Skupina Francuskog instituta za zavarivanje (IS) ima više od 100 godina iskustva u zavarivanju metala i trenutno postaje lider u zavarivanju termoplastičnih kompozitnih materijala. IS Grupa razvila je proces "dinamičkog indukcijskog zavarivanja", koji je korišten za spajanje karbonskih vlakana / polieterketoneketona (PEKK) jednosmjernih remenskih žica i trupne kože u zrakoplovnom termoplastičnom kompozitnom demonstracijskom projektu Airbusovog STELIA Aerospacea.
Unatoč uspjehu ovog procesa, na sučelju nema susceptora, tako da postoje ograničenja u radijusnim performansama vezanih žica i globalnom zagrijavanju zidnih panela. Susceptor je materijal smješten između dva vezana predmeta termoplastičnog kompozitnog zavarenog spoja, a materijal se zagrijava indukcijskom zavojnicom u zavarenom spoju. Susceptor može biti vodljivo tijelo zagrijano otporom ili magnetsko tijelo zagrijano histerezom. Topi bazu na sučelju za zavarivanje i zajedno pritišće bazu kako bi se stvorio zavareni spoj visoke čvrstoće. Susceptor koji se koristio za indukcijsko zavarivanje termoplastičnih kompozita izvorno je bio metalni zaslon ili rešetka, ponekad impregniran polimerom.
IS Grupa uspostavila je partnerstvo s tvrtkom Arkema, dobavljačem termoplastičnih materijala, kako bi zajednički razvili i dobili patentiranu tehnologiju pod nazivom Rješenje za inovacije za zavarivanje.
Osnova inovativnih rješenja za zavarivanje
Osnova inovativnih otopina za zavarivanje je uporaba susceptora za zagrijavanje sučelja za zavarivanje, ali to je pokretni susceptor spojen na glavu za zavarivanje. Susceptor omogućuje procesu savršeno lociranje područja grijanja zavarenog zavarivanja, a glava za zavarivanje sa susceptorom je pokretna, tako da u sučelju nema ostataka i neće ometati performanse zavarene konstrukcije. U ranim iteracijama indukcijskog zavarivanja, metalni mrežni susceptor ostao je u zavarenom, ali to nije bio željeni rezultat. Budući da su karbonska vlakna u običnim zrakoplovnim laminatima vodljiva, najnovija tehnologija uspjela je eliminirati susceptor, koji također omogućuje uporabu materijala od ugljičnih vlakana kao susceptora.
Još jedna značajka inovativne otopine za zavarivanje je uporaba čiste termoplastične matrice ili sloja s niskim sadržajem vlakana na sučelju za zavarivanje kako bi se povećala fluidnost smole. Temperatura taljenja i viskoznost sloja sučelja mogu se podesiti, a može se i funkcionalizirati kako bi se osigurala vodljivost ili izolacija kako bi se spriječila električna korozija, kao što je električna korozija između karbonskih vlakana i aluminija ili čelika.
Rezultati inovativnih rješenja za zavarivanje
Zajednički koeficijent ove otopine je 80%~90%. Koeficijent spoja odgovara čvrstoći zavarivanja i koristi se za metale, plastiku i kompozitne materijale. U ispitivanju smicanja s jednim krilom na dvije prethodno zavarene ploče pomoću ove otopine dobiveno je 80% do 90% performansi nepoželjne, autoklavirane referentne ploče. Ovi testovi koristili su jednosmjerne pojaseve izrađene od hextow AS7 karbonskih vlakana i Arkeme Kepstan 7002 PEKK.
Inovativna rješenja za zavarivanje mogu se koristiti za zavarivanje bilo koje vrste podloge: PE, PA, PEKK, PEEK i karbon, staklo ili termoplastični kompoziti ojačani aramidnim vlaknima. Štoviše, komponente s bakrenim rešetkama također se mogu zavariti kako bi se spriječili udari groma, što je ključ za proizvodnju zrakoplovnih konstrukcija. Dizajn inovativnog rješenja za zavarivanje potpuno je automatiziran, a glava za zavarivanje montirana je na 6-osnog robota robotske ruke.
Kontrola temperature zavarivanja
Čest problem suceptora metalne mreže kada se podvrgava magnetskom polju je neravnomjerna raspodjela temperature zavarenih dijelova. Otopina to kontrolira pomoću susceptora za topljenje sučelja za zavarivanje, koristeći laserski pirometar za osjetiti temperaturu, koja zapravo mjeri rub susceptora sa strane. Stoga se može znati točna temperatura na sučelju. Metode hlađenja također se koriste za kontrolu temperature i osiguravanje da se termoplastični materijal može u potpunosti kristalizirati tijekom cijelog procesa zavarivanja.
