Hexions neues 2K-Epoxid für RTM beschleunigt Aerostruktur-Produktion

Dies ist der dritte Blog in meiner Pre-CAMX-2019-Serie zu Technologien, die bereits auf CAMX 2018 ausgestellt waren. Hexion (Columbus, Ohio, USA) hat ein Zweikomponenten-(2K)-System für RTM von Aerostrukturen basierend auf seinem Epikote System 600 Epoxidharz entwickelt. Die Einführung erklärt, warum diese Entwicklung wichtig ist. Dann Details zum neuen 2K-System und wie Hexion Luftfahrt-OEM-Anforderungen an In-situ-Qualitätssicherung des gemischten Harzes erfüllt. Am Ende: Hexions 2K-Infusions/RTM-Epoxid für feuerbeständige (FR) Anwendungen.

Warum 2K-Harze für RTM?

Früher dieses Jahr schrieb ich über Programme bei Werkzeugspezialist Alpex Technologies (Mils, Österreich) und Airbus-Tochter Composites Technology Center (CTC, Stade, Deutschland) zur Fertigung von Composite-Flugzeugteilen mittels Resin Transfer Molding (RTM). RTM in der Luftfahrt ist nicht neu – diverse Flugzeugteile wurden per RTM gefertigt:

• Ruder für Gulfstream G250 Business Jet (Israel Aerospace Industries, North Coast Composites)
• Schaufeln und Fancase für LEAP Turbofan-Triebwerk (Albany Engineered Composites)
• A350 Türrahmen (Airbus Helicopters Donauwörth)
• Demonstrator A350 Passagiertür (Elbit Cyclone)
• Demonstrator A320 Multispar-Klappe (Airbus Bremen)
• Matrix Composites: > 6.000 Komponenten für F-22 per RTM

Traditionell war RTM in Luftfahrt ein Niederdruckprozess mit Zykluszeiten in Stunden. Alpex- und CTC-Programme fokussieren auf Ausnutzung von Automatisierung, schneller Injektion und 15- bis 20-minütigen Zykluszeiten durch High-Pressure RTM (HP-RTM). In meinem Artikel „HP-RTM für serielle Produktion kosteneffektiver CFRP-Aerostrukturen“ diskutierte ich 2K vs. 1K-Systeme:

„Schiller [Jan Schiller, CTC-Projektleiter Produktionssysteme, Lead-Kontakt RTM-Technologien] beobachtet: Alle bisherigen RTM-Luftfahrtstrukturen nutzten nur 1K-Systeme, vom Lieferanten vormischend, der die Mischung zertifiziert und Haftung für Qualifikationsanforderungen trägt. ‚Nun prüfen wir 2K-Systeme, aber die Herausforderung ist Sicherstellung der Mischqualität‘, erklärt er. Vormischende 1K-Systeme erfordern Kühlversand und -lagerung zur Reaktionsverhinderung bis Teileverarbeitung. Vorteile 2K: Wegfall dieser Kosten, höhere Reaktivität für schnellere Verarbeitung.“

„Ein Problem: QA wandert vom Harzlieferant zum Teilehersteller. ‚Diese QA erfordert Detektion des Mischverhältnisses und der gemischten Harzqualität. Beides nötig für Airbus-Qualifikation neuem Materials. Also Messung der zwei Komponenten kurz vor Mischen und des Harzes nach Mischen. Heute nur Sensoren vor Mischkopf: wie viel Harz und Härter dosiert werden. Nicht genug für Qualifikation.‘“

Hexion (Columbus, Ohio), Leader in schnellehärtenden Epoxiden für HP-RTM in Automotive-Composites (siehe „HP-RTM on the rise“), kündigte März 2019 Entwicklung eines 2K-Systems für RTM von Aerostrukturen basierend auf Epikote System 600 an. Interview mit Hexions Epoxy Global Aerospace Segment Leader Jean Rivière.

Überwindung 1K-Limitationen

„Genau wie bei Prepreg müssen 1K-Systeme für RTM und Infusion in Luftfahrt gekühlt werden und haben begrenzte Haltbarkeit“, sagt Rivière. „Durch 2K-Epoxidsystem entfallen diese Constraints. 2K und hochreaktive Epoxide werden in Windblätter- und Autostrukturfertigung genutzt. Warum nicht in Luftfahrt?“

Rivière: Nach vielen Kundengesprächen Hauptbedenken verstanden – Validierung nötig, dass Mischverhältnis jederzeit vor Injektion in Form korrekt ist. Ohne dies inakzeptables Risiko für Teilehersteller. Bisher keine Nachfrage nach Produktionsvolumina wie Wind/Automotive. Jetzt wollen Airbus und Boeing Produktionsraten übertreffen bei mehr Composite-Teilen pro Flugzeug. „Also Bedarf, weg von Prepreg-Lage hin zu 2K-Epoxid für Luftfahrt-RTM oder Infusion.“

In Lieferketten-Diagrammen: 2K-Technologie eliminiert nicht nur Kühllagerung und Aufwärmstufen, sondern hebt auch Beschränkungen der Harzbehältergröße für Versand auf. „Vormischharz-Masse auf 20 Liter begrenzt, Fässer bei sehr niedriger Temperatur halten“, sagt Rivière, „sonst kann Harz reagieren. 2K: Standard-200-Liter-Fässer versendbar ohne Tieftemperatur-Restriktionen. Weniger Risiko, keine starke Kühlung, weniger Vorsichtsmaßnahmen.“

Analytische Kontrolle: Bei 1K nur Initialkontrolle am Herstellort; bei 2K Kontrollen an multiplen Punkten: A- und B-Komponente bei Fabrikproduktion, A:B-Mischverhältnis digital in MMD-Equipment (Mix, Meter, Dispense) und wieder kurz vor Harzinjektion in Form.

Analytische Kontrolle im Detail

Zur 2K-Entwicklung arbeitete Hexion mit Hübers (Bocholt, Deutschland) – MMD-Equipment-Hersteller – und Composyst (Hurlach, Deutschland) – exklusive Lizenz für Airbus-patentiertes Vacuum Assisted Process (VAP) für Infusion. Hübers: starker Ruf für High-Performance-MMD in Elektronik (Gießharz, imprägnierte Komponenten für Transformatoren etc.). Composyst: Experte für Harzinjektion/Infusion für Airbus-Anwendungen, versteht OEM-Anforderungen an Verarbeitung und QA gemischter Harze.

„Analytische Kontrolle greift nach präzisem Mischen der A- und B-Komponenten durch Hübers-Equipment, kurz vor Einbringung in Form“, erklärt Rivière. Die schwarzen Schläuche zwischen Hübers-MMD und Vakuumbeuteltem VAP-Infusionssetup (Bild) sind Schlüsselkomponente. „Hier haben wir analytisches Gerät, das Mischverhältnis in Echtzeit kontrolliert“, sagt Rivière. „Mischverhältnismessung alle 12 Sekunden demonstriert, häufiger möglich. Technologie ermöglicht kontinuierliche Kontrolle des Mischverhältnisses, reported und geloggt.“

Doppelte Kontrolle: normale MMD-Kontrolle + Pre-Injection-Analytikkontrolle. Hübers-MMD bekannt für Präzision/Genauigkeit: Doppelpumpensystem für zwei Komponenten, hält Genauigkeit in Volumen, Temperatur, Mischverhältnis. Hexion-System addiert zweite Messung nach Mischen, kurz vor Injektion mit Alarm-Targets. Bei Alarm: gemischtes Harz in separates Gefäß evakuiert, bypassing Form – nicht in infundiertes Teil eingebracht. „Prozess recoverbar, Injektion fortsetzbar.“

Hexions Post-Mix-Pre-Injection-Analytikkontrolle liefert unabhängigen Traceability-Record, integrierbar in MMD-Unit je nach Kundenbedarf. Hübers-MMD entgast Harz gründlich – gefordert von Elektronikindustrie (keine Voids/Porosität). „System bietet auch portable Druckkontrolle auf Form durch Management des Harzflusses auf High/Low-Level“, notiert Rivière. „Sehr gute Imprägnierung erreichbar, Infusionsprozesszeit verkürzbar bei Luftfahrt-Qualitätsanforderungen an Porosität und Fasergehalt.“

Fotos: Infusionssetup mit Hübers-MMD und Hexion 2K-Analytikkontrolle; 2-cm-dickes Carbon-Fiber-UD-Laminat damit gefertigt, > 60 % Fasergehalt.

Besseres Verarbeitungsfenster

„Weil Mischen im Statikmischer in kurzer Zeit kurz vor Injektion erfolgt, bietet Harzmischung längere Topfzeit (bis 40 % vs. 1K)“, notiert Rivière. „Besseres Verarbeitungsfenster, dicke Carbon-Fiber-Laminate mit 60 % Fasergehalt produziert. Mechanische Performance 2K vs. 1K identisch – Chemie gleich. Glauben, zuverlässigerer Prozess, voller Wert bei Verbindung Mischkontrolle mit Harzinjektionssetup.“

Hexion präsentiert Details zu beiden Systemen im CAMX Theater:

• Novel 2K Technology for Epoxy Aerospace Manufacturing – Di 24. Sep, 11:00–11:25
• FlameX Epoxy Systems for Fire Safety Applications – Di 24. Sep, 11:30–11:55

Details auch am Hexion Stand Y24.

EPON FlameX Epoxid für Infusion/RTM feuerbeständiger Composites

Hexion entwickelte 2K-Epoxid für Infusion/RTM von Teilen mit Feuerwiderstand (FR) und Flame, Smoke, Toxicity (FST) Anforderungen. Ziel: Phenolische Prepregs durch Epoxid-Flüssigformung ersetzen. Treiber:

• Erhöhte Produktionsraten
• REACH-Regulierungen für halogenfreie, nicht-phenolische Systeme
• Stärkere, zähere Harze vs. spröde Phenolharze
• Kostenwettbewerbsfähig mit Phenolharzen, aber viel günstiger als Thermoplaste

EPON FlameX nutzt keine Halogen- oder Partikeladditive für Feuerwiderstand, sondern baut Performance in molekularen Backbone ein. Kein Partikelfiltern während Infusion. Harz infundiert gut bei 250 cPs Viskosität bei 60–70 °C (140–158 °F), härtet in 1,5 h bei 150 °C (302 °F). Freistehend oder werkzeuggestützt Post-Cure bei 180 °C empfohlen für Maximalstrukturwerte.

Teile mit diesem System bestehen ohne zusätzliche Beschichtungen/FR-Maßnahmen:

• 60s Vertikalbrennen FAR25.853(a)
• Smoke Toxicity BSS7239
• Smoke Density BSS7238

Besteht auch OSU 65/65 Heat Release in bestimmten Konfigurationen mit zertifiziertem intumeszentem Gelcoat/Beschichtung – nötig nur für Teile, die bei Taxi, Start, Landung berührbar sind.

„Overhead Bins, die aktuell 10–12 h mit konventionellen phenolischen Prepreg-Prozessen benötigen, können in 90–120 min mit Infusion/RTM mittels FlameX produziert werden“, sagt Nathan Bruno, Hexion Epoxy Applications und Product Development Specialist. „Auch: keine Füllstoffe → niedrigere Dichte vs. gefüllte FR-Epoxide.“

Anwendungen: Flugzeuginnenräume, Frachträume, Toiletten, Galleys, Sitzkomponenten, sowie Marine, Schiene, Architektur-Innenräume.