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推进热塑性复合材料和rtm用于西班牙的清洁天空2

EURECAT领导下一代飞机TPC龙骨梁、窗框和热固性RTM机身框架与TPC剪切带的项目。
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EURECAT热塑性复合龙骨梁Clean Sky 2 RTM框架

从左下角,逆时针方向:焊接热塑性复合硬化板由CETMA制造,用于通过EURECAT,RTM C型框架演示由eUrecat和压缩模塑的热塑性剪切系列制成的热塑性复合窗框的模具设计。源| EURECAT,CETMA,DEMA公司。

eurecat centrotecnológicode catalunya(EURECAT技术中心加泰罗尼亚,巴塞罗那,西班牙)是一家私营的非营利性研发机构,拥有11个设施,650名员工,年收入5000万欧元。“这是西班牙的第二大研发中心,”EURECAT航空航天市场项目主任Angel Lagraña Hernandez解释说。他解释说,欧盟recat的部分收入来自加泰罗尼亚政府,其余的一半必须来自私营公司——主要是中小企业(SMEs)——而另一半可能是公共公司,比如欧盟资助的清洁天空2计划。“我们现在有18个‘清洁天空’项目,”Lagraña上写道,“我们完全是基于对提案征集的响应而获得的竞争性报价。”

Composites在Clean Sky 2的众多目标和计划技术示威者中如何具有综合特征的示例包括:

“欧洲咖啡图是在航空航天的工作外,在汽车,铁路等行业的高度横向,工作,”Lagraña说。“它还在其中有很多活动,如数据分析和区块链等。复合材料4.0是其战略领域之一。”在复合材料中,他指出,Eurecat主要在于高压灭菌器(OOA)技术。“我们专注于热塑性塑料和液体压缩成型,包括实时过程监测,包括在加工过程中监测树脂的玻璃化转变温度(TG)。”(在本博客结束时,继续阅读Cofrare的一部分,以了解更多关于此TG监控的信息。)万博欧洲杯买球官网

EURECAT在Clean Sky 2中最新的复合材料相关项目包括:

  • KEELBEMAN演示热塑性复合龙骨梁(该项目已获得欧盟GAP (n°785435 KEELBEMAN)下的地平线研究和创新计划下的清洁天空2联合企业的资助);
  • Winframe 4.0.为清洁天空(2008-2017年)的绿色支线飞机(GRA)示范机建造热塑性复合材料(TPC)窗框,并扩展到清洁天空2(2014-2024年)的支线飞机IADP(创新飞机演示平台);
    (该项目已获得GAP n°821323 WINFRAME 4.0下的欧盟地平线研究和创新计划下的“清洁天空2联合项目”的资助。)
  • COFRARE 2020用于使用具有TPC剪切扎带的树脂转移成型(RTM)制成的热固性机身框架。
    (该项目已收到欧盟地平线研究和创新计划下的清洁天空2联合在GAP N°821261 COFRARE 2020年下获得资金。)

热塑性复合龙骨梁

清洁天空2- JTI-CS2-2017-CFP06-LPA-02-20。项目时间:2018年3月至2019年12月

KEELBEMAN项目的目标是为A320型飞机开发一种以制造为导向的龙骨梁结构,通过热塑性复合材料实现高飞机生产率,但成本较低。除EURECAT作为项目协调员外,合作伙伴包括:

  • 空中客车(图卢兹,法国)作为主题经理
  • CETMA(欧洲技术设计和材料研究中心,Brindisi,意大利)
  • CT工程组(CT Ingenieros,马德里,西班牙),一家拥有众多全球办事处的公司,该公司与飞机开发空中客车有多年的合同,例如通过其汉堡,德国办公室研究机身,翅膀和后端;后端的研究(西班牙);机身和电厂相关结构研究(图卢兹,法国)和翼开发(布里斯托尔,U.K.)
  • 索菲特(塞维利亚,西班牙),空气结构制造和装配专业技术和复合材料的能力。

