DLR Instituut voor Structuren en Ontwerp Verbetert Thermoplastische Composiet Rumpstechnologie

Als onderdeel van het "LuFoV-3 TB-Rumpf" project, wordt de autoclavevrije consolidatie van thermoplastische prepreg laminaten en weerstandslassen verder ontwikkeld en gevalideerd als technologieblokken voor toekomstige vliegtuigrumpen. Dit werk wordt uitgevoerd door het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR), Instituut voor Structuren en Ontwerp (Instituut BT) in Stuttgart, in samenwerking met partners uit de luchtvaartindustrie, waaronder Airbus en andere onderzoeksinstituten.

DLR Instituut BT heeft een volledig geïntegreerde rumpfkruising gedemonstreerd, bestaande uit huid, stringers, frame en klemmen. De demonstrator is gebaseerd op een out-of-autoclave (OOA) geconsolideerde gebogen huid met geco-consolideerde stringers en integratie van frames en klemmen via weerstandslassen. De lassen zijn gekarakteriseerd door mechanische tests en de letsellijn is verder onderzocht met een optische microscoop.

TB-Rumpf verrijpt OOA consolidatie en lassen

De stand van de techniek voor consolidatie van grootvlakkige onderdelen van continu vezelversterkte hoge-temperatuur thermoplasten (bijv. polyaryletherketon of PAEK) is autoclave consolidatie. Echter, door een geoptimaliseerde procesopstelling en afgestemde procescontrole, is het mogelijk om volledige consolidatie te bereiken met alleen temperatuur en vacuümdruk. Het gebruik van zelfverwarende vormen of ovens kan de noodzaak voor een autoclave elimineren en dus kostenvoordelen genereren. Het TB-Rumpf project heeft als doel het proces genaamd VCT (Vacuum Consolidation Technique) te verrijpen en de procesgrenzen te bepalen, inclusief de maximaal mogelijke laminaatdikte.

Een andere sleuteltechnologie voor toekomstige toepassingen van geavanceerde thermoplastische composieten is lassen voor montage. DLR en Airbus hebben weerstandslassen geïdentificeerd als leidende technologie vanwege de mogelijkheid om hoogsterkte structuren te bereiken. Binnen het TB-Rumpf project worden het weerstandslassenproces en de benodigde laselementen geoptimaliseerd. De resulterende demonstrators worden structureel getest om de mechanische prestaties van de verbinding en de gelaste composietlaminaten te valideren.

Onderzoek naar vacuüm consolidatie techniek (VCT)

Matthias Horn, projectleider bij DLR Instituut BT, legt uit dat de TB-Rumpf demonstrator unidirectionele koolstofvezel-versterkte laag-smelt polyaryletherketon (LM-PAEK) gebruikt. Dit thermoplastische composietband wordt verwerkt met geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) met behulp van een KUKA (Augsburg, Duitsland) robot met een AFPT (Doerth, Duitsland) eind-effector en 6-kilowatt laser voor het verwarmen van de band.

OOA consolidatie met VCT: "Het doel was om de haalbaarheid van dit proces voor dikke laminaten te valideren," zegt Georg Doll, onderzoeker Instituut BT en TB-Rumpf lead voor consolidatie. "We hebben goede resultaten getoond voor laminaten tot 11 millimeter dikte, zonder poriën of andere imperfecties, gevalideerd door micrografische dwarsdoorsnedes en ultrasone inspectie. De sleutels tot dit succes zijn een geoptimaliseerde VCT opstelling, een afgestemde verwarmingscyclus en homogene en consistente prepreg kwaliteit."

OOA co-consolidatie van verstevigingselementen: Naast het gebruik van VCT voor productie van rumpfhuidpanelen zonder autoclave, heeft het TB-Rumpf project ook geslaagd in het ontwikkelen van co-consolidatie voor directe integratie van de stringer verstevigingselementen met de huid tijdens een enkele VCT procescyclus.

AFP leggen van gekromde en dubbel gekromde vormen: Laser-gebaseerd AFP als complementair proces aan VCT werd onderzocht, inclusief proces- en materiaalgrenzen (bijv. maximale bandsturing), door het produceren van dubbel gekromde laminaten van ongeveer 800 x 1200 millimeter. De resultaten van deze productieproeven kunnen gebruikt worden om OOA consolidatie te verbeteren alsook in-situ consolidatie, die tijdens AFP plaatsvindt zonder een secundaire operatie.

Weerstandslassen

"Om structurele rumpfelementen te integreren, en dus de productie van toekomstige thermoplastische rumpfconcepten haalbaar te maken, hebben we weerstandslassen onderzocht met betrekking tot verhoogde procesrobuustheid en geoptimaliseerde sterktewaarden," zegt Simon Bauer, onderzoeker Instituut BT en TB-Rumpf lead voor lassen. "De focus lag op een geoptimaliseerde laselementopstelling, gebaseerd op koolstofvezel als verwarmingselement, en verbeterde elektrische geleiding, in combinatie met de meest geschikte lasparameters, zoals de verwarmingscyclus, temperatuur, druk, stroom en spanning." Weerstandslassen werd gebruikt om de klemmen aan zowel de frame als de stringers te bevestigen; het werd ook gebruikt om de frame aan de huid te bevestigen.

Technologieblokken voor toekomstige rumpfontwerpen

"Vanwege de gedemonstreerde technologierijpheid, kunnen zowel out-of-autoclave consolidatie als weerstandslassen een belangrijke rol spelen voor toekomstige rumpfontwerpen," benadrukt Dr. Paul Jörn, hoofd van het bijbehorende Airbus project.

Om de technologieën nog dichter bij industriële toepassing te brengen, zullen in de nabije toekomst verdere uitdagende aspecten onderzocht worden in nauwe samenwerking. Voor vacuümconsolidatie zal de focus liggen op schaalvergroting en overgang naar dubbel gekromde contouren. Voor weerstandslassen zullen tolerantieaspecten en automatiseringsaspecten worden aangepakt.

De hier gepresenteerde resultaten zijn behaald binnen het TB-Rumpf onderzoeksproject (FKZ: 20W1721D) in het kader van het Federale Luchtvaartonderzoeksprogramma V-3, gefinancierd door Duitsland's Federale Ministerie van Economische Zaken en Energie.

Voor meer informatie, bezoek dlr.de/bt.