Fortschrittliches Prepreg für schnelles Pressformen in RAPM

Carbonfaser/Epoxid-Prepreg ist seit Jahrzehnten das Basismaterial für Luftfahrt-Composites, da es hohe mechanische Eigenschaften und präzisen Harz-/Fasergehalt sowie einfache Handhabung für Lagenaufbau und Autoklavenhärtung bietet. Da jedoch Flugzeughersteller und Urban Air Mobility (UAM) Hersteller höhere Produktionsraten und niedrigere Kosten anstreben, ist Pressformen attraktiv, da es Zykluszeiten verkürzt und die Effizienz gegenüber dem Autoklaven steigert. In seiner einfachsten Form umfasst Pressformen das Vorheizen des Formmaterials, Einlegen in eine offene Werkzeugkavität und Konsolidierung mit hydraulischem Druck bei Temperatur, wobei das flüssige Duroplastmaterial in einen festen Zustand überführt wird. Das gehärtete Bauteil wird dann für etwaige erforderliche Trimm- und Endbearbeitungsschritte ausgeworfen.

Die Kombination von Pressformen und Prepreg liefert nicht nur einen effizienten Hochratenprozess mit der Leistung und einfachen Handhabung von Prepreg, sondern vermeidet auch einige der komplexen Prozessdynamiken beim Befüllen trockener Verstärkungen mit flüssigem Harz während Prozessen wie Harzinfusion und Resin Transfer Molding (RTM). Für kleinere Luftfahrtstrukturen bietet Prepreg-Pressformen insbesondere das Potenzial für Taktraten von <30 Minuten, während gleichzeitig hochwertige, komplexe Geometriebauteile erreicht werden.

Solvay Composite Materials (Alpharetta, Ga., USA) war ein Schlüsselpartner im RApid high-Performance Manufacturing (RAPM)-Programm unter Leitung von The Boeing Co. (Chicago, Ill., USA). RAPM ist der „Form“-Teil des Tailorable Feedstock and Forming (TFF)-Programms, das 2015 von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) (Arlington, Va., USA) ins Leben gerufen wurde. Ziel ist es, schnelle, kostengünstige und agile Fertigung kleiner, komplex geformter Composite-Bauteile zu ermöglichen und die Fähigkeit von Composites zu steigern, gegen bearbeitetes Aluminium in Verteidigungsanwendungen zu bestehen.

Als langjähriger Lieferant für Boeing für Verteidigungsanwendungen war Solvay auch führend bei neuartigen Lösungen für die kommerzielle Luftfahrt, wie dem Out-of-Autoclave (OOA) Epoxid-Prepreg CYCOM 5320-1, und für die Automobilindustrie, wie dem 1-Minuten-Taktzeit-Vinyl-Hybrid-SolvaLite 730 Prepreg.

RAPM bot Solvay die perfekte Gelegenheit, sein experimentelles System XEP-2750, nun kommerzialisiert als CYCOM EP2750, zu testen und zu verfeinern, das entwickelt wurde, um Luftfahrt- und Automobil-Composite-Produktion zu verbinden. Dieser Blog – ein Online-Seitenstück zum Mai-2020-Feature „Revolutionizing the composites cost paradigm, Part 2: Forming“ – beleuchtet diese Entwicklung sowie die verwendeten Pressformprozesse und was CYCOM EP2750 sowohl Luftfahrt- als auch Automobil-Composite-Herstellern bietet.

Material- und Prozessziele

CYCOM EP2750 wurde entwickelt, um die von Boeing gesetzten Leistungsziele für ein luftfahrttaugliches zähmodifiziertes Epoxid zu erfüllen, das eine Balance aus Glasübergangstemperatur (Tg) bis 350 °F, guten Kerbeigenschaften – z. B. Open Hole Compression (OHC) und Open Hole Tension (OHT) – und Lösungsmittelbeständigkeit aufweist. Diese neue Prepreg-Klasse ist für primäre und sekundäre Luftfahrtstrukturen anwendbar und kompatibel mit diversen Verstärkungen (z. B. Carbon- und Glasfaser).

CYCOM EP2750 wurde auch mit der Fähigkeit entwickelt, die Produktion mittels automatisierter Handhabung und Pressformen hochzuskalieren. Dies umfasst eine Werkzeugverweilzeit von 15–30 Minuten bei 330–370 °F, mit 1-stündiger Nachhärtung bei 350 °F. Diese Taktrate von 30 Minuten oder weniger ermöglicht ein jährliches Produktionsvolumen von 10.000 Bauteilen pro Werkzeug.

