Vyztužené termoplasty v letecké konstrukci

V roce 2000 se stala jako Letov Letecká výroba (LLV) součástí francouzské skupiny Latecoere a od této doby je strategickým dodavatelem pro dopravní letouny Airbus, Boeing (obr. 1), Dassault a Embraer.

Vedle rozsáhlých provozů obráběcích a montážních procesů pro kovové díly je významnou a progresivní součástí společnosti i středisko výroby kompozitních dílů, označované jako CPC (Composite Production Center). Stěžejním produktem je výroba a částečná montáž „celokompozitových“ dveří pro letoun Boeing B787. Středisko CPC je tak výrobcem a technologickou základnou, jejíž produkty mají uplatnění v technologicky a materiálově nejvyspělejším provozovaném letadle na světě. Konkurenčním letounem je prozatím nelétající prototyp Airbus A350, pro který CPC vyrábí části do trupu, u nichž provádí také technologický vývoj.

Středisko kompozitů se skládá z technologicko-vývojové kanceláře a výrobní haly, kde se nachází autokláv, termolis, sušicí pece, „čisté“ místnosti pro řezání a skladbu prepregů, pětiosá obráběcí centra JOBS Linx, vodní paprsek, pracoviště NDT – ultrazvuk, rozměrová kontrola, mrazicí místnost pro skladování prepregů, brousicí boxy a pracoviště montáží.

Výrobní technologie CPC se liší podle druhu matrice zpracovávaného kompozitního materiálu. Matrice je tvořena buď termoplastovým nebo termosetovým pojivem. Díly s termosetovou matricí (autoklávová technologie) vznikají skládáním a formováním tzv. prepregů (pojivem předimpregnovaná výztuž) za použití systému vakua. Polotovary pro skladbu jsou za přísných podmínek řezány na plotrech v prostorách čisté místnosti. Tyto polotovary se umístí na formu, která se následně podrobí vytvrzovacímu cyklu v autoklávu. Vytvrzený polotovar se po kontrole vnitřních a vnějších vad obrobí na pětiosém obráběcím centru a po další mezioperační kontrole se provede povrchová úprava, značení, montáž a expedice.

Díly s termoplastovou matricí – technologie termoforming – vznikají lisováním na hydraulickém termolisu (obr. 2). Zde je polotovarem rovná kompozitní deska, ze které se vodním paprskem vyřízne vhodný formát pro daný díl. Po vylisování a kontrole vnitřních a vnějších vad jsou díly obráběny na pětiosém obráběcím centru nebo víceosém vodním paprsku. Následuje kontrola obrobené geometrie a povrchové úpravy. Po finálním značení jsou díly připraveny k montáži a následné expedici.

Vyztužené high-tech termoplasty a technologie jejich zpracování jsou v leteckých konstrukcích relativně novinkou. Jejich podíl na draku letounu rok od roku roste i na úkor kompozitů termosetových. Vláknem vyztužené termoplasty například s matricí PP nebo PA jsou v průmyslu zavedené již delší dobu, ale pro letecké konstrukce byly a jsou jejich termomechanické vlastnosti nedostatečné. Aplikace vyztužených termoplastů pro náročné díly v letectví umožnil až pokrok ve vývoji plastů vhodného typu.

Prvním termoplastem s vyššími termomechanickými charakteristikami (tzv. kategorie high-tech), který začal být používán jako matrice, je PEEK. Bylo to v 80. letech, kdy se hledala náhrada za termosetová pojiva s tehdy velmi nízkou rázovou odolností. Technologie zpracování PEEK je však dodnes velmi obtížná a materiál je relativně drahý. Určité aplikace byly v té době pouze na vojenských letounech.

V roce 1989 se začal používat polyeterimid (PEI). Jeho výhodou jsou výborné mechanické vlastnosti a nehořlavost, ale nevýhodou je nižší chemická odolnost. Proto se dodnes používá zejména pro interiérové díly.

