Rolf Lundström David Mattsson Patrik Fernberg Hybridfogar mellan komposit och metall inom flyg- och rymdindustrin (Alternativ metod foga komposit mot metall) Rolf Lundström David Mattsson Patrik Fernberg Jag ska tala om … Läs. Vi, SwereaSicomp har gjort en inledande studie, där vi gjort en 1:a utvärdering av en alternativ metod för att foga komposit mot metall. Det vi gjort är enbart en 1.a utvärdering, men hitills ser det bra ut man vi är ganska långt ifrån att dra några säkra slutsatser. Grovt förenklat så är detaljer, i titan tillverkade, dessa har pinnar som gjuts fast i komposit och vi tror att man på det sättet kan skapa en stark fog.

Innehåll Inledning Inledande analys Utförd tillverkning och provning Ide och behov Friformning av titan med EBM, (”Arcams metod”) Hypotesen som ska prövas Info om projektet Budget, projektpartners mm Inledande analys Placering av pinnar Utformning av pinnar Utförd tillverkning och provning Enkelt överlappstest Rent dragprov (puckprov) Övriga möjligheter Utformning Tillämpning i verkliga produkter Innehålllet i presentationen är …Läs. Projektet är en så kallad hypotesprövning, i vår ansökan specade vi en hypotes som skulle prövas. 4/3/2017 Presentation av Swerea SICOMP

Kompositer - titandetaljer God vidhäftning Speciell yta Porositet Ide och behov SwereaSICOMP – Arcam Kompositer - titandetaljer God vidhäftning Speciell yta Porositet Skelettvävnaden ”växer fast” Ide: Varför inte låta komposit ”växa fast” i titanet och på så sätt skapa en bra fog mellan metall och komposit. Sicomp har kontakt med ett företag som friformar titanprodukter speciellt för att användas som implantat i människokroppen. Fördelen med implantat tillverkade med denna metod är att en mycket god vidhäftning åstadkoms på grund av att en speciell yta och porositet kan åstadkommas i titandetaljerna. Vilket leder till att skelettvävnaden ”växer fast” i titanet. Detta gav ideen: Varför inte låta komposit ”växa fast” i titanet och på så sätt skapa en bra fog mellan metall och komposit. Detta har potentialen att bli en ny sammanfogningsmetod för metall mot komposit. Där kompositen gjuts direkt mot metalldetaljen, med t.ex. vacuum-injicering, och en stark fog åstadkoms även om den limfog som uppstår mellan metall och komposit inte är av högsta hållfasthetsklass. Speciellt så borde fläk-hållfastheten kunna förbättras väsentligt jämfört med normala limfogar. Fogning av titan till kolfiber brukar betyda lim. Eller fästelement. Eller bådadera. Swerea SICOMP i Piteå tar fram ytterligare en alternativ och smart metod: hybridlaminat.

Friformning av titan med ”Arcams metod” Tillämpningar Medicinska implantat Ortopediskt Delar av kraniet Övriga skellettdelar Detaljer till rymd och flyg Övrig industri Verktyg med kylkanaler Friformning av titan med arcams metod, med EBM, ElectronBeamMelting. Detaljerar som tillverkas idag används till allra största del som implantat, t.ex. Höftleder, delar av kranie osv. Men även inom aerospace och i mindre omfattning inom industrin.

Electron Beam Melting (EBM®) En stråle med hög energi genereras i elektronstrålekanonen Strålen smälter önskad geometri i varje lager av metallpulver Extremt snabb rörelse av elektronstrålen utan rörliga delar Vacuum i processen förhindrar uppkomst av föroreningar och ger utmärkta material-egenskaper Hög temperatur (700 ºC för titan) under tillverkningen förhindrar uppkomst av restspänningar. –> Ingen efterföjande värmebehandling behövs Låga operatörskostnader, ingen övervakning är nödvändig Nederst finns en behållare, i den läggs ett tunnt lager med titanpulver. En elektronstråle smälter de delar av pulvret som man vill ska smälta. Ett nytt tunt lager läggs ut och en nytt scan med elektronstrålen görs och smälter en ny mängd pulver. På så sätt att det smälter ihop med hela eller delar av det tidigare smälta pulvret, som nu har stelnat. På så sätt byggs en struktur upp. Elektronstrålen, som innehåller mycket energi, alstras i en elektron kanon. Strålen fokuseras och styrs. Hela processen sker under vakum, vilket ger mycket bra materialparametrar. Det är tunna lager som snabbt byggs upp och strålen rör sig med hög hastighet. Utfrån en godtycklig 3-d geometri från t.ex. 3-d-cad är det enkelt att styra maskinen så att i stort sett vilka geometrier som helst kan tillverkas, ner till någon eller max några tondels mm i godstjocklek. Temperaturen inne i maskinen är hög, på så sätt undviks inre spänningar i den färdiga produkten. Och det är helt datorstyrt, ingen mänsklig tillsyn behövs under själva tillverkningen.

