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欧洲技术设计中心致力于航空航天、汽车、建筑等领域的复合材料发展

2020-04-16 16:48:25 admin 9

 

从左上顺时针方向,感应焊接热塑性复合材料皮弦演示器,面板感应焊接纵梁的红外监测,热塑性复合材料弦的连续压缩成型(CCM),材料测试用短切碳纤维丝束(左下),感应焊接过程的计算机模拟。来源为所有图像| CETMA。   意大利布林迪西设计材料公司成立于1994年,是意大利最大的独立研究和技术机构之一,拥有4000平方米的厂房和75名员工。20多年来,CETMA在复合材料领域进行了大量的投资,积累了丰富的专业知识。  热塑性复合材料的强度  CETMA先进材料和工艺(AMP)部门负责人Alessandra Passaro说:“我们在复合材料方面提供全方位的服务,但是目前,热塑性材料方面的活动是我们优先发展的领域之一。所有不同种类的热塑性基质聚合物都在我们的实验室中加工过。我们在2004年开始使用TWINTEX混合纤维,大约15年前开始使用简单的压力机进行压缩成型。现在,我们已经开发了专利的连续压缩成型(CCM)和感应焊接技术。我们已经分析了所有可用于这些工艺的热塑性复合材料。

CCM生产线可以使用PPS、PEEK、PEKK或PAEK制造零部件。但是CETMA的流程与XELIS(德国Markdorf)和ATC Manufacturing(美国爱达荷州Post Falls)的流程有什么不同呢? (参见CW的文章:航空航天级压缩成型和加速热塑性复合材料。)Passaro解释说,我们使用的模具设计中有一些具体的细节。在几何图形和基体材料方面我们的技术更加灵活。虽然获得了专利,但该技术仍在开发中,有些方面是专有的。Passaro说:“我们看到对连续热塑性复合工艺的使用和需求有所增加。XELIS是一家产品公司,不是机器供应商。我们是一个独立的研发机构,所以无论从哪个角度考虑,我们都需要投资和开发这项技术。这方面的一个例子是广泛的过程模拟,以分析模具中的温度分布。她解释说,模拟结果让我们对材料随时间的温度变化有了一个完整的了解,这很难从一侧进行在线监测,但这对于最小化复合材料中的缺陷至关重要。

感应焊装配  CETMA热塑性复合材料专业技术的另一个关键部分是专利感应焊接技术,其中包括控制系统和冷却以保持焊缝内的热量。CETMA利用这项技术与合作伙伴Eurecat(西班牙巴塞罗那)在清洁天空2号KEELBEMAN项目中将CCM型材和板组装成热塑性复合龙骨梁,用于空客A 320型飞机。

 
  CETMA机器人感应焊接系统   CETMA机器人感应焊接系统(上图)为Clean Sky 2项目建造了一扇热塑性复合门,Clean Sky project Eco-Fairs (2010-2013)项目完成的展示图(下图)展现了电焊碳纤维,和连接表面分割区的PPS 纵梁。
 

CETMA感应焊接剪切试验压缩试验红外热像仪   Passaro说:“我们开发了两种感应焊接系统。一个是用于平面的固定机器,另一个是基于机器人的复杂3D几何图形。两者都能在工业规模上实现连续焊接,而不需要在焊接线上添加额外的材料,同时在组装件中提供非常高的附着力性能。   CETMA已经演示了感应焊接复合材料层合板,这种复合材料层合板是由碳纤维织物和单向(UD)带以及一系列的基体材料制成的,包括:PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12。还有一个混合热固热塑性系统,包括:环氧树脂/聚乙烯醇缩丁醛。   该公司还将其在计算机建模和仿真方面的专长应用于感应焊接过程。这使我们能够预测焊接过程中连接处的温度变化,为优化工艺参数提供基础帮助,Passaro说。   CETMA建立了电磁感应焊接的三维有限元模型,将电磁和传热方程与基体熔化和结晶相耦合,与实验测温结果吻合良好。
Clean Sky 2 和复合材料研发项目  除了KEELBEMAN, CETMA的AMP部门目前还在参与另外四个Clean Sky 2项目。  TRINITI, 用于飞机(JTI-CS2-CFP09-2018-02)的多材料热塑性高压氮气罐。这个项目始于2019年,为期两年,目的是为了建成一个飞机上用来灭火的长期储氮罐。德国的Diehl Aviation是该项目的总负责人。项目合作伙伴包括:航空航天研发实验室NOVOTECH(意大利,那不勒斯)和复合材料测试实验室(爱尔兰,高威)。该项目将生产多种材料的热塑性复合罐,通过共挤压等一系列的过程形成一个多层次,多功能的层压制件。之后,再利用激光辅助自动纤维植入(AFP)进行现场整合。TRINITI的一个目标是减少甚至消除低温环境中的微裂纹。目前,CETMA正在努力识别所有能够满足航天压力容器要求的热塑性材料。  SPARE--全面创新的复合pax和部分飞机机身桶货运地板网格地面演示器--(JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14)。该项目于2018年10月启动,历时18个月,旨在用碳纤维增强热塑性塑料(TP)复合材料制造全尺寸的客运和货运地板网格。高度自动化的生产包括渐进式轧辊成形和装配用感应焊接。与传统的金属和热固性复合材料相比,其目的是减少重量和重复成本。复合地板网格将被组装到Clean Sky 2型支线飞机的机身上进行地面测试,并将根据FAR 25.583规定对技术和经济影响以及阻燃性能进行评估。该项目主要领导人是Leonardo,CETMA负责协调与机器制造商OMI S.r.l合作的项目。

