Optimalisatie van geautomatiseerde compositeproductie voor laag-volume luchtvaartstructuren

De fabricage van composite luchtvaartstructuren voor commercieel vliegtuigbouw bestrijkt meer dan 50 jaar en is geleidelijk gegroeid van kleinere onderdelen naar zeer grote primaire structuren – rompen, vleugels, staartgedeelten, motoren – ontwikkeld in de early 2000's voor de Boeing 787 en Airbus A350. De overgrote meerderheid van deze evolutie was afhankelijk van autoclaaf-gehardde koolstofvezel/epoxy prepregs, aanvankelijk handmatig gelegd en later via geautomatiseerd vezelplaatsen (AFP), geautomatiseerd tapelayeren (ATL) en andere machine-gebaseerde processen.

Van hoog-volume naar laag-volume automatisering

Deze materiaal- en proces (M&P) technologieën waren geschikt voor de breedrumpige 787 en A350 met bouwsnelheden van 10-15 per maand (pre-pandemie). Maar naarmate Boeing en Airbus naar de toekomst kijken en composite materialen overwegen voor primaire structuren van single-aisle vliegtuigen met verwachte bouwsnelheden van 60-100 per maand, zal ontwerp en M&P de voorkeur geven aan hoogsnelheids-, out-of-autoclave (OOA), hooggeautomatiseerde processen zoals resin transfer molding (RTM), compressiemolding en vloeibare harsinfiltratie.

Toch zal productie van composite structuren voor laag-volume vliegtuigen – regionale vliegtuigen en business jets – niet alleen voortduren, maar kunnen en moeten profiteren van dezelfde kosten-, ontwerp- en M&P-innovaties die in hoog-volume programma's worden ingezet.

OPTICOMS: Europees Clean Sky 2 programma

Met dit oogmerk lanceerde het Europese Clean Sky 2 programma OPTICOMS – Optimized Composite Structures for Small Aircraft. Het consortium wordt geleid door luchtvaartfabrikant Israel Aerospace Industries (IAI, Lod, Israël) met partners die innovatieve automatiseringstechnologieën, materialen, software, tooling en machines leveren. Het doel: evaluatie van een laag-volume productievleugelkastontwerp met geautomatiseerde fabricage, geïntegreerde structuren, OOA verharding, grootschalige structurele lijming, innovatieve productie- en montage-tooling, structurele gezondheidsmonitoring van lijmlagen en virtuele testing.

Elke keer dat we automatisering in een discussie over composites productie brengen, horen we klanten zeggen: 'Automatisering is goed, maar alleen bij grote volumes.' OPTICOMS is opgesteld om te ontdekken of automatisering gerechtvaardigd kan zijn wanneer je geen grote volumes hebt. Kan composites automatisering competitief en kosteneffectief zijn voor lage volumes? – Arnold Nathan, R&D directeur aviategroep IAI en OPTICOMS manager.

Vleugelontwerp: van clean-sheet naar geïntegreerde multi-spar

OPTICOMS ontstond uit een Clean Sky 2 verzoek van Italiaanse business jet fabrikant Piaggio Aerospace (Genova) voor een all-composite alternatieve vleugel voor de P180 Avanti negen-persoons business twin turboprop. De vleugelkast meet 6,8 m lang, 0,71 m breed bij de wortel en 0,28 m bij de top. Piaggio wilde een alternatief voor de all-metal legacy vleugelkast – met dezelfde afmetingen, maar 20% gewichtsreductie en 20-30% kostenreductie ten opzichte van conventionele composite vleugelkastproductie.

IAI en partners evalueerden drie productieprocessen van drie partners:

• Geautomatiseerd robot pick-and-place van droge en prepreg stoffen – Techni-Modul Engineering (TME, Frankrijk)
• Geautomatiseerd vezelplaatsen (AFP) van droge en prepreg tows – Coriolis Composites (Frankrijk)
• Geautomatiseerd droog materiaal plaatsen (ADMP) – Danobat (Spanje)

Ontwerpresultaten

• Integraal multi-spar (drie spars) ontwerp minimaliseert montage
• 'Werkerende' lastdragende vellen nemen mechanische spanning van spars af
• Geliede onderhuid met SHM maakt mechanische bevestigingen overbodig

Na evaluatie van >18 concepten tegen gewogen criteria (gewicht, productie-/montagekosten, complexiteit, TRL, risicoprofiel, etc.) werd geselecteerd: multi-spar/werkerende huid #2 – een hooggeïntegreerd, geco-cured bovenhuid met drie spars, gelijmd aan een onderhuid met toegangspanelen en selectief geplaatste 'back-up' ribben die de huid ondersteunen.

De meest gunstige structuren waren die met multi-spars, waar de huid lastdragend wordt. De spars worden dan simpler en dunner, niet zo zwaar als in traditionele ontwerpen. Als we de spars een constant doorsnede geven, besparen we veel problemen en afval. – Adam Sawday, structureel ontwerpingenieur IAI.

Materiaal- en proces trade studies

Uit 35 gekwalificeerde materialen werd na screening op kosten, T_g, viscositeit en geschiktheid voor geautomatiseerd leggen een shortlist van 20 gemaakt. Na mechanische testen op coupons bleven drie vezel/hars combinaties over:

1. Toray 2510 koolstofvezel/epoxy prepreg – matcht met pick-and-place en AFP
2. Hexcel HiTape koolstofvezel UD tapes + HexFlow RTM6 epoxy – matcht met AFP en pick-and-place
3. SAERTEX koolstofvezel NCF (non-crimp fabric) + Solvay PRISM EP2400 getoughede epoxy – matcht met pick-and-place of ADMP

De voorkeur voor droge vezels (en dus infusie) wordt gedreven door de uitdaging van prepreg houdbaarheid in laag-volume omgevingen. Bij laag-volume productie wil je geen grote voorraad prepreg managen met houdbaarheidsdatums. Droge vezel heeft dat probleem niet. – Nathan.

Processelectie: ADMP vs AFP vs Pick-and-Place

• Danobat ADMP – oorspronkelijk voor windturbinebladen, bewezen efficiënt in OPTICOMS, robuuster geworden, maar nog minder volwassen dan AFP voor luchtvaart.
• Coriolis AFP – volwassen, nauwkeurig, maar langere leg tijden; inline real-time inspectie in ontwikkeling.
• TME Pick-and-Place – meest effectief voor kleinere, discrete onderdelen zoals back-up ribben.

Volgende stappen: demonstrator en commercialisatie

OPTICOMS ligt op schema voor automatiserings-, kosten- en gewichtsdoelen. Er lopen nog maanden werk voor proces- en montage-evaluatie. Drie Calls for Proposals (CFP) leverden aanvullende projecten:

1. FITCoW – integraal koolstofvezel tooling voor co-cure van werkerende huid en drie spars (doel: 50% kostenreductie onderdelen, 30% toolingkosten, 20% productietijd, etc.)
2. WIBOND – lijmmontagetool met vezeloptische sensoren voor SHM van lijmlagen
3. ELADINE – software voor modellering/voorspelling van thermische anisotropie, polymerisatie-krimp, tool-part interactie, harsstroom, compactie en temperatuurgradiënten

Hoofdfocus nu: levering van een complete 6,8 m demonstrator vleugel aan Piaggio in Q2 2022 voor statische en vermoeidingstests, gevolgd door analyse en aanbeveling voor commercialisatie. IAI hoopt dat het ontwerp schaalbaar is voor andere toepassingen. We probeerden het ontwerp schaalbaar te maken voor verschillende diktes en formaten. Deze technologie moet hoogst aanpasbaar zijn. – Sawday.