Demokratisierung der Kompositfertigung mit Multilayer-Thermoplastbändern, AFP & Harzinfusion

Novotech (Neapel, Italien) startete 1992 als Spin-off der Universität Neapel "Federico II" in Süditalien, gegründet von Professor Leonardo Lecce. "Wir haben General-Aviation-Firmen unterstützt und F&E-Dienstleistungen in ganz Italien erbracht", sagt Lecce, der heute CEO von Novotech ist. "Wir haben Strukturanalysen für Flugzeugteile durchgeführt und auch bei Flugzeugentwicklung geholfen."

In der Nähe der Leonardo-Fabrik, die die Komposit-Rumpfsektionen für die Boeing 787 fertigt, begann Novotech 2014, sich auf Komposite zu fokussieren. Es kaufte eine AFP-Zelle (Automated Fiber Placement) von Coriolis Composites (Quéven, Frankreich) und entwickelte Out-of-Autoclave (OOA) Verarbeitung, einschließlich Harzinfusion und Thermoplastkompositfertigung, mit spezieller Expertise in In-situ-Konsolidierung mittels AFP.

Novotech hat an zahlreichen Industrie-Forschungsprojekten teilgenommen, darunter:

• MESEMA (Magnetoelastic Energy Systems for Even More Electric Aircraft)
• SARISTU (Smart Intelligent Aircraft Structures)
• ASAM (Advanced Simulation of Aircraft Mechanisms)
• LAMITECH (Innovative Testing Methods for Automatic Layering of Hybrid Composite Materials)
• PROALATECH (Structural Characterization and Repair Solutions Analysis of Innovative CFRP Empennages)
• FACE (Friendly Aircraft Cabin Environment)
• AIRGREEN 2 - CLEAN SKY 2 (Development of innovative wing concepts and methodologies for next generation regional aircraft)
• SISTER CHECK (Investigation and integration of innovative system for AFP Non-Destructive Inspection)
• TRINITI - CLEAN SKY 2 (Multi-Material Thermoplastic high pressure Nitrogen Tanks for Aircraft)
• NHYTE - H2020 (New Hybrid Thermoplastic Composite Aerostructures manufactured by OOA)

"Wir haben auch eine spezielle Beziehung zu Cytec in UK, um neue Kompositmaterialien und Prozesse zu entwickeln", sagt Lecce. Anmerkung: Cytec wurde von Solvay übernommen, und der referenzierte Standort ist Solvay Composite Materials in Heanor, UK – ein Standort mit langer Innovationsgeschichte, einschließlich des kürzlich via RAPM-Programm getesteten Double Diaphragm Forming Prozesses. "Unsere letzte solche Aktivität war die Entwicklung eines OOA-Thermoplastprozesses, der eine neue, innovative Presse nutzt, die PEEK (Polyetheretherketon) und PEI (Polyetherimid) in ein neues Kompositmaterial kombiniert." Dieses neue Material, diese Ausrüstung und dieser Prozess wurden nun in einem CFRP-Flugzeug-Stringer demonstriert, gefertigt mit AFP In-situ-Konsolidierung und Schweißen via NHYTE-Projekt.

NHYTE

Finanziert vom Europäischen Kommission Horizon 2020 Programm ist NHYTE ein Forschungsprojekt, das von Mai 2017 bis Oktober 2020 lief. "NHYTE geht um den Einsatz amorphen Bondings, um nachhaltige Temperatur- und Prozessbedingungen für Thermoplastkomposite zu ermöglichen", erklärt Dr. Marco Barile, NHYTE-Projektkoordinator und CTO von Novotech. Dieses amorphe Bonding (siehe Diagramm unten) ist ein Konzept, das von einem anderen NHYTE-Partner, der Aerostructures Division von Leonardo (Rom, Italien), patentiert wurde, die mehrere Produktionsstandorte in Süditalien hat.

"Mit dem in NHYTE entwickelten Material können wir die aktuellen Materiallimitierungen bei AFP In-situ-Konsolidierung (ISC) von Thermoplastkompositen (TPC) überwinden. Statt bei Temperaturen knapp unter 400 °C für semi-kristalline PEEK-Polymere zu prozessieren, können wir knapp über der 215 °C Glasübergangstemperatur (Tg) für die amorphe PEI-Schicht erhitzen. Schmelzen und Abkühlen von PEI ist auch schneller, nicht so kontrolliert wie bei PEEK." Barile merkt an, dass dieses Konzept andere amorphe Thermoplaste nutzen kann. PEI wurde gewählt, weil es gut an PEEK bindet, ein Material, das in mehreren AFP-Luftfahrtstrukturdemonstratoren bewiesen ist.

