Ο όμιλος Γαλλικού Ινστιτούτου Συγκόλλησης (IS) έχει περισσότερα από 100 χρόνια εμπειρίας στη συγκόλληση μετάλλων και σήμερα γίνεται ηγέτης στη συγκόλληση θερμοπλαστικών σύνθετων υλικών. Η IS Group ανέπτυξε το" δυναμική επαγωγική συγκόλληση" διαδικασία, η οποία χρησιμοποιήθηκε για τη σύνδεση ινών άνθρακα/ πολυαιθερκετονεκετόνης (PEKK) μονής κατεύθυνσης ιμάντες και δέρματος ατράκτου στο αεροδιαστημικό θερμοπλαστικό σύνθετο έργο επίδειξης της Airbus' s STELIA Aerospace.
Παρά την επιτυχία αυτής της διαδικασίας, δεν υπάρχει δέκτης στη διεπαφή, επομένως υπάρχουν περιορισμοί στην απόδοση ακτίνας των συνδεδεμένων κορδονιών και την παγκόσμια θέρμανση των πάνελ τοίχου. Ο αναστολέας είναι το υλικό που τοποθετείται μεταξύ των δύο συνδεδεμένων αντικειμένων της θερμοπλαστικής σύνθετης συγκολλημένης άρθρωσης και το υλικό θερμαίνεται από το επαγωγικό πηνίο στη συγκολλημένη άρθρωση. Ο δέκτης μπορεί να είναι ένα αγώγιμο σώμα που θερμαίνεται με αντίσταση ή ένα μαγνητικό σώμα που θερμαίνεται με υστέρηση. Λιώνει τη βάση στη διεπαφή συγκόλλησης και πιέζει τη βάση μαζί για να σχηματίσει μια συγκολλημένη άρθρωση υψηλής αντοχής. Ο αναστολέας που χρησιμοποιήθηκε για επαγωγική συγκόλληση θερμοπλαστικών σύνθετων υλών ήταν αρχικά μια μεταλλική επένδυση ή πλέγμα, μερικές φορές εμποτισμένη με πολυμερές.
Η IS Group έχει συνεργαστεί με την Arkema, έναν προμηθευτή θερμοπλαστικών υλικών, για την από κοινού ανάπτυξη και απόκτηση μιας πατενταρισμένης τεχνολογίας που ονομάζεται Welding Innovation Solution.
Η βάση καινοτόμων λύσεων συγκόλλησης
Η βάση των καινοτόμων λύσεων συγκόλλησης είναι η χρήση προσαγωγών για τη θέρμανση της διεπαφής συγκόλλησης, αλλά αυτός είναι ένας κινητός αναστολέας συνδεδεμένος με την κεφαλή συγκόλλησης. Ο δέκτης επιτρέπει στη διαδικασία να εντοπίσει τέλεια την περιοχή θέρμανσης της συγκόλλησης και η κεφαλή συγκόλλησης με τον αναστολέα είναι κινητή, επομένως δεν υπάρχει υπόλειμμα στη διεπαφή και δεν θα επηρεάσει την απόδοση της συγκολλημένης κατασκευής. Στις πρώτες επαναλήψεις της επαγωγικής συγκόλλησης, ο αναστολέας μεταλλικού πλέγματος παρέμεινε στη συγκόλληση, αλλά αυτό δεν ήταν το επιθυμητό αποτέλεσμα. Δεδομένου ότι η ίνα άνθρακα στα συνηθισμένα φύλλα αεροδιαστημικής είναι αγώγιμη, η τελευταία λέξη της τεχνολογίας μπόρεσε να εξαλείψει τον προσαγωγό, ο οποίος επιτρέπει επίσης τη χρήση υλικών από ίνες άνθρακα ως αναστολέα.
Ένα άλλο χαρακτηριστικό της καινοτόμου λύσης συγκόλλησης είναι η χρήση μιας καθαρής θερμοπλαστικής μήτρας ή ενός στρώματος με χαμηλή περιεκτικότητα σε ίνες στη διεπαφή συγκόλλησης για αύξηση της ρευστότητας της ρητίνης. Η θερμοκρασία τήξης και το ιξώδες του στρώματος διασύνδεσης μπορούν να ρυθμιστούν και μπορούν επίσης να λειτουργηθούν ώστε να παρέχουν αγωγιμότητα ή απομόνωση για την αποφυγή ηλεκτρικής διάβρωσης, όπως ηλεκτρική διάβρωση μεταξύ ινών άνθρακα και αλουμινίου ή χάλυβα.