Exempel på produkt Höftled CE-certified since 2007 Material: Ti6Al4V Build time: 16 cups in 16 hours Läs Courtesy of Adler Ortho s.p.a.

Projekt Budget: 500 kSEK Partners Övriga intressenter Projektet syftar till att undersöka möjligheten att konstruera fogar mellan titan och komposit med förmågan att motstå höga mekaniska spänningar Budget: 500 kSEK Partners SwereaSICOMP ARCAM Övriga intressenter Volvo Aero Ruag space Finansiering av Vinnova Läs 4/3/2017 Presentation av Swerea SICOMP

Mekanisk provning / Beräkning / Utvärdering Hypotesprövning Två olika sorters provstavar tillverkas och provas En typ med huvudsakligen skjuvbelastning Single overlap test En typ med huvudsakligen dragbelastning (fläk) ”Puckprov” FEM-analyser av provad geometri Brottanalyser och utvärdering av prov Dessutom är tillverkningsprov gjorda, olika konstruktionsideer är utvärderade, mm Hyposen har prövats genom att …Läs 4/3/2017 Presentation av Swerea SICOMP

Inledande analys Placering av pinnarna Mycket styva pinnar Mycket veka pinnar Om vi då tittar på 1:a fallet, med belastning i huvudsak i skjuvning. Så fungerar ett antal pinnar i en fog ungefär som en vanlig limfog. Är fogen mycket styv så kommer den allra första delen av fogen, de allra 1:pinnarna, att ta nästan all last medans de övriga pinnarna är obelastade. Är fogen mindre styv så får man en bättre kraftfördelning, så att alla pinnar tar last. Men det är ändå alltid så att de yttersta pinnarna tar mest last. Vi har inte optimerat geometrin, men vi vet att det skulle bli en bästa kraftfördelning med styva pinnar i mitten och mindre styva pinnar vid ändarna. Jämför med en ren limfog som är tjockare (vekare) vid ändarna. Även om vi inte optimerat placeringen av pinnarna så är det fullt möjligt att göra det. Det finns en viss begränsning i sammanfogningen, det gäller att kunna sticka in pinnarna i en kolfiberväv.

Inledande analys Utformning av pinnarna Vi har provat några olika diametrar på pinnar Liten diameter (< 1 mm) krävs för att de ska kunna monteras mot normala kolfibervävar Utseendet på pinnarna som en ”julgran” ger fördelarna Skjuvarean ökar (vid utdragning) Skjuvhållfasthet som i epoxyn Vidhäftning metall mot komposit blir mindre kritisk Troligare att det blir dragbrott i pinnarna (vid puckprov)

Inledande analys, peel-test Utformning av pinnarna Diameterns inverkan, Skjuvning eller dragbrott Enkla formler för att beräkna medelskjuvspänning och dragspänning vid peel-test. I verkliga fallet uppstår spänningskoncentrationer som ej tagits hänsyn till i denna jämförelse. Dessutom så är de absoluta värdena givetvis beroende av vilka materialdata som används. Beräkningen är gjord för att visa på principen och skillnaderna i brottmod som uppstår vid en förändring av diametern. Visa på kurvan. I exemplet så blir det dragbrott i pinnarna. Om man vill ha brottmoden dragbrott i pinnarna måste pinnarna ha en liten diameter Vid drag (fläkning) är bättre med många små pinnar än ett fåtal stora pinnar

Single overlap test Den tillverkade titandetaljen Enkel överlappsfog. Läs Titandetaljen ( 2mm) med dess pinnar fastgjuten i komposit (4 mm) Hela provstaven

Högsta spänningar uppstår vid ändem av fogen Single overlap test Enkel överlappsfog. I huvudsak en skjuvbelastning men även en fläkning. Visa på bilder. Det uppstår ett moment på staven, vilket ger fläk vid änden av limfogen Högsta spänningar uppstår vid ändem av fogen

Single overlap test Tillverkning av provstavar Titandetaljer tillverkas av Arcam. Efter lite experiment så går det bra. På de allra 1:a provbitarna blev pinnarna krökta och av lägre kvalitet. Men med rätta processparametrarna så går den tillverkningen bra. Kolfiberväv 0/90 anbringas mot provstaven. För de 1:a bitarna så tog det lång tid med mycket pillrande innan man kunde trä på kolfiberväven på titanpinnarna. Det var också svårt att hitta en väv som var lämpligt löst sammansatt så att det överhuvudtaget var möjligt att trä på väven på titanpinnarna. Flera lager (ca 15) lades på för varje provbit för att få en komposit 4 mm tjock. Sen injicerades epoxy , tillverkningsmetoden vacuuminjicering användes. Bitarna härdades och sågades till rätt dimensioner.

