Aviation Week Network war Gastgeber eines Gesprächs mit Travis Mease und Sébastien Kohler von Greene, Tweed and Co., dem 160 Jahre alten Komponentenhersteller, der zuverlässige Lösungen für kritische Leistungsanforderungen der Industrie bietet.

Treffen Sie die Experten:

Sehen Sie sich unser Webinar an: Einführung von thermoplastischen Verbundwerkstoffen in der sich wandelnden Luftfahrtindustrie

F AW: Was sind die Vorteile von diskontinuierlichen Langfaser-Verbundwerkstoffen (DLF) in der Luft- und Raumfahrt?

A TM: Ein Hauptvorteil des thermoplastischen Verbundwerkstoffs Xycomp von GT mit diskontinuierlichen Langfasern (DLF) ist das hochautomatisierte Formpressverfahren, das sowohl komplexe Geometrien als auch die Großserienproduktion für Luft- und Raumfahrtanwendungen unterstützt. Wir sind in der Lage, wiederholt qualitativ hochwertige Teile zu produzieren, die den GD&T-Normen entsprechen, wobei wir oft mehrere Komponenten auf derselben Palette verarbeiten, um den Durchsatz bei minimaler Interaktion des Bedieners zu erhöhen. Greene Tweed hat in diesem Prozess zusätzliche Automatisierungen eingeführt, darunter das Wiegen von Materialladungen, die Handhabung von Pressen und Formen sowie fortschrittliche Funktionen wie die automatische Faserplatzierung (AFP) und das Cobot-Entgraten. Dies reduziert den Arbeitsaufwand und erhöht gleichzeitig die Qualität, den Durchsatz und die Zuverlässigkeit. Im Vergleich zu Aluminiumbauteilen bietet dieses Verfahren Gewichtseinsparungen von 30 bis 50 %, je nachdem, wie optimiert diese Aluminiumbauteile sind, und bleibt dabei kostengünstig im Vergleich zu anspruchsvollen, stark bearbeiteten Teilen.

A SK: DLF-Verbundwerkstoffe sind ein hervorragender Mittelweg zwischen dem Spritzgussverfahren, das eine hohe Formkomplexität, aber geringe mechanische Eigenschaften bietet, und den herkömmlichen Endlosfaser-Verbundwerkstoffen, die hervorragende Eigenschaften, aber nur eine begrenzte Drapierbarkeit um komplexe Formen bieten. DLF erreicht in der Regel etwa 75 % der Steifigkeit eines quasi-isotropen Layups und die Hälfte seiner Festigkeit. Dies macht es ideal für den Ersatz von komplex geformten Metallteilen, insbesondere von bearbeiteten Aluminiumkomponenten. Die Vorteile können bei bestimmten Anwendungen sogar noch deutlicher ausfallen, da die Mikrostruktur vieler typischer Aluminiumlegierungen für die Luft- und Raumfahrt sehr hitzeempfindlich ist. Dies führt zu einem erheblichen Festigkeitsabfall, wohingegen unser DLF innerhalb seines Betriebsbereichs stabiler ist und hohen Dauerbelastungen bis zu mindestens 180 °C standhält. In einigen Fällen haben wir sogar Komponenten aus Titan oder Stahl ersetzt, was zu noch größeren Gewichtseinsparungen führt.

F AW: Lassen Sie uns einen konkreten Anwendungsfall betrachten. Wie ist das Gewicht und die Leistung einer DLF-Statorschaufel mit einer metallischen Vorderkante im Vergleich zu einer Vollaluminiumschaufel?

A SK: Wir haben die äußeren Leitschaufeln von Geschäftsflugzeugen - ein komplex geformtes Teil - als eine hervorragende Anwendung für DLF identifiziert. Diese Teile sind nicht strukturell, vollständig schwimmend und wir können sie zusammen mit dem Fuß als eine einzige, netzgeformte Komponente formen. Die Hagelschlagbeständigkeit stellte jedoch eine große Herausforderung dar. Der Lastfall des Hagelschlags mit hoher Geschwindigkeit beinhaltet sowohl eine lokale Quetschung unter dem Aufprallpunkt als auch eine Drei-Punkt-Biegung der Schaufel, wodurch die Dicke des Schaufelprofils entscheidend ist. Eine Erhöhung der Schaufeldicke könnte zwar die Hagelschlagfestigkeit verbessern, war aber aufgrund der festen Geometrieanforderungen nicht machbar. Nach der Untersuchung verschiedener Hybridisierungsansätze mit DLF- und Endlosfaserverbundwerkstoffen haben wir eine metallische Vorderkante entwickelt, die einen hervorragenden Schutz bietet. Wir haben dies durch umfangreiche Tests mit unserem eigenen Hagelschlagprüfstand in der Schweiz validiert. Die daraus resultierende Co-Molded-Konstruktion - eine Kombination aus einer metallischen Vorderkante und einer netzgeformten Leitschaufel - bietet eine kosteneffiziente Lösung, die erhebliche Gewichtseinsparungen ermöglicht: anfangs vier bis sechs Pfund pro Motor, jetzt bis zu acht bis zehn Pfund pro Motor in der neuesten Version.

