Wo sich Kunst und Wissenschaft des Flechtens treffen

In der Verbundwerkstoffindustrie gibt es einige wenige Herstellungsverfahren, die auf den ersten Blick relativ einfach und leicht durchführbar erscheinen. Das Flechten von Faserverstärkungen ist wohl eine davon. Das Flechten wird tatsächlich von einer ganzen Reihe von Herstellern durchgeführt. Tatsächlich kann der Erwerb und die Verwendung einer Flechtmaschine zur Herstellung von Kohlefaser- oder Glasfaservorformlingen, -mänteln und/oder -geweben ohne einen enormen Geld- oder Zeitaufwand erfolgen.

Es gibt jedoch nur wenige Unternehmen auf der Welt, die das Flechten zum Schwerpunkt aller gemacht haben ihrer Aufmerksamkeit, ihres Fachwissens, ihrer Investitionen und ihrer Strategie. Noch weniger genießen den Ruf, den A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, US) für technische und künstlerische Exzellenz und umfassende Erfahrung mit praktisch jeder heute verwendeten Faserverstärkung erworben hat.

Wie heißt der Name?

Die A&P stammt von Atkins &Pearce Manufacturing Co., die 1817 gegründet wurde, um Maschinen zur Baumwollverarbeitung zu produzieren. Atkins &Pearce begann schließlich damit, Baumwolle für eine Vielzahl von Endmärkten zu flechten. Dies setzte sich durch die Mitte des 19. und ins 20. Jahrhundert fort. 1986, als die moderne Verbundwerkstoffindustrie Gestalt annahm, sah Atkins &Pearce die Gelegenheit, sein Flecht-Know-how auf die Verbundwerkstoffherstellung anzuwenden und gründete A&P Technology als F&E-Einheit, um das Flechten technischer Fasern zu bewerten. Das Geschäft von A&P Technology wuchs in den folgenden zehn Jahren und wurde 1995 zu einer hundertprozentigen Tochtergesellschaft von Atkins &Pearce. 1997 vollzog das Unternehmen den weiteren Schritt, A&P Technology als eigenständiges Unternehmen auszugliedern. Heute ist es vollständig im Besitz seines Präsidenten Andrew Head.

A&P Technology verteilt sich auf fünf Gebäude auf einem Campus an der Ostseite der Metropolregion Cincinnati. Besucher werden im 1.255 m² großen Tech Center begrüßt, einem Gebäude in der Nähe des Haupteingangs des Campus. Hier begrüßten Pam Schneider, COO, und Mike Braley, VP, Anwendungstechnik, CW für diese Tour. Schneider führt ihre A&P-Wurzeln mehr als 30 Jahre bis zur Firmengründung zurück. Braley kam vor mehr als 20 Jahren zu A&P und kam von GE Aviation (Evendale, OH, USA), einem der langjährigen Kunden von A&P.

In der obersten Etage des Tech Centers sitzend, zwischen Mustern von Teilen aus den Flechtverträgen von A&P und alten Fotos aus der Anfangszeit von Atkins &Pearce, erklärt Schneider, dass der Erfolg von A&P hauptsächlich auf seiner Fähigkeit beruht, Materiallösungen nach Maß zu entwickeln, um unzähligen Anforderungen gerecht zu werden mechanische und physikalische Anforderungen. Und dies ist möglich, weil die Flechtausrüstung von A&P im eigenen Haus entwickelt und hergestellt wird, was bedeutet, dass das Unternehmen vom Konzept über die Entwicklung bis zur Fertigung eng mit seiner Technologie verbunden ist.

