DigiProp positioneert Dowty Propellers en zijn klanten voor duurzame platforms van de volgende generatie

Dowty Propellers (Gloucester, V.K.), een wereldleider op het gebied van samengestelde propellersystemen en onderdeel van GE Aviation (Cincinnati, Ohio, V.S.), heeft de succesvolle afronding aangekondigd van haar grootste onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma voor propellers:DigiProp. Dowty leidde het vierjarige, £20 miljoen "Digital Propulsion"-programma, dat elk aspect van het ontwerp, de fabricage en het testen van zijn propellersystemen wilde innoveren.

Het ontwikkelen van testmethoden om de werkomgeving beter weer te geven, is een aandachtsgebied geweest in het DigiProp-programma. Fotocredit:Dowty Propellers

DigiProp werd gefinancierd door de Britse regering, in samenwerking met drie van de High Value Manufacturing Catapult-centra van het VK:het Advanced Manufacturing Research Center van de University of Sheffield (AMRC, Sheffield), het Manufacturing Technology Centre (MTC, Coventry) en The National Composites Centrum (NCC, Bristol). De bereikte vorderingen zijn onder meer de opschaling van triaxiaal vlechten voor complexe geometrische structuren, de ontwikkeling van een geautomatiseerd thermovormproces van schuim als alternatief voor gieten of machinaal bewerken en het succesvolle gebruik van ultrasoon robotsnijden voor koolstofvezelvoorvormen. Aanvullende ontwikkelingen zijn onder meer:

• Triaxiaal vlechten is ontwikkeld op industriële schaal , waarbij gebruik wordt gemaakt van de directionele eigenschappen van geavanceerde composieten om prestaties en sterkte te leveren, terwijl de voordelen van lichtgewicht eigenschappen worden gemaximaliseerd om een ​​algehele gewichtsvermindering van het blad mogelijk te maken.
• Thermoplastische composieten zijn ontwikkeld, waardoor recycling, afvalvermindering en hergebruik van gereedschap mogelijk wordt gemaakt, wat het streven naar koolstofneutraliteit ondersteunt.
• Introductie van een digitale tweeling tijdens de ontwikkeling van de nieuwe fabriek van Dowty Propellers optimaliseerde niet alleen de voetafdruk van de fabriek, maar identificeerde ook procesknelpunten voor kortere productietijd en energieverbruik, verbeterde eerste-opbrengstprestaties en versnelde time-to-market voor klanten.
• Door complexe datamodellen, aerodynamische en akoestische prestatieverbeteringen zijn nu beschikbaar voor klanten van Dowty Propellers en het creëren van een digitale thread heeft de basis gelegd voor het gebruik van big data.

AMRC over thermovormen van schuim, vlechten en ultrasoon trimmen

"Via het DigiProp-programma heeft het AMRC Composite Center de grenzen kunnen verleggen van wat in staat is met composietproductie", zegt Dr. Matt Smith, technisch leider voor composietsimulatie bij het AMRC. “Met thermovormen van schuim is dit niveau van complexiteit niet iets dat we eerder hebben gedaan binnen het AMRC. Dowty Propellers was erg geïnteresseerd en onder de indruk van de resultaten en wilde dit werk voortzetten na het einde van DigiProp.”

AMRC's KSL robotcel met ultrasone mesbevestiging. KukaSim werd gebruikt om de ideale positie voor het gereedschap voor het optimale snijpad te bepalen. Fotocredits:Dowty Propellers, AMRC

"We zijn er ook in geslaagd onze triaxiale vlechtcapaciteit te ontwikkelen", zegt Smith, "waardoor de uitdagingen van het opschalen van de productie het hoofd worden geboden. We begonnen met kleinschalige proeven aan de Universiteit van Manchester met eenvoudige buisvormige structuren en vorderden naar een levensechte vleugelgeometrie waarbij het vlechtwerk in staat was zich aan te passen aan de complexe vorm die door Dowty Propellers is gespecificeerd."

Het AMRC Composite Center-team heeft ook de haalbaarheid bewezen van het naaien van stapels materiaal voorafgaand aan het vormen. Dit wordt gevolgd door het op maat knippen met een ultrasoon mes gemonteerd op een robotarm. "Het ultrasoon trimmen was echt succesvol", zegt Smith. "De voordelen van deze technologie zijn dat materiaalstapels op een efficiënte manier worden gestabiliseerd en dat het ultrasone snijproces de multiaxiale snijvereisten aankan."

"Het model van parametrische propellersystemen dat we hebben ontwikkeld, stelt ons in staat om veel meer variabelen te gebruiken dan een menselijke geest ooit zou kunnen berekenen, waardoor we in een kwestie van weken duizenden jaren handmatige berekening kunnen leveren", legt Jonathan Chestney, technisch leider bij Dowty propellers. "Dit geeft onze klanten een snellere ontwerpreactie en een hoger niveau van ontwerpoptimalisatie dan ooit tevoren."

AMRC is nu op zoek naar toekomstige projecten in Foam Thermoforming en Ultrasonic Trimming.