A TM: Diese Leistungsanforderungen sind besonders kritisch, da jeder Motor in der Regel 55 bis 60 Schaufeln enthält, die direkt hinter den Lüfterflügeln angeordnet sind. Dies stellt hohe Anforderungen an die Stoßfestigkeit und Haltbarkeit. Wir kennen sowohl die Stärken als auch die Grenzen der DLF-Technologie von Xycomp. Deshalb arbeiten wir kontinuierlich an Innovationen und an DLF 2.0, das einige dieser Herausforderungen angehen wird.

A TM: Die Zertifizierung kann bei der Einführung neuer Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrt ein erhebliches Hindernis für den Einstieg darstellen. Die Materialien müssen vollständig charakterisiert sein. Deshalb arbeiten wir mit gründlich getesteten und validierten Materialien, anstatt mit neuen zu experimentieren. Dies ist in Sektoren wie Advanced Air Mobility (AAM) von entscheidender Bedeutung, wo Unternehmen aufgrund von Verpflichtungen gegenüber Investoren und engen Zeitvorgaben vollständig validierte Materiallösungen benötigen. Einer der Hauptvorteile von Greene Tweed ist, dass wir ein umfassendes Paket anbieten, das nicht nur die Materialcharakterisierung, sondern auch eine vorausschauende Konstruktionsanalyse beinhaltet - und wir haben eine nachweisliche Leistungsgeschichte. Dies verringert das Risiko, verkürzt die Fristen und senkt die Kosten für unsere Kunden, da wir genau vorhersagen können, wie diese Materialien in Testszenarien abschneiden werden.

A SK: Der Zertifizierungsprozess umfasst eine umfangreiche Reihe von Tests, die sich auf mehrere Parameter erstrecken. Wir führen umfassende Tests an Coupons unter verschiedenen Umwelt- und Belastungsbedingungen durch, wobei wir unterschiedliche Materialchargen und Teilekonfigurationen verwenden. Aufgrund der von DLF gebotenen Möglichkeit, die Bauteildicke zu variieren und komplexe Rippenverstärkungen einzubauen, haben wir auch die Leistung über verschiedene Materialdicken hinweg charakterisiert. Daraus ergibt sich eine umfangreiche Testmatrix - etwa 200 Platten mit jeweils fünf bis sieben Proben, einschließlich der Ermüdungscharakterisierung, die langwierige Versuche beinhaltet. Diese umfangreiche Datenbank mit Materialeigenschaften und Leistungsdaten ist für unsere Kunden von unschätzbarem Wert, da sie unsere zulässigen Daten für ihre eigenen Zertifizierungsverfahren verwenden können und diese Tests nicht mehr selbst durchführen müssen.

F AW: Welche Überlegungen gibt es nach den Erfahrungen von Greene Tweed zur Recyclingfähigkeit von thermoplastischen Verbundwerkstoffen?

A SK: Der Zertifizierungsprozess umfasst eine umfangreiche Reihe von Tests, die sich auf mehrere Parameter erstrecken. Wir führen umfassende Tests an Coupons unter verschiedenen Umwelt- und Belastungsbedingungen durch, wobei wir unterschiedliche Materialchargen und Teilekonfigurationen verwenden. Aufgrund der von DLF gebotenen Möglichkeit, die Bauteildicke zu variieren und komplexe Rippenverstärkungen einzubauen, haben wir auch die Leistung über verschiedene Materialdicken hinweg charakterisiert. Daraus ergibt sich eine umfangreiche Testmatrix - etwa 200 Platten mit jeweils fünf bis sieben Proben, einschließlich der Ermüdungscharakterisierung, die langwierige Versuche beinhaltet. Diese umfangreiche Datenbank mit Materialeigenschaften und Leistungsdaten ist für unsere Kunden von unschätzbarem Wert, da sie unsere zulässigen Daten für ihre eigenen Zertifizierungsverfahren verwenden können und diese Tests nicht mehr selbst durchführen müssen.