Braley behauptet, dass das Flechten von Faserverstärkungen eine Reihe von Materialfähigkeiten bietet, die sonst nirgendwo in der Verbundwerkstoffindustrie zu finden sind. „Grundsätzlich“, sagt er, „können wir die Faserarchitektur ändern, um jede spezifische Dimension und alle spezifischen mechanischen Anforderungen zu erfüllen.“

Flechten 101

Das Verständnis dieser Aussage erfordert ein Verständnis des Flechtens selbst. Auf der grundlegendsten Ebene ist ein Geflecht ein System aus kontinuierlichen, mechanisch miteinander verbundenen Fasern mit entweder zwei oder drei Ausrichtungen. Das Garn wird um eine zylindrische Spule gewickelt und die Spule wird auf einem Träger montiert. Mehrere Träger werden dann mit einer Serpentinenbahn, die die Träger führt, an einer Flechtplatte befestigt. Das Garn wird von jedem Träger zur Formationsebene über der Flechtbahn gezogen. Der Flechter kann horizontal oder vertikal ausgerichtet werden und seine Größe (Anzahl der Träger) bestimmt den Durchmesser des fertig geflochtenen Teils.

Die Geometrie des fertigen Geflechts hängt von der Dornform und -größe sowie der Flechterkonfiguration ab und wird zur Herstellung von Hülsen, 2D-Preforms und Flachgeweben verwendet. In allen Fällen bietet ein gut ausgeführtes Flechten eine kontinuierliche, gleichmäßige und gleichmäßig verteilte Faserstruktur, die dem fertigen Verbundteil eine hervorragende Schlag- und Rissbeständigkeit verleiht.

Die Anpassung der Gewebearchitektur, auf die sich Braley bezog, wird durch die Variablen ermöglicht, die für ein Geflecht eingestellt werden können:Anzahl der Fasertypen (Kohlenstoff, Glas, Aramid, Natur, Thermoplast oder Hybrid), Architektur (biaxial, triaxial, triax/biax oder unidirektional), Anzahl der Mitnehmer, Fadenwinkel (fest oder variabel), Fadenspannung, Flechtgeschwindigkeit und Dornform.

A&P Technology, sagt Schneider, betreibt Flechtmaschinen mit einer Größe von 3 bis 800 Trägern, mit mehr als 40 Größen dazwischen, und produziert eine Reihe von Preforms und Produkten aus Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern und mehr. Die Flechtmaschine mit 800 Trägern ist massiv – mit einem Durchmesser von mehr als 13 m – die größte der Welt. Das Maschinenprogramm von A&P wird ständig weiterentwickelt, wobei häufig neue Maschinengrößen hinzugefügt werden, um spezifische Kundenanforderungen zu erfüllen. Im Jahr 2016 produzierte A&P mehr als 453,6 t geflochtene Produkte, wobei in den nächsten Jahren ein jährliches Wachstum von 15-20% erwartet wird. Der größte Endmarkt von A&P ist die Luft- und Raumfahrt, sagt Schneider, aber das Unternehmen stellt auch geflochtene Produkte für Automobil-, Freizeit- und Infrastrukturanwendungen her.

Laut Braley verdankt A&P einen Großteil seines Erfolgs seiner Fähigkeit, gut zu flechten und Kunden dabei zu helfen, schwierige Probleme zu lösen. Am häufigsten, sagt er, kommen Kunden mit einem Metallteil zu A&P, das in irgendeiner Weise versagt, und alle anderen Lösungen sind unzureichend. „Wir haben uns schon sehr lange extrem darauf konzentriert“, sagt er über das Flechten. „Wir haben die Ausrüstung, die Geschichte, das Wissen und das Know-how, um maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln. Tatsächlich“, behauptet er, „sind einige unserer Kunden von unseren kundenspezifischen Fähigkeiten etwas überfordert.“

Die erste Station der Tour nach dem Verlassen des Ausstellungsbereichs des Tech Centers ist unten im Prototypenlabor, wo die „Tech“ tatsächlich gemacht wird. A&P stellt keine Verbundteile zum Verkauf her, sondern hat stattdessen einen Raum für Kunden geschaffen, um ihre Prototyping-Prozesse zu beschleunigen. Hier unten macht A&P Prototyping für Kunden, baut auch Layup-Werkzeuge und führt hydraulische Berstprüfungen durch. Ebenfalls enthalten ist ein großer Layup-Tisch, eine kleine handelsübliche Flechtmaschine, zerstörungsfreie Prüfgeräte, ein Gefrierschrank für die Prepreg-Lagerung und ein begehbarer Wisconsin-Ofen (East Troy, WI, USA).

