Термопластичные UD ленты (UD tape) не новы для композитов, но вскоре они присоединятся к основной палитре материалов для аэрокосмической, нефтегазовой и водородной отраслей, и могут стать их будущим.
Совсем недавно, на протяжении 1970-х и 1990-х годов термопластичные UD ленты использовались только в военных и оборонных целях для производства различных композитных деталей и конструкций,
Преимущества и привлекательность термопластичных UD лент очевидны. Будучи UD (однонаправленными), они могут применяться практически с любой механической силой. Их можно перерабатывать в расплаве, и их можно было легко и быстро консолидировать посредством намотки, штамповки (то есть вне автоклава) или компрессионно.
Они обладают свойствами ударной вязкости, которые не могли быть сопоставлены с термореактивными полимерами, и, в отличие от термореактивных препрегов, их можно хранить неограниченное время при комнатной температуре.
Объем мирового рынка однонаправленных лент в 2019 году оценивается в 189,6 миллиона долларов США и, как ожидается, к 2027 году достигнет 517,9 млн и будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) 14,0% с 2020 по 2027 год. Ожидается, что успехи в технологически продвинутой авиационной промышленности улучшат применение UD лент в аэрокосмическом, нефтегазовом и оборонном секторах, тем самым подтолкнув рынок в целом
.
МИР АВИАЦИИ И КОСМОНАВТИКИ
Мир коммерческой авиации и космонавтики смотрит в будущее, и следующей крупной авиастроительной программой, которая, как ожидается, будет потреблять большое количество композитных материалов, по всей вероятности, будет новый самолет Boeing Middle of the Market (MOM), предназначенный для замены его 757. Также на горизонте модификация Boeing 737 и Airbus A320, узкофюзеляжных рабочих лошадок, которые составляют основу мировой коммерческой аэрокосмической промышленности.
Экономика материалов и процесса, оправдывающая использование композитных материалов в самолетах 787 и A350 XWB, отличается от таковых для MOM, 737 и A320. Самая большая разница - это скорость. В частности, Боинг 737 и А320 настолько близки, насколько коммерческий аэрокосмический сектор сейчас приближается к товару, а это означает, что чем быстрее они будут изготовлены, тем более прибыльными они будут для OEM-производителей.
Объемы производства самолетов огромны, для 737 и A320 (и всех, что их заменяет), это два самолета в день, каждый день. Термореактивные композиты, отвержденные в автоклаве, в настоящее время не подходят для таких больших объемов. И вот здесь термопластичные армированные UD ленты вне конкуренции - они предлагают преимущества в отношении продолжительности цикла, хранения материалов, прочности и возможности повторного использования, которые не могут быть сопоставлены с термореактивными пластинами.
Они уже используются сегодня для изготовления более мелких деталей и подконструкций, включая зажимы и кронштейны для соединения обшивки фюзеляжа со стрингерами и шпангоутами . И они используются в ряде конструкций для небольших самолетов, включая хвостовые части, крылья и другие части бизнес-джетов. Кроме того, в нефтегазовой промышленности используются термопласты из-за их прочности и коррозионной стойкости, гибкости, а автомобильная промышленность привлекает их способность адаптироваться к крупносерийному производству и вторичной переработке.
Самый большой вопрос, стоящий перед теми, кто будет использовать UD термопласты заключается в том, пригодны ли они для использования в высоконагруженных конструкциях самолетов и нефтегазовом оборудовании?
Скотт Унгер, технический директор компании TenCate Advanced Composites USA Inc., специализирующейся на термопластах, (Морган Хилл, Калифорния, США), работающий с термопластами более 30 лет, говорит: «Возможность выйти из автоклава, снизить затраты и упростить производство и сборку изделий - важные факторы для стремительного развития этого сегмента композитной индустрии».
.
ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИЕ ЛЕНТЫ: МАТРИЦА ДЛЯ УГЛЕРОДНЫХ И СТЕКЛО- ВОЛОКОН
На протяжении большей части своей истории углеродные волокна и стекловолкно в термопластичных лентах не использовались по размеру, но это меняется, поскольку препреггеры работают над оптимизацией материала для различных процессов и применений. Матрица из термопластов предназначена не только для улучшения обращения с волокном, но и для улучшения адгезии волокна - полимер. При этом как полимерные компаунды, так и волокна бывают самых разных составов и возможностей, и, как следствие, варианты матриц широко варьируются в зависимости от комбинации волокна, его формы, полимера и области применения.
За последние четыре года Toho Tenax America (Роквуд, Теннесси, США), SGL Group (Висбаден, Германия) и специалист по калибровке Мишельман (Цинциннати, Огайо, США) представили размеры углеродного волокна, оптимизированные для некоторых термопластов. Другие поставщики препреггеров и лент также предоставляют варианты UD лент из термопластов, но не раскрывают подробностей.