 

  CETMA开发了红外热成像技术(IRT),可用于多种工艺,包括热塑性复合材料皮线组件的感应焊接(顶部)和这些组件的测试(底部)。   CETMA对SPARE的主要贡献之一是红外热像仪(IRT)的发展,用于连续辊成形的在线监测。本工艺对TP复合材料层压板辊进行压实加热,直至达到材料工艺温度、复杂形状和设计厚度。然而,重要的是要确保最里面的层经历基质的完全融化和固结,Passaro解释说。此外,有一个狭窄的温度窗口,以确保熔体,但不降解聚合物。   IRT是一种测量零件表面辐射热能的非接触方法,具有较高的精度。   CETMA使用硒化锌(ZnSe)制成的窗户来查看封闭的设备内部。它们对红外波是透明的,在高达500摄氏度的温度下工作。两个这样的窗户被安装在备用的渐进滚压成型生产线上,IRT摄像机悬挂在上方,几乎可以垂直观察加工过的材料。如果数值落在定义的目标范围内,那么可编辑的控制软件就能监测、记录和报警。

 
  IRT摄像机在备用连续滚压生产线上的布局(顶部)。从这些相机中,图19显示了生产过程中的表面温度分布(左下),图20显示了该数据的3D分析(右下)。   在两个极限点处(1号线靠近加热步骤,2号线更靠近成形过程),对材料温度通过剖面的均匀性进行了评估。每一步都分为3个连续的步骤(图19):初始阶段(步骤1),成形过程开始(步骤2),成形速度降低(步骤3)。IRT显示,层压板外边缘的温度低于中心区域,导致加热和力学性能不均匀。红外热成像记录的表面温度的三维表示(图20)为更好地理解温度分布提供了可视化帮助。  
  TOD-热塑性材料门(JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12). TOD的目标是开发和验证一种全尺寸热塑性复合材料门(包括机身下部结构)的快速生产和装配。TOD是Clean Sky 2 IADP(创新的飞机演示平台) 的一部分,这需要技术的集成在Clean Sky 第一阶段绿色支线飞机ITD(创新技术演示)到更高层次的复杂性和成熟度通过两个飞行试验台和三大综合地面演示器。该项目由Leonardo领导,CETMA将和其他合作伙伴一起合作,包括:英国焊接研究所和航空一级工程工业公司。提出的方法包括优化和验证用于元件制造和连接的热成形工艺,如感应焊(IW)和电阻植入焊(RIW),它们可以通过消除机械紧固件来减轻重量。TOD还将推进工业4.0自动化和内联监控,以支持高质量部件(零缺陷)的高速率生产和稳健的过程控制。预期利益包括:   最低减重15%   通过传感器和在线监测,与标准的高压釜处理相比,可节省高达75%的能源

通过适应性智能制造降低经常性成本(增加灵活性,降低全产品线工具成本)

改进了制造和轻型飞机操作过程中的二氧化碳排放。   CETMA还参与了许多其他的开发项目。一个例子是NHYTE(一种新型的混合热塑性复合航空结构,由高压釜连续自动化技术制造),它旨在展示由混合热塑性基体材料制成的具有多功能功能的创新集成航空结构。

 

