Kumpulan Institut Kimpalan Perancis (IS) mempunyai pengalaman lebih dari 100 tahun dalam mengimpal logam dan kini menjadi peneraju pengelasan bahan komposit termoplastik. Kumpulan IS mengembangkan" kimpalan aruhan dinamik" proses, yang digunakan untuk menghubungkan tali pinggang sehala serat karbon / polieterketoneketon (PEKK) dan kulit badan pesawat dalam projek demonstrasi komposit termoplastik aeroangkasa Airbus&#EL STELIA Aerospace.
Walaupun berjaya dalam proses ini, tidak ada susapan pada antarmuka, jadi terdapat batasan dalam prestasi radius tali pengikat dan pemanasan global panel dinding. Susceptor adalah bahan yang diletakkan di antara dua objek yang terikat dari sambungan terkimpal komposit termoplastik, dan bahan tersebut dipanaskan oleh gegelung induksi pada sendi yang dikimpal. Suseptor boleh menjadi badan konduktif yang dipanaskan oleh rintangan atau badan magnet yang dipanaskan oleh histeresis. Ia mencairkan pangkal pada antara muka kimpalan dan menekan pangkal bersama untuk membentuk sambungan yang dikimpal dengan kekuatan tinggi. Susceptor yang digunakan untuk pengelasan induksi komposit termoplastik pada mulanya adalah skrin logam atau grid, kadang-kadang diresapi dengan polimer.
IS Group telah menjalin kerjasama dengan Arkema, pembekal bahan termoplastik, untuk bersama-sama mengembangkan dan mendapatkan teknologi yang dipatenkan yang disebut Welding Innovation Solution.
Asas penyelesaian pengelasan yang inovatif
Asas penyelesaian pengelasan yang inovatif adalah penggunaan susapan untuk memanaskan antara muka kimpalan, tetapi ini adalah susapan bergerak yang disambungkan ke kepala kimpalan. Susceptor memungkinkan proses untuk mencari kawasan pemanasan kimpalan dengan sempurna, dan kepala kimpalan dengan susapan mudah alih, jadi tidak ada residu di antara muka dan tidak akan mengganggu prestasi struktur yang dikimpal. Pada lelaran awal pengelasan induksi, susapan mesh logam tetap berada dalam pengelasan, tetapi ini bukan hasil yang diinginkan. Oleh kerana serat karbon dalam laminasi aeroangkasa biasa bersifat konduktif, teknologi terkini dapat menghilangkan susapan, yang juga memungkinkan penggunaan bahan serat karbon sebagai susapan.
Ciri lain dari penyelesaian pengelasan yang inovatif adalah penggunaan matriks termoplastik tulen atau lapisan dengan kandungan serat rendah di antara muka kimpalan untuk meningkatkan kelancaran resin. Suhu lebur dan kelikatan lapisan antara muka dapat disesuaikan, dan juga dapat difungsikan untuk memberikan kekonduksian atau pengasingan untuk mencegah kakisan elektrik, seperti kakisan elektrik antara serat karbon dan aluminium atau keluli.
Hasil penyelesaian pengelasan yang inovatif
Pekali bersama larutan ini ialah 80% ~ 90%. Pekali bersama sepadan dengan kekuatan kimpalan dan digunakan untuk logam, plastik dan bahan komposit. Dalam ujian ricih satu pusingan pada dua plat pra-sembuh yang dikimpal bersama-sama menggunakan larutan ini, 80% hingga 90% prestasi plat rujukan yang tidak dikimpal telah diperoleh. Ujian ini menggunakan tali pinggang searah yang diperbuat daripada Hextow AS7 carbon fiber dan Arkema Kepstan 7002 PEKK.
Penyelesaian inovatif pengelasan boleh digunakan untuk mengelas jenis substrat apa pun: PE, PA, PEKK, PEEK dan komposit termoplastik bertetulang gentian karbon, kaca atau aramid. Lebih-lebih lagi, komponen dengan grid tembaga juga dapat dikimpal untuk mengelakkan serangan kilat, yang merupakan kunci pembuatan struktur aeroangkasa. Reka bentuk penyelesaian kimpalan inovatif sepenuhnya automatik, dengan kepala kimpalan dipasang pada robot lengan 6 paksi.
Kawalan suhu kimpalan
Masalah umum penyekat mesh logam apabila dikenakan medan magnet adalah taburan suhu yang tidak rata pada bahagian yang dikimpal. Penyelesaiannya mengatasinya dengan menggunakan susapan untuk mencairkan antara muka kimpalan, menggunakan pirometer laser untuk merasakan suhu, yang sebenarnya mengukur tepi suster dari sisi. Oleh itu, suhu yang tepat di antara muka dapat diketahui. Kaedah penyejukan juga digunakan untuk membantu mengawal suhu dan memastikan bahawa bahan termoplastik dapat mengkristal sepenuhnya sepanjang proses pengelasan.