Solvay nutzte während des RAPM-Programms zwei Varianten des Pressformens: Federrahmen-Formen und Double Diaphragm Forming (DDF). Beide nutzen das Prinzip, einen flachen Rohling zu halten und durch eine Infrarot (IR)-Vorheizstufe zu führen, bevor er in eine passgenaue Metallwerkzeugkavität geschoben wird. Die Presse schließt dann das Stahlwerkzeug gemäß einem automatisierten Programm und appliziert Volldruck auf das Prepreg für die verbleibende Werkzeugverweilzeit.

Sowohl Federrahmen-Formen als auch DDF nutzen passgenaue Metallwerkzeuge und bieten einen Hot-In/Hot-Out-Ansatz, der Werkzeugaufheizen und -abkühlen eliminiert, für Hochratenproduktion. Beide wurden erfolgreich zum Formen mehrerer Typen komplexer Geometriebauteile mit Pad-ups, vertikalen Flanschen und Dickenvariationen von 3,8 bis 8,9 mm eingesetzt. Diese Bauteile wurden im Solvay Application Center in Heanor, UK, gefertigt. Obwohl während RAPM nicht verfügbar, verfügt Heanor nun über eine vollautomatisierte Pressformlinie von der Prepreg-Rolle zum geformten Bauteil, die Taktraten von 15 bis 60 Minuten für Luftfahrtbauteile mit EP2750 und Taktraten von 3 Minuten oder weniger für kleine bis mittlere Bauteile mit Automobil-Prepregs erreicht. Solvay sieht vielfältige Vorteile im DDF-Prozess, darunter:

• Eliminierung des Preform-Schritts – 2D-Rohling zu 3D-Bauteil
• Kein Trennmittel oder Reinigung erforderlich
• Reduktion von Hilfsmaterialien (z. B. Bleeder, Breather, Bagging, Tape) vs. Autoklav
• Verbessertes Buy-to-Fly vs. Federrahmen-Formen, da weniger Übermaßmaterial für die Befestigung der Federklammern benötigt wird.

Voll- vs. Teilimprägnierung hält Druck

Merkmale von EP2750, die Pressformen erleichtern, umfassen seine niedrige Klebrigkeit für automatisiertes Pick-and-Place-Handling und seine vollimprägnierte Natur im Gegensatz zu CYCOM 5320-1, das teilimprägniert ist, um Randentlüftung zu ermöglichen, notwendig für lunkerfreie Laminate bei OOA-Verarbeitung. Pressformen nutzt jedoch sehr schnellen, erzwungenen Harzfluss aufgrund der höheren applizierten Drücke – z. B. bis zu 350 psi (typisches Maximum für EP2750) im Vergleich zu 35 psi im Autoklaven und 14,7 psi bei reiner Vakuum-OOA-Verarbeitung.

Ein stärker imprägniertes Prepreg, obwohl der Harzgehalt nur leicht höher ist – 40 % bei CYCOM EP2750 gegenüber 36 % bei CYCOM 5320-1 – hält hydrostatischen Druck während Kompaktion und Aushärtung in der passgenauen Werkzeugkavität aufrecht, was zu geringerem Risiko für Trockenstellen, inkonsistente gehärtete Bauteildicke (CPT), Faltenbildung und anderen Defekten führt, während gute Oberflächenqualität gewährleistet wird.

Bemerkenswert ist, dass Solvay einen patentierten Transformer Film zur Erhöhung des hydrostatischen Drucks bei Verwendung von niedrigerem Harzgehalt CYCOM 5320-1 Prepreg entwickelte. Auf den Bauteillagenaufbau vor dem Pressformen aufgebracht, erhöht der Transformer Film den Harzgehalt und half, die CPT in RAPM-Bauteilformversuchen auf Anforderungen zu bringen.

RAPM-Bauteilformversuche

Wie im CW Mai-2020-Featureartikel erläutert, war CYCOM EP2750 eines der primären Materialien, die in RAPMs Duroplast-Prepreg-Pfad erprobt wurden. Pfadfinderbauteile in der initialen Manufacturing & Development-Phase umfassten TS-RAPM-001 und -009 Perlen-Zugangspaneele, TS-RAPM-002 Rippe und TS-RAPM-003 gekrümmter C-Kanal. Die Bauteile wurden an mehreren Boeing-Standorten weltweit entworfen, Werkzeuge bei C-Con GmbH (München, Deutschland) gefertigt, Bauteile im Solvay Applications Centre in Heanor, UK, hergestellt und anschließend bei Solvay Anaheim, Calif., USA und Boeing St. Louis, Mo., USA getestet.

