اخبار

شرکت‌های OEM هوافضا که برای ساخت قطعات ساختاری کامپوزیتی بسیار قوی برای هواپیماها برای مدت طولانی به مواد فیبر کربنی گرماسخت وابسته بودند، اکنون کلاس دیگری از مواد فیبر کربنی را پذیرفته‌اند، زیرا پیشرفت‌های فن‌آوری نوید تولید خودکار قطعات جدید غیر گرماسخت با حجم بالا، هزینه کم و وزن سبک تر

استفان دیون، معاون مهندسی در واحد سازه‌های پیشرفته کالینز گفت: در حالی که مواد کامپوزیت فیبر کربنی گرمانرم «از مدت‌ها قبل وجود داشته‌اند»، تنها اخیراً سازندگان هوافضا می‌توانند استفاده گسترده از آنها را در ساخت قطعات هواپیما از جمله اجزای ساختاری اولیه در نظر بگیرند.

او گفت که کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک به طور بالقوه مزایای متعددی را نسبت به کامپوزیت های گرماسخت به OEM های هوافضا ارائه می دهند، اما تا همین اواخر تولیدکنندگان نمی توانستند قطعاتی از کامپوزیت های ترموپلاستیک را با نرخ های بالا و هزینه کم بسازند.

در پنج سال گذشته، OEM ها شروع به نگاهی فراتر از ساخت قطعات از مواد ترموست کرده اند، زیرا علم ساخت قطعات کامپوزیتی فیبر کربنی توسعه یافته است، ابتدا از روش های تزریق رزین و قالب گیری انتقال رزین (RTM) برای ساخت قطعات هواپیما استفاده کردند و سپس برای استفاده از کامپوزیت های ترموپلاستیک

GKN Aerospace سرمایه گذاری زیادی در توسعه تزریق رزین و فناوری RTM خود برای ساخت اجزای ساختاری هواپیماهای بزرگ با قیمت مقرون به صرفه و با نرخ بالا انجام داده است. به گفته مکس براون، معاون فناوری ابتکار فناوری های پیشرفته Horizon 3 GKN، اکنون GKN یک بال کامپوزیتی تک تکه با طول 17 متر با استفاده از تولید تزریق رزین می سازد.

به گفته دیون، سرمایه‌گذاری‌های سنگین تولید کامپوزیت‌های OEM در چند سال گذشته شامل هزینه‌های استراتژیک برای توسعه قابلیت‌ها برای امکان ساخت قطعات ترموپلاستیک با حجم بالا بوده است.

بارزترین تفاوت بین مواد ترموست و ترموپلاستیک در این واقعیت نهفته است که مواد ترموست قبل از تبدیل شدن به قطعات باید در انبار سرد نگهداری شوند و پس از شکل گیری، یک قطعه ترموست باید ساعت ها در اتوکلاو تحت عمل آوری قرار گیرد. فرآیندها به انرژی و زمان زیادی نیاز دارند، بنابراین هزینه های تولید قطعات ترموست بالا باقی می ماند.

پخت ساختار مولکولی کامپوزیت گرماسخت را به طور غیر قابل برگشت تغییر می دهد و به قطعه استحکام می بخشد. با این حال، در مرحله کنونی توسعه فناوری، عمل آوری مواد موجود در قسمت را برای استفاده مجدد در یک جزء ساختاری اولیه نامناسب می کند.

با این حال، به گفته دیون، مواد ترموپلاستیک در صورت تبدیل شدن به قطعات نیازی به نگهداری در سرد یا پخت ندارند. آنها می توانند به شکل نهایی یک قطعه ساده مهر شوند - هر براکت برای قاب بدنه در ایرباس A350 یک قطعه مرکب ترموپلاستیک است - یا در مرحله میانی یک جزء پیچیده تر.

مواد ترموپلاستیک را می‌توان به روش‌های مختلفی به یکدیگر جوش داد، که به قطعات پیچیده و بسیار شکل‌دار اجازه می‌دهد از زیرساختارهای ساده ساخته شوند. به گفته دیون، امروزه عمدتاً از جوش القایی استفاده می شود، که تنها اجازه می دهد تا قطعات مسطح و با ضخامت ثابت از قطعات فرعی ساخته شوند. با این حال، کالینز در حال توسعه تکنیک‌های جوشکاری ارتعاشی و اصطکاکی برای اتصال قطعات ترموپلاستیک است، که پس از تایید انتظار می‌رود در نهایت به آن امکان تولید «ساختارهای پیچیده واقعاً پیشرفته» بدهد.

براون تخمین می زند که توانایی جوش دادن مواد گرمانرم به یکدیگر برای ساختن ساختارهای پیچیده به سازندگان اجازه می دهد تا پیچ های فلزی، بست ها و لولاهای مورد نیاز قطعات ترموست را برای اتصال و تا زدن کنار بگذارند و در نتیجه کاهش وزن حدود 10 درصد را ایجاد کنند.

با این حال، به گفته براون، کامپوزیت های ترموپلاستیک بهتر از کامپوزیت های گرماسخت به فلزات متصل می شوند. در حالی که تحقیق و توسعه صنعتی با هدف توسعه کاربردهای عملی برای آن خاصیت گرمانرم "در سطح آمادگی فناوری زودرس باقی می ماند"، ممکن است در نهایت به مهندسان هوافضا اجازه دهد اجزایی را طراحی کنند که حاوی ساختارهای ترکیبی گرمانرم و فلز ترکیبی باشد.

