Wachstumstreiber Thermoplast-Composites in der Luftfahrt

Continuous-Fiber-verstärkte Thermoplast-Composites (TPCs) gelten als Enabling Technology für zukünftige nachhaltige Flugzeuge: erhöhte Produktionsraten leichter, hochzäher Teile, die ohne Löcher oder Fügerelemente zu wirtschaftlichen geschweißten Baugruppen zusammengefügt werden können.

CW veröffentlichte 2018 Artikelserien zu TPC-Tapes, In-situ-Konsolidierung und Schweißen, sowie 2019 zwei Webinare zu TPCs in Autoanwendungen und TPC-Entwicklungen für Luftfahrt. Die meisten meiner Artikel und Präsentationen referenzieren TPC-Teilehersteller und Equipment-Lieferanten in Europa sowie Trelleborgs Automated Dynamics Division in USA. Ich besuchte auch US-basiertes Tri-Mack Plastics. Leider übersehen: ein weiterer US-TPC-Teilehersteller, der seit 15 Jahren Technologie und Produktionsgrenzen still vorantreibt. ATC Manufacturing – Post Falls, Idaho, nahe Spokane, Washington – produziert eine Million Teile pro Jahr, alle Continuous-Fiber-Thermoplast-Composites, alle für Luftfahrt. Mit einzigartiger Expertise in Rapid Forming 3D-Teilen ist ATC auch Schlüsselpartner im RApid high-Performance Molding (RAPM) Forschungsprogramm mit Boeing (Chicago) und DARPA (Arlington, Virginia) für US Department of Defense (DoD).

Wer ist ATC?

ATC Manufacturing gegründet 2004 von ehemaligem Boeing-Ingenieur Dan Jorgenson, der Co-Chairman bleibt. „Wir hatten immer starken technisch-ingenieurlichen Fokus“, sagt David Leach, Director Business Development ATC. Lange Geschichte mit Boeing: 5 Jahre連続 Silver-Level-Supplier, nominiert Boeing Supplier of the Year 2016 und 2017. „Hauptsächlich Build-to-Print, Start mit Clips, Haltern, kleineren Stanzteilen“, sagt Leach. „In jüngeren Jahren Fortschritt zu komplexeren Baugruppen, dickeren, größeren Teilen – bis 60 Zoll Länge – und Teilen für Primärstrukturen.“ Letztere: strukturelle Flügelspitzenkomponenten, lange Träger mit maßgeschneiderten Layups in verschiedenen Querschnitten, Rumpf- und Empennage-Strukturen.

150 Mitarbeiter, > 20 Ingenieure. Fertigung in einzelner 67.000 sq ft (ca. 6.225 m²) Anlage, 2015 purpose-built für optimierten Workflow mit Expansionsraum (52.500 sq ft vorplanmäßig). „Alles unter einem Dach“, notiert Leach, „vereinfacht Operationen.“ Inkl. 9 Stanzformpressen 30–150 to, Platten bis 60×30 Zoll. „Zusätzliche 200-to-Presse bis Ende 2019 voll operational.“ 10 CNC-Bearbeitungsstationen für Teile bis 12 ft (3,66 m), Wasserstrahlschneiden bis 30 ft (9,14 m).

Non-Destructive Inspection (NDI) integriert in Facility-Operationen und Workflow-Design: 5 C-Scan-Tanksysteme für Pulse-Echo und Through-Transmission-Testing bis 30 ft Teilelänge. Weitere Inhouse-Expertise: alle Oberflächenvorbereitung und Lackierung. „Sehr effiziente Oberflächenvorbereitung für Thermoplast-Composites entwickelt, die schwer zu lackieren und kleben sind“, sagt Leach, notiert auch Plasma-Behandlung von TPC-Teilen. 200.000 Teile/Jahr lackiert, 70.000 Kanten versiegelt.

„Stark investiert in Forschung, z. B. RAPM für DARPA, und Mitglied im ThermoPlastic Composites Research Center (TPRC, Enschede, Niederlande)“, fährt Leach fort. ATC partizipiert an TPRC 10-Jahres-Jubiläumskonferenz „Future of Thermoplastic Composites“ am 8. Oktober an University of Twente. „Corbin Chamberlain, ATC Vice Chairman, auf Panel, wir demonstrieren gefertigte Luftfahrt-Strukturteile auf begleitender Ausstellung.“

Von Gewebe zu UD-Tape, Formen, schnelle Zykluszeiten

Obwohl ATCs TPC-Halter/Clips-Fertigung mit Gewebeverstärkung startete, Migration zu UD-Tape. „Dann Evolution zu größeren Strukturteilen, weil wir gute Erfahrung hatten, wie man 3D-Teile mit UD-Tape formt“, erklärt Leach. „Diese Teile, 1–2 mm bis 6,5 mm dick, müssen an andere Strukturen passen. Enge Dimensionstoleranzen für Fügflächen: z. B. ±0,010 Inch (0,25 mm) Profil, ±0,5° Winkeltoleranz.“

Lang-TPC-Profile entwickelt. „Eigene Flachlaminat-Vorräte via Continuous Compression Molding (CCM)“, sagt Leach. „Zwei CCM-Maschinen für Flachlaminate, eine formt TPC-Pregpregs in kontinuierliches 3D-Profil – Channels bis 75 ft (22,86 m) Länge.“

Herausforderungen 3D-Profilformen: Trevor McCrea, Director R&D Engineering ATC: „Bei Gewebe kontrolliert Webart viel Deformation. Bei UD andere Dynamik. Beispiel: 90° zum Radius will ausdünnen oder verdicken – nicht zulässig in Strukturteil. Probleme verschärfen sich bei komplexeren Formen. Mehr Challenge im Prozessmanagement beim Formen.“

Prozessmanagement? „Anders als Thermoset-Formen: nur 2 Sekunden zum Formen“, sagt McCrea. „Im Autoklaven kann man viele Sünden zudecken. Wir nutzen sehr schnelle Form-/Stanzprozesse ohne diesen Spielraum. Auch Kristallinität managen.“ Halbkristalline Thermoplast-Matrixpolymere (PEEK, PEKK, LM PAEK) für hochbelastete Aerostrukturen – mechanische Eigenschaften und Chemikalienbeständigkeit aus kristalliner Struktur beim Abkühlen. „Isotherme Kristallisation: bei Flachplatten nicht zu schwierig, bei 3D-Formen viel herausfordernder. Materialien müssen ausreichend erhitzt zum Formen [Schmelztemperaturen 300–400 °C], dann schnell genug abkühlen für Hot Demold, um Thermisches Zyklieren der Werkzeuge zu vermeiden, während Form, Toleranz, Kristallinität, Oberflächenqualität gemanagt werden.“

TPC-Teilewachstum wegen sehr schneller Zykluszeiten. „Rippen für Militärflugzeug-Demonstratoren mit 5 min Zykluszeit, durchschnittlich ca. 10 min“, notiert Leach. „Ermöglichen hohe Produktionsraten, die Flugzeug-OEMs suchen.“ Sehr schnelle durchschnittliche Zykluszeit → ständig wechselnder Teilemix. „Wir würden liebend gern ein Teil monatelang produzieren, aber unsere Rate übertrifft Flugzeugfertigung“, sagt McCrea. „Immer Zyklus durch diverse Teile.“ Meiste Fertigung an einem Schicht/Tag, 5 Tage/Woche. „Genug Kapazität für gesteigerte Produktion.“

Zukunftsvision

ATC bietet signifikanten Wert via 10+ Jahre TPC-Produktionserfahrung. „Häufig helfen wir Kunden, Teile für Fertigung zu designen“, sagt Leach. „Oft Conversion von Thermoset-Composite, z. B. Rumpf-Primärstruktur-Fitting, gefertigt zur Erhaltung Originaldicke. Aber könnte viel leichter sein, wenn ursprünglich für TPC designed. Warum? Weil diese halbkristallinen TP-Matrixmaterialien höhere Performance haben. Nicht designen für Mikrorissbildung und Schadentoleranz wie bei Thermoset-Matrix, viel weniger Hot/Wet Knockdown. Tatsächlich kein Wet Knockdown in PEEK/PEKK/PAEK. Kein Hot Knockdown außer nahe Tg (≈150 °C). Standard Open Hole Compression (OHC) Test für Schadentoleranz (Strength Transition RT→120 °C): kaum Knockdown.“

„Wir können dünnere Teile designen und viel Aluminium und Titan eliminieren, das in aktuellen First-Gen-Designs für Composites [Boeing 787, Airbus A350] steckt“, ergänzt McCrea. „Wir avancieren weiter das Formen dieser Materialien – öffnet neue Anwendungen.“

Leach: signifikanter Impact auf zukünftige Flugzeuganwendungen. „Teile, die man mit Thermosets nicht produzieren kann wegen geforderter Eigenschaften und Produktionsraten.“

Mehr Infos: ATC Manufacturing präsentiert Technical Paper ‚Cost Effective Thermoplastic Composites in Aerostructures‘ (Autoren Chamberlain, Leach, McCrea) auf CAMX 2019, Thermoplastic Materials and Applications Session, Mi 25. Sep, 16:00, Raum 210C. Auch Joint Paper mit Boeing in Closed Session SAMPE 2019 (4.–7. Mai, Charlotte): „Rapid High Performance Molding of Structural Thermoplastic Composite Parts“. Siehe Blog: https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications