Airbus ontwikkelt OOA VBO achterste spar en thermoplastische ribben voor Wing of Tomorrow

Airbus (Toulouse, Frankrijk) is midden in een breed inspanning om samen te werken met aerocomposietfabrikanten aan de ontwikkeling van out-of-autoclave (OOA) structuren voor het Wing of Tomorrow (WOT)-programma. Deze structuren worden in 2021 aan Airbus geleverd en worden gemonteerd in een demonstratervleugel die getest en geëvalueerd zal worden voor potentiële toepassing in een volgende generatie single-aisle vliegtuig. Wanneer zo'n programma zou worden aangekondigd is onbekend en het onderwerp van veel speculatie, maar de gehele aerocomposiet-toeleveringsketen positioneert zich om deel te zijn van de volgende generatie vliegtuigproductie, of het nu voor Airbus of Boeing is, of voor beide.

CW heeft al eerder gerapporteerd over enkele van deze WOT-activiteiten in verhalen over de onderste vleugelvleugel die geproduceerd werd door Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, VS), en thermoplastische ribben geproduceerd door GKN Aerospace (Hoogeveen, Nederland). Nu sluit luchtvaartuigfabrikant en aerostructures-leverancier Daher (Parijs, Frankrijk) zich aan bij de WOT-inspanning, die een OOA achterste spar en vijf thermoplastische ribben voor het programma heeft ontwikkeld, geproduceerd en geleverd.

"Daher is trots om deel te nemen aan dit WOT-programma. Deze ontwikkeling bevestigt Daher's positie als een van de wereldleiders in thermoplastische technologieën en in thermoharde geïntegreerde functionele structuren, evenals een sterke partner voor vliegtuigfabrikanten en een Tier 1 voor complexe onderdelen," zegt Dominique Bailly, VP R&D bij Daher.

Hoogpresterende spar

De WOT-demonstrator, als elke commerciële vleugel, heeft verschillende spar-structuren. De achterste spar die Daher voor WOT ontwikkelde, bevindt zich buiten de tank en is de tweede van twee sparren die direct aan de romp grenzen, net boven het landingsgestel. Hij meet meer dan twee meter lang en 10 millimeter dik, en moet significante sterkte- en stijfheidseisen halen – "enige tonnen op features en diverse tientallen tonnen voor schuif- en trekbelasting in spanningsrichting," zegt Bailly – gezