HP-RTM für die Serienfertigung kostengünstiger CFK-Flugzeugstrukturen

Als das Resin Transfer Moulding (RTM) vor etwa einem Jahrzehnt begann, zum Hochdruck-RTM (HP-RTM) überzugehen, wurde es hauptsächlich für Automobilanwendungen gelobt, da die Zykluszeiten von Verbundteilen von Stunden auf weniger als 2 Minuten reduziert wurden. Über die Anwendung dieser Technologie auf Luft- und Raumfahrtteile wurde weniger gesprochen. Die Flugzeugindustrie hat eine lange Tradition mit konventionellem RTM, einschließlich seiner Verwendung zur Herstellung von Tausenden von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK)-Lüfterschaufeln und Sicherheitsgehäusen für zivile Flugzeugtriebwerke. Airbus hat mit RTM sogar eine 7 Meter lange, einteilige Multispar-Klappe aus Verbundwerkstoff für den Airbus A320 prototypisiert. Aber ist es möglich, diese Erfahrung mit stundenlangen Prozessen in Minuten in das vollautomatische Formen von Flugzeugverbundteilen umzusetzen? Mehrere wichtige Akteure sagen, dass es möglich ist.

Herkömmliches RTM, hier aus Gründen der Übersichtlichkeit als LP-RTM bezeichnet, verwendet typischerweise Einspritzdrücke von 10-20 bar. HP-RTM hingegen verwendet Einspritzdrücke von 30-120 bar.

„Wir haben vor 10 Jahren über ein EU-finanziertes Projekt zur Herstellung von Rumpfspanten mit der RTM-Bearbeitung für die Luft- und Raumfahrt begonnen“, sagt Bernhard Rittenschober, Leiter Forschung und Entwicklung bei Alpex Technologies (Mils, Österreich), einem Anbieter innovativer Werkzeugsysteme für Serienverbundwerkstoffe Teilefertigung. "Damals wurde vorhergesagt, dass viele Teile für den [Airbus] A350 mit RTM hergestellt werden, aber das hat sich nicht bewahrheitet." Alpex arbeitete jedoch weiter an der Technologie und begann als Zulieferer sowohl für die Automobil- als auch für die Luft- und Raumfahrtindustrie zu prüfen, wie die in diesen beiden Industrien verwendeten Prozesse zusammengeführt werden könnten. „Die Idee war, das für die Luft- und Raumfahrt qualifizierte [Hexcel] RTM6-Epoxidharz zu verwenden, jedoch mit Best Practices für Automobilwerkzeuge und einem automatisierten Einspritzsystem für kürzere Zykluszeiten“, erklärt Rittenschober.

Das Ergebnis war ein von der österreichischen Regierung finanziertes Forschungsprogramm TAKE OFF von 2013-2015, an dem Alpex mit den Partnern Airbus Helicopters (Werk Donauworth, Deutschland), dem Ausrüstungslieferanten KraussMaffei (München, Deutschland), dem Testspezialisten Aerospace und Advanced Composites . beteiligt war (AAC, Wiener Neustadt, Österreich) und Harzlieferant Hexcel (Stamford, Connecticut, USA). Das Programm zeigte, dass HP-RTM zu einer 30-prozentigen Kostensenkung für einen A350-Türrahmen und einer bedeutenden Technologieentwicklung führte, einschließlich der Verwendung eines Zweikomponenten-(2K)-Harzsystems, intelligenter Injektions- und Aushärtungsüberwachung über In-Mold-Sensoren und die Möglichkeit, die Teilezykluszeit weiter zu verkürzen. Alpex hat die Entwicklung fortgesetzt und sieht Potenzial für diese HP-RTM-Technologie, um aktuelle Probleme bei der CFK-Produktion zu überwinden.