A TM: Wir führen derzeit Vorarbeiten mit AAM-Unternehmen und größeren OEMs der Luft- und Raumfahrtindustrie durch, um die Möglichkeiten der Wiederverwertbarkeit zu untersuchen. Wir testen kleine Mengen recycelter Materialien - aus Schrott, Abfall oder möglicherweise ausgemusterten Flugzeugen - um ihre Kompatibilität mit unseren Formgebungsverfahren zu bewerten und geeignete Rezepturen und Verfahren zu entwickeln. feste Geometrieanforderungen. Nach der Untersuchung verschiedener Hybridisierungsansätze mit DLF- und Endlosfaserverbundwerkstoffen haben wir eine metallische Vorderkante entwickelt, die einen hervorragenden Schutz bietet. Wir haben dies in umfangreichen Tests mit unserem eigenen Hagelschlagprüfstand in der Schweiz validiert. Die daraus resultierende Co-Molded-Konstruktion - eine Kombination aus einer metallischen Vorderkante und einer netzgeformten Leitschaufel - bietet eine kosteneffiziente Lösung, die erhebliche Gewichtseinsparungen ermöglicht: anfangs vier bis sechs Pfund pro Motor, jetzt bis zu acht bis zehn Pfund pro Motor in der neuesten Version. A TM: Diese Leistungsanforderungen sind besonders kritisch, weil jedes Triebwerk in der Regel 55 bis 60 Leitschaufeln enthält, die direkt hinter den Lüfterflügeln angeordnet sind. Dies stellt hohe Anforderungen an die Stoßfestigkeit und Haltbarkeit. Wir sind uns sowohl der Stärken als auch der Grenzen der Xycomp DLF-Technologie bewusst. Deshalb arbeiten wir kontinuierlich an Innovationen und an DLF 2.0, das einige dieser Herausforderungen angehen wird.

F AW: Welche regulatorischen und zertifizierungstechnischen Herausforderungen sind mit neuen thermoplastischen Verbundwerkstoffen und -verfahren in der Luft- und Raumfahrt verbunden?

A TM: Die Zertifizierung kann bei der Einführung neuer Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrt eine erhebliche Einstiegshürde darstellen. Die Materialien müssen vollständig charakterisiert sein. Deshalb arbeiten wir mit gründlich getesteten und validierten Materialien, anstatt mit neuen zu experimentieren. Dies ist in Sektoren wie Advanced Air Mobility (AAM) von entscheidender Bedeutung, wo Unternehmen aufgrund von Verpflichtungen gegenüber Investoren und engen Zeitvorgaben vollständig validierte Materiallösungen benötigen. Einer der Hauptvorteile von Greene Tweed besteht darin, dass wir ein umfassendes Paket anbieten, das nicht nur die Materialcharakterisierung, sondern auch eine vorausschauende Konstruktionsanalyse umfasst - und wir haben eine nachweisliche Leistungsgeschichte. Dies verringert das Risiko, verkürzt die Fristen und senkt die Kosten für unsere Kunden, da wir genau vorhersagen können, wie diese Materialien in Testszenarien abschneiden werden.

F AW: Welche Überlegungen gibt es nach den Erfahrungen von Greene Tweed zur Recyclingfähigkeit von thermoplastischen Verbundwerkstoffen?

A TM: Wir führen derzeit Vorarbeiten mit AAM-Unternehmen und größeren OEMs der Luft- und Raumfahrtindustrie durch, um die Möglichkeiten des Recyclings zu untersuchen. Wir testen kleine Mengen an recycelten Materialien - aus Schrott, Abfällen oder möglicherweise ausgemusterten Flugzeugen - um ihre Kompatibilität mit unseren Formgebungsverfahren zu bewerten und geeignete Rezepturen und Verfahren zu entwickeln. Interessanterweise beginnen einige AAM-Unternehmen, den Wert der Umweltaspekte von Recycling-Materialien über reine Kostenerwägungen hinaus zu sehen und betrachten sie stattdessen als ein vermarktbares Merkmal für ihre Plattformen. Dies ist zwar noch ein frühes Stadium, deutet aber auf eine wachsende Anerkennung des umfassenderen Wertbeitrags rezyklierbarer Materialien in der Luft- und Raumfahrt hin.

A SK: Während thermoplastische Verbundwerkstoffe theoretisch durch Umschmelzen recycelbar sind, steht die praktische Umsetzung in der Luft- und Raumfahrt vor einigen Herausforderungen - insbesondere bei hochwertigen Hochtemperaturpolymeren wie PEEK und PEKK. Die Wirtschaftlichkeit des Recyclings dieser Materialien ist noch nicht vollständig geklärt, vor allem weil es schwierig ist, die hohen Preise für recycelte Versionen dieser ohnehin schon teuren Materialien zu rechtfertigen. Rezyklierte Werkstoffe stellen neue Anforderungen an die Zertifizierung, insbesondere für Flugzeugstrukturteile. Dies führt häufig dazu, dass rezyklierte Materialien für nicht strukturelle Innenraumkomponenten oder sogar für Anwendungen außerhalb der Luft- und Raumfahrt, wie z. B. Sportgeräte, herabgestuft werden. Wir unterstützen solche Aktivitäten bereits in industriellen und medizinischen Anwendungen, in denen wir unsere eigenen Abfälle recyceln. Für die Zukunft erwarten wir, dass staatliche Vorschriften und Anreize die Entwicklung zirkulärer Lieferketten vorantreiben und die Hersteller dazu zwingen, recycelte Materialien zu qualifizieren und interne Recyclingströme zu definieren. Unsere technischen Fähigkeiten sind gut geeignet, um die Industrie bei der Entwicklung dieser Recyclinglösungen für thermoplastische Verbundstoffe zu unterstützen.

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