Durchgehend sichtbar sind eine Vielzahl von Teilen in unterschiedlichen Fertigungs- und Bewertungsstadien. Darunter sind ein Triebwerks-Fan-Gehäuse der nächsten Generation, ein Verbundgetriebe für ein Helikopter-Projekt, ein Gondelwerkzeug und einige Eigenprodukte, die kurioserweise nichts mit Verbundwerkstoffen zu tun haben. Diese sind jedoch nicht fehl am Platz, sagt Braley:„Wir sind darauf ausgelegt, risikoreiche Projekte mit hoher Auszahlungsquote zu verfolgen. Wir suchen immer nach Möglichkeiten, unsere Technologie zum Einsatz zu bringen.“

Hinter verschlossenen Türen

Von hier aus geht die Tour hinter verschlossenen Türen in ein Gebiet CW darf unter der Voraussetzung zu Besuch kommen, dass alle anwendungs- und maschinenspezifischen Beobachtungen vertraulich behandelt werden. Tatsächlich erlaubt A&P normalerweise keine Werksbesichtigungen, um den geschützten Charakter der Designs seiner Kunden und seine hochmoderne Technologie zu schützen. Tatsächlich hat nur der US-Astronaut Neil Armstrong eine vollständige Tour erhalten. CWs Ein Besuch, eine seltene Ausnahme, wurde arrangiert, um der Branche, die er bedient, zu ermöglichen, die umfassenden Fähigkeiten von A&P besser zu verstehen.

Nächster Halt ist das Long-Term Contracts-Gebäude, eine 3.250 m² große Anlage am Nordrand des Campus. Hier finden wir A&P-Systeme, wie der Name schon sagt, bei Flechtprojekten für mehrjährige Projekte – solche, die laut Braley statisch sind und sich nicht ändern können. Die erste Ausstellung umfasst eine beeindruckende und komplizierte Anordnung von Flechtern und Dornen, die Kohlefaser-Vorformen für Rumpfrahmen herstellt, die für die 787-8 Dreamliner von The Boeing Co. (Chicago, IL, USA) bestimmt sind . A&P fertigt für Boeing 290 Frames pro Flugzeug, davon 161 Einzelstücke. In einer Schicht, eine dieser A&P Flecht-/Dornsysteme produziert vier Preforms, aus denen acht Frames hergestellt werden, und das System, das dies tut, wird von einem der komplexesten und am höchsten entwickelten Softwareprogramme betrieben, die das Unternehmen bisher entwickelt hat

Schneider und Braley weisen dann auf eine große Arbeitszelle mit einer in Betrieb befindlichen Flechtmaschine hin, um Vorformen für Kohlefaser-Lüftergehäuse für das GEnx-Triebwerk von GE Aviation herzustellen. Dieser Vorformling kommt als Zylinder von der Flechtmaschine, der dann einem Zwischengeschoss über der Flechtmaschine zugeführt, abgeflacht und geschlitzt wird, um ein zweilagiges Gewebe zu erzeugen, auf eine Spule gewickelt und dann an das Triebwerkswerk von GE Aviation in Batesville, MS . versandt , USA (siehe „Werksbesichtigung:GE Aviation“). Braley sagt, dass hier Konsistenz entscheidend ist, da ein Lüftergehäuse so konstruiert ist, dass es ein „Blade-Out“-Ereignis enthält, bei dem sich ein Lüfterflügel während des Betriebs löst (ein seltenes Ereignis) und auf das Gehäuse einwirkt:„Jede Schicht muss und ist gleich ," er sagt. "Aus Sicht der Auswirkungen ist es extrem konsistent." Zusätzlich zum GEnx bietet A&P geflochtene Lüftergehäuse-Preforms für den GE CF6-80C2, die HTF7000-Triebwerksfamilie von Honeywell Aerospace (Pheonix, AZ, USA) und für den FJ44-4-Triebwerk von Williams International (Commerce Township, MI, USA).

