Grupa Francuskog instituta za zavarivanje (IS) ima više od 100 godina iskustva u zavarivanju metala i trenutno postaje lider u zavarivanju termoplastičnih kompozitnih materijala. IS Group je razvila" dinamičko indukcijsko zavarivanje" proces, koji je korišten za povezivanje jednosmjernih vrpci remena s pojasom od karbonskih vlakana/ polieterketoneketona (PEKK) i omotača trupa u demonstracijskom projektu zrakoplovne termoplastične kompozite Airbus' s STELIA Aerospace.
Usprkos uspjehu ovog procesa, nema suceptora na sučelju, pa postoje ograničenja u radijusu izvedbe spojenih žica i globalnom zagrijavanju zidnih ploča. Omotač je materijal postavljen između dva spojena objekta termoplastičnog kompozitnog zavarenog spoja, a materijal se zagrijava pomoću indukcijskog svitka u zavarenom spoju. Susceptor može biti provodno tijelo zagrijano otporom ili magnetsko tijelo zagrijano histerezom. Otapa bazu na sučelju zavarivanja i pritišće podlogu zajedno tvoreći zavareni spoj velike čvrstoće. Suspenzor koji se koristi za indukcijsko zavarivanje termoplastičnih kompozita izvorno je bio metalni ekran ili rešetka, ponekad impregnirana polimerom.
IS Grupa je uspostavila partnerstvo s Arkemom, dobavljačem termoplastičnih materijala, radi zajedničkog razvoja i dobijanja patentirane tehnologije pod nazivom Wenova Innovation Solution.
Osnova inovativnih rješenja za zavarivanje
Osnova inovativnih rješenja za zavarivanje je uporaba spremišta za zagrijavanje sučelja za zavarivanje, ali to je pomični spremnik spojen na glavu za zavarivanje. Spremnik omogućuje procesu da savršeno locira područje grijanja zavara, a glava za zavarivanje s prijemnikom je pokretna, tako da nema zaostataka na sučelju i neće ometati performanse zavarene konstrukcije. U prvim iteracijama indukcijskog zavarivanja, nosač metalne mreže ostao je u zavaru, ali to nije bio željeni rezultat. Budući da su ugljična vlakna u običnim svemirskim laminatima provodljiva, najnovija tehnologija uspjela je ukloniti prijemnik, što također omogućuje upotrebu materijala od ugljičnih vlakana kao prijemnika.
Još jedna značajka inovativnog rješenja za zavarivanje je upotreba čiste termoplastične matrice ili sloja s niskim sadržajem vlakana na sučelju zavarivanja za povećanje fluidnosti smole. Temperatura taljenja i viskozitet međuslojnog sloja mogu se prilagoditi, a mogu se i funkcionalizirati kako bi se osigurala vodljivost ili izolacija kako bi se spriječila električna korozija, poput električne korozije između ugljičnih vlakana i aluminija ili čelika.
Rezultati inovativnih rješenja za zavarivanje
Koeficijent spoja ovog rješenja je 80%~ 90%. Koeficijent spoja odgovara čvrstoći zavarivanja i koristi se za metale, plastiku i kompozitne materijale. U testu smicanja u jednom krugu na dvije prethodno stvrdnute ploče zavarene zajedno ovom otopinom, dobiveno je 80% do 90% performansi nezavarene, autoklavirane referentne ploče. Ovi testovi su koristili jednosmjerne pojaseve od ugljičnih vlakana Hextow AS7 i Arkema Kepstan 7002 PEKK.
Inovativna rješenja za zavarivanje mogu se koristiti za zavarivanje bilo koje podloge: PE, PA, PEKK, PEEK i termoplastičnih kompozita ojačanih staklenim ili aramidnim vlaknima. Štoviše, komponente s bakrenim mrežama također se mogu zavariti kako bi se spriječio udar groma, što je ključ za proizvodnju svemirskih konstrukcija. Dizajn inovativnog rješenja za zavarivanje potpuno je automatiziran, s glavom za zavarivanje montiranom na robota sa 6 osi.
Kontrola temperature zavarivanja
Čest problem metalnih mrežastih prijemnika kada su izloženi magnetskom polju je neravnomjerna raspodjela temperature zavarenih dijelova. Rješenje to kontrolira pomoću susceptora za otapanje zavarivačkog sučelja, pomoću laserskog pirometra za mjerenje temperature, koji zapravo mjeri rub usisnika sa strane. Zbog toga se može znati tačna temperatura na interfejsu. Metode hlađenja se također koriste za pomoć pri kontroli temperature i osiguravaju da termoplastični materijal može potpuno kristalizirati tijekom procesa zavarivanja.
Ispitivanje zavarivanja kože žica
STELIA, podružnica Airbusa, jedan je od prvih kupaca za ovaj postupak indukcijskog zavarivanja. IS Group i Arkema proveli su posebnu studiju za STELIA, zavarivši 7 slojeva ugljikovih/PEKK žica na 14 slojeva kože i prekrivši ih bakrenim rešetkama kako bi spriječili udar groma. Krajnji cilj je zavarivanje konstrukcije duljine 30 metara, ravne linije i dvostruko zakrivljenog presjeka. Komponente su izrađene sa jednosmjernom trakom od 194 gsm, uključujući ugljična vlakna Tenax HST45 i Kepstan 7002 PEKK. STELIA navodi homogeni zavar s mehaničkim svojstvima većim od 85% referentnog materijala koji je očvrsnuo u autoklavu, a toplinska ili mehanička svojstva ljepila neće se pogoršati. STELIA je također zahtijevala razvoj robusnog procesa za promjenu debljine ljepila. IS Group je provela kemijska ispitivanja i performanse zavarenih komponenti.
IS Group i Arkema uspjeli su ispuniti zahtjeve kompanije STELIA' postigli su više od 85% čvrstoće smicanja u jednom krugu i interlaminarne čvrstoće smicanja u usporedbi s referentnim laminatom izliječenim u autoklavu. Nema širenja ili propadanja u laminatu ili zaštitnoj mreži od groma. 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 vazduhoplovnih konstrukcija može se zavariti, a dijelovi debljine 5 mm mogu se zavariti na podlogu od 5 mm.
Tehničke mogućnosti i izazovi
IS Group i Arkema suvlasnici su inovativne tehnologije rješenja za zavarivanje i tehnologiju su zaštitili pouzdanim portfeljem patenata koji već uključuje pet francuskih i međunarodnih patentnih prijava. Inovativno rješenje za zavarivanje može se koristiti sa bilo kojom kompozitnom matricom od termoplastičnih masa, a IS Group demonstrira tehnologiju kroz plan suradnje s europskim i američkim kompanijama. Za Arkemu, fokus je na PEKK -u, koji je 2018. godine sa Hexcelom uspostavio strateški savez za razvoj pojaseva od ugljika/termoplastike za buduće zrakoplove, fokusirajući se na pružanje kupcima nižih troškova i veće brzine proizvodnje. Kao dio partnerstva, Francuska će osnovati zajedničku laboratoriju za istraživanje i razvoj.
13,5 miliona eura, 48-mjesečni visoko automatizirani projekt integriranih kompozita za adaptivne strukture nastavak je strateškog saveza između Arkeme i Hexcela. Projekt će optimizirati dizajn i proizvodnju materijala koji se koriste u proizvodnji kompozitnih dijelova kako bi se postigli konkurentni troškovi. Takođe će razviti efikasniju tehnologiju postavljanja/postavljanja kompozitnih materijala, kao i novi sistem sa online kontrolom kvaliteta za sastavljanje završnih dijelova zavarivanjem. Ciljne aplikacije uključuju glavnu strukturu aviona, strukturne dijelove u automobilskoj industriji i cjevovode u industriji nafte i plina. Prednosti recikliranja i održivosti koje pružaju termoplastični materijali također su važne za ova tržišta i bit će pokazane i kvantificirane u projektu.
U odnosu na 2017. godinu, jedna od prednosti koju inovativna rješenja za zavarivanje mogu pružiti je smanjenje potrebne snage za više od 50% u usporedbi s procesom dinamičkog indukcijskog zavarivanja. Uz konvencionalnu indukciju, potrebna je velika snaga za zagrijavanje površine, ali s osjetnicima na sučelju, zagrijana površina je mnogo manja, a potrebna energija mnogo manja. Ovo također pomaže u sprječavanju vibriranja radijusa žice. Ako je zagrijavanje previše, omekšat će materijal na radijusu i premjestiti vlakna tamo. Međutim, i dalje postoji problem rasipanja topline. Za ravne oblike, termička kontrola je vrlo jednostavna, ali kako se složenost oblika povećava, postaje sve izazovnija. Trenutno je glavni cilj nastaviti s razvojem i postizanjem zavarivanja gornjih greda tipičnih razmjera, a fokus je i dalje na uvođenju tehnologije u novi plan razvoja zrakoplova.