Oberflächenqualität wurde mittels zerstörungsfreier Prüfung (NDI) bewertet und ausgewählte Paneele quergeschnitten für Porosität, Kurzzeit-Scherfestigkeit, Fasergehalt, Harzgehalt, Aushärtegrad und Glasübergangstemperatur.

Porositätswerte unter 0,5 % wurden problemlos erreicht, zugeschrieben den hohen Konsolidierungsdrücken des Pressformens. Zwar mussten Prozessparameter für jedes unterschiedliche Bauteil optimiert werden, einmal festgelegt, erwies sich der Prozess als wiederholbar.

TS-RAPM-009 Perlenpaneel

Dieses 600 mm lange flache Bauteil wies parallele Perlen verschiedener Geometrien auf. Die Dicke nahm in einer Ecke von 3 auf 6 mm zu (Pad-up), während die gegenüberliegende Ecke einen konstanten Dickenversatz (Joggle) aufwies. Die gegenüberliegende Kante bestand aus einem vertikalen Flansch mit einem Entformungswinkel, der linear von 0° auf 20° variierte.

Verrutschen von Pad-ups

Initiale Versuche liefen mit Pad-ups, die auf der Lagenauflageoberfläche gestapelt waren. Da die Pad-up-Lagen jedoch nahe dem Bauteilrand positioniert waren, konnten sie aus dem Bauteil herausgepresst werden, was zu einem Niedrigdruckbereich während der Aushärtung und Porosität führte. Die Lösung war, die Pad-up-Lagen in den Lagenstapel einzulegen. Das Risiko von Verrutschen und Porosität trat in späteren Bauteilen nicht auf, wo Pad-ups weg von Rändern positioniert und effektiv vom umgebenden Material fixiert waren.

Porosität bei Verweilzeit

Erhöhte Porosität trat auch auf, wenn die Verweilzeit zu lang war. Perlenpaneele, die mit 8 Minuten Verweilzeit gefertigt wurden, wiesen niedrigeren Lunkergehalt auf als solche mit 10 Minuten. Dies war besonders im Pad-up-Bereich ausgeprägt, wo der Lunkergehalt 5,5 % für 10 Minuten Verweilzeit und 0,4 % für 8 Minuten betrug. Die kürzere Verweilzeit hält einen hohen Harzfluss aufrecht, benetzt Fasern effektiv und hält den Druck in der Werkzeugkavität während der Aushärtung aufrecht.

Die längere Verweilzeit ließ Harzfluss und Druck abnehmen, besonders im Pad-up-Bereich, aufgrund seiner Nähe zum Rand der Werkzeugkavität, der keine Scherkante oder Querschnittsreduzierung aufwies. Somit sank der Druck in der Werkzeugkavität am Bauteilrand, besonders in dickeren Regionen, wo der Querschnitt größer war. Das Fehlen von Druck hier verschärfte auch das Verrutschrisiko der Pad-up-Lagen. „Beim Werkzeugdesign wird eine Querschnittsreduzierung im Umfeld der Werkzeugkavität helfen, Druck aufzubauen und zu halten, besonders bei Bauteilen mit variierenden Dicken“, erklärt Gail Hahn, Boeing Research Fellow und Principal Investigator für das RAPM-Projekt. „Man muss eine Art Einklemmung oder Abdichtung vorsehen, um einen Zustand hydrostatischen Drucks in der Kavität zu fördern.“

TS-RAPM-002 Rippe

Sobald Verarbeitungsparameter für die TS-RAPM-009 Perlenpaneele etabliert waren, wurde der Prozess für die TS-RAPM-002 Rippe wiederholt, die an ihrer längsten Kante 540 mm maß. Die Rippe baute die Dicke in der Mitte von 3,3 auf 5,2 mm auf und die Ziehtiefe betrug 42 mm am final getrimmten Bauteil. Alle vier Kanten wiesen vertikale Flansche auf. Beachten Sie, dass ein Feder-Rückfederungswinkel während der Perlenpaneelversuche bestimmt und dann auf die Rippenwerkzeuggeometrie angewendet wurde. Perlenpaneelversuche führten auch zu höherer Spannfähigkeit und modularer Federpositionierung am Federrahmen.