Τα αποτελέσματα καινοτόμων λύσεων συγκόλλησης
Ο συντελεστής από κοινού αυτού του διαλύματος είναι 80%~ 90%. Ο συντελεστής σύνδεσης αντιστοιχεί στην αντοχή συγκόλλησης και χρησιμοποιείται για μέταλλα, πλαστικά και σύνθετα υλικά. Σε μια δοκιμή διάτμησης ενός γύρου σε δύο προθερμασμένες πλάκες συγκολλημένες μεταξύ τους χρησιμοποιώντας αυτό το διάλυμα, ελήφθη το 80% έως 90% της απόδοσης της μη συγκολλημένης πλάκας αναφοράς σε αυτόκαυστο. Αυτές οι δοκιμές χρησιμοποίησαν ζώνες μονής κατεύθυνσης κατασκευασμένες από ανθρακονήματα Hextow AS7 και Arkema Kepstan 7002 PEKK.
Καινοτόμες λύσεις συγκόλλησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη συγκόλληση κάθε είδους υποστρώματος: θερμοπλαστικά σύνθετα υλικά από PE, PA, PEKK, PEEK και ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, γυαλί ή αραμίδια. Επιπλέον, εξαρτήματα με πλέγματα χαλκού μπορούν επίσης να συγκολληθούν για να αποφευχθούν κεραυνοί, που είναι το κλειδί για την κατασκευή αεροδιαστημικών κατασκευών. Ο σχεδιασμός της καινοτόμου λύσης συγκόλλησης είναι πλήρως αυτοματοποιημένος, με την κεφαλή συγκόλλησης τοποθετημένη σε ρομποτικό ρομπότ βραχίονα 6 αξόνων.
Έλεγχος θερμοκρασίας συγκόλλησης
Ένα συνηθισμένο πρόβλημα των μεταλλικών συσσωρευτών όταν υποβάλλονται σε μαγνητικό πεδίο είναι η άνιση κατανομή θερμοκρασίας των συγκολλημένων τμημάτων. Το διάλυμα το ελέγχει χρησιμοποιώντας ένα σύρμα για να λιώσει τη διεπαφή συγκόλλησης, χρησιμοποιώντας ένα πυρόμετρο λέιζερ για να ανιχνεύσει τη θερμοκρασία, η οποία στην πραγματικότητα μετρά την άκρη του αναστολέα από το πλάι. Επομένως, η ακριβής θερμοκρασία στη διεπαφή μπορεί να είναι γνωστή. Οι μέθοδοι ψύξης χρησιμοποιούνται επίσης για τον έλεγχο της θερμοκρασίας και τη διασφάλιση ότι το θερμοπλαστικό υλικό μπορεί να κρυσταλλωθεί πλήρως καθ 'όλη τη διαδικασία συγκόλλησης.
Δοκιμή συγκόλλησης δέρματος Stringer
Η STELIA, θυγατρική της Airbus, είναι ένας από τους πρώτους πελάτες για αυτήν τη διαδικασία επαγωγικής συγκόλλησης. Η IS Group και η Arkema διεξήγαγαν μια ειδική μελέτη για το STELIA, συγκολλώντας 7 στρώματα χορδής άνθρακα/PEKK σε 14 στρώματα δέρματος και καλύπτοντάς τα με πλέγματα χαλκού για να αποφευχθούν οι κεραυνοί. Απώτερος στόχος είναι η συγκόλληση δομής μήκους 30 μέτρων, ευθείας και διπλού καμπύλου τμήματος. Τα εξαρτήματα είναι κατασκευασμένα με ταινία μονής κατεύθυνσης 194 gsm, συμπεριλαμβανομένων των ινών άνθρακα Tenax HST45 και Kepstan 7002 PEKK. Το STELIA καθορίζει μια ομοιογενή συγκόλληση με μηχανικές ιδιότητες μεγαλύτερες από το 85% του υλικού αναφοράς που έχει σκληρυνθεί από το αυτόκλειστο και οι θερμικές ή μηχανικές ιδιότητες του συγκολλητικού δεν θα υποβαθμιστούν. Το STELIA απαιτούσε επίσης την ανάπτυξη μιας ισχυρής διαδικασίας για την αλλαγή του πάχους του συγκολλητικού υλικού. Η IS Group πραγματοποίησε χημικές δοκιμές και επιδόσεις σε συγκολλημένα εξαρτήματα.
Η IS Group και η Arkema μπόρεσαν να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις της STELIA', επιτυγχάνοντας πάνω από το 85% της απόδοσης διάτμησης και ενδιάμεσης διατμητικής αντοχής σε έναν γύρο σε σύγκριση με το πολυστρωματικό υλικό αναφοράς που θεραπεύτηκε με αυτόκλειστο. Δεν υπάρχει εξάπλωση ή υποβάθμιση στο πλέγμα του πολυστρωματικού υλικού ή της προστασίας από κεραυνούς. Το μόνο μειονέκτημα είναι η ταχύτητα. Το STELIA απαιτεί η ταχύτητα συγκόλλησης να είναι μεγαλύτερη ή ίση με 1 m/min. Επί του παρόντος, η ταχύτητα αυτής της λύσης είναι 0,3 μέτρα ανά λεπτό. Όσον αφορά το πάχος του υλικού βάσης που μπορεί να συγκολληθεί, το τυπικό πάχος των αεροδιαστημικών κατασκευών μπορεί να συγκολληθεί και τμήματα πάχους 5 mm μπορούν να συγκολληθούν σε μια βάση 5 mm.