Stringer test zavarivanja kože
STELIA, podružnica Airbusa, jedan je od prvih kupaca za ovaj proces indukcijskog zavarivanja. IS Group i Arkema proveli su posebnu studiju za STELIA, zavarivši 7 slojeva ugljika / PEKK žica na 14 slojeva kože i pokrivajući ih bakrenim rešetkama kako bi se spriječili udari groma. Krajnji cilj je zavariti konstrukciju duljine 30 metara, ravnu liniju i dvostruki zakrivljeni dio. Komponente su izrađene s 194 gsm jednosmjernom trakom, uključujući Tenax HST45 karbonska vlakna i Kepstan 7002 PEKK. STELIA određuje homogeni zavar s mehaničkim svojstvima većim od 85% referentnog materijala izliječenog autoklavom, a toplinska ili mehanička svojstva prianjača neće se degradirati. STELIA je također zahtijevala razvoj robusnog procesa za promjenu debljine prianja. GRUPA IS provela je kemijska ispitivanja i ispitivanja učinkovitosti na zavarenim komponentama.
IS Group i Arkema uspjeli su ispuniti zahtjeve STELIA-e, postižući više od 85% performansi čvrstoće smicanja s jednim krilom i interlaminarnog smicanja u usporedbi s referentnim laminatom izliječenim autoklavom. U sastavnim laminatima ili rešetki za zaštitu od munje nema posipanja ili razgradnje. Jedini nedostatak je brzina. STELIA zahtijeva da brzina zavarivanja bude veća ili jednaka 1 m/min. Trenutno je brzina ovog rješenja 0,3 metra u minuti. Što se tiče debljine osnovnog materijala koji se može zavariti, tipična debljina zrakoplovnih konstrukcija može se zavariti, a dijelovi debljine 5 mm mogu se zavariti na bazu od 5 mm.
Tehničke mogućnosti i izazovi
IS Group i Arkema su suvlasnici tehnologije inovativnih rješenja za zavarivanje i zaštitili su tehnologiju kroz pouzdan portfelj patenata, koji već uključuje pet francuskih i međunarodnih patentnih prijava. Inovativno rješenje za zavarivanje može se koristiti s bilo kojom termoplastičnom kompozitnom matricom, a IS Grupa demonstrira tehnologiju kroz plan suradnje s europskim i američkim tvrtkama. Za Arkemu je fokus na PEKK-u, koji je 2018. godine uspostavio strateški savez s Hexcelom za razvoj ugljičnih/termoplastičnih pojaseva za buduće zrakoplove, s naglaskom na pružanje kupcima nižih troškova i bržih brzina proizvodnje. U sklopu partnerstva Francuska će uspostaviti zajednički istraživački i razvojni laboratorij.
13,5 milijuna eura vrijedan, 48-mjesečni visoko automatizirani projekt integriranih kompozita za adaptivne strukture nastavak je strateškog savezništva Arkeme i Hexcela. Projektom će se optimizirati projektiranje i proizvodnja materijala koji se koriste u proizvodnji kompozitnih dijelova kako bi se postigli konkurentni troškovi. Također će razviti učinkovitiju tehnologiju postavljanja / rasporeda kompozitnog materijala, kao i novi sustav s online kontrolom kvalitete za sastavljanje konačnih dijelova zavarivanjem. Ciljane primjene uključuju glavnu strukturu zrakoplova, strukturne dijelove u automobilskoj industriji i cjevovode u naftnoj i plinskoj industriji. Prednosti recikliranja i održivosti koje pružaju termoplastični materijali također su važne za ta tržišta te će se pokazati i kvantificirati u projektu.
U usporedbi s 2017. godinom, jedna od prednosti koju inovativna rješenja za zavarivanje mogu pružiti je smanjenje potrebne snage za više od 50% u usporedbi s dinamičkim postupkom indukcijskog zavarivanja. Kod konvencionalne indukcije potrebna je velika snaga za zagrijavanje površine, ali sa susceptorima na sučelju, zagrijana površina je mnogo manja i potrebna energija je mnogo manja. To također pomaže spriječiti vibriranje radijusa žice. Ako je grijanje previše, omekšat će materijal na radijusu i premjestiti vlakna tamo. Međutim, još uvijek postoji problem rasipanja topline. Za ravne oblike, toplinska kontrola je vrlo jednostavna, ali kako se složenost oblika povećava, postaje sve izazovnija. Trenutno je glavni cilj nastaviti razvijati i postići tipično zavarivanje gornje grede kože, a fokus je i dalje u uvođenju tehnologije u novi plan razvoja zrakoplova.