Dieses neue Material, das in NHYTE entwickelt wurde, wurde in einer kontinuierlichen Presse hergestellt, die von NOVOTECH designed wurde. Orma Macchine (Bergamo, Italien) lieferte den Pressenkörper und COMEC Innovative (Chieti, Italien) die Wickel- und Abwickelmodule. "Diese Presse kann eine kontinuierliche Rolle Material herstellen, die wir dann in Schlitzbänder für den Einsatz in einer AFP-Maschine schneiden", sagt Barile. Drei verschiedene Materialien treten von links in die Presse ein, wie im Bild oben zu sehen. "Wir haben PEI oben und unten und dann PEEK in der Mitte", erklärt Barile.

Als semi-kristallines Polymer liefert PEEK die hohen mechanischen Eigenschaften, die für Primärstrukturen nötig sind, während die amorphen PEI-Schichten schnelles, einfaches Schmelzen für das Bonding ermöglichen. "Wir kontrollieren den Druck und die Abkühlung des Materials entlang der Pressplatten, beginnend bei ca. 400 °C am Pressanfang bis unter 200 °C am Pressende. Das Ergebnis ist ein Material, das eine Kombination der drei Eingabelagen ist."

Diese neue Art von Thermoplastband ist bereits während der Herstellung konsolidiert, sodass es während AFP nur erhitzt werden muss, um die PEI-Schichten für amorphes Bonding zu schmelzen und zu kompakieren. Das Resultat ist ein Laminat aus vollkonsolidierten PEEK-zu-PEI-Bändern und PEI-zu-PEI-Schichten, wie im Leonardo-Patent gezeigt. Dieser AFP-Prozess präsentiert weniger Hürden versus aktueller AFP ISC mit PEEK- und PEKK-Bändern (Polyetheretherketon). Wie in Teil 2 meines 2018 Features zu In-situ-Konsolidierung erklärt, erfordert aktueller AFP ISC das Erhitzen von Band und Substrat auf Schmelztemperatur, Auflegen des Bands auf den Substrat und dann Konsolidieren mit einer Walze, sodass der Abkühlprozess präzise kontrolliert wird, was den semi-kristallinen Polymeren ermöglicht, ausreichend hohe Kristallinität (30-40 %) und niedrige Poren (<3-5 %) für strukturelle Eigenschaften zu erreichen.

Kritiker von AFP ISC behaupten, es sei zu langsam – eine Legerate von 60-100 mm/s versus 600-700 mm/s für die "Zwei-Schritt"-Methode aus schnellem AFP-Legen gefolgt von einem Sekundärschritt im Ofen oder Autoklav zur vollständigen Konsolidierung/Annealing thermischer Spannungen im Laminat. "Mit unserem Material kann man AFP-Legeraten erreichen, die nicht so langsam sind wie typische In-situ-Konsolidierung, und die während AFP erforderliche Erhitzung kann auch unter 300 °C gehalten werden", sagt Barile. "Man kann die Performance-Lücke zu Standardmaterialien, die wir jetzt haben, schließen." Hier vergleicht Barile AFP ISC von Thermoplastkompositen mit Thermosetkompositen, die in Boeing 787 und Airbus A350 Flugzeugen genutzt werden. "Bei großen Komponenten wie Rumpfsektionen ist das Problem die Erschwinglichkeit bei Autoklavenaushärtung. Thermoplaste ermöglichen einen erschwinglicheren Produktionsprozess, aber man hat hohe Temperaturen und langsame AFP-Raten mit den aktuell am Markt verfügbaren Luftfahrt-Materialien. Unser Ansatz hilft, diese Probleme zu lösen. Wir können ca. 30 % Kristallinität im Band via kontinuierliche Presse erreichen. Damit hat man diese Kristallinität im Teil und arbeitet nur mit der amorphen Schicht während AFP. Obwohl dies noch ein experimentelles Material ist, das verbessert werden kann, ist das Ziel des NHYTE-Projekts, einen Ein-Schritt-Fertigungsprozess zu haben, den man in strukturellen Luftfahrtanwendungen nutzen kann."

