Air Force Labs innoveren motorinlaatduct-productie met gevlochten preforms & fase-veranderende tooling

Foto: Air Force Research Laboratory

In maart 2020 kondigde het Air Force Research Laboratory (AFRL; Dayton, Ohio, VS) aan dat zijn Manufacturing and Industrial Technologies Division had samengewerkt met Cornerstone Research Group (Dayton), A&P Technology (Cincinnati, Ohio, VS) en Spintech LLC (Xenia, Ohio, VS) aan onderzoek om de voordelen te kwantificeren van het vervangen van legacy-productieprocessen door nieuwe processen voor de fabricage van een 11-voet (3,35 meter) lang, S-vormig motorinlaatduct voor onbemande vliegtuigensystemen. Een van de gestelde doelstellingen van het programma is om de kosten- en productietijdvoordelen te begrijpen door de introductie van de nieuwe tooling- en verwerkingsoplossingen.

Foto: Air Force Research Laboratory

De inlaatduct — een holle buisvormig onderdeel van het vliegtuig dat soepel luchtstroom naar de vliegtuigmotor zorgt — werd eerder gefabriceerd door een composiet-prepreg met de hand op een multi-stuk staal mandrel aan te brengen. De mandrel en materiaal zouden dan in een autoklaaf uitgehard worden.

In het nieuwe proces wordt droge koolstofvezel toegepast, met behulp van A&P Technology's geautomatiseerde overbraid-proces, op een mandrel gemaakt van Spintech's Smart Tooling vormgeheugen-polymeer (SMP) tooling. De resulterende preform wordt geïmpregneerd met lage-kost epoxy door vacuum-geassisteerde resin transfer molding (RTM).

In het Smart Tooling-proces (zie video hieronder, of een demonstratie van het product hier), zodra de droge koolstofvezel op het rigide polymeer-gereedschap is aangebracht, worden vacuümzakken rond de buitenkant en door het holle centrum van het gereedschap geplaatst. Het onderdeel wordt in een oven geplaatst waar verwarmde hars onder druk wordt toegepast, en vervolgens uitgehard. Na uitharding, wordt het Smart Tooling-gereedschap gebracht tot zijn elastische temperatuur, waarop het gemakkelijk uit het voltooide composietonderdeel geëxtraheerd kan worden, opnieuw gevormd, en vervolgens afgekoeld om het materiaal weer te solidificeren voor hergebruik.

Vanwege de geometrische complexiteit van de inlaatduct, werden meerdere iteraties verwacht voor optimalisatie van de overbraiding-procesinstellingen om composietmateriaal-krullen te minimaliseren, wat resulteerde in vier inlaatducten in totaal om te vergelijken met de kosten en productietijd van het legacy-onderdeel. A&P's QISO triaxiale braid was de dominante architectuur die in de preform toegepast werd.

Het algehele programma-doel is levering van de finale inlaatduct aan de VS-overheid voor integratie in de Aerospace System's Directorate's airframe-ontwerp- en productieprogramma, met verdere testen van de structuur uitgevoerd door de Aerospace Vehicles Division.