MTorres新型干胶带及中试生产线

作为AFP技术的领导者,MTorres结合其在造纸方面的悠久历史,开发了一种专利的、新颖的干纤维胶带和高速生产工艺-包括0.5英寸宽的碳纤维胶带线(右)还有一种更多功能的胶带线,可用于2英寸宽(嵌入)的胶带,使用玻璃、碳或其他纤维(剩下)。目标是降低AFP复合材料的成本,以使下一代应用程序能够开放新市场。照片信用:mtorres

提高成本、效率和可持续性是新一代飞机使用复合材料的关键。为了达到这些目标,一项正在开发的技术是干燥纤维胶带的自动纤维放置(AFP),然后是液体树脂输注或树脂转移模塑(RTM),用于热压罐(OOA)固化。CW.已经在几篇文章中写了这方面的发展(见自动化空气复合材料生产:液体成型……”、“高速自动化RTM线路…”和“注入机翼揭示了航空复合材料的未来“)。

CW.一篇2018年的文章“这是飞机制造的一个完全的范式转变,“AFP设备和复合材料自动化专家毫托(西班牙Torres de Elorz公司)详细介绍了其具有颠覆性的Torreswing复合机身和机翼技术,该技术在大型整体结构的自动化制造过程中消除了传统的工装和紧固件。MTorres在一架商用飞机大小的机身上演示,使用预制的复合环和地板来形成结构骨架/芯轴,然后用干碳纤维胶带和AFP缠绕,形成外层皮肤的层叠。然后对骨骼和皮肤进行真空袋装,通过树脂灌注和烘箱固化将其转化为集成的复合单体(图1)。

用AFP干纤维胶带铺设和树脂灌注制成的Torreswing喷气式飞机机身

图1所示。开创性的OOA飞机结构构件
托雷斯纺织技术采用AFP,干燥碳纤维胶带和树脂输注,在没有高压灭菌器,工具或紧固件,切削重量以及工具和劳动力成本的情况下创建商务喷射机身。照片信用:mtorres

MTORRES声称该技术可降低重量,工具和劳动力成本,但也可以将原材料成本降低至50%。如何?MTORRES开发了自己的干燥碳纤维胶带。值得注意的是,虽然这个过程是“从我们在风刀片的经验中出生”,“IñigoIDareta”是MTORRES特别项目负责人“它可以容纳预浸料,热塑性材料和其他格式,因为客户想要。”

在本文中,CW.通过MTorres的专利干纤维胶带和自动化高速生产线。该胶带针对AFP和高树脂渗透性进行了优化,允许更厚的结构注入,而生产线可以以比现有胶带供应商最先进的生产速度快5 - 10倍的速度转化50K碳纤维束或4800 tex玻璃纤维粗纱。

“我们的创始人曼努埃尔托雷斯认为这项技术方法是未来,”Idareta解释道。“通过使用干胶带,避免了预处理和冷冻机储存的额外成本,是一种高压灭菌器。我们在造纸中的44年历史,包括缠绕和材料拼接,现在转移到纤维增强复合材料。我们开发了这些新材料,以妨碍不适合的大型复合结构,因为它在市场上没有提供。这些新的线路还可以制作小批次的新胶带材料,大量供应商一直不愿意。“

起源于航天以外的领域

这款新型磁带技术在10年前在航空航天行业以外的一项节目中开始。“我们正在使用目前西门子奥斯卡可再生能源的内容,开发风刀片的自动制造过程,”Idareta解释道。“但是我们没有用我们可以在AFP中使用的格式的干玻璃纤维材料。与此同时,我们也开始发现,由于所需胶带材料的高成本,市场尚未准备好此类自动化。我们在带碳纤维的汽车中发现了相同的情况。对于这两个市场来说,我们可以看到,与非提信面料(NCF)和非织造织物相比,纤维展示位置对于减少废料是很重要的,但是没有任何材料能够成本效益以使其可行。“

“我们首先启动了玻璃纤维和缝合过程,将吊顶带到50毫米范围内,”露西米斯塔召回了干纤维胶带工程上的露天铅复合材料工程师。“然而,缝合过程的生产率,在2-4米/分钟,不足以实现所需的低成本。因此,我们开始考虑更高的生产力,并提出了许多思想:用高温面纱替换缝合,低温粘合剂的静电沉积,用于AFP加工性和改善渗透性的方法,包括在内通过厚度,用于更快,更可靠的树脂输注。“