Dalším termoplastem, který se začal používat v roce 1997, byl polyfenylensulfid (PPS), vyznačující se dobrou zpracovatelností. Ten je dnes rozšířen v leteckých konstrukcích nejvíc, a to i na dílech vyráběných v LLV (obr. 3).

Nejnovějším materiálem používaným od roku 2003 je polyeterketonketon (PEKK). Přináší výborné termomechanické charakteristiky při dobré zpracovatelnosti.

V odborné literatuře se začínají objevovat informace o novém termoplastu polyfenylensulfidsulfon, vhodném pro letecké aplikace. PPSS má srovnatelné mechanické vlastnosti s PPS, avšak při vyšší tepelné odolnosti.

Dvě nejčastěji hodnocené vlastnosti termoplastových matric jsou teplotní odolnost a morfologie. V tabulce 1 jsou výše zmíněné termoplasty porovnány.

Pro výrobu dílů z termoplastů vyztužených nekonečným vláknem mohou být použity různé polotovary. Při vytváření z jednotlivých vrstev se používá prepreg, což je výztuž, která je již prosycena matricí. Pro méně náročné aplikace se používá tkanina z výztuže, která má ve vazbě rovněž pramence termoplastu. V letectví je zatím nejvíc používaným polotovarem kompaktní rovná monolitní kompozitní deska, která již má předepsanou skladbu vrstev. Na obr. 4 je struktura kompozitu v řezu. Technologie zpracování je ve všech případech v principu podobná. Polotovar se ohřeje na teplotu zpracování a zalisuje se ve formě. Takový proces se nazývá termoforming a je používán i ve firmě LLV.

V posledních letech se intenzivně ve světě rozvíjí metoda kladení, kdy je pásek prepregu pokládán přímo na formu. Z procesního hlediska jsou dva odlišné typy této technologie. Jednak je to kladení s následnou konsolidací například v autoklávu a jednak kladení „in-situ“, kdy jsou vrstvy pokládány a konsolidovány v jedné operaci. V obou případech musí toto být samozřejmě zajištěno kladecím strojem, jehož hlava musí zajistit položení vhodně ohřáté pásky prepregu při udržení potřebného přítlaku až po dobu ochlazení.

Výše uvedené procesy jsou relativně rychlé ve srovnání s kompozity termosetovými, kde musí dojít k chemické reakci matrice neboli vytvrzení. Nejrychlejším z uvedených postupů je termoforming, kde jeden výrobní cyklus může trvat od tří do deseti minut. Přitom dojde k rychlému ohřevu i ochlazení matrice v konečném tvaru výrobku. K chemické změně samozřejmě nedochází, ale přesto může být zejména při ochlazování struktura matrice ovlivněna. To platí u semikrystalických termoplastů, kde podíl krystalinity je dán rychlostí chlazení. Z toho důvodu je nutné řídit časování operací, teploty a podobně. Optimalizace procesních parametrů je důležitá i pro eliminaci pórozity a jiných vnitřních i povrchových vad.

Další zajímavou kapitolou je spojování dílů s termoplastovou matricí (obr. 5). Vedle známých způsobů spojování termosetových kompozitů se zde otvírá možnost spojování teplem – svařování. Zde mizí problémy s úpravou povrchů a vhodného lepidla, na které je klasické lepení velmi citlivé.

Na přípravě technologie a následné výrobě kompozitních dílů procesem termoforming lze ilustrovat komplexnost tohoto procesu. Prvním krokem před samotnou přípravou výroby je analýza tvaru a provedení dílu z důvodu posouzení vyrobitelnosti a možností technologie. Tato analýza slouží jako zpětná vazba konstruktérovi, který může na základě požadavků technologie provést změnu původního návrhu. Tato interakce mezi technologií a konstrukcí je specifická pro kompozitní výrobu. Umožňuje zjednodušení technologie i výsledné konstrukce.