Übermaßmaterial für Klemmen

Rippen wurden sowohl mit Federrahmen-Formen als auch DDF gefertigt. Aufgrund des tiefen Zugs der Rippe war Übermaßmaterial erforderlich, um die Federrahmenklemmen zu befestigen, was bei DDF reduziert werden konnte. Ein weiteres Problem war, dass das Werkzeugdesign begrenzten Raum für die Federklemmen in unmittelbarer Nähe innerhalb der Werkzeugkavität ließ.

Variationen in CPT

Die gehärtete Lagendicke (CPT) war auf den flachen Bereichen der Rippe höher als an ihren vertikalen Kanten. Man vermutete, dass die Bauteilgeometrie Harz im zentralen flachen Bereich hielt, da die vertikalen Flansche als Harzdichtung wirkten. Dies half Kompaktion und Bauteiloberfläche im zentralen flachen Bereich. Die vertikalen Flansche litten jedoch unter starkem Scher beim Werkzeugschluss, was Oberflächenrauheit, aber keine Porosität verursachte (siehe Porositätsdaten unten). CYCOM EP2750, ein niedrigvolumigeres Material, half, diesen Effekt zu mildern – seine geringere Dicke verringerte den Scher.

Variationen in Stegdicke mit Prepreg-Harzgehalt

Qualitätsuntersuchungen zeigten wiederholbare Rippen mit Porosität <0,1 % und minimaler Faserwelligkeit. Obwohl angenommen wurde, dass Bauteildickenvariation durch passgenaue Formverarbeitung minimiert würde, zeigte die Überprüfung von Materialverarbeitungsparametern und fertiger Bauteil-CPT, dass zwar der Werkzeugspalt in den vertikalen Flanschen der Rippe fix und konsistent war, die Stegdicke jedoch als Funktion des Prepreg-Harzgehalts (weniger als +/-2 %) und Prozess variieren konnte – CPT konnte zwischen Flanschen und Steg variieren, da Harz innerhalb der Kavität migrieren durfte.

TS-RAPM-003 gekrümmter C-Kanal

Dieses Bauteil war 640 mm lang mit einem 40 mm tiefen U-Profil am final getrimmten Stück. Der Innenradius des Profils war größer als der Außenradius, und die Dicke nahm vom schmalen Ende mit 6,6 mm auf 8,8 mm am breiten Ende zu. Aufgrund seiner Dicke war das C-Kanal-Bauteil erheblich schwerer als die vorherigen besprochenen Bauteile. Daher benötigte der Federrahmen mehr Befestigungspunkte als bei den vorherigen Bauteilen.

Doppelte Verweilzeit zur Druckhaltung in dicken Bauteilen

C-Scans geformter Bauteile zeigen eine Falte, die sich vom Innenradius zum Außenradius ausbreitet für Bauteile mit vorkonsolidierten Rohlingen. Die Grauskala zeigt, dass die Falten auch Porosität tragen.

Diese Falten und Porosität wurden für CYCOM EP2750 Prepreg-Bauteile durch Verwendung eines „Doppelten Verweil“ (Double Dwell)-Prozesses beseitigt. Dies besteht darin, einen bestimmten Druck während der Verweilzeit unmittelbar nach dem Viskositätsaufbau des Materials anzuwenden. „Dies wurde mithilfe der von Presse und Werkzeugen während der Prozessentwicklung bereitgestellten Daten bestimmt“, erklärt Hahn. „Im Grunde gibt es zwei Stufen progressiven Druckaufbaus vor der Volldruckapplikation. Als Resultat hat das Druck-zeit-Profil eine ähnliche Form wie das Harzviskositätsprofil. Eine initiale Verweilzeit bei Volldicke treibt die Harzviskosität hoch, um ein Ausdünnen des Materialaufladung [Rohling oder Preform] zu verhindern. Wenn die Aufladung signifikante Dicke aufweist, werden zwei Verweilzeiten genutzt, um Druckverlust durch Harzschwindung zu verhindern. Die erste Verweilzeit ist bei Spalt X, die zweite bei Spalt Y, mit Y < X.“

Abb. 18 oben zeigt den Effekt der doppelten Verweilzeit auf die C-Kanal-Bauteildicke. Die Anpassung des Drucks an die Harzviskosität ermöglichte, mehr Harz im Bauteil zu halten, was Fasern für niedrige Porosität benetzte und Dicke aufbaute, um den erforderlichen Nennwert zu erreichen, während geringe Faserverformung beibehalten wurde. Das RAPM-Team betonte jedoch, dass dieser doppelte Verweilprozess nur für dickere Bauteile favorisiert wird, da er bei Bauteilen mit variierenden Dicken CPT-Ungleichmäßigkeit induzieren kann.