Размеры имеют две цели. Один из них - это адгезия волокна и полимера. Другая - уменьшение трения волокна (уменьшение распушивания или истирания / разрыва волокна) при разрезании волокна или при его прохождении через оборудование для плетения. Джим Пратте, технический сотрудник группы исследований и инноваций композитных материалов Solvay Composite Materials(Альфаретта, Джорджия, США) говорит: «Калибровка иногда является необходимым злом для уменьшения трения и поломки [волокна]. Большинство разработок в области калибровки направлены на поиск оптимального баланса между производительностью и «управляемостью» - отсутствие растекания, поломок, зазоров и т. д. ».
.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ
Термопластичные UD ленты состоят из однонаправленных жгутов углеродного (или стеклянного) волокна шириной до 1200…1800 мм, предварительно пропитанных термопластичным полимерных компаундом (смолами).
В дальнейшем, UD ленты разрезают для создания более узких лент или жгутов. UD ленты также можно разрезать, как термореактивные препреги, до заданной формы для создания заготовок. UD ленты из термопласта не имеют бумажной основы, как у термореактивных лент.
Полимеры, наиболее часто используемыми в аэрокосмической и других высокоэффективных областях, являются следующие высокоэффективные термопласты: полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиркетонекетон (PEKK), полиарилэфиркетон (PAEK), полиэфиримид (PEI) и сульфид полифенилена (PPS). Некоторые производители предлагают ленты, предварительно пропитанные товарными термопластичными смолами, такими как полиэтилен (HDPE), полиэтилен высокой термостойкости (PE-RT), полиамид (PA), полипропилен (PP), поликетон (Polyketone) и другие - они, как правило, для производства термопластичных композитных труб (Thermoplastic composite pipe, TCP ) для нефтегазовых применений.
Для аэрокосмической промышленности наиболее перспективными материалами являются ПЭЭК и ПЭКК. «В целом оба полимера обеспечивают отличные высокотемпературные характеристики, хорошую ударную вязкость и стойкость к химическим растворителям, а также низкое влагопоглощение», - говорит Майк Бак, менеджер по продукции по термопластам, поставщика препрега Barrday Corp. (Миллбери, Массачусетс, США). «PEKK также предлагает более высокую T g для повышения термостойкости и более низкую температуру плавления для обработки».
Антонио Бернардо, инженер по исследованиям и разработкам Fartrouven R&D (Лейрия, Португалия), говорит, что способность PEKK обеспечивать производительность на уровне PEEK, но при более низкой температуре плавления, делает его главным кандидатом для будущего роста коммерческого использования для приложений в нефтегазовой и аэрокосмической отраслях.
Термопластичные полимеры обычно наносятся на волокно методом экструзии-пултрузии, или путем нанесения порошка на основе растворителя или воды.
Объемная доля волокна в большинстве термопластичных лент колеблется от 40 до 60%, в материалах аэрокосмического качества - от 50 до 60%. Есть данные о UD лентах с объемной долей волокна 93%.
Шестьдесят процентов объема волокна важно, если механические свойства являются основным приоритетом, и производственный процесс с более длительным временем цикла и большой гибкостью в отношении давления и температуры. Процессы с более высокой скоростью или более низким давлением, такие как AFP / ATL, обработка вне автоклава / печи и т. П.., Выиграют от более высокого содержания полимерного связующего.
Automated fiber placement (AFP) – это автоматизированный процесс производства композитов, заключающийся в нагревании и уплотнении неметаллических волокон, предварительно пропитанных синтетической смолой (полимером).
Использование термопластов значительно меняет этапы производства готовых деталей. Наиболее важным отличием является то, что термопласт по своей природе является твердым при комнатной температуре и для формования его необходимо нагреть до температуры плавления.
Такие температурные требования немедленно выводят эти материалы за пределы температур, необходимых для отверждения эпоксидной смолы или любого другого термореактивного материала. Наиболее часто используемый сегодня процессов изготовления деталей (изделий) из термопластичных лент - это штамповка и намотка,
При штамповке UD ленты, нарезанные до заданной формы и затем уложенные друг на друга, размещают в печи предварительного нагрева для размягчения и предварительного уплотнения. Этот пакет затем переносится в формовочный пресс, который обычно состоит из подобранного металлического инструмента, который полностью уплотняет и охлаждает ленты под высоким давлением.
При намотке, например при производстве высоконапорных нефтегазовых труб (Thermoplastic composite pipes, TCP) UD ленты заданной ширины наматываются на лайнер (трубный вкладыш из термопластичного полимера) нагреваются для размягчения и уплотняются.
Как правило, обработка термопластов часто требует «обратного» процесса по сравнению с обработкой термореактивных пластиков. Например, в случае термопластов обычно не уплотняют деталь в форме, а вместо этого формируется предварительно нагретый, предварительно уплотненный ламинат, а затем используете инструмент для охлаждения предварительно нагретой детали.