Single overlap test Foto av de tillverkade provstavarna B A Man ser en tendens till att pinnarna nästan går igenom kompositen.

Single overlap test Resultat från dragprovning, enkel överlappsfog Totalt 4 bitar är testade Provbit A med titanpinnar med diameter 0.4 Provbit B med titanpinnar med diameter 0.6 Provbit C, inga titanpinnar Provbit D, inga titanpinnar Hållfasthet A: Ca 9 kN B: Ca 22 kN C: Ca: 12 kN D: Ca: 8 kN Provbit A. Brottytan på titanpinnen är det som syns som mest lysande i bilden. Ett 0.6 mm blyertsstift ligger med som referens. Diameter på brottytan ca 0.4 mm. Alla provbitar gick sönder med ett distinkt brott. Hela fogen brast samtidigt Vi provade i ”single overlap-test” och såg en tydlig skillnad. En av de provade detaljerna höll ungefär dubbelt så mycket som de andra. Vid analys av brottytorna kunde vi se att …Läs. Provbit A, diametern på titanpinnarna i provstav B är ca 0.6 mm. 4/3/2017 Presentation av Swerea SICOMP

Single overlap test Resultat från dragprovning, enkel överlappsfog Kurvor Slutsats: Hypotesen testad på et litet antal prov. Men drar vi slutstser utifrån det så stämmer hypotesen att det blir avsevärt starkare om man i fogen lägger in titanpinnar. Med en optimering av geometri, antal och plsacering så kan npg ändå mycket högre hållfasthet nås. Slutsats: Med lämpliga titanpinnar i limfogen ökar hållfastheten

Single overlap test Resultat / Slutsatser Hållfastheten är > dubbelt så hög på provbit B jämfört med provbit A. Pinnarna påverkar brotthållfastheten. Utan pinnar är hållfastheten väsentligt lägre än med bra pinnar Fler tester behövs för att kunna dra några säkra slutsatser Provningen är utförd så att till största del uppstår skjuvning men fortfarande uppstår en stor del fläkning vilket kan vara styrande för hållfastheten. Läs Ev. Stryk sista stycket

Dragprov för att få rent drag (ren fläkning)

Framtagning av provdetaljer Arcam tar fram en 3-d geometri och sen färdiga bitar i titan Vid tillverkningen så visade det sig att det var svårt att undvika att den tunna delen blev deformerad. Därför så finns förstyvningar inlagda (som sedan tas bort innan provning). Först prov med förstyvning med rillor sen ett rör runt kanten. Det sistnämnda visade sig ge mycket god dimensionsstabilitet och bra toleranser på färdiga detaljer.

Framtagning av provdetaljer Fastgjutning i ett laminat Förklara bilder

Dragprov Kompositen ligger mot bordet i vår provmaskin och hålls fast a en ring. Drar man i öglan, rakt uppåt, via ett schackel.

Dragprov Resultat från provning (de 4 första) Högsta brottkraft = 10 kN. Lägsta brottkraft = 7 kN

Dragprov, Brottets utseende Vid provningen slets laminatet sönder. Vi har inte hunnit med att göra en noggrann brottanalys. Men jag har några provade bitar som jag kan skicka runt. Vi kommer att tillverka fler provdetaljer och prova dom. Speciellt intressant blir att prova exakt samma detaljer, men utan pinnar, då förväntar vi oss en väsentligt lägre brottkraft. Men vi har inte hunnit prova det fallet ännu.

Exempel på mer komplex detalj Som jag nämnt flera ggr titanbiten kan utformas och tillverkas med nästan vilken geometri som helst 4/3/2017 Presentation av Swerea SICOMP

Exempel på möjlig/lämplig användning Skapa en övergång mellan komposit och metall Generellt inserts / infästningsdetaljer Gångjärn i metall till kompositflygplansdörr Som jag nämnt flera ggr titanbiten kan utformas och tillverkas med nästan vilken geometri som helst 4/3/2017 Presentation av Swerea SICOMP

Avslutande sammanfattning Metoden verkar lovande för att skapa en övergång mellan komposit och metall. Det finns en stor flexibilitet I utformningen av titandetaljen Fördelen jämfört med lim- och skruvförband är att fogen skapas vid tillverkningen av kompositen Mer utveckling behövs Som jag nämnt flera ggr titanbiten kan utformas och tillverkas med nästan vilken geometri som helst 4/3/2017 Presentation av Swerea SICOMP 27 27