Τεχνικές ευκαιρίες και προκλήσεις
Η IS Group και η Arkema είναι συνιδιοκτήτες καινοτόμων τεχνολογιών λύσεων συγκόλλησης και έχουν προστατεύσει την τεχνολογία μέσω ενός αξιόπιστου χαρτοφυλακίου διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, το οποίο περιλαμβάνει ήδη πέντε αιτήσεις γαλλικών και διεθνών διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας. Η καινοτόμος λύση συγκόλλησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί με οποιαδήποτε θερμοπλαστική σύνθετη μήτρα και η IS Group επιδεικνύει την τεχνολογία μέσω σχεδίου συνεργασίας με ευρωπαϊκές και αμερικανικές εταιρείες. Για την Arkema, το επίκεντρο είναι η PEKK, η οποία σχημάτισε μια στρατηγική συμμαχία με τη Hexcel το 2018 για την ανάπτυξη ζωνών άνθρακα/θερμοπλαστικών για μελλοντικά αεροσκάφη, εστιάζοντας στην παροχή χαμηλότερου κόστους στους πελάτες και υψηλότερες ταχύτητες παραγωγής. Στο πλαίσιο της εταιρικής σχέσης, η Γαλλία θα δημιουργήσει ένα κοινό εργαστήριο έρευνας και ανάπτυξης.
Το έργο 13,5 εκατομμυρίων ευρώ, 48 μηνών υψηλής αυτοματοποίησης ολοκληρωμένων σύνθετων υλικών για προσαρμοζόμενες κατασκευές αποτελεί συνέχεια της στρατηγικής συμμαχίας μεταξύ Arkema και Hexcel. Το έργο θα βελτιστοποιήσει το σχεδιασμό και την κατασκευή υλικών που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή σύνθετων μερών, προκειμένου να επιτευχθεί ανταγωνιστικό κόστος. Θα αναπτύξει επίσης μια πιο αποτελεσματική τεχνολογία τοποθέτησης/διάταξης σύνθετων υλικών, καθώς και ένα νέο σύστημα με διαδικτυακό ποιοτικό έλεγχο για τη συναρμολόγηση των τελικών εξαρτημάτων με συγκόλληση. Οι εφαρμογές -στόχοι περιλαμβάνουν την κύρια δομή των αεροσκαφών, δομικά μέρη στην αυτοκινητοβιομηχανία και αγωγούς στη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου. Τα πλεονεκτήματα ανακύκλωσης και βιωσιμότητας που παρέχονται από τα θερμοπλαστικά υλικά είναι επίσης σημαντικά για αυτές τις αγορές και θα αποδειχθούν και θα ποσοτικοποιηθούν στο έργο.
Σε σύγκριση με το 2017, ένα από τα οφέλη που μπορούν να προσφέρουν οι καινοτόμες λύσεις συγκόλλησης είναι η μείωση της ισχύος που υπερβαίνει το 50% σε σύγκριση με τη δυναμική επαγωγική συγκόλληση. Με τη συμβατική επαγωγή, απαιτείται υψηλή ισχύς για τη θέρμανση της επιφάνειας, αλλά με τους αισθητήρες στη διεπαφή, η θερμαινόμενη επιφάνεια είναι πολύ μικρότερη και η απαιτούμενη ενέργεια είναι πολύ μικρότερη. Αυτό βοηθά επίσης να αποφευχθεί η δόνηση της ακτίνας του αυστηρού κορδονιού. Εάν η θέρμανση είναι υπερβολική, θα μαλακώσει το υλικό στην ακτίνα και θα μετακινήσει τις ίνες εκεί. Ωστόσο, εξακολουθεί να υπάρχει πρόβλημα διάχυσης θερμότητας. Για επίπεδα σχήματα, ο θερμικός έλεγχος είναι πολύ απλός, αλλά καθώς αυξάνεται η πολυπλοκότητα του σχήματος, γίνεται πιο προκλητικός. Προς το παρόν, ο κύριος στόχος είναι να συνεχίσει να αναπτύσσεται και να επιτυγχάνεται τυπικής κλίμακας συγκόλληση άνω δοκού δέρματος και το επίκεντρο εξακολουθεί να είναι η εισαγωγή της τεχνολογίας στο νέο σχέδιο ανάπτυξης αεροσκαφών.