άλλες θα συνεχίσουν να επικεντρώνονται περισσότερο στα θερμοσκληρυνόμενα υλικά κατά την κατασκευή μεγάλων δομικών εξαρτημάτων για αεροσκάφη. Χρησιμοποιούν ήδη θερμοπλαστικά υλικά ευρέως για την κατασκευή μικρότερων δομικών μερών, όπως ανιχνευτές, πηδάλια και σπόιλερ. Σύντομα, ωστόσο, όταν η κατασκευή υψηλού όγκου και χαμηλού κόστους ελαφρών θερμοπλαστικών ανταλλακτικών γίνει ρουτίνα, οι κατασκευαστές θα τα χρησιμοποιούν πολύ ευρύτερα—ιδιαίτερα στην αναπτυσσόμενη αγορά eVTOL UAM, κατέληξε η Dion.

προέρχονται από το ainonline