RAPM Lessons Learned und weitere Bauteilversuche

Die hier diskutierten RAPM-Bauteilversuche haben Wissen für die Hochratenfertigung luftfahrtstruktureller Bauteile mittels Prepreg-Pressformen beigetragen. Lessons Learned umfassen:

• Niedriges Volumen ist vorteilhaft für Bauteilqualität, speziell zur Begrenzung von Porosität und Erhöhung der Oberflächengüte an vertikalen Kanten. Harzreichere Prepregs wie CYCOM EP2750 erlauben ein breiteres Fertigungsfenster sowie erhöhte Prozesswiederholbarkeit
• Idealerweise sollte Pressenausrüstung eine Infrarot (IR)-Vorheizstation, automatisierten Trägerrahmen für den Transport des vorgeheizten Rohlings/Preforms zum Werkzeug, enge Parallelitätstoleranzen zwischen oberer und unterer Pressenplatte, Fähigkeit zur Kontrolle und Überwachung der Plattenposition auf enge Toleranz und Fähigkeit zum Pressen mit niedrigen wie hohen Kräften umfassen
• Vorkonsolidierung von Rohlingen/Preforms ermöglicht Reduktion von Faserstörungen in vertikalen Wänden und trägt zur Reduktion des Gesamtporositätsniveaus in geformten Bauteilen bei. HINWEIS: Dies ist Entbulken, NICHT Vorformen auf einem geformten Werkzeug

RAPM hat gezeigt, dass Prepreg-Pressformen hochwertige, luftfahrtgerechte Strukturen produzieren können, während Zykluszeit und Arbeitsaufwand reduziert werden. Dies ermöglicht Composites, in Trade Studies für Luftfahrtanwendungen besser zu bestehen, während erhöhte Gewichtsersparnis und Bauteilleistung (z. B. Beständigkeit gegen Korrosion, Rissbildung und Ermüdung) geliefert werden.

Solvay und Boeing haben zusammengearbeitet, um das neuartige EP2750 Prepreg-System zu verfeinern und Taktraten von bis zu 20 Minuten zu demonstrieren, dank einer Kombination aus Materialchemie, Prepreg- und Prozesswissen sowie Automatisierung.

Zusätzlich zu den oben diskutierten Manufacturing Development-Bauteilen hat RAPM auch mehrere Challenge and Transition-Bauteile produziert, die dazu dienen, initiale Entwicklungen zu hinterfragen und Kandidaten mit Potenzial, gegen bearbeitetes Aluminium in Verteidigungsanwendungen zu bestehen, in die Übergangsphase zu überführen. Diese umfassen:

• TS-RAPM-007 Solvay Challenge-Bauteil
• TS-RAPM-008 Hautzugangspanel
• TS-RAPM-012 Boeing „Wave“
• TS-RAPM-014 Motorarm
• TS-RAPM-015 Flosse

Ergebnisse und Lessons Learned aus diesen Bauteilversuchen und anderen RAPM-Fertigungs-Feature-Studien werden 2020/2021 veröffentlicht.

Solvay Automobil-Bauteilversuche

Solvay hat auch illustriert, wie EP2750 in Automobilbauteilen performt, wie einem B-Säulen-großen Bauteil von 36 × 16 × 2 Zoll mit 0,0725 Zoll Dicke, umfassend 5 Lagen Solvay THORNEL T650-35 Standardmodul 3K Tow Carbonfaser in 376 g/m² 8-Harness-Satin-Gewebe. Dieses Bauteil wurde bei Solvay Heanor, UK, mittels DDF gefertigt. Im Vergleich zu autoklaviertem Standard-Prepreg bietet die Kombination von CYCOM EP2750 und DDF eine 60 %ige Reduktion der Zykluszeit und 85 % in der Taktrate (Zeit zwischen Start eines Bauteils und dem nächsten auf einer Fertigungslinie – d. h. der Pulsschlag der Linie).