به عنوان مثال، یک برنامه بالقوه می تواند یک صندلی مسافری یک تکه و سبک وزن باشد که شامل تمام مدارهای فلزی مورد نیاز برای رابط مورد نیاز مسافر برای انتخاب و کنترل گزینه های سرگرمی در حین پرواز، روشنایی صندلی، فن بالای سر است. ، تکیه دادن صندلی با کنترل الکترونیکی، تیرگی سایه پنجره و سایر عملکردها.

به گفته دیون، برخلاف مواد ترموست که برای تولید سختی، استحکام و شکل مورد نیاز از قطعاتی که در آن ساخته می شوند، نیاز به پخت دارند، ساختار مولکولی مواد کامپوزیت گرمانرم هنگام تبدیل شدن به قطعات تغییر نمی کند.

در نتیجه، مواد ترموپلاستیک در برابر ضربه بسیار مقاوم‌تر از مواد ترموست در برابر شکست هستند، در حالی که چقرمگی و استحکام ساختاری مشابه، اگر نه قوی‌تر، ارائه می‌دهند. دیون گفت: «بنابراین می‌توانید [قطعات] را با گیج‌های بسیار نازک‌تر طراحی کنید،» به این معنی که وزن قطعات ترموپلاستیک کمتر از هر قطعه گرماسختی است که جایگزین می‌شود، حتی جدا از کاهش وزن اضافی ناشی از این واقعیت که قطعات ترموپلاستیک به پیچ یا بست فلزی نیاز ندارند. .

بازیافت قطعات ترموپلاستیک نیز باید فرآیندی ساده‌تر از بازیافت قطعات گرماسخت باشد. در وضعیت فعلی فناوری (و برای مدتی آینده)، تغییرات غیرقابل برگشت در ساختار مولکولی ایجاد شده توسط مواد گرماسخت، از استفاده از مواد بازیافتی برای ساخت قطعات جدید با استحکام معادل جلوگیری می کند.

بازیافت قطعات ترموست شامل آسیاب کردن الیاف کربن موجود در مواد به طول های کوچک و سوزاندن مخلوط فیبر و رزین قبل از پردازش مجدد آن است. براون گفت: ماده ای که برای پردازش مجدد به دست می آید از نظر ساختاری ضعیف تر از ماده ترموست که قسمت بازیافتی از آن ساخته شده است، است، بنابراین بازیافت قطعات ترموست به قطعات جدید معمولاً "یک ساختار ثانویه را به یک ساختار سوم تبدیل می کند."

از سوی دیگر، از آنجایی که ساختار مولکولی قطعات ترموپلاستیک در فرآیندهای ساخت قطعات و اتصال قطعات تغییر نمی کند، به گفته دیون، می توان آنها را به سادگی به شکل مایع ذوب کرد و مجدداً به قطعاتی به قوی بودن قطعات اصلی تبدیل کرد.

طراحان هواپیما می توانند از میان طیف گسترده ای از مواد مختلف گرمانرم موجود برای طراحی و ساخت قطعات، یکی را انتخاب کنند. دیون گفت: طیف وسیعی از رزین‌ها در دسترس است که رشته‌های فیبر کربنی یک‌بعدی یا بافت‌های دو بعدی را می‌توان در آن جاسازی کرد و خواص مواد متفاوتی را تولید کرد. «مهیج‌ترین رزین‌ها رزین‌های کم ذوب هستند» که در دماهای نسبتاً پایین ذوب می‌شوند و بنابراین می‌توانند در دماهای پایین‌تر شکل داده شوند.

طبق گفته دیون، کلاس‌های مختلف ترموپلاستیک‌ها ویژگی‌های سختی (بالا، متوسط ​​و پایین) و کیفیت کلی متفاوتی را ارائه می‌دهند. رزین های با کیفیت بالاترین هزینه را دارند و مقرون به صرفه بودن نشان دهنده پاشنه آشیل برای ترموپلاستیک ها در مقایسه با مواد ترموست است. براون گفت که معمولاً هزینه آنها بیشتر از ترموست ها است و سازندگان هواپیما باید این واقعیت را در محاسبات طراحی هزینه/فایده خود در نظر بگیرند.

تا حدودی به همین دلیل، GKN Aerospace و سایرین در هنگام ساخت قطعات ساختاری بزرگ برای هواپیما بیشتر بر روی مواد ترموست تمرکز خواهند کرد. آنها در حال حاضر به طور گسترده از مواد ترموپلاستیک در ساخت قطعات ساختاری کوچکتر مانند دهانه ها، سکان ها و اسپویلرها استفاده می کنند. با این حال، به زودی، زمانی که تولید قطعات گرمانرم با حجم بالا و کم‌هزینه به روال عادی تبدیل شود، تولیدکنندگان از آن‌ها به‌طور گسترده‌تری استفاده خواهند کرد، به‌ویژه در بازار رو به رشد eVTOL UAM، دیون نتیجه‌گیری کرد.

از آیآنلاین آمده اند