Band- und AFP-Optimierung

"Die ersten Multilayer-Bandmaterialien wurden hier bei Novotech hergestellt", sagt Barile. Diese Bänder nutzten Sabic (Riyadh, Saudi-Arabien) Ultem 1000 ungefüllten Schlitzfilm für PEI und APC-2/AS4 Carbonfaser-verstärktes PEEK-Band von Solvay. Gesamtdicke war ≈0,26 Millimeter, umfassend PEI-Schichten, die entweder 1 oder 2 Mils (.001 oder .002 Zoll) dick waren. In der ersten Projektphase wurden mehrere Coupons beider Variationen auf Interlaminare Scherfestigkeit (ILSS) getestet, um den Hybrid-Thermoplast-Material-Fertigungsprozess zu validieren. Kleine Coupons wurden auch von NHYTE-Partner Applus Laboratories (Barcelona, Spanien) auf ein volles Spektrum mechanischer Eigenschaften getestet, einschließlich Zug- und Druckfestigkeit und Modul, Open Hole Compression (OHC), Filled Hole Tension, Compression After Impact (CAI), Barely Visible Impact Damage (BVID) und Eigenschaften nach Fluidkonditionierung.

"Wir hatten nicht die gleiche Erfahrung wie Thermoplastkompositband-Lieferanten, also kann die Materialqualität verbessert werden. Zum Beispiel variiert der Fasergehalt von niedrig bis hoch durch die Dicke, was die Eigenschaften von Band und Laminat beeinflusst, einschließlich ILSS. Aber NHYTE zielte darauf ab, das Konzept zu demonstrieren, was wir getan haben."

Wie in den Bildern oben zu sehen, erforderte die Optimierung des AFP-Prozesses für das neue Material signifikante experimentelle Arbeit. "Wir nutzten auch einen Design-of-Experiments (DOE) Ansatz, um die AFP-Parameter zu optimieren, und ein Tool wurde von NHYTE-Partner University of South Brittany (USB, Lorient, Frankreich) entwickelt, um die Laserheizlast via prädiktive numerische Simulation zu verbessern", merkt Barile an.

"Diese Simulation wurde zuerst auf dem APC-2-Band genutzt, um die Qualität des prädiktiven Tools zu verifizieren, und dann auf das neue Multilayer-Material angewendet. Ein Paper zu dieser Arbeit wurde für die Veröffentlichung im Journal Composite Structures eingereicht. 'Man modelliert die Wärmeleitfähigkeiten am Nip-Punkt', sagt Barile. 'Wir verifizieren dann experimentell, was in der numerischen Simulation vorhergesagt wurde. Das ist nötig, um den besten Kompromiss zwischen Legerate, Schmelzfluss der Polymere und Aging [Kochen] der Komposit-Lamina zu bestimmen. Es ist ein Balanceakt mehrerer Variablen während des In-situ-Konsolidierungsprozesses. Wir schauen auf den Temperaturabfall des eingehenden Bands auf das bereits platzierte Band auf dem Werkzeug. Wenn man diese Temperaturänderung managen kann, kann man den Residualspannung im Laminat reduzieren. Also arbeiteten wir daran, die Temperaturvariation während der Lage zu bewerten. Man muss die Heizung entsprechend der Form des Pfads und der Orientierung der Lamina anpassen."

Stringer- und Rumpfdemonstratoren

Der nächste Schritt war die Produktion von Stringer-Demonstratoren, zunächst als kleine Skalenmuster mit einer stationären Presse und dann als Demonstratoren eines kontinuierlichen Stringer-Formprozesses, um zu verifizieren, was für die industrielle Teileproduktion erforderlich wäre. Diese Stringer wurden dann an ein AFP-Rumpfhaut-Panel-Demonstrator mittels Induktionsschweißen angebracht, entwickelt von der F&E-Organisation CETMA (Brindisi, Italien).

Bot das neue Multilayermaterial Vorteile für Induktionsschweißen? "Es verarbeitete sich im Grunde gleich", sagt Barile. "Allerdings war es für CETMA nicht einfach, Schweißprozessparameter zu definieren, weil unser neues Material einen geringeren Carbonfaseranteil hat versus Standardbänder." Die Stringer-Demonstratoren und der finale Rumpfpaneel-Demonstrator wurden dann von Applus getestet. NHYTE-Projektpartner University of Bath (Bath, UK) und Leonardo Aircraft nutzten auch NDI zur Qualitätsbewertung von Panels und Stringern.

"Wir haben viele Coupons und kleine Teile sowie den großen Demonstrator gemacht", merkt Barile an. "Testergebnisse von Applus sind sehr gut, wenn man den niedrigeren Kosten des Fertigungsprozesses versus dem aktuellen Standard berücksichtigt. Wir sind 20-25 % niedriger in Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften versus Standard-Thermoplastbandmaterialien, die aktuell verfügbar sind, aber wir haben Verbesserungen im Prozess identifiziert, die helfen sollten, dies zu verbessern."

