Témata
Reklama

Vyztužené termoplasty v letecké konstrukci

Historie firmy Letov má svůj počátek v listopadu 1918, kdy byl založen státní letecký vojenský podnik nazvaný "Letecký arsenál". Společnost prošla několika etapami, od vývoje a výroby vlastních letounů postupně až k vývoji a výrobě letadlových celků.

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.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Letoun Boeing B787. Zdroj: Boeing.mediaroom.com.

Středisko kompozitů

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.

Termoplastové nebo termosetové pojivo

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.

Obr. 2. Hydraulický termolis

High-tech termoplasty

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).

Obr. 3. Žebra z centrovánu trupu letounu A350 z kompozitu C/PPS.

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.

Polotovary pro výrobu dílů z vyztužených termoplastů

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.

Obr. 4. Řez vyztuženým termoplastem (uhlíkové vlákno v PPS matrici)

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.

Termoforming

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.

Spojování dílů

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.

Obr. 5. Svařovaná sestava vzduchovodu

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.

Vývoj lisovacího nástroje

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.

Simulace

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.

Obr. 6. Ukázka výsledků simulace formování

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.

Lisovací proces

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.

Kontrolní testy

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

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 130125
Datum: 13. 02. 2013
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Firmy
Související články
Kompozitní materiály mění svět

Výzkum materiálů nabírá na obrátkách a přináší stále nové a nové poznatky v mnoha oblastech. Dalo by se říci, že se vydáváme cestou hledání nového paradigmatu.

Kompozitová kapota sériového vozu Ford Focus

Na říjnovém veletrhu Composite Europe 2012 v Düsseldorfu vystavil Ford první přední kapotu sériového vozu Ford Focus z  CFRP kompozitu z uhlíkových vláken, vyrobenou vysokorychlostním procesem vhodným pro velkosériovou výrobu.

Materiálová řešení vodovodních fitinků

V posledních letech legislativa zpřísňuje předpisy o povoleném obsahu olova v materiálech přicházejících do styku s pitnou vodou. Týká se to především mosazi, tradičního materiálu na výrobu spojovacích součástí vodovodních systémů (fitinků).

Související články
Plazmová povrchová úprava nanovlákených polymerních struktur

Technologie plazmových povrchových úprav spočívá v navázání funkčních skupin na povrch řetězce polymeru v plazmovém výboji. Jedná se převážně o hydroxylové skupiny. Nepolární charakter povrchu materiálu se tímto mění na polární, tedy hydrofobní povrch se stává hydrofilním či naopak. Tato technologie nachází stále širší uplatnění v různých průmyslových, ale i medicínských aplikacích.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Nové možnosti průmyslového využití plastů

Supertechnopolymery představují nejnovější a nejvyspělejší článek ve vývoji polymerových materiálů. Od tradičních plastů se liší především vysokým obsahem vyztužujících skelných vláken, případně i přítomností syntetických vláken z aramidu, která dávají supertechnopolymerům výborné mechanické i tepelné vlastnosti. Díky své vysoké odolnosti se tyto moderní inženýrské plasty stále častěji stávají vhodnou alternativou za oceli, přičemž nabízejí i řadu výhod:

Plastové materiály v reflexi K 2013

Inovační dopad exponátů prezentovaných na düsseldorfském veletrh plastů K do praktických aplikací, zejména zajímavých plastových materiálů, je aktuální nejen půl roku po skončení akce, kdy vám tento článek přinášíme, ale má časový přesah dalece větší. Aplikace automobilových plastů jsou možná divácky atraktivnějšími na autosalonech, avšak ty zajímající všechny jsou nové lehké materiály pro úsporu energie, šetřící jim kapsu.

Trexel pro vyšší využití procesu MuCell

Americká společnost Trexel inc. po nabytí licencí od Massachusetts Institute of Technology rozvíjí proces MuCell a vyrábí techniku pro vstřikování lehčených materiálů. Koncem února oznámila, že uzavřela partnerství s tchajvanskou firmou CoreTech pro využití jejího simulačního software Moldex3D.

Podnikové výzkumné centrum formuje budoucnost vývoje materiálů

Eureka je aplikační laboratoř společnosti JSP, výrobce materiálu Arpro, která nabízí vývoj a výrobu prototypů, jejich testování a ověřování prvních sériových výrobků. Umožňuje dokonce experimenty s technologiemi, jako je například laminace či zalisovávání vkládaných dílů s možností ověření 3D tolerancí.

Synergie: klíč úspěchu

Na to, jak je mladý už toho ve své profesi dokázal vskutku hodně. Už na začátku vysokoškolského studia začal podnikat v oblasti jachtingu, do čehož spadá například distribuce materiálů pro povrchové úpravy a poradenství. Dnes je Ing. Viktor Brejcha nejen spojován se společností Sea-Line, ale především je specialistou pro kompozitní materiály ve společnosti Siemens Mobility.

Ambiciózní projekt: Vývoj a výzkum nanomateriálů

Jedním z nejrychleji se rozvíjejících oborů současnosti jsou obory zabývající se nanomateriály a nanotechnologiemi. Tato velmi perspektivní disciplína nachází široké uplatnění ve všech oborech lidské činnosti. Jde však o vědní obor velmi mladý, takže principy výroby, aplikací a jejich zkoušení nejsou dosud dostatečně popsány. A to byl právě impulz pro vznik Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace v Liberci.

Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Normalizované součásti

Společnost Elesa+Ganter CZ nabízí výrobky dvou předních světových výrobců normalizovaných součástí a to Elesa a Otto Ganter. Všechny výrobky vedle vysokého standardu kvality také jsou v souladu evropskou direktivou RoHS conform, což znamená, že při výrobě dílů jsou vyloučeny některé nebezpečné látky.

Atraktivní projekty: Roboty jako mouchy

Ze všech létajících tvorů na Zemi nás nejvíc fascinuje hmyz. Může se vznášet, snadno pohybovat v libovolném směru a umí se vyhnout šíleně rychle letící plácačce. Není divu, že inspiroval skupinu vědců a inženýrů postavit nejmenší a nejvíce agilní létající roboty.

NPE 2012 a plastové materiály

V Orlandu na Floridě se na sklonku jara konala největší událost roku v průmyslu plastů - trienale NPE 2012, která současně oslavila 75. výročí založení SPI (Society of the Plastic Industry). Poprvé po 40 letech se National Plastics Exhibition, tento vrcholný veletrh amerického plastového průmyslu, nekonal v červnu v Chicagu, ale o něco dříve na Floridě, mimo centra automobilového průmyslu, plastů a strojírenství amerického Středozápadu.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit