荷兰热塑性复合材料应用中心(TPAC)研发成功由可回收的碳纤维增强PPS制造的旋翼机检修面板。

 

研制成功后已经通过了飞行测试，这是上个“完全回收热塑性复合材料”在航空航天上的应用。面板更轻，更经济，更低成本，并可回收。

 

该面板是如何设计与制造的？TPAC作了讲解：

 

检修面板

 

为了演示热塑性复合材料的新型回收路线，我们选择了一种旋翼飞行器的整体加强型检修面板门进行详细设计、测试和实际飞行测试。设计、开发和验证遵循传统的“构建块方法”。使用的材料是从后工业废料中提取的碳纤维增强聚苯硫醚（PPS）。这种材料来自于在生产同一旋翼飞机的部件时产生的断口，因为将安装在检修面板门上。这种情况有助于控制可回收的门板门/废料材料的可追溯性。该应用程序的开发改善了回收TPC的物流和供需状况。材料数据从机械测试中收集，并用于预测面板的强度和刚度。

 

利用有限元模拟，根据零件刚度和内应力分布优化了纵梁设计。选择了一个关键的设计细节并进行了验证试验，即螺栓连接的弯曲试验。这部分包括在一个初步的制造演示，连同其他集成设计特点，如厚度过渡和各种类型的加强物。制造演示器能够测试关于设计和加工能力的制造限制。终的面板门设计已成功生产，并在组件级进行了测试。专有再制造程序包括以下步骤:

 

1.将废物切碎，切成厘米长的薄片;

 

2.同时加热和低剪切混合

 

3.等温模压成型。

 

这提供了保持长纤维的机会，因此在短循环时间内达到高机械性能的等温压缩模塑。与目前的碳/环氧树脂手涂方案相比，新产品更轻，显著地更经济，并由再生材料(纤维和基体)制成。回收的热塑性接触板已经成功地进行了飞行测试。

 

对苯二甲酰氯循环（TPC-Cycle）回收项目

 

这项创新是始于3.5年前的TPC循环回收项目的一部分。随着热塑性复合材料应用和生产的增长，产生的废弃物数量增加，达到相当大的数量。尽管热塑性复合材料的循环利用在理论上被认为是可行的，但在实际应用中却没有观察到。开发针对热塑性复合材料的回收解决方案是至关重要的，因为这种材料的高价值，以及法律和环境方面的原因。该项目针对生产废料开发了一条面向高端和大批量市场的回收路线。

 

其目标是保持热塑性复合材料的高机械性能，并以合理的成本减少对环境的影响。该项目研究从废物收集到粉碎、再处理和应用的过程步骤。它是与工业伙伴合作开发的，专注于整个价值链和每一个流程步骤。该回收解决方案的特点是周期短，净形状制造，并使生产复杂的形状，保持长纤维长度，较高的机械性能。我们做了多项演示，以展示在高价值市场（如航空航天）的可能应用。

 

价值

 

新的旋翼机门板比原来的组件更轻，它的生产成本大大降低，并且通过采用节能工艺和回收材料，产品更加可持续。对于这一应用领域，重量是至关重要的，因此是使用这类材料的主要动力。重量的减少不仅来自于材料的机械性能，而且还来自于优化几何加强的可能性，通过使用纵桁，优化了加工性能。选择纵梁的方向是为了使应力更均匀地分布在产品上，从而减少材料，从而减轻重量。与目前的碳/环氧树脂相比，这些解决方案可减少9%的重量。

 

另外一个好处是材料和工艺水平上的成本降低。大量的材料优化是通过再利用回收材料实现的，此外，所有步骤的回收解决方案大限度地提高成本效率，而不是仅仅使用原始材料的价值。因此，当把回收的部件压在原来的部件上时，成本就会大大降低。开发的回收路线提供进一步降低成本，减少生产周期的总时间。与目前的生产相比，通过采用等温、模具、快速脱模和接近净形的制造工艺，工艺时间明显缩短。

 

影响

 

这种创新带来了不同层次的共同利益。正在进行的生命周期分析(LCA)的初步结果显示，在材料、制造和使用阶段，二氧化碳显著减少。所述原料在制造过程中被回收，从而避免了处置;因此，买蝇比显著增加。此外，由于碳纤维的生产是一个能源密集型的过程，这将导致主要的二氧化碳和能源减少。与纤维回收工艺不同的是，聚合物是可回收的，这导致了更少的浪费，而且不需要清洗、上浆和重新浸渍纤维。其回收路线包括缩细、混合和压缩成型。粉碎是回收利用的行业标准，能耗低。

 

在粉碎过程中，在排放分析中没有观察到粉尘。在混合阶段，材料被有效地熔化了。压缩成型是在等温模具中进行的，与需要加热和固化循环的(循环)过程相比，它大大减少了能耗和循环时间。所述热固性接触面板的制造包括一蒸压釜步骤。取消这一步骤将导致能源和二氧化碳的大量减少。使用热塑性复合材料，加工过程中有害的挥发性有机化合物(VOCs)与热固性复合材料相比可以忽略不计。重量节省近10%，在使用阶段节省燃料。初步的生命周期分析（LCA）结果表明，能显著降低能源和二氧化碳的主要原因是重量较轻、再生材料和在脱蒸釜过程中的等温模具。

 

目前，生产过程中回收的各种材料都可以使用，例如预浸料或半浸料，但也可以使用厚固结层压板。正在研究使用寿命结束时所面临的挑战，并提出了废物污染的解决方案。通过这种方式，热塑性复合材料正在贴近循环经济的主题。

 

进一步发展

 

所开发的应用和过程表明，类似的解决方案是可能的高端产品。由于周期短，该流程也适用于比航空航天更大的市场。目前，为了评价连续生产的生产过程，需要采取一些措施。正在进行更详细的费用和环境研究;质量控制和检验也进行了检验。与此同时，一项可行性研究正在进行，以确定所采用的方法和回收路线是否可应用于其他航空航天应用，如(非结构)整流罩、罩盖和系统支架等零部件。

 

1.回收热塑性基体和纤维(即全部材料)

 

2.两位数的成本降低

 

3.大量的减小体积

 

4.快速脱釜工艺

 

5.复杂几何形状的制造

 

 

关于热塑性复合材料应用中心（TPAC）

 

热塑性复合材料应用中心（TPAC）与中小型企业在热塑性复合材料的加工、自动化和回收方面紧密合作。TPAC是一个独立的创新、研究和发展中心，旨在从应用研究的角度理解热塑性复合材料及其制造工艺。TPAC专注于热塑性复合材料和相关技术的应用，为中小企业开发概念证明。

 

TPAC通过提供专业技术和生产设施，为那些想要在热塑性复合材料方面创新的地区和公司提供了温床。与萨克森应用科学大学有直接联系的TPAC进一步积极参与教育，从而为市场提供具有热塑性复合材料新技术的年轻专业人员。