Одним из перспективных процессов является уплотнение на месте, когда UD ленты (жгуты) помещаются на инструмент с помощью автоматического размещения волокна (AFP) или автоматической укладки ленты (ATL). В этой системе высокоинтенсивный лазер, горячий газ или пламя на головке ленты нагревают полимер до температуры плавления, чтобы размягчить ее, в то время как концевой эффектор прикладывает давление для уплотнения слоев. В конечном итоге такая система выполняет полную консолидацию на месте.
.
ПРЕИМУЩЕСТВА
Ленты UD (UD tape) - это бесконечные усиленные волокном ленты разной ширины с однонаправленными армирующими волокнами, в которых стеклянные или углеродные волокна настолько идеально встроены в термопластичную матрицу, что открываются совершенно новые возможности для деталей аэрокосмической отрасли и в производстве гибких высоконапорных RTP/TCP труб для нефтяной и газовой промышленности.
Трудно не любить термопласты в целом и HDPE, PA, PE-RT, PEEK, PEKK в частности. Как уже отмечалось, они обладают механическими характеристиками, аналогичными эпоксидной смоле, но обычно они жестче, чем эпоксидная смола. Кроме того, они также не вызывают экзотермических воздействий и очень хорошо противостоят коррозии, износу и возгоранию.
Термопласты также позволяют избежать ограничений по срокам хранения и истечения срока службы термореактивного препрега - нетривиальный вопрос, учитывая стоимость инвестиций в морозильные камеры и задачу управления сроками годности препрега, чтобы определить, какие рулоны препрега и когда использовать. Действительно, стоимость утилизации / переработки просроченного материала может значительно увеличить стоимость изготовления деталей из термореактивного препрега.
Кроме того, поскольку термопластичные UD ленты не отверждаются и не сшиваются, термопластичные композиты могут быть переплавлены / переработаны. Благодаря этому их относительно легко утилизировать.
Переработка - важный двигатель термопластичных композитов. Вторичная переработка становится все более важным фактором при производстве композитов. Производители комплектного оборудования для самолетов и нефтегазового оборудования также задумываются об управлении жизненным циклом (LCM) и окончании срока службы продукции.
Термопласты также позволяют склеивать детали таким образом, который невозможен при использовании термореактивных материалов. Они предлагают потенциал для сварки / сплавления деталей вместе, что может свести на нет необходимость в клеях в некоторых областях применения, например при производстве композитных RTP/TCP труб высокого давления для нефтегазовой индустрии.
Сейчас существует необходимость в разработке различных методов сварки, включая контактную сварку, индукционную сварку и кондуктивную сварку . AFP / ATL - это форма непрерывной сварки, и многие производители стремятся использовать сварку для соединения небольших термопластичных деталей в более крупные конструкции или многослойные изделия.
Автоматическая укладка термопластичной ленты (UD tape)
Institute of Structures and Design DLR в Штутгарте имеет современное оборудование для автоматической укладки ленты (ATP) для производства компонентов из термопластов, армированных волокном. Институт тесно сотрудничает с поставщиками волокна и термопластической ленты, а также с промышленными и академическими исследователями над разработкой новых инновационных деталей для авиационной, космической и автомобильной техники.
Автоматизация делает укладку термопластичных безпроблемной. «Раньше люди жаловались, что термопластичные ленты были жестким и тяжелым для ручной работы, - говорит Пратте из Solvay, - но в автоматизированном оборудовании жесткость и жесткость - это преимущество».
Чем качественная лента, тем проще производителям производить качественные детали. Однако использование ленты более низкого качества зависит от более надежного и возможно, трудоемкого процесса для достижения хорошего уплотнения.
По мере увеличения использования композитов в аэрокосмической, нефтегазовой и автомобильной промышленности, спрос на автоматизацию будет расти. Это представляет собой реальную возможность для термопластичных UD лент. В автоматизированных процессах UD лентам нет равных.
.
ИДТИ ВПЕРЕД
Преимущества термопластичных UD лент реальны, и это побудило большие инвестиции в исследования и разработку технологий и процессов, которые помогут продвинуть этот материал в более крупные структурные детали.
«Основные инновации были сделаны за последние два десятилетия», - говорит Унгер из TenCate. «Основными нововведениями в будущем станут зрелость процессов и автоматизации, а также расширение инфраструктуры производства деталей».
Например появились данные о производстве UD лент с объемной долей волокон в 93%. Есть данные, что компания Fartrouven R&D завершает разработку технологии позволяющей увеличить адгезию волокно-полимер по-меньшей мере в 4 раза.
Возможны прорывы для и производителей оригинального оборудования, которые предложат технических решений для новых свойств и применений термопластичных лент.
По материалам CompositesWorld 2022
Михаил Варзин
.
|