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Die Luft- und Raumfahrt-OEMs sind seit langem auf thermosetische Kohlenstofffasermaterialien für sehr starke Verbundstrukturteile für Flugzeuge an. leichteres Gewicht.

Während thermoplastische Kohlefaserverbundmaterialien „schon lange nicht mehr“ sind, konnten die Hersteller von Luft- und Raumfahrtherstellern ihren weit verbreiteten Einsatz bei der Herstellung von Flugzeugteilen, einschließlich der primären Strukturkomponenten, berücksichtigen, sagte Stephane Dion, VP Engineering bei Collins Aerospace's Advanced Structures Unit.

Thermoplastische Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe bieten potenziell Luft- und Raumfahrt-OEMs gegenüber Thermoset-Verbundwerkstoffen, aber bis vor kurzem konnten die Hersteller nicht mit hohen Raten und kostengünstigen Teilen aus thermoplastischen Verbundwerkstoffen und zu geringen Kosten Teile aus der Teile herstellen, sagte er.

In den letzten fünf Jahren haben OEMs begonnen, über die Herstellung von Teilen aus Thermoset-Materialien hinaus zu schauen, als der Zustand der Carbon-Faser-Verbund-Teil-Herstellungswissenschaft entwickelt wurde. thermoplastische Verbundwerkstoffe anwenden.

GKN Aerospace hat stark in die Entwicklung seiner Harzinfusions- und RTM-Technologie für die Herstellung großer Flugzeugstrukturkomponenten und hohen Raten investiert. GKN ist laut Max Brown, VP of Technology für die Horizon 3 Advanced-Technologies-Initiative von GKN Aerospace, einen 17-Meter-langen, einköpfigen Verbundflügel-Spar mit Harzinfusionsherstellung.

In den letzten Jahren wurden die starken Investitionen von OEMs strategisch für die Entwicklung von Fähigkeiten ausgebildet, um laut Dion strategisch für die Entwicklung von Fähigkeiten auszugeben.

Der bemerkenswerteste Unterschied zwischen thermosetischen und thermoplastischen Materialien besteht darin, dass thermosetische Materialien in Kühllagerung aufbewahrt werden müssen, bevor in Teilen geformt und nach der Form ein Thermoset -Teil in einem Autoklaven für viele Stunden geheilt werden muss. Die Prozesse erfordern viel Energie und Zeit, und daher bleiben die Produktionskosten von Thermosets in der Regel hoch.

Das Aushärten verändert die molekulare Struktur eines Thermoset -Verbundwerkstoffs irreversibel und verleiht dem Teil seine Stärke. Im aktuellen Stadium der technologischen Entwicklung macht die Heilung jedoch auch das Material in dem Teil für die Wiederverwendung in einer primären strukturellen Komponente ungeeignet.

Thermoplastische Materialien erfordern laut Dion jedoch keine Kältelagerung oder Backen, wenn sie zu Teilen verarbeitet werden. Sie können in die endgültige Form eines einfachen Teils gestempelt werden - jede Klammer für die Rumpfrahmen im Airbus A350 ist ein thermoplastischer Verbundteil - oder in eine Zwischenstufe einer komplexeren Komponente.

Thermoplastische Materialien können auf verschiedene Weise miteinander verschweißt werden, sodass komplexe, hochgeformte Teile aus einfachen Substrukturen hergestellt werden können. Heutzutage wird hauptsächlich Induktionsschweißen verwendet, wodurch laut Dion nur Flache Teile mit konstanter Dicke aus Unterteilen hergestellt werden können. Collins entwickelt jedoch Vibrations- und Reibungsschweißtechniken für den Beitritt zu thermoplastischen Teilen.

Die Fähigkeit, thermoplastische Materialien zusammenzuschweißen, um komplexe Strukturen herzustellen, ermöglicht es den Herstellern, die Metallschrauben, Befestigungselemente und Scharniere zu beseitigen, die von Thermosets zum Verbinden und Falten gefordert werden, wodurch ein Gewichtsreduzierungsvorteil von etwa 10 Prozent, braunen Schätzungen erzeugt wird.

Trotzdem verbinden sich thermoplastische Verbundwerkstoffe nach Brown besser zu Metallen als Thermoset -Verbundwerkstoffe. Während die industrielle F & E darauf abzielte, praktische Anwendungen für diese thermoplastische Eigenschaft zu entwickeln, bleibt „die Bereitschaft in der frühen Laufe der Technologie“, aber es können letztendlich die Entwurf von Komponenten der Luft- und Raumfahrt-Ingenieure entwerfen, die hybriden thermoplastische und metal integrierte Strukturen enthalten.

