Thermoplast-Bänder: Innovationstreiber für Composite-Flugzeugstrukturen

Die Aerostruktur-Produktion wurde stark von der COVID-19-Pandemie beeinflusst, aber die Luftfahrtbemühungen folgten nicht unbedingt demselben Trend, zumindest für Web Industries (Marlborough, Massachusetts, USA), ein Unternehmen, das Thermoplast-Band-Schneiddienste für diverse Kundenanwendungen anbietet. Laut Grand Hou, Global Director of Research and Technology, Aerospace, liefen Forschungsanstrengungen in Raumfahrt, Urban Air Mobility (UAM) und Militär auf Hochtouren, um die nächste Generation von Flugzeugen zu ermöglichen – und Composites, speziell Thermoplast-Bänder, waren Schlüssel zu vielen dieser Bemühungen.

Thermoplast-Bänder sind natürlich nicht neu (siehe CW Chefredakteur Jeff Sloans „I want to say two words to you: ‚Thermoplastic tapes‘“ für mehr Hintergrund ab den 1960ern), aber die letzten Jahre haben ein gesteigertes Interesse gesehen, besonders für kommerzielle Luftfahrt und andere Hochleistungsanwendungen (wie Rippen für das Wing of Tomorrow Programm und das Multifunctional Fuselage Demonstrator Programm, unter anderem). Im Vergleich zu Duroplast-Bändern bieten Thermoplaste Vorteile wie höhere Zähigkeit, leichtere Recycelbarkeit, ihre Out-of-Autoclave (OOA) Verarbeitbarkeit und die Tatsache, dass sie bei Raumtemperatur gelagert werden können.

Web Industries steht an vorderster Front der Thermoplast-Entwicklung und -Anwendungen, besonders durch seine vielfältigen Formatierungskapazitäten, die das Schneiden von Duroplast- und Thermoplast-Bändern von Lieferanten in verschiedene Formen und Formate umfassen, um spezifische Kundenanforderungen zu erfüllen. Mit Band-Schneid-Produktionslinien in US- und Europa-Standorten umfassen Webs Kapazitäten das Formatieren von Hochleistungs-Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherketoneketon (PEKK) und Polyaryletherketon (PAEK) Thermoplast-Bändern, die am häufigsten in Luftfahrtanwendungen verwendet werden.

TP-Bänder für sekundäre Aerostrukturen – und Herausforderungen bei Primärstrukturen

Aktuell, so Hou, konzentriert sich die meiste Aerostruktur-Aktivität bei Thermoplast-Pregregen auf sekundäre Strukturen wie Clips, Zugangspaneele oder Unterkonstruktionen, während flugkritische Primärstrukturen wie Tragflächen und Rümpfe aus Duroplast-Composites oder Metallen gefertigt werden.

„Viele der Herausforderungen drehen sich um Risikomanagement“, sagt er, und Teil des Problems waren historisch die Wachstumsschmerzen von Thermoplast-Pregregen von Lieferanten. Thermoplast-Materialien sind weniger ausgereift als Duroplast-Bänder. Laut Hou hatten Duroplast-Bänder Jahrzehnte Großserienproduktion zum Skalieren und Perfektionieren, während Thermoplast-Materialien in der Kindheit der Nutzung in automatisierten Prozessen für Großserienproduktion stecken.

Jedoch arbeitet Web Industries mit einer Vielzahl von Composite-Materiallieferanten zusammen, und Hou sagt, dass die Gesamtmaterialkonsistenz und Skalierbarkeit in den letzten Jahren stark verbessert wurden. Materialbreite, -länge, -dicke, Faserzugspannung und Harzuniformität sind heute alle viel konsistenter und von höherer Qualität, sagt er.

Ein weiterer hemmender Faktor für größere Thermoplast-Primärstrukturen ist, dass Thermoplast-Materialien tendenziell teurer sind als Duroplaste. „Es wird nicht breiter angenommen, wenn es keinen Gesamtkostenvorteil gibt“, gibt Hou zu und merkt an, dass Zusammenarbeit und technischer Support kritisch sind, um Prozesskosten zu senken. „Wir können bessere Lösungen erreichen, wenn alle kollaborativ von den frühen Projektphasen bis zum Ende zusammenarbeiten, um gemeinsame Ziele zu erreichen.“

Prozessflexibilität und Materialanpassung

Insgesamt sieht Hou viel Potenzial und steigende Aktivität für Thermoplast-Bänder jetzt und in Zukunft, wobei Flexibilität einer der Hauptkippunkte für Kunden ist.

Derzeit sind Duroplast-Bänder primär auf Automatisierte Faserablage (AFP) beschränkt, mit den Einschränkungen von Autoklavhärtung und Lagertemperaturanforderungen. Thermoplaste können einen flexibleren Prozesseransatz sowie OOA-Verarbeitung ermöglichen, sagt Hou, einschließlich Bandformate für Automatisiertes Bandlegen (ATL) und Filamente für Additives Manufacturing.

Laut Web Industries werden kommerzielle Formatierung und Supply-Chain-Lösungen kritisch sein, um Aerostruktur-Fertigern die Thermoplast-Schneidbänder bereitzustellen, die projizierte Industriestückzahlen unterstützen.

Thermoplast-Pregregen können auch für spezifische Anwendungen maßgeschneidert werden. Laut Hou suchen Endanwender danach, Materialien auf jede Anwendung abzustimmen. Da Thermoplaste hochanpassbar sind, kann ein spezifisches Format für ein spezifisches Bauteil entwickelt werden, sagt er, was Materialnutzung maximiert und die nachgelagerten Kosten des Kunden reduziert. Mit UAM, Raumfahrt und Militär als hochaktiven Bereichen stellt Ashley Graeber, Director Sales and New Business Development, fest, dass Aktivität pro Projekt, nicht pro Flugzeugprogramm, maßgeschneidert wird.

Das Formatieren von Thermoplast-Materialien für spezifische Anwendungen hilft auch, Abfall zu reduzieren, sagt Jason Surman, VP Sales, Aerospace. In der Luftfahrtindustrie ist das Buy-to-Fly-Verhältnis, das Verhältnis von Rohmaterial zur Masse des fertigen Bauteils, ein Schlüsselanliegen. Das Ziel ist ein Buy-to-Fly-Verhältnis so nah wie möglich an 1:1, was wenig Abfallmaterial bedeutet. Das richtige Material im richtigen Format für die richtige Anwendung kann Abfall drastisch reduzieren, merkt Surman an. In der Luftfahrtindustrie sei 30 % Abfall „verrückt häufig“, sagt er, und um den Abfall darunter zu bringen, erfordere es kollaborative Anstrengungen aller Seiten.

„Die Ehe von Material und Prozess ist kritisch“, fügt Surman hinzu, „und Thermoplast-Bänder entwickeln sich als ermöglichende Lösung für Aerostruktur-Fertiger.“