Um diese Ansicht zu untermauern, entwickelt auch das Composites Technology Center (CTC), eine Tochtergesellschaft der Airbus Operations GmbH, seit einem Jahrzehnt automatisiertes RTM, zuerst mit LP-RTM und dann vor etwa fünf Jahren auf HP-RTM umgestellt. (CompositesWorld bemerkte die KraussMaffei HP-RTM-Maschinen- und Entwicklungsarbeit von CTC während einer Betriebsbesichtigung im Jahr 2016. „HP-RTM löst den Engpass beim Einspritzen und Aushärten aufgrund seiner Hochgeschwindigkeitsmischung, die den Einsatz hochreaktiver Harze ermöglicht“, erklärt Jan Schiller, CTC-Projektleiter für Produktionssysteme und Hauptansprechpartner für RTM-Technologien. „Wir haben einen Prozess entwickelt, der Teile mit etwas komplexer Geometrie von 1-2 Metern Größe herstellt, die die Anforderungen der Luft- und Raumfahrt (z. B. 60 Prozent Faservolumen und weniger als 2 Prozent Hohlräume) in einer Zykluszeit von 20 Minuten erfüllen.“ Er fügt hinzu, dass nach Besuchen und Gesprächen mit Airbus-Zulieferern im letzten Jahr eine Reihe von Teilen für den Übergang zu HP-RTM identifiziert wurden, was eine höhere Produktionsrate für das A320-Flugzeug ermöglicht. „Für diese entwickeln wir jetzt eine spezielle Verarbeitung und arbeiten noch dieses Jahr daran, sie in Serie zu bringen.“

HP-RTM A350 Türrahmen

Die Entwicklung von Alpex wurde durch das österreichische TAKE OFF-Programm über ein Projekt namens SPARTA abgeschlossen. „Airbus Helicopters hat sich das Teil ausgesucht“, erinnert sich Rittenschober. „Diesen Türrahmen sehen Sie, wenn Sie einen A350 mit geöffneter Tür betreten. Es ist ungefähr 2 Meter hoch, 200 bis 250 Millimeter breit und 8 bis 10 Millimeter dick und hat eine komplexe Form und Designmerkmale, um die verschiedenen Anforderungen der zusammengebauten Tür, die eine Primärstruktur ist, zu erfüllen.“ Die A350-Tür besteht aus 14 Teilen, die von Airbus Helicopters in Donauworth, Deutschland, mit LP-RTM hergestellt werden. Der für SPARTA gewählte Rahmen ist einer der anspruchsvollsten Teile der Tür. „Es ist ein gutes Demonstrationsteil, weil wir HP-RTM direkt mit Standard-LP-RTM für die Luft- und Raumfahrt vergleichen können“, fügt Rittenschober hinzu.

Alpex hat die LP-RTM-Werkzeuge entwickelt und gebaut, die derzeit für die A350-Türrahmenproduktion bei Airbus Helicopters verwendet werden. Für das Design und den Bau der HP-RTM-Werkzeuge es würde eine mehr automobile Denkweise anwenden. „Unser Ziel war es, eine automobilähnliche Automatisierung in der Herstellung von Verbundteilen für die Luft- und Raumfahrt zu ermöglichen“, sagt Rittenschober. „Dies ist notwendig, wenn Airbus eine zukünftige A320 mit mehr Verbundteilen und einer Rate von 60 bis 100 Flugzeugen pro Monat bauen will.“

Er fährt fort:„Wir kamen aus der Herstellung von Formen für BMW, das aktiv versuchte, seine Teile und Prozesse zu vereinfachen, um die Zykluszeit zu verkürzen, während Airbus aus der früheren Komplexität der Luft- und Raumfahrt stammte. Als wir beispielsweise anfingen, fragte Airbus Helicopters, wie viele Teile diese Form haben wird.“ Beachten Sie, dass die aktuelle LP-RTM-Türproduktion komplexe mehrteilige Werkzeuge umfasst. „Wir haben erklärt, dass das HP-RTM-Werkzeug nur eine obere und eine untere Form haben wird“, sagt Rittenschober.

So begann Alpex mit einem einfachen Werkzeugdesign und fügte dann Features hinzu, die die Verarbeitung robuster und flexibler machen – zum Beispiel Dichtungssysteme für die Automobil-Großserienfertigung. „Außerdem haben wir alle Sensoren in das Werkzeug integriert“, bemerkt er.