Als nächstes kommt eine Flechtmaschine mit 336 Trägern, die Kohlefaser-Preforms für die LEAP 1B/2B-Triebwerke sowie den GEnx herstellt. Darauf folgt ein komplexes System, in dem Kohlenstoff- und Aramidfasern geflochten werden, um Vorformen für Statorschaufeln an einem Honeywell-Motor herzustellen. Dieser Flechter, CW erzählt, bietet Platz für sieben Designvarianten und funktioniert dennoch völlig ohne menschliche Aufsicht.

Schneider und Braley führen den Weg aus dem LTC-Gebäude und weiter zum Core Products Building. Es wurde erst vor 2 Jahren gebaut und ist das neueste von A&P. Hier gibt es 20 Flechtmaschinen unterschiedlicher Größe (die größten mit 400 Trägern), ein Vielfaches vieler Größen, und die meisten laufen zu jeder Zeit. Das ständige „Klack-Klack“ der rotierenden Träger macht es zu einer der lautesten Einrichtungen auf dem Campus. Die brandneue Ausrüstung, die hier untergebracht ist, konzentriert sich auf das Hochgeschwindigkeitsflechten von Schläuchen für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Isolierung von LKW-Emissionen im Straßenverkehr, Flugzeugflügelstrukturen, Prothesen, Hockeyschlägern und Baseballschlägern.

Nächster Halt ist das Fabrics Building, wo A&P seine vier handelsüblichen geflochtenen Stoffe QISO, Bimax, ZERO und TX-45 für eine Vielzahl von Anwendungen herstellt. QISO ist seit etwa fünf Jahren auf dem Markt und ist ein quasi-isotropes Gewebe, das für Verbundwerkzeuge, Infrastrukturreparaturen und Automobilanwendungen entwickelt wurde. Die Materialkombinationen variieren je nach Anwendung und umfassen Carbonfasern in Luft- und Raumfahrtqualität und Industriequalität. Stoffe gibt es in verschiedenen Flächengewichten und Breiten.

Bimax ist ein stabilisiertes ±45°-Material, das üblicherweise in Hockeyschlägern, großen Funksignalschüsseln und Autoteilen verwendet wird. Der Fasertyp ist hier ein Hybrid aus Kohlenstoff und Glas, wobei thermoplastische Achsen hinzugefügt wurden, um die Gewebearchitektur während des Auflegens zu stabilisieren. Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, USA), berichtet A&P, hat bei seinen Hockeyschlägern von gewebter Kohlefaser auf Bimax umgestellt und dabei den Materialverbrauch um 7 % reduziert.

ZERO, der einzige ungeflochtene Stoff von A&P, wurde ursprünglich für das F-22-Programm entwickelt. Dieser unidirektionale Vliesstoff hat praktisch keine Kräuselung und wird in verschiedenen Grammgewichten angeboten.

TX-45 ist das neueste Gewebe von A&P, ein ±45°, 193-g/m2, 2x2-Köper, geliefert auf Trägerpapier, um eine einfache Handhabung und eine gleichmäßige Faserorientierung zu ermöglichen. Laut Braley wurde TX-45 von A&P für einen Luft- und Raumfahrtkunden entwickelt, der an einem Ersatz für ±45°-Leinwand-Prepreg interessiert ist.

Ebenfalls im Fabrics Building stellt A&P eine geflochtene thermoplastische Vorform für Expliseats (Paris, Frankreich) markenrechtlich geschütztes TiSeat (Titanium Seat) her. Mit einem Gewicht von nur 4 kg bezeichnet Expliseat ihn als den leichtesten Flugzeugsitz der Welt. Es verfügt über Verbundvorformlinge, die durch Flechten schmal geschlitzter thermoplastischer Bänder hergestellt werden, die laut Braley tendenziell steifer sind als Garn und daher schwieriger zu flechten. TiSeat wird für den Airbus A320 ausgestattet, wodurch Airbus etwa 2.090 kg pro Flugzeug im Vergleich zu Materialien und Produkten der Konkurrenz spart.