NCC over vermengd koolstof/TP en blaasvormen

Als onderdeel van DigiProp heeft het NCC-team de workflow voor de productie van bladen beoordeeld en verschillende technologieën en processen onderzocht om bladvereisten en een reeks geometrische beperkingen in te voeren om zoveel mogelijk flexibiliteit te creëren bij het ontwerpen van nieuwe bladstructuren.

NCC ontwierp en vervaardigde vervolgens prototypes op ware grootte van een propellerblad van een turbopropvliegtuig, evenals een nieuw productieproces dat blaasvormen combineert met triaxiaal vlechten van vermengde thermoplastische en koolstofvezelversterkingen. Voor het blaassysteem wordt een met siliconen gecoate wasvorm gebruikt als doorn voor het overvlechten.

Verschillende materiaalsamenstellingen moesten worden getest omdat het blad duurzaam moest zijn en vrij van oppervlaktedefecten. De voorvorm van droge vezels moest ook zijn vorm behouden en niet doorhangen, vervormen of bewegen wanneer hij rond de doorn wordt aangebracht. Dit is om de juiste positionering en uitlijning van de vezels te garanderen om te voldoen aan de bedoeling van het bladontwerp en de prestatie-eisen.

Het fabricageproces voor het thermoplastische mes vereiste de ontwikkeling van een stijve doorn voor het vlechten die gemakkelijk uit de mal kon worden verwijderd, maar die een opblaasbare siliconen blaas had na het voorvormen. Dit laatste zou het mogelijk maken om interne druk uit te oefenen voor consolidatie tijdens het uitharden. De met siliconen beklede wasvorm bood een oplossing, maar de dikte van de siliconen moest worden geoptimaliseerd om falen van de blaas en onvolledige consolidatie van het composietblad te voorkomen.

Door thermoplasten te gebruiken, verminderde NCC de uithardingscyclus tot ongeveer vijf minuten vergeleken met vier uur voor typische thermohardende epoxyharsen. In één iteratie verwijderde NCC de schuimkern van de bladconstructie, waarbij een vermindering van het gewicht en een verbetering van zowel de levensduur als de slagvastheid werd waargenomen. Er werden in totaal zes prototype propellerbladen ontwikkeld, waarbij telkens werd voortgebouwd op ontwerp- en fabricagetechnieken en deze werden verbeterd.

NCC heeft gemeld dat het werken aan het DigiProp-programma een unieke kans was om digitale productietechnologieën te ontwikkelen voor bladontwerpen met bredere toepassingen voor andere holle 3D-structuren. Voorbeelden zijn economisch recyclebare composietcomponenten voor kleinere elektrische luchtvoertuigen. Dit werk heeft geleid tot een volgend project, de Novel Composite E-Bike, waarin NCC samenwerkt met de in Bristol gevestigde mountainbikefabrikant Starling Cycles en Composite Braiding, een leider in thermoplastische composietvlechttechnologie.

Toekomstige technologie nu geïmplementeerd

"Dit is het grootste onderzoeksproject dat we ooit bij Dowty hebben ondernomen en het had niet beter getimed kunnen zijn", zegt Henry Johnston, president bij Dowty Propellers. "We hebben nu een geavanceerde reeks nieuwe technologieën, waardoor we goed gepositioneerd zijn voor de duurzame platformversnelling die post-Covid plaatsvindt."

"Dit project heeft geleid tot innovaties op het gebied van voortstuwingsprestaties en kosten door middel van ontwerp en productiviteit, wat heeft bijgedragen aan de transformatie van R&D voor propellers", zegt Mark Scully, hoofd technologie voor geavanceerde systemen en voortstuwing bij het Aerospace Technology Institute. "Met de hulp van de High Value Manufacturing Catapult-partners is de productie-innovatie geïmplementeerd in de nieuwe ultramoderne Dowty-faciliteit in Gloucester."

De stapsgewijze verandering in de productiecapaciteit die het consortium heeft gemaakt, opent nieuwe kansen om de productiebasis van lucht- en ruimtevaartpropellers in het VK uit te breiden door composiettechnologie te gebruiken met industriële digitalisering om de productiekosten te verlagen en de prestaties van toekomstige voortstuwingssystemen in de Europese luchtvaartsector van € 200 miljard te verbeteren.

Dowty Propellers begint nu de technologieën die in DigiProp zijn gerealiseerd te gebruiken voor evoluerende vliegtuigtoepassingen en om zich te richten op platforms van de volgende generatie. Potentiële klanten profiteren van het vermogen van het bedrijf om handelsstudies te ondersteunen met een korte doorlooptijd voor prestatieanalyse.

Dowty maakt duidelijk dat DigiProp niet mogelijk zou zijn geweest zonder de steun en financiering van het ATI-programma, een gezamenlijke investering van de Britse overheid en de industrie om de concurrentiepositie van het land op het gebied van ontwerp en fabricage van de civiele ruimtevaart te behouden en uit te breiden. Het ATI-programma, geleverd via een samenwerking tussen het Aerospace Technology Institute (ATI), Department for Business, Energy &Industrial Strategy (BEIS) en Innovate UK, richt zich op uitdagingen op het gebied van technologie, capaciteit en supply chain.