CT工程集团通过其图卢兹办公室提供了龙骨梁几何形状的完整模型,而Sofitec开发了无损检测(NDT)检测。“对于这样一个封闭的盒子结构,这是非常具有挑战性的,”Lagraña指出。

龙骨梁结构的开发

如今,除了空中客车外,大多数飞机的龙骨梁都是用金属制造的
A350是单片碳纤维复合材料,“Lagraña说。“这需要大量的铆钉和大量的大量时间。”他解释说,龙骨梁是机身中的关键结构,“在着陆期间龙骨梁已经破裂的情况下,导致整个机身裂缝和断裂。

根据2011年史蒂夫·威廉的文章,A350龙骨梁为70%复合材料,长54英尺(16.5米),加上10,000件紧固件,重1.2吨并形成飞机的骨干。Wilhelm指出,竞争波音787飞机“不依赖于这种坚固的龙骨结构,因为更多的船体强度来自复合桶,这些桶被紧固在一起的端到端。”文章然后引用米歇尔Merluzeau他是航天咨询公司G2 Solutions LLC的执行合伙人。,U.S.), who describes the Airbus design as “more conventional” and “less risky” but points out the keel beam is “essential to the structural integrity of that aircraft.”

空中客车实际上是2001年为A340的复合龙骨梁。但如上所述,需要使用复合材料来抵抗能够节省的大量铆钉。因此,Keelbeman项目中的关键目标是通过使用焊接在一起的热塑性复合部件来最小化紧固件。

空中客车A340复合龙骨梁A350复合龙骨梁

空中客车在2001年为A340开创了复合龙骨梁。A350龙骨梁为70%复合材料。源|(左)商用飞机复合技术由ULF Paul Breuer和(右)空中客车,2011年,照片由P. Bassen / Visuelles,飞机恢复网

TPC龙骨梁

“使用焊接组装的热塑性复合龙骨梁的开发是假日的空中客车开发的一部分,其中包括明天和明天的机身的宗旨,”Lagraña说。“在Keelbeman内,我们通过带钢龙头的龙骨梁的1米长的演示部分生产了250毫米500毫米,并展示了尽可能多的自动化焊接这种结构的可行性。”

Lagraña注意到演示墙板和桁条使用碳纤维/聚醚蛋白质酮(PEKK)单向(UD)胶带在CETMA开发的连续压缩成型(CCM)过程中(见“航空级压缩成型”“PEEK与PEKK与PAEK和连续压缩成型”)。“还有横向加强筋的肋骨,该肋骨是通过Eurecat使用传统的非等温压缩成型而制成的,”添加了Lagraña。

KEELBEMAN样机CAD绘图壁制造CCM连续模压成型

通过CCM制造的KEELBEMAN样机和墙壁的CAD视图(无紧固件)。来源为所有图像| EURECAT和CETMA。

KEELBEMAN演示L-stringer预制体和使用CCM连续压缩成型制造

使用连续压缩成型(CCM)模制L-纵梁预制件。

Keelbeman Sextator热塑性复合墙和L型桁条

完成的墙壁和l -纵梁为KEELBEMAN演示。

CETMA在ECO FAIRS项目中开发了等温和非等温压缩成型

使用非等温压缩成型进行Keelbeman Sextator的肋骨。在此显示,CETMA在第一款清洁天空节目的ECO展览项目中开发了这些热塑性复合材料,以生产直升机部件。源|“直升机热塑性结构整流罩的生态设计和制造西尔维奥Pappadà, CETMA。

感应焊接为关键使能器

Lagraña指出,CETMA不仅在KEELBEMAN的零部件生产中发挥了关键作用,而且在使用其专利感应焊机和技术的演示装配中也发挥了关键作用。这种焊接最初是在第一届清洁天空计划的ECO博览会项目(2011-2014)中开发的,以及上面显示的TPC结构的等温和非等温压缩成型。在ECO博览会上,CETMA使用了所有这些技术,以一架阿古斯塔·韦斯特兰直升机现有的上面板(筋筋加筋蒙皮面板)为基础,生产了一架原型样机,以及一架曲面整流罩样机。虽然这些材料是使用CETEX(由TenCate提供,现在的东丽高级复合材料公司)T300 3K 5HS碳纤维纺织品与双面PPS(聚苯硫醚)膜,CETMA也证明了与PEEK和PEI复合材料的感应焊接。