Hlavní náplní přípravy výroby je vývoj lisovacího nástroje. Návrh probíhá s přihlédnutím na deformace během chladnutí výlisku, tak aby v konečné fázi vylisovaný díl odpovídal požadované přesnosti. Jednou z největších deformací bývá tzv. springback efekt, popisovaný jako odpružení úhlových sekcí na výlisku z důvodu anizotropie kompozitního materiálu. Pro odhad „springbacku“ byl ve spolupráci s FS ČVUT v Praze vyvinut software umožňující výpočet jeho velikosti.

Před výrobou formy je nutné ověřit navrženou koncepci a formovací proces numericky (obr. 6). Pro simulaci je využíván konečněprvkový program PAM-Form francouzské firmy ESI Group. Výsledkem ověření je posouzení vzniku vrásek a vnitřního pnutí během formování. Vrásky vznikají především nevhodným návrhem tvaru dílu, kde je hlavní příčinou jeho nerozvinutelný tvar.

Obrábění forem probíhá na CNC centru Mazak Nexus 6000 a následná kontrola přesnosti v setinách milimetru je prováděna pomocí 3D měřicího stroje Zeiss UNM-850.

S vlastním experimentálním ověřením nového lisovacího nástroje se také testuje nastavení parametrů formovacího cyklu. Mezi nejdůležitější parametry patří rychlost zavírání lisu a výsledný tlak působící na lisovaný díl. Důležité je rovněž při návrhu těchto parametrů dodržení správné rychlosti chladnutí matrice především u semikrystalických termoplastových matric.

Uzavřením přípravy technologie je stabilní lisovací proces, při kterém jsou výsledné díly bez vad a rozměrově odpovídají zadanému modelu. K odhalování vnitřních vad typu pórozity a nehomogenit v matrici slouží ultrazvukové zařízení C-Scan. Rozsah a frekvence nedestruktivní kontroly kompozitních dílů se řídí třídou dílu, která odpovídá úrovni vlivu kvality dílu na spolehlivost konstrukce letounu.

Letecká výroba je specifická svou náročností na dodržování předpisů, požadavků a technologické kázně. Před zavedením sériové výroby musí veškeré procesy a používané materiály odpovídat zákaznickým požadavkům. Nové zaváděné výrobní procesy procházejí před výrobou zákaznickým kvalifikačním auditem, který zahrnuje ověřovací zkoušky výrobního zařízení i důkladnou analýzu vyrobených prototypů. Zákazník tímto způsobem kontroluje splnění příslušných norem a veškerých předepsaných postupů a následně pak schvaluje zahájení sériové výroby.

Při náběhu výroby nových dílů se musí souběžně připravovat vzorky sloužící jako podklad pro získání oprávnění k jejich montáži do letadla. Při termoformingu je na vzorcích hodnocen například stupeň krystalinity, poměr objemu výztuže a matrice, hledají se vnitřní vady a provádí se několik druhů mechanických testů, které jsou citlivé na technologii výroby. Mechanické testy se provádějí i během sériové výroby až do nasbírání potřebně velkého souboru dat pro statistické vyhodnocení. Na základě toho se pak již může vyhodnotit stabilita technologického procesu a ve svém důsledku i kvality dílů. V případě pozitivních výsledků je pak možné rozsah i frekvenci kontroly snižovat.

U dílů z vyztužených termoplastů je toto rozhodování složitější, protože jde o materiál, který se zatím na letounech vyskytuje v provozu poměrně krátkou dobu, a praktické zkušenosti nejsou tak rozsáhlé. I přes již dosažené úspěchy v aplikaci tohoto moderního materiálu jsou však pokroky v technologii i vzniku nových typů termoplastových matric stále velmi významné a slibují další a efektivnější uplatnění, a to nejen na draku letounu.

Ing. Josef Křena, Ing. Petr Roškanin, Ing. Norbert Dolejš

Vývojové práce projektu byly realizovány za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu.

Letov Letecká výroba
josef.krena@letov.cz
www.letov.cz

Tabulka č. 1