Eine potenzielle Anwendung könnte zum Beispiel ein einteiliger, leichter Fluggängersitze sein, der die gesamte Metallbasis enthält, die für die vom Passagier verwendete Schnittstelle zur Auswahl und Steuerung seiner Inflight Entertainment-Optionen, Sitzbeleuchtung, Overhead-Lüfter benötigt wird, benötigt , elektronisch kontrollierter Sitzrückstand, Deckkraft der Fensterschatten und andere Funktionen.

Im Gegensatz zu Thermosets, die ausgehärtet werden müssen, um die Steifheit, Festigkeit und Form aus den Teilen zu erzeugen, in die sie hergestellt werden, ändern sich die molekularen Strukturen von thermoplastischen Verbundwerkstoffen nach Dion nicht, wenn sie in Teile verarbeitet werden.

Infolgedessen sind thermoplastische Materialien bei Auswirkungen weitaus frakturresistenter als thermosetische Materialien und bieten ähnliche, wenn nicht stärkere, strukturelle Zähigkeit und Festigkeit. „So können Sie [Teile] auf viele dünnere Anzeigen entwerfen“, sagte Dion, was bedeutet, dass thermoplastische Teile weniger wiegen .

Recycling thermoplastische Teile sollten sich auch als einfacheres Prozess erweisen als das Recycling von Thermosets. Im aktuellen Technologiezustand (und für einige Zeit) verhindern die irreversiblen Veränderungen der molekularen Struktur, die durch Heilung thermosetischer Materialien die Verwendung von recyceltem Material verhindern, um neue Teile der äquivalenten Festigkeit herzustellen.

Bei Recycling von Thermosetenteilen werden die Kohlenstofffasern im Material in kleine Längen aufgebraucht und die Faser-und-Riesin-Mischung verbrannt, bevor es wieder aufgestellt wird. Das zur Wiederaufbereitung erhaltene Material ist strukturell schwächer als das thermosetische Material, aus dem der recycelte Teil hergestellt wurde, und so recyceln Thermoset -Teile in neue, verwandeln "eine sekundäre Struktur in ein tertiäres", sagte Brown.

Andererseits können die molekularen Strukturen von thermoplastischen Teilen nicht in den Teilen-Herstellung und den Teilen-Joining-Prozessen in flüssige Form geschmolzen und laut Dion in Teile geschmolzen werden, die so stark sind wie die Originale.

Flugzeugdesigner können aus einer großen Auswahl verschiedener thermoplastischer Materialien auswählen, aus denen die Auswahl von Teilen und Herstellung von Teilen zur Auswahl steht. "Eine hübsche Reihe von Harzen" ist verfügbar, in die eindimensionale Kohlefaserfilamente oder zweidimensionale Gewebe eingebettet werden können, was unterschiedliche Materialeigenschaften erzeugt, sagte Dion. "Die aufregendsten Harze sind die niedrigen Harze", die bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzen und daher bei niedrigeren Temperaturen geformt und gebildet werden können.

Verschiedene Klassen von Thermoplastik bieten laut Dion auch unterschiedliche Steifigkeitseigenschaften (hoch, mittel und niedrig) und die Gesamtqualität. Die Harze mit höchster Qualität kosten am meisten, und die Erschwinglichkeit repräsentiert die Achillesferse für Thermoplastik im Vergleich zu Thermosets. In der Regel kosten sie mehr als Thermosets, und Flugzeughersteller müssen diese Tatsache in ihren Kosten-/Leistungsdesignberechnungen berücksichtigen, sagte Brown.

Teilweise aus diesem Grund werden sich GKN Aerospace und andere weiterhin auf Thermoset -Materialien konzentrieren, wenn große Strukturteile für Flugzeuge hergestellt werden. Sie verwenden bereits thermoplastische Materialien, um kleinere strukturelle Teile wie Empumages, Rudder und Spoiler herzustellen. Bald jedoch, wenn eine kostengünstige Herstellung von leichten thermoplastischen Teilen mit hohem Volumenten routinemäßig wird, werden die Hersteller sie weitaus umfassender verwenden-insbesondere im aufkeimenden EVTOL-UAM-Markt, abschließend Dion.

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