Vorformen und Prozess

Die derzeit für den A350-Türrahmen verwendeten Preforms verwenden gewebtes Material und erfordern mehrere Debulking-Schritte, was zu einem dreitägigen Produktionszyklus führt. „Wir haben uns stattdessen für Gelege (NCF) entschieden“, sagt Rittenschober. „Das senkt den Preis und die Zykluszeit erheblich. Wir haben schließlich auch einige Teile mit den Hexcel-qualifizierten gewebten Preforms demonstriert, aber wir sehen einen Wandel in der Verbundwerkstoffindustrie außerhalb der Luft- und Raumfahrt, mit der Entwicklung von SGL und anderen weg von gewebten Stoffen und hin zu Bändern und kostengünstigeren Formen wie NCFs.“

Auf Anspritzpunkte und eventuelle Probleme beim Faserwaschen angesprochen, erklärt Rittenschober, dass das HP-RTM-Werkzeug nur einen Anspritzpunkt hat, aber keine Faserwaschung, da der Preform werkzeugfest und sehr stabil eingespannt ist.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass Alpex sich für ein Zweikomponenten- (2K) Harzsystem anstelle des derzeit von Airbus Helicopters verwendeten Einkomponenten-RTM6 entschieden hat. Rittenschober behauptet, dass das 2K-System reaktiver sein kann, was besser zu HP-RTM passt und Kosten sparen kann, da es nicht vorgemischt ist und keinen Versand von Gefahrstoffen erfordert. Es erfordert jedoch eine höhere Temperatur von 180 ° C. „Das war für uns die größte Herausforderung“, sagt Rittenschober, „weil wir eher an die Verarbeitung bei 120°C gewöhnt waren.“

KraussMaffei installierte in seinem Leichtbau-Technologiezentrum in München, Deutschland, die fertigen Werkzeuge in seinem RimStar Compact HP-RTM-System mit automatisiertem Hochdruck (bis zu 80 bar/1.100 psi) Mischen, Dosieren und Einspritzen. Daraus wurden dann 20 Demonstratorteile hergestellt. Rittenschober beschreibt den Basisprozess:Injizieren bei 80°C, Rampen auf 120°C, Halten für eine Stunde, Rampen auf 180° und Halten für eine 90-minütige Härtung, Herunterfahren (2°C/min) und Entformen. „Das Einspritzen dauert nur 20 Sekunden“, sagt er, „aber der gesamte Spritzzyklus dauert etwa vier Stunden.“

Zykluszeit und -kosten

Der immer noch lange Aushärtungszyklus für den SPARTA-Türrahmen wird durch die von Airbus zertifizierte Hexcel RTM6-Harzformulierung und -verarbeitung vorangetrieben. „Wir konnten Härtungszyklen von 30 Minuten bei 180 °C mit einer anschließenden zusätzlichen Nachhärtung unter Vakuum erreichen, um die thermische Belastung zu beseitigen und die mechanischen Eigenschaften sicherzustellen“, sagt Rittenschober. Die Eigenschaften seien recht gut und vergleichbar mit der LP . -RTM-Teil.

„Wir haben gezeigt, dass man das Verfahren nutzen und die Produktion für höhere Teilemengen automatisieren kann“, sagt Rittenschober. „Sie können in die Form spritzen und aushärten und dann aus der Presse nachhärten.“ Er räumt ein, dass dies zusätzliche Werkzeugsätze erfordert, aber nur eine einzige Press- und Spritzeinheit. „Mit diesem System können Sie die Teilekosten um 700 € senken, wodurch Sie die Ausrüstung problemlos mit einer Produktionsrate von 500 bis 1.000 Teilen/Jahr bezahlen können, was nicht einmal eine sehr hohe Stückzahl ist.“

CTC-Prozessentwicklung und Demonstratoren

Abgesehen von Werkzeugen und Prozess umfasste das HP-RTM-Türprojekt auch den innovativen Einsatz des Faserformats. „Wir haben mit bereits von Airbus qualifizierten gewebten Textilien begonnen und waren sehr erfolgreich“, erinnert sich Schiller. „Dann haben wir mit NCF und weiteren innovativen Textilien weitergemacht.“ Letzteres beinhaltete eine trockene Faserplatzierung und eine Verschachtelung mit ausgebreiteten Wergschichten für eine erhöhte Zähigkeit, aber letztere bereiteten Probleme mit einer dichten Packung von Fasern und Schichten, was eine schlechte Durchlässigkeit verursachte und das Eindringen von Harz behinderte. „Dazu gibt es auch Entwicklungen, wie zum Beispiel NCF mit speziellen Fasern zur Verbesserung der Durchlässigkeit“, fügt er hinzu.