CETMA选择感应焊接(IW)作为热塑性复合材料中最有前途的焊接技术,并与焊接和电子工程专家SINERGO srl (Valdobbiadene, Treviso, Italy)合作开发了一种新型感应焊机。SINERGO提供的龙门式SICE 1 WIDE机器(见下图)能够连续焊接高达1米× 1米的航空航天质量部件。它包括一个鲁棒的控制系统,以确保在被焊接的材料内实现最佳的温度分布。该机器配备了一个冷却圆筒施加固结压力和一个空气冷却系统,以消除热量的需要,如在边缘,感应电涡流的流动受到限制,导致高电流密度和过热。也可以将CETMA感应焊接头安装在6轴机械臂上,用于焊接几何形状复杂的物体。

CETMA开发并获得专利的感应焊接技术,在SINERGO提供的龙门式SICE 1 WIDE系统中可以看到。源|CETMAsin

Cetma还开发了通过使用仿真工具来优化其感应焊接过程的能力,使用COMSOL Multiphysics(Comsol Inc.,Burlington,Mass,U.)有限元建模(FEM)软件进行数值分析。它通过大量物理测试验证了这些模型。Cetma通过焊接优惠券的单圈测试确认了其优化的工艺参数,其中剪切强度值非常接近文献中报告的最大值。值得注意的是,这些也远远高于使用结构粘合剂时的最大值,称为Cetma。

热塑性复合材料的Cetma感应焊接模拟

感应焊接仿真,包括使用双D感应焊接线圈的焊接界面的温度分布。源|CETMA能力介绍

Cetma已经证明了各种材料的焊接能力,包括编织和UD碳纤维,以及PEEK,PEI,PEKK,PP,PA6,PA12,甚至使用热塑性PVB(聚乙烯醇缩丁醛)杂种焊接至CF /环氧树脂从热固性基板过渡到热塑性面部的层进行焊接。(本节的大部分细节来自CETMA的能力介绍和心脏的最终报告ECO博览会。)2014年CETMA申请欧洲专利,2016年Silvio Pappada和Andrea Salomi获得专利EP2801472A1。CETMA已经发表了许多关于该技术的论文和演讲,包括:

  • “有限元模拟支持非高压釜技术的发展”,A&D, 2012年10月11-12日
  • “支持pps -碳复合材料连续感应焊接的有限元模拟”,SEICO 13, 2013年3月11-13日“巴黎”
  • “在航空航天部门的热塑性复合材料的新型感应焊接机的开发”,意大利航空航天协会XXII会议Napoli,2013年9月9日至12日
  • “航空航天部门的感应焊接”,TPRC,热塑性复合材料欧洲财团,网络会议,2013年12月。
  • "航空航天部门热塑性部件的全尺寸试验",2014年3月14日,SEICO, 10-11日"巴黎"
  • “用于航空航天领域的新型感应焊接设备”,《JEC》杂志,2014年3月,第87期,89-91页。

KEELBEMAN的状态和前进的路径

前往12月的航空公司访问了Cetma,以了解1米演示部分的最终焊接,Keelbeman团队还对技术准备水平(TRL)进行了最终审查。“我们正在获得良好的结果,并从TRL 3到TRL 4将技术成熟,”Lagraña说。Next steps could include further development to TRL 6 and production of a full-scale keel beam to be installed in one of the Clean Sky 2’s demonstrators, such as the WP 2.3.2 full-size lower center fuselage, but this has not yet been decided.