然而,当该团队把这些想法结合在一起时,它是第一个碳纤维,导致了0.5英寸宽干纤维胶带的实验室规模的试点线。“这种胶带在我们的AFP设备上表现得非常好,”伊达瑞塔说,“比其他商业上可用的干纤维材料要好。”但更重要的是,它可以实现更有效的成本,并仍然提供良好的性能在最终组件的性能。然后我们决定开发一种更多功能的新产品,包括使用不同的纤维和不同的宽度。我们想要一种能够让我们生产客户可能需要的材料的过程。”因此,碳纤维胶带的技术被改进,可以生产宽度达2英寸的玻璃纤维胶带。

解剖一盘新磁带

要了解磁带生产线,首先理解他们产生的磁带是有帮助的。图2中的右图像。图2示出了具有重叠圆的图案的0.5英寸宽的碳纤维带。它们由熔融的高温热塑性面纱形成,使得截面将截味的梭子聚集到胶带中,同时在树脂输注期间增加面内渗透性。在图2中的2英寸宽带上也可以看出这些热塑性丝链。两带胶带也涂有低温热塑性粉末粘合剂,可在AFP期间快速休息和优异地形成胶带。沿两种胶带的纤维轴的狭缝状穿孔改善了厚度渗透性的上篮。通过把纤维推到一边,缝隙既不会切断也不会扭曲纤维,这将降低纤维的承载能力并导致其机械性能下降。

MTORRES新型干燥碳纤维带2英寸宽和0.5英寸宽

图2所示。小说干带
MTORRES的专利新的干胶带通过高温热塑性面纱在纤维方向和面内穿过纤维方向和面内的狭缝在Z方向上增加渗透性,在0.5英寸宽的胶带上被视为白色圆圈(正确的)和2英寸宽的胶带上的微弱白色弧线(剩下)。照片信用:mtorres

新的生产线

胶带生产首先需要使用多卷50K碳纤维丝束或4800 tex玻璃纤维粗纱(步骤1)。“这些是目前使用的主要材料,”伊涅斯塔说,“但在此过程中可以引入任何其他材料和粗纱尺寸。”牵引/粗纱然后习惯于调整宽度(步骤2)。一系列的滚轴可以升降的操纵控制张力和建立一个缓冲区的卷尺断开一组输入线轴另一个没有停止线(不生产步骤所示)。

下一站用静电沉积枪施加低温粘合剂(步骤3)。“我们加热,然后冷却以融化粉末粘合剂并重新固化,稳定胶带,”解释。“这也将在AFP期间提供层之间的粘附性。用AFP以快速划平速率使用红外线加热,您需要具有低熔体温度的粘合剂。当我们在我们的机器中用这种粘合剂试验新型胶带时,我们达到了60米/分钟的划仓速度。“

在低温粘结剂冷却后,使用高温粘结剂(第4步)。Iniesta说:“我们熔化热塑性颗粒,用热风吹,在胶带的一侧或两侧以高速同时形成一个精细的网状面纱。”“我们控制了面纱的锦纶长丝的直径,因为它会影响平面内的渗透性,就像胶布中粘合剂与纤维的整体比例一样,我们将其保持在一个特定的低百分比。”胶带是用非常接近碳纤维胶带的红外灯加热的,它能很好地吸收辐射能。伊涅斯塔补充说:“它会迅速升温,从而融合粘合剂,使胶带具有内聚力。面纱还使胶带变硬,这有助于保持其边宽不变。”

在胶带再次冷却后,它经过带刺辊,这为z向渗透率创造了缝隙。“我们稳定这些,使它们保持开放,即使我们施加压力,在AFP期间,”Idareta说。然后磁带经过一个自动检查站。伊涅斯塔解释说:“第一束光检查胶带的宽度和面纱的应用,而第二束光测量通过缝隙的光的百分比。”“我们将这些数据与胶带规格进行对比,当我们看到偏差时,我们可以进行调整,以保持一致性并减少偏差。”

经过检查,在磁带被倒绕到用于AFP机器的筒子上之前,还有一系列垂直驱动的滚轮。Idareta表示:“我们在缓冲辊中使用了垂直驱动,以在换轴过程中降低速度。”“线速度如此之高,以至于当筒子满了的时候,你必须要自动换线。你永远不会停止排队。”他指出,这样做是为了减少原材料的资本和运营费用,尤其是劳动力成本。“由于生产率大大提高,我们试图将其减少到最低限度。我们的原型线运行速度为50米/分钟,最高速度为75米/分钟,我们预计全工业线的运行速度为200米/分钟。”

玻璃和碳纤维胶带

玻璃纤维带的生产线类似但不相同。“碳纤维具有与玻璃纤维不同的导热性,”iniesta解释说。“我们使用红外线加热碳纤维,这对高温聚酰胺面纱进行热量。但是用玻璃纤维,这是不可能的。因此,我们改变了粘合剂的组成,以使没有导热率在纤维中加热面纱。我们还必须修改一些参数以实现与碳纤维相同的效率,也具有良好的特性,“她补充道。这些线可以在市场中实际使用,包括市场中的任何玻璃纤维或碳纤维,包括高强度(HS),中间模量(IM)或高模量(HM)碳纤维。

现在有两条试验线在运行:一条是0.5英寸宽的碳纤维线,另一条是多用途线,用于使用玻璃、碳纤维或其他纤维制成的2英寸宽的胶带。伊涅斯塔表示:“我们已经对其他宽度进行了一些测试,但这些宽度是我们与之合作最多的,市场对它们最感兴趣。”

“虽然我们有能力进行不同的面积重量,但”idareta说,“此时,我们正在生产300克,每平方米,50k碳纤维,每平方米从多个4800泰克玻璃纤维中均为2英寸-wide胶带。我们也制作2英寸纤维带为0.52毫米厚,每平方米517克。“

纵切、公差及未来发展

这些生产线的主要思想之一是避免分切。“这是与现有材料的关键区别,有助于降低成本,”Idareta说。“我们的耐受性不像缝式预浸带那么强,但足以制造出好零件。”伊涅斯塔说,研究小组已经在AFP部件上测试了这种新型的干胶带和狭缝胶带,它们的宽度公差更小,比较好。“我们0.5英寸宽的碳带的公差是±0.3毫米,”她说。“这对市场来说是件好事,但更重要的是控制铺层,我们用AFP机器的张力控制来做到这一点。所以,我们并不需要在我们的机器中使用如此严格的胶带公差,但我们会继续为行业改进它。”

MTORRES新型干纤维胶带在MTORRES AFP机器中进行试验
MTORRES新型玻璃纤维干胶带在树脂输注中试验

图3所示。优化AFP和树脂注射
MTORRES新型干胶带的测试显示了更好的转向与预浸料胶带,从而实现了更复杂的几何形状(上)以及树脂注入过程中更高的渗透性(底部)成品复合结构中的更好的机械性能。照片信用:mtorres

“我们已经测试了这些磁带与我们的AFP机器,他们工作很好,几乎没有任何修改的设备,”伊达雷塔说。“此外,与预浸带相比,干纤维的转向性能更好,可以实现更复杂的几何形状。”该团队还评估了磁带在树脂灌注,实现良好的性能与航空级RTM6 (exexcel.美国康涅狄格州斯坦福德市(Stamford, Conn., U.S.)的环氧树脂和工业级环氧树脂亨斯迈先进材料(林地,德克萨斯州,美国)。iniesta注意到0.5英寸300克/平方米,0.3毫米厚的碳纤维胶带显示出更好的机械性能 - 包括层间剪切和压缩强度 - 比现有供应商的搁板胶带更好地处理。

Idareta说:“我们还用碳纤维、聚丙烯(PP)、聚酰胺和PEI混合制成了相同的胶带。”“这种热塑性胶带不需要狭缝来提高透气性。我们已经演示了汽车用碳纤维/PP零件,通过热压冲压、油加热和背面带有陶瓷的镍模具来防止热量损失,实现了2分钟的循环时间。我们还使用了一种特殊的PP长丝,以确保不收缩。”另一个有趣的发展是一个2英寸宽,航空航天级干碳纤维胶带的新型AFP头,它将在空客制造的原型部件中演示。

那么托雷斯的终极目标是什么呢?“我们可以出售设备或获得技术许可,”伊达瑞塔说,“或者直接成为干纤维胶带供应商。”但我们的动机是种植复合材料。如果我们想把碳纤维引入新的市场,我们不仅要降低成本,还要降低风险。在MTorres,我们有纤维植入的经验输液过程涵盖整个供应链的技术和零件制造要求的要求。通过这种方式,我们正在培训和帮助未来客户以最有效和最不成问题的方式使其组成部分并获得所需的部分性能。“

他指出,MTorres在客户的学习曲线中与客户一起工作,“不管提供什么复合产品。我们已经把我们的工艺知识灌输到这些新的胶带生产线上。这种从原材料到最终解决方案的垂直整合,使我们能够提供颠覆性和定制化的解决方案,甚至打通航空工业以外的机会,我们已经在期待后COVID-19时代的伟大重启。”

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