Bezüglich der Drücke für HP-RTM betont Schiller, dass die Entscheidung für das Verfahren eher von der Mischtechnik aus der Polyurethanindustrie als von hohen Prozessdrücken getrieben wurde. „Wir verwenden HP-RTM nur, um eine gute Durchmischung von hochreaktiven Harzen zu erreichen“, erklärt er. „Der Druck in der Form kann etwas höher sein, aber das ist ein Nebeneffekt des schnellen Einspritzens. Bei Automobilteilen mit 2-Minuten-Zykluszeiten müssen sie den trockenen Preform viel schneller mit Harz infiltrieren als wir. Unsere 15-minütige Aushärtezeit lässt mehr Zeit für die Harzinfiltration, was auch den Druck in der Form senkt.“

Die Presstonnage hängt hingegen von der Teilegröße ab. „Die Herstellung von Teilen mit einer Größe von bis zu 2 Metern funktioniert gut (ca. 1.500 Tonnen), aber Teile mit einer Größe von 4 bis 6 Metern erfordern eine Berechnung des Business Case, da die Presseninvestition sehr hoch wird“, sagt Schiller. CTC zeigte 2018 auf der JEC World eine 1,5 Meter mal 0,5 Meter große CFK-Rippe, die jede mögliche Primärstruktur für die Luft- und Raumfahrt darstellt. Ende 2019 wird sie auch eine Presse mit höherer Tonnage erhalten.

2K-Harze und sensorbasierte QS

Schiller stellt fest, dass alle bisherigen RTM-Flugzeugstrukturen nur 1K-Systeme verwendet haben, die vom Lieferanten gemischt wurden, der dann die Mischung zertifiziert und die Verantwortung dafür trägt, dass das Harz die Qualifikationsanforderungen erfüllt. „Jetzt denken wir über 2K-Systeme nach, aber die Herausforderung besteht darin, die Mischqualität sicherzustellen“, erklärt er. Vorgemischte 1K-Systeme erfordern einen kalten Versand und eine kalte Lagerung, um eine Reaktion bis zur Teileverarbeitung zu verhindern. Vorteile von 2K-Systemen sind daher der Wegfall dieser Kosten sowie eine höhere Reaktivität für eine schnellere Verarbeitung. Ein Problem ist jedoch, dass die Qualitätssicherung (QS) vom Harzlieferanten auf den Teilehersteller übergeht. „Diese QA erfordert die Erkennung des Mischungsverhältnisses und die Mischharzqualität. Beides wird für die Airbus-Qualifizierung eines neuen Materials benötigt. Dies bedeutet also Messungen der beiden Komponenten kurz vor dem Mischen und des Harzes nach dem Mischen. Heute haben wir nur noch Sensoren vor dem Mischkopf, die anzeigen, wie viel Harz und wie viel Härter in die Mischung dosiert wird. Das reicht nicht für eine Qualifikation.“

Alpex arbeitet unterdessen an der Entwicklung eines Inline-Qualitätssystems, um die Verifizierung von 100 % richtig gemischtem Harz zu ermöglichen, das Airbus benötigt. „Wir haben von Beginn dieser Entwicklung an mit Netzsch In-Mold-Sensoren gearbeitet“, sagt Rittenschober. „Nach der Kooperation von Netzsch mit Kistler (Winterthur, Schweiz) steht neue Technologie zur Verfügung. Wir können Temperatur, Druck und die Aushärtung des Harzes von einem einzigen Sensor aus überwachen, den wir in die Form integrieren.“