NHYTE endete am 30. Oktober 2020. "Unsere Idee ist, mit einem neuen Projekt fortzufahren, das alle Verbesserungen beinhaltet, die wir im Kopf haben", sagt Barile. "Wir haben bewiesen, wie man das Material macht und wie man mit AFP In-situ-Konsolidierung, kontinuierlichem Formen und Induktionsschweißen verarbeitet. Jetzt müssen wir für die Industrialisierung weiter optimieren." Novotech strebt an, mit demselben Konsortium, angereichert um neue Partner, fortzufahren.

Bemerkenswert ist, dass Leonardo auch daran arbeitet, AFP In-situ-Konsolidierung mit Induktionsschweißen und TPC-Band zu verbessern, das schnell erhitzt und gekühlt werden kann. Zusätzlich wurden ermutigende Ergebnisse zu PEI/PEEK-Multilayerkompositen gerade von Forschern am IMDEA Materials Institute (Madrid, Spanien) und FIDAMC (Madrid, Spanien) veröffentlicht, letztere ein führender Anbieter in AFP In-situ-Konsolidierung seit vielen Jahren. Für weitere technische Papers siehe NHYTE-Publikationen.

SWING Projekt

Das Smart Wing for New General Aviation (SWING) Projekt startete mit einer Empfehlung von Piaggio Aerospace (Villanova d'Albenga, Italien) und wird vom italienischen Ministerium für wirtschaftliche Entwicklung (MISE) kofinanziert. Neben Novotech umfasst das italienische Projektkonsortium die Technologieentwicklungsfirma Protom (Neapel) als Koordinator, Laer Aeronautical Manufacturing (Airola), A. Abete Aerostructures (Nola) und den Luftfahrtdesign-Spezialisten ItalSystem (Avellino). Ein Ziel von SWING ist es, automatisierte Out-of-Autoclave (OOA) Kompositprozesse – einschließlich AFP und Flüssigharzinfusion (LRI) – für kosteneffektive und nachhaltige Produktion kleinerer Flugzeuge anzupassen, wobei Piaggios P.180 Avanti Vorderflügel als Demonstrationsplattform dient.

"Die Idee ist, den Vorderflügel der P.180 in nur zwei Hauptteilen zu produzieren: ein oberes Panel und ein unteres Panel, beide mit integrierten Stringern und Holmen geformt", sagt Lecce.

"Für uns begann das mit unserer Arbeit als qualifiziertes Labor für Solvay in UK. Wir kooperieren seit 2015 an neuen Materialien und Prozessen für AFP, LRI und Thermoplastkomposite. Wir machten Trockenpreforms mit Solvays PRISM TX1100 Trockenfaserband für AFP-Einsatz. Diese Preforms wurden dann mit Solvay PRISM EP 2400 zähmodifiziertem Epoxidharz infundiert und im Ofen ausgehärtet. Wir machten diese Arbeit im Rahmen des AIRGREEN 2 Projekts für das Clean Sky 2 Green Regional Aircraft Programm und führten sie dann im SWING Projekt fort." Anmerkung: PRISM TX1100 und PRISM EP 2400 wurden von United Aircraft Corporation für die Produktion des ersten harzinfundierten Flügels für ein Verkehrsflugzeug qualifiziert – den Irkut MS-21 Ein-Gang-Jetliner, hergestellt von AeroComposit.

Die geformten oberen und unteren Panels werden mit Strukturchlebstoff verbunden und nächstes Jahr statisch getestet. "Parallel charakterisieren wir ein weiteres Komposit basierend auf TX1100 Trockenband und einem Harzblend von Covestro (Leverkusen, Deutschland), das eine valide Alternative zu Luftfahrt-Harzen sein kann, besonders für Sektoren, die höhere Produktionsraten benötigen", fügt Barile hinzu. "Dieses Harz ist nicht so hochperformant wie jene Systeme, aber es funktioniert gut mit Infusion und erfüllt Anforderungen für den Flügelkasten. Es muss ein Kompromiss geben, wenn man Kosten reduzieren will. Wir hoffen, dass diese Entwicklung dazu beiträgt, AFP-Technologie in die General Aviation einzuführen. Es könnte auch im Automobilsektor genutzt werden."

TRINITI

Novotech arbeitet auch im Clean Sky 2 Projekt TRINITI – Multi-Material Thermoplastische Hochdruck-Stickstofftanks für Flugzeuge – das 2019 startete und 2021 endet. Novotechs Eintritt in dieses Projekt entwickelte sich erneut aus der Entwicklung mit einem italienischen Luftfahrtunternehmen. "Wir arbeiteten daran, das Potenzial von AFP mit unserem Multilayer-Band in der Produktion von kryogenen Kraftstofftanks für Trägerraketen versus den aktuellen Filamentwickelprozessen zu verifizieren", erklärt Barile. "Im Wesentlichen wird TRINITI ein Multilayer-Materialkonzept ähnlich NHYTE entwickeln und dann einen Tank mit AFP In-situ-Konsolidierung herstellen."