  NHYTE项目由莱昂纳多·莱奥纳多(Leonardo Leonardo)领导,由“地平线2020”项目资助,于2018年9月启动,计划于2020年1月结束。高性能混合材料基于一个商业碳纤维/PEEK预浸,通过添加非晶化PEI薄膜,实现自动纤维植入的原位固结,然后通过CETMA的感应焊接技术进行组装。通过与项目协调员NOVOTECH(那不勒斯,意大利)的合作,CETMA完成了一个广泛的表征活动,包括混合复合材料的物理-机械和虚拟测试以及感应焊接工艺设置。  回收碳纤维  CETMA的另一个关键领域是回收利用。CIRCE项目的目标是将复合材料部件制造过程中产生的预浸料废料回收利用,制成压缩模塑料,然后将其用于安全鞋的鞋头镶件模具。CETMA将对这种二次原料进行表征,并建立一个数值模型来预测鞋内件的结构性能。该模型将有助于分析和验证冲击行为,以满足安全规定,目的是完善和最终确定脚趾插入设计。意大利项目组包括:base Protection,汽车零部件制造商HP Composites,机器和生产线专家Elks Group和Petroceramics。  
  该重估项目旨在将热解回收的碳纤维与热塑性塑料结合起来,以取代目前汽车应用领域的材料。
到目前为止,CETMA在回收方面最大的投资可能是通过RevalUEproject,该项目旨在回收高价值的碳纤维复合材料。欧洲创新科技研究所(EIT,布达佩斯,匈牙利),评估项目的目标是采取回收碳纤维(RCF)提供的主要生产商ELG碳纤维(Coseley,英国)使用热解和维珍和回收热塑性聚合物结合,取代当前所使用的材料Centro Ricerche菲亚特(CRF、都灵、意大利)汽车零部件的生产。  
  未加浆料的再生碳纤维(RCF)容易发生纤维断裂和分离成细丝,与未加浆料的碳纤维(右上)相比,呈现出蓬松的状态(左上)。CETMA开发了一个将浆料应用于RCF的中试工厂,以改善可加工性和增加与选定的热塑性基体的界面强度。   然而,正如2020年1 - 2月的JEC Composites杂志, Passaro的《新型可回收碳纤维上浆配方》, ,RCF热解产生的没有分级, 使易碎的纤维在搬运过程中经常断裂,并将纤维拖带分离成细丝,造成缠结,蓬松型,体积密度低。,导致一个纠缠,蓬松的体积密度较低。作为RevalUE的一部分,CETMA开发了一种特殊的RCF浆料配方,与原生或再生聚丙烯(PP)和PA6兼容。随后评估了上浆能力,以改善RCF的加工性能,并增加与所选热塑性基体的界面。   为此,CETMA开发了RCF施胶的中试装置,该装置可以在定量施胶的同时,评估主要参数对沉积过程的影响。该装置包括三个主要工位:纤维上浆和洗涤处理;处理前后对干纤维的处理;然后用烤箱烘干这些纤维。每天可连续处理4公斤RCF。   来自CETMA的RCF被法国研究中心CEA和法国复合苏伊士利用原始和回收的热塑性聚合物制成模塑化合物。完成了化合物的物理化学表征,验证了CETMA浆料改善最终复合材料力学性能的能力。
 
用CETMA尺寸的RCF制成的试样的物理测试表明,拉伸和弯曲复合性能都有改善。   创新的RCF模塑材料随后被用于注塑模具,汽车半结构部件,目前是用玻璃纤维增强的PP或PA6。除了在材料的回收和再利用方面的明显优势外,还显示了车辆重量、燃料消耗和二氧化碳排放的减少。   除了重估外,CETMA还进一步开发和评估了RCF在包括压缩成型、真空灌注和RTM在内的多种复合材料工艺中的施胶性能,在所有情况下都显示出更好的性能。


  CETMA与一系列光纤、光纤布拉格光栅(FBG)、压电和应变传感器一起工作,用于加工、测试和服务期间的现场监测,包括微型光学连接(右上),用于寿命监测,对几何形状的影响最小。   结构健康监测 这是复合材料活动的最后一个关键领域CETMA也是一个日益强调的行业。帕萨罗说:“我们在应用SHM进行建筑和建筑应用方面有多年的经验。”他说:“我们也在复合材料方面与SHM合作做了很多工作。我们知道这对未来的应用很重要,我们有兴趣继续与复合材料制造商和业界合作,推动这项技术的发展”。