„Alpex sagt, In-Mold-Sensoren zu verwenden, und die Lieferanten von Misch-/Injektionsgeräten sagen, dass die Sensoren in ihrem sein sollten Systeme“, sagt Schiller. "Beide haben Recht." Aber auch bei letzterem gibt es Verbesserungsbedarf. „Bei der HP-RTM in der Automobilindustrie wird das Harzmischungsverhältnis über den gesamten Prozess gemessen, es ist also ein Durchschnitt“, erklärt Schiller. „Diese Messung benötige ich jedoch an jedem diskreten Punkt des Prozesses, damit ich weiß, dass das Mischungsverhältnis auch für die letzte halbe Sekunde beim Einspritzen immer stimmt. Wir brauchen eine bessere Zeitauflösung in den Messsystemen.“ Schiller schlägt vor, dass Sensoren wahrscheinlich vor dem Mischkopf benötigt werden, im Mischkopf und im Schimmel. „Wir arbeiten an dieser QS-Entwicklung parallel zur Evaluierung von 2K-Harzen in Luft- und Raumfahrtanwendungen und haben gemeinsam mit den Maschinenlieferanten Sensorsysteme identifiziert, die eine ausreichende Auflösung versprechen. Sie werden noch in diesem Jahr validiert.“

Alpex testet auch einen neuen hybriden multifunktionalen piezoelektrischen Sensor, der von Aerospace &Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Österreich) entwickelt wurde. auf platziert der RTM-Form dient er als Drucksensor zur Überwachung der Harzflussfront in der Form. Sobald der Vorformling mit dem Harz imprägniert ist und das Aushärten beginnt, wird die Änderung des Impedanzspektrums vom Sensor verwendet, um den Aushärtungsgrad zu bestimmen. Sobald die Härtung abgeschlossen ist, werden die piezoelektrischen Sensoren auf der Oberfläche des Teils, das für die strukturelle Zustandsüberwachung verwendet werden soll, entweder im passiven Modus als Schallemissionssensoren oder im aktiven Modus unter Verwendung von geführten Ultraschallwellen mitgehärtet. Sie wurden für die Überwachung von Stößen und Beschädigungen an Fertigteilen demonstriert.

Beachten Sie, dass diese Prozessdaten von intelligenten Produktionssystemen der Industrie 4.0 analysiert werden können, um Wege für weitere Verbesserungen der Qualität und Effizienz zu identifizieren. Diese Prozessdaten können auch für den digitalen Zwilling jedes Teils protokolliert werden.

Zukunftspotenzial

Rittenschober sagt, die einzige echte Hürde für die HP-RTM-Technologie sei die Zertifizierung:„Wir zeigen mit Airbus Helicopters, dass dieses Verfahren funktionieren kann, aber jemand muss es zertifizieren.“ Schiller stimmt zu, dass es immer eine Hürde ist, den ersten Platz zu finden, aber er hat im letzten Jahr auch für viele Teile Business Cases kalkuliert. „Bei 200 Teilen pro Jahr macht das keinen Sinn. Für Teile zum Beispiel auf der A320 wird es jedoch attraktiv. Wir sehen jeden Monat eine höhere Zielrate für das A320-Programm. Viele dieser Teile wurden in den 1980er Jahren entwickelt und manuell hergestellt, sodass sie mit HP-RTM leicht viel effizienter hergestellt werden könnten.“

Mit CTC-demonstrierten Teilzykluszeiten von 20 Minuten könnte HP-RTM auch für den Markt für elektrische Vertikalstart- und Landeflugzeuge (eVTOL) attraktiv sein, wo ein Produktionsvolumen von 5.000 Flugzeugen pro Jahr als Obergrenze von Lufttaxi-Herstellern vorgeschlagen wurde UBER.

Alpex wird weiterhin eine Reihe von RTM-Weiterentwicklungen entwickeln, sagt Rittenschober. „Wir glauben, dass HP-RTM echtes Potenzial hat, einige der Probleme mit einer kostengünstigeren, industrialisierten Produktion von CFK-Flugzeugstrukturen zu lösen.“ Schiller stimmt dem zu und merkt an, dass es für viele der angestrebten A320-Anwendungen zahlreiche CFK-Teile pro Schiffssatz gibt. „Damit beginnt sich der Nutzen eines effizienteren Prozesses zu häufen. Wenn wir die erste Anwendung in der Produktion bekommen, werden es noch andere.“

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