Das größte Gebäude auf dem A&P-Campus ist das Business Development Building, eine 7.430 m² große Anlage, die als Produktionszentrum für eine Vielzahl von Militär-, Industrie- und Luft- und Raumfahrtprojekten – insbesondere im Bereich Triebwerke – dient. Auf dem Rundgang weist Braley auf Flechtsysteme in der Entwicklung für Strömungsweg-Abstandshalter von GE-Triebwerken, ein GE9X-Triebwerks-Vorformsystem, das sich in der Qualifizierung befindet (das GE9X wird die kommende Boeing 777X antreiben), GEnx-Karosserielagen, eine Lüftergehäuse-Flechtmaschine für einen Williams Motor und eine Honeywell-Motorlüftergehäuse-Vorform.

Auch hier befindet sich der Automation Room, in dem A&P Robotik und ähnliche Technologien bewertet, um die Produktionsgeschwindigkeit beim Flechten zu beschleunigen. Dazu gehört ein mehrachsiger Roboter zur Unterstützung des Dornladens und die Entwicklung fortschrittlicherer Umflechtungstechniken. Ebenfalls evaluiert wird eine dynamische Planungssoftware mit Echtzeit-Flechtmaschinen-Feedback und Bildverarbeitungssystemen, die für die In-Prozess-Inspektion verwendet werden. „Wir haben das Gefühl, an der Spitze der Flechtfähigkeiten zu stehen“, bemerkt Braley, „aber es gibt immer Möglichkeiten, uns zu verbessern, und das müssen wir vorantreiben.“

Geht vorwärts

Zurück im Tech Center, CW trifft Andy Head, der allgemein als die technische und mechanische treibende Kraft von A&P beschrieben wird. Gefragt, den Platz von A&P in der Verbundwerkstoff-Lieferkette zu beschreiben, nennt er vier Stärken:Starke numerische Steuerung, gutes digitales Design, ausgezeichnete interne mechanische Fähigkeiten und Flexibilität, die dem Flechtprozess selbst innewohnt.

Dieser Fähigkeitsmix, so Head, hat A&P eine einzigartige Position in der Verbundwerkstoffindustrie verschafft:Eine Quelle hochentwickelter, fortschrittlicher geflochtener Lösungen, die aufgrund der hohen Eintrittsbarriere für Flechten schwer anderswo zu finden sind.

„Unsere Organisation basiert auf dem gegenseitig zwingenden Interesse, unseren Kunden erfolgreich zu machen“, fügt er hinzu. „Unsere Fähigkeit, Maschinen im eigenen Haus zu konstruieren und zu bauen, ermöglicht es uns, unseren Kunden in kurzer Zeit optimale Lösungen anzubieten. Diese Designflexibilität bringt A&P an die Spitze der Flechttechnologie, eine Position, die wir sehr ernst nehmen.“

„Zugegeben“, sagt Head, „unsere Position als Alleinlieferant ist einzigartig, aber wir haben eine lange Tradition in der Unterstützung von großvolumigen Programmen, Programmen, deren Anforderungen nur von unseren Maschinen erfüllt werden. Wir sind stolz darauf, nicht nur diese Anforderungen zu erfüllen, sondern auch die Erwartungen unserer Kunden an Qualität und Service zu übertreffen.“

Rückblickend auf die Fortschritte von A&P und den heutigen Fokus der Verbundwerkstoffindustrie auf Fertigungsgeschwindigkeit, Zykluszeit, Automatisierung, Prozesskontrolle und Konsistenz sieht Schneider, dass A&P gut auf diese Ziele ausgerichtet und bereit ist, den Preforming-Anforderungen in der Luft- und Raumfahrt gerecht zu werden , Automotive und Industrie und darüber hinaus. „Es waren tolle 20 Jahre“, sagt sie, „aber wir sind noch nicht fertig.“