EURECAT热塑性复合材料模具设计为WINFRAME 4.0
Eurecat热塑性复合窗框仿真,用于Winframe 4.0

EURECAT的热塑性复合窗框模具设计(最佳),弹簧保持系统,减少皱纹(左下)和3D形成模拟使用aniform显示厚度分布(右下角)。源| EURECAT

TPC窗口框架的Winframe 4.0项目

另一个热塑性复合材料(TPC)计划是eurecat的WinFrame 4.0,目标是为区域飞机机身/小屋集成地面示威者开发和制造24个窗框(参见清洁天空2对区域飞机的发展的解释全面创新的机身和客舱演示下文)。WINFRAME 4.0的合作伙伴包括:

  • 跨国航空公司公司莱昂纳多(罗马,意大利)作为主题经理
  • EURECAT
  • 索菲克。

“我们使用的方法可以每10分钟生产一个窗框,”Lagraña说。生产步骤包括:在烤箱中加热TPC板坯,转化为模具,在压力机中关闭模具,应用热和压力10-20分钟,成型成品。他补充说:“这种方法不仅比液体成型周期更短,而且成本更低。”“这一过程在汽车行业是众所周知的,它是一种高度自动化配置的压缩成型,从而提高了零件的质量,但航空航天材料使用的是不同的,在这一案例中,碳纤维增强PPS和碳纤维来自东丽高级复合材料(前TenCate)。到这个项目结束时,我们将实现这些技术的TRL 6,”Lagraña说。

在清洁天空2 COFRARE 2020项目中,EURECAT正在使用RTM帮助生产复合材料机身的c型框架(左)为了连接这些框架,由DEMA公司制作的热塑性复合剪切带压缩成型(右)。源| EURECAT和DEMA公司。

COFRARE项目:RTM C框架和热塑性剪切扎带

COFRARE 2020项目是最初COFRARE 2.0项目的延伸:

清洁天空2- JTI-CS2-2015-CFP02-AIR-02-16。“高生产率低成本复合车架制造工艺开发”项目时间:2016 - 2018

清洁天空2 COFRARE 2.0项目的目标是开发一种具有竞争力和可行性的碳纤维复合材料框架制造工艺,用于支线飞机的复合材料面板机身。合作伙伴包括:

  • 基于那不勒斯的Tier 1航空航天供应商和工程/工业化公司DEMA公司(意大利Somma Vesuviana设计制造中心)
  • EURECAT
  • 美国LGAI技术中心Applus +实验室西班牙巴塞罗那提供了测试。

下一代Cofrare 2020项目的目标是制造以清洁的天空2机身/小屋集成的地面演示器中使用的全尺度复合框架和剪切领带。该示威者是在CLEAN CLEAN 2的区域飞机IADP(创新飞机示范平台)中组织的,详细介绍2015年3月3日联合技术计划文件的第5.2.2节:

区域飞机是一个关键要素干净的天空通过一个专门的过渡段(集成技术演示)-绿色区域飞机(GRA),为航空运输系统提供必要的基础,以尊重环境,确保安全和无缝流动,并建立在欧洲的工业领导地位。在干净的天空2,区域飞机IADP的演示目标是比现在的更复杂、更全面、更具有挑战性干净的天空掌握项目,被迫在预算和时间限制范围内工作。...“

2015年联合技术方案概述了区域飞机开发,包括两个飞行试验台和五个大型综合地面示威者。后者包括全面创新的机身和客舱演示“这架机身将是一个全面的技术演示复合材料,结构和制造旨在[实现]重量和成本降低,并通过生态设计和整个生命周期的能源消耗优化最小化环境影响(零影响)。”

清洁天空2组织图显示Cofrare 2020和大型示威者中的Winframe 4.0

Cofrare 2020(和Winframe 4.0)如何适合大型示威者的清洁天空2组织。源|莱昂纳多。

Cofrare 2020项目合作伙伴包括:

  • 莱昂纳多作为主题的经理
  • EURECAT
  • DEMA公司
  • 飞机部件和组件制造答:Abete(诺拉/ Marigliano、意大利)。

“在COFRARE 2020年,我们正在使用RTM(树脂转移模塑)制造机身框架,这将集成到机身演示,”Lagraña解释说。“我们正在使用Shikibo的Ziplus技术(大阪,日本)生产预制件,适合用树脂注射。“Shikibo有限公司的一部分复合联盟公司。(达拉斯,德克萨斯州,美国),并提供各种纺织品预成型技术。