Ujian kimpalan kulit stringer
STELIA, anak syarikat Airbus, adalah salah satu pelanggan pertama untuk proses pengelasan induksi ini. Kumpulan IS dan Arkema melakukan kajian khas untuk STELIA, mengimpal 7 lapisan tali pengikat karbon / PEKK ke 14 lapisan kulit dan menutupnya dengan grid tembaga untuk mengelakkan kilat. Tujuan utamanya adalah untuk mengimpal struktur dengan panjang 30 meter, garis lurus dan bahagian melengkung berganda. Komponen dibuat dengan pita searah 194 gsm termasuk serat karbon Tenax HST45 dan Kepstan 7002 PEKK. STELIA menentukan pengelasan homogen dengan sifat mekanik lebih besar daripada 85% bahan rujukan yang disembuhkan oleh autoklaf, dan sifat termal atau mekanikal dari pelekat tidak akan mengalami degradasi. STELIA juga memerlukan pengembangan proses yang mantap untuk mengubah ketebalan kepatuhan. Kumpulan IS menjalankan ujian kimia dan prestasi pada komponen yang dikimpal.
IS Group dan Arkema dapat memenuhi keperluan STELIA&# 39, mencapai lebih daripada 85% prestasi kekuatan ricih satu putaran dan kekuatan ricih interlaminar berbanding dengan lamina rujukan yang disembuhkan oleh autoklaf. Tidak ada penyebaran atau degradasi pada komponen pelindung lamina atau petir. Satu-satunya kekurangan adalah kepantasan. STELIA memerlukan kelajuan kimpalan lebih besar daripada atau sama dengan 1 m / min. Pada masa ini, kelajuan penyelesaian ini adalah 0.3 meter seminit. Dari segi ketebalan bahan asas yang dapat dikimpal, ketebalan khas struktur aeroangkasa dapat dikimpal, dan bahagian tebal 5 mm dapat dikimpal ke dasar 5 mm.
Peluang dan cabaran teknikal
IS Group dan Arkema adalah pemilik bersama teknologi penyelesaian pengelasan inovatif dan telah melindungi teknologi tersebut melalui portfolio paten yang boleh dipercayai, yang sudah merangkumi lima permohonan paten Perancis dan antarabangsa. Penyelesaian pengelasan inovatif dapat digunakan dengan matriks komposit termoplastik, dan IS Group menunjukkan teknologi melalui rancangan untuk bekerjasama dengan syarikat Eropah dan Amerika. Bagi Arkema, fokusnya adalah pada PEKK, yang membentuk pakatan strategik dengan Hexcel pada tahun 2018 untuk mengembangkan tali pinggang karbon / termoplastik untuk pesawat masa depan, dengan fokus untuk menyediakan pelanggan dengan kos yang lebih rendah dan kelajuan pengeluaran yang lebih cepat. Sebagai sebahagian daripada perkongsian itu, Perancis akan menubuhkan makmal penyelidikan dan pembangunan bersama.
Projek komposit bersepadu automatik 48 bulan bernilai 13.5 juta euro untuk struktur adaptif adalah kesinambungan dari pakatan strategik antara Arkema dan Hexcel. Projek ini akan mengoptimumkan reka bentuk dan pembuatan bahan yang digunakan dalam pengeluaran bahagian komposit untuk mencapai kos yang kompetitif. Ia juga akan mengembangkan teknologi penempatan / susun atur bahan komposit yang lebih efisien, serta sistem baru dengan kawalan kualiti dalam talian untuk memasang bahagian akhir dengan pengelasan. Aplikasi sasaran meliputi struktur utama pesawat terbang, komponen struktur dalam industri otomotif, dan saluran pipa dalam industri minyak dan gas. Kelebihan kitar semula dan keberlanjutan yang disediakan oleh bahan termoplastik juga penting bagi pasaran ini dan akan ditunjukkan dan dihitung dalam projek.
Berbanding tahun 2017, salah satu faedah yang dapat diberikan oleh penyelesaian pengelasan inovatif adalah pengurangan kuasa yang melebihi 50% yang diperlukan berbanding dengan proses kimpalan aruhan dinamik. Dengan aruhan konvensional, daya tinggi diperlukan untuk memanaskan permukaan, tetapi dengan penyokong di antara muka, permukaan yang dipanaskan jauh lebih kecil dan tenaga yang diperlukan jauh lebih sedikit. Ini juga membantu mengelakkan jejari stringer tidak bergetar. Sekiranya pemanasan terlalu banyak, ia akan melembutkan bahan pada jejari dan menggerakkan gentian ke sana. Walau bagaimanapun, masih ada masalah pelesapan panas. Untuk bentuk rata, kawalan terma sangat mudah, tetapi apabila kerumitan bentuknya bertambah, ia menjadi lebih mencabar. Pada masa ini, tujuan utamanya adalah untuk terus mengembangkan dan mencapai pengelasan rasuk atas kulit berskala khas, dan fokusnya masih untuk memperkenalkan teknologi ke dalam rancangan pengembangan pesawat baru.