"Der Vorteil von AFP gegenüber FW", fährt er fort, "ist, dass man entscheiden kann, wo man das Material platzieren will. Man ist nicht durch kontinuierlich um das Teil gewickeltes Filament eingeschränkt. Betrachtet man einen Tank, wo man viel Material an den Endkappen hat, weil man das Material beim Filamentwickeln nicht schneiden kann. Durch Schneiden und Neustarten von Fasern/Bändern dort, wo man will mit AFP, wird Material nur dort eingesetzt, wo es gebraucht wird. Damit kann man Lücken zwischen den Bändern managen, was wichtig ist, um Gaspermeation zu verhindern. Um das mit Filamentwickeln zu machen, muss man das aufgetragene Material erhöhen, sogar weil man mit AFP Schlitzband nutzt, nicht Towpreg. Und dann mit In-situ-Konsolidierung ist kein Autoklav nötig. Wir haben demonstriert, dass AFP eine machbare Alternative und sehr erschwinglich sein könnte."

"Aktuell führt CETMA Gaspermeationstests durch, um die Performance der Multilayermaterialien vs. Spezifikationen zu bewerten", sagt Barile. Anforderungen wurden vom Topic Manager Diehl Aviation (Gilching und Dresden, Deutschland) für einen Hochdruck-Langzeit-Stickstofftank für Flugzeug-Feuerlöschsysteme bereitgestellt. Diese Tanks müssen Temperaturen von -55 °C bis 85 °C am Boden, -40 °C bis 70 °C im Flugbetrieb und Drücke bis 1.000 bar standhalten.

"Das Ziel ist Gewichts- und Fertigungsschritt-Reduktion", merkt er an. "Allerdings muss der Fertigungskosten mit dieser Methode definiert werden. Gewicht wird gespart, indem man unnötiges Material nicht platziert, aber Filamentwickeln ist ein schnellerer Prozess im Vergleich zu AFP." Ein weiterer Faktor ist, dass dieser Tanktyp typischerweise einen Metall- oder Kunststoffliner hat, der mit CFRP überwickelt ist. Barile sagt, TRINITI strebt einen liner-losen (Typ V) Tank an. "Wir werden Gaspermeation vermeiden, indem wir ein niedrig-poriges AFP-Laminat nutzen. Wir testen bei CETMA jetzt mit verschiedenen Materialkombinationen und bereiten die Downselection vor. Wir werden dann einen Prototyp-Tank bauen, aber das Tankdesign hängt vom downselektierten Material und finalen Prozess ab. Also ist das, woran wir jetzt arbeiten. Die Testaktivität wird von CTL Composites (Galway, Irland) durchgeführt."

SEAGULL

Das herausfordernde Projekt SEAGULL startete vor drei Jahren. "Unser Ziel ist, eine neue Generation kleinem Wasserflugzeug zu entwickeln, das neue Kompositfertigungstechnologie, hybriden elektrischen Antrieb und einen automatisierten Klappflügel umfasst, den wir entwickelt und patentiert haben", erklärt Lecce. "Die Absicht war ein STOL-Flugzeug (Short Takeoff and Landing), das wettbewerbsfähig mit VTOL-Flugzeugen (Vertical Takeoff and Landing) ist, aber mehr Erschwinglichkeit bietet. Wir glauben, das könnte ein persönliches Flugzeug sein, das von jeder Oberfläche operierbar ist, und eine wichtige Möglichkeit für zukünftige Aeronautik und Mobilität."

Das SEAGULL-Team hat ein hybrides Antriebssystem getestet, einen ersten Wasser-Prototyp gebaut und im Oktober mit Wassertests begonnen. "Nach Abschluss dieser Tests werden wir dann innerhalb weniger Monate einen fliegenden Prototyp bauen", sagt Lecce. "Das ist ein sehr erfahrenes Team, bestehend aus signifikanten Unternehmen mit mehr als 50 Jahren Erfahrung in der General Aviation."

Der SEAGULL-Flugprototyp wird einen Komposit-Rumpf, Leitwerk und Flügel haben. "Wieder werden wir den Einsatz automatisierter Fertigung mit AFP und Harzinfusion pushen", sagt Barile. "Eines der Hauptprobleme mit Kompositen bei diesen Prozessen ist die Materialkosten. Tatsächlich versuchen wir, auch eine Kombination aus Material und Prozess zu finden, die demokratischer in puncto Kosten ist."