荷蘭熱塑性復合材料應用中心(TPAC)研發成功由可回收的碳纖維增強PPS制造的旋翼機檢修面板。

 

研制成功后已經通過了飛行測試，這是上個“完全回收熱塑性復合材料”在航空航天上的應用。面板更輕，更經濟，更低成本，并可回收。

 

該面板是如何設計與制造的？TPAC作了講解：

 

檢修面板

 

為了演示熱塑性復合材料的新型回收路線，我們選擇了一種旋翼飛行器的整體加強型檢修面板門進行詳細設計、測試和實際飛行測試。設計、開發和驗證遵循傳統的“構建塊方法”。使用的材料是從后工業廢料中提取的碳纖維增強聚苯硫醚（PPS）。這種材料來自于在生產同一旋翼飛機的部件時產生的斷口，因為將安裝在檢修面板門上。這種情況有助于控制可回收的門板門/廢料材料的可追溯性。該應用程序的開發改善了回收TPC的物流和供需狀況。材料數據從機械測試中收集，并用于預測面板的強度和剛度。

 

利用有限元模擬，根據零件剛度和內應力分布優化了縱梁設計。選擇了一個關鍵的設計細節并進行了驗證試驗，即螺栓連接的彎曲試驗。這部分包括在一個初步的制造演示，連同其他集成設計特點，如厚度過渡和各種類型的加強物。制造演示器能夠測試關于設計和加工能力的制造限制。終的面板門設計已成功生產，并在組件級進行了測試。專有再制造程序包括以下步驟:

 

1.將廢物切碎，切成厘米長的薄片;

 

2.同時加熱和低剪切混合

 

3.等溫模壓成型。

 

這提供了保持長纖維的機會，因此在短循環時間內達到高機械性能的等溫壓縮模塑。與目前的碳/環氧樹脂手涂方案相比，新產品更輕，顯著地更經濟，并由再生材料(纖維和基體)制成?；厥盏臒崴苄越佑|板已經成功地進行了飛行測試。

 

對苯二甲酰氯循環（TPC-Cycle）回收項目

 

這項創新是始于3.5年前的TPC循環回收項目的一部分。隨著熱塑性復合材料應用和生產的增長，產生的廢棄物數量增加，達到相當大的數量。盡管熱塑性復合材料的循環利用在理論上被認為是可行的，但在實際應用中卻沒有觀察到。開發針對熱塑性復合材料的回收解決方案是至關重要的，因為這種材料的高價值，以及法律和環境方面的原因。該項目針對生產廢料開發了一條面向高端和大批量市場的回收路線。

 

其目標是保持熱塑性復合材料的高機械性能，并以合理的成本減少對環境的影響。該項目研究從廢物收集到粉碎、再處理和應用的過程步驟。它是與工業伙伴合作開發的，專注于整個價值鏈和每一個流程步驟。該回收解決方案的特點是周期短，凈形狀制造，并使生產復雜的形狀，保持長纖維長度，較高的機械性能。我們做了多項演示，以展示在高價值市場（如航空航天）的可能應用。

 

價值

 

新的旋翼機門板比原來的組件更輕，它的生產成本大大降低，并且通過采用節能工藝和回收材料，產品更加可持續。對于這一應用領域，重量是至關重要的，因此是使用這類材料的主要動力。重量的減少不僅來自于材料的機械性能，而且還來自于優化幾何加強的可能性，通過使用縱桁，優化了加工性能。選擇縱梁的方向是為了使應力更均勻地分布在產品上，從而減少材料，從而減輕重量。與目前的碳/環氧樹脂相比，這些解決方案可減少9%的重量。

 

另外一個好處是材料和工藝水平上的成本降低。大量的材料優化是通過再利用回收材料實現的，此外，所有步驟的回收解決方案大限度地提高成本效率，而不是僅僅使用原始材料的價值。因此，當把回收的部件壓在原來的部件上時，成本就會大大降低。開發的回收路線提供進一步降低成本，減少生產周期的總時間。與目前的生產相比，通過采用等溫、模具、快速脫模和接近凈形的制造工藝，工藝時間明顯縮短。

 

影響

 

這種創新帶來了不同層次的共同利益。正在進行的生命周期分析(LCA)的初步結果顯示，在材料、制造和使用階段，二氧化碳顯著減少。所述原料在制造過程中被回收，從而避免了處置;因此，買蠅比顯著增加。此外，由于碳纖維的生產是一個能源密集型的過程，這將導致主要的二氧化碳和能源減少。與纖維回收工藝不同的是，聚合物是可回收的，這導致了更少的浪費，而且不需要清洗、上漿和重新浸漬纖維。其回收路線包括縮細、混合和壓縮成型。粉碎是回收利用的行業標準，能耗低。

 

在粉碎過程中，在排放分析中沒有觀察到粉塵。在混合階段，材料被有效地熔化了。壓縮成型是在等溫模具中進行的，與需要加熱和固化循環的(循環)過程相比，它大大減少了能耗和循環時間。所述熱固性接觸面板的制造包括一蒸壓釜步驟。取消這一步驟將導致能源和二氧化碳的大量減少。使用熱塑性復合材料，加工過程中有害的揮發性有機化合物(VOCs)與熱固性復合材料相比可以忽略不計。重量節省近10%，在使用階段節省燃料。初步的生命周期分析（LCA）結果表明，能顯著降低能源和二氧化碳的主要原因是重量較輕、再生材料和在脫蒸釜過程中的等溫模具。

 

目前，生產過程中回收的各種材料都可以使用，例如預浸料或半浸料，但也可以使用厚固結層壓板。正在研究使用壽命結束時所面臨的挑戰，并提出了廢物污染的解決方案。通過這種方式，熱塑性復合材料正在貼近循環經濟的主題。

 

進一步發展

 

所開發的應用和過程表明，類似的解決方案是可能的高端產品。由于周期短，該流程也適用于比航空航天更大的市場。目前，為了評價連續生產的生產過程，需要采取一些措施。正在進行更詳細的費用和環境研究;質量控制和檢驗也進行了檢驗。與此同時，一項可行性研究正在進行，以確定所采用的方法和回收路線是否可應用于其他航空航天應用，如(非結構)整流罩、罩蓋和系統支架等零部件。

 

1.回收熱塑性基體和纖維(即全部材料)

 

2.兩位數的成本降低

 

3.大量的減小體積

 

4.快速脫釜工藝

 

5.復雜幾何形狀的制造

 

 

關于熱塑性復合材料應用中心（TPAC）

 

熱塑性復合材料應用中心（TPAC）與中小型企業在熱塑性復合材料的加工、自動化和回收方面緊密合作。TPAC是一個獨立的創新、研究和發展中心，旨在從應用研究的角度理解熱塑性復合材料及其制造工藝。TPAC專注于熱塑性復合材料和相關技術的應用，為中小企業開發概念證明。

 

TPAC通過提供專業技術和生產設施，為那些想要在熱塑性復合材料方面創新的地區和公司提供了溫床。與薩克森應用科學大學有直接聯系的TPAC進一步積極參與教育，從而為市場提供具有熱塑性復合材料新技術的年輕專業人員。