这个项目的一个有趣的方面是传感器的使用Synthesites(Uccle,比利时)用于实时监测树脂到达,温度,压力,Tg和固化。“传感器位于复合部件的特定区域和RTM工具,以优化树脂注入策略,”NotesLagraña。使用由提供的高度自动化系统实现注射isojet.(Corba,法国),它也是复合联盟公司。合成传感器是介电传感器,但不同于大多数介电分析(DEA),它是基于交流(AC),合成使用直流(DC)。“我们的传感器在树脂等高电阻率材料上表现良好,由于我们使用的是单一电压,所以我们不必分析多个频率,但即使在固化的最后,我们也能达到很高的精度,”合成公司主管Nikos Pantelelis博士解释说。

合成介质传感器,用于监测液体复合成型工艺

Synthesites治愈传感器(左到右):HP-RTM,内模碳,真空袋和内联传感器。源|合成纤维。

Synthesites公司使用直流介电传感器、OptiFlow和OptiMold系统,以及OptiView和ORS软件来监测树脂到达、温度和电阻率,然后计算粘度、凝胶时间、Tg和固化,当达到目标Tg和固化状态时报警。这些系统也可用于提供设备和过程的智能控制。源|Synthesites

“我们在2011年的SAMPE会议上认识了synites,”Lagraña回忆道。他们谈到了缩短治疗周期的传感器。我们正在探索如何自动化预制件的机身框架,甚至使用HP-RTM(高压RTM)更快的处理,但仍然需要3-4小时的处理时间。然而,有了合成公司,我们通过监测Tg将治疗周期缩短了50%。我们现在正在测试属性。这些传感器可以在高压下工作,但在RTM处理过程中,我们只使用了8bar的压力。”

通过各种风力叶片制造商在生产中已经证明了合成液DC电介质传感器,光学液体树脂流量监测系统和优化固化监测系统。它们也被庞巴迪航空航天(Belfast,U.)使用。现在是C系列的液体复合成型机翼。该德国航空航天中心(DLR, Stade, Germany)已经证明,使用热压罐预浸料和RTM可将固化周期缩短50%,而国家复合材料中心(NCC, Bristol, U.K.)已经证明,即使是高活性树脂,由树脂温度和电阻率传感器测量的实时Tg计算与用差示扫描量热法(DSC)从固化板测量的Tg一样准确。

用TPC剪切带连接框架

COFRARE 2020的另一个关键部分是一种更大规模的生产方法,以生产数百个剪切带和支架,将RTM机身c形框架与复合材料机身面板连接起来。Lagraña表示:“我们正在开发255种不同几何形状的热塑性复合材料支架。”(注意,GKN FOKKER有多个清洁天空2个项目,它将为大型客机IADP中的多功能机身演示生产TPC支架;这项工作在Cofrare 2020的工作是较小的区域飞机。)基本方法如下所示,采用匹配的钢工具和加热压力机。“这种压缩成型工具的成本仅为2000欧元,与RTM工具相比非常实惠,”他补充道。“冲压也达到了很短的循环时间。”

COFRARE 2020项目中c形框架的剪切系带采用压缩模压热塑性复合材料制造,以减少模具成本和零件周期时间。源| DEMA公司。

Lagraña表示,EURECAT致力于保持复合材料技术发展的最前沿。“我们相信,清洁环境的压力将极大地增加复合材料在所有交通工具中的使用,而这种性能和可承受性也将同时出现。这就是为什么我们专注于为客户提供自动化、非高压釜技术的原因。”

请继续关注我即将发布的博客Clean Sky 2 ST万博欧洲杯买球官网UNNING和MECATESTERS项目,其中将讨论多功能机身演示用焊接TPC支架的发展,以及该项目的PAEK的完整特性。我还将在synthesi万博欧洲杯买球官网s上发表博客,详细介绍CETMA在复合材料方面的发展。2020年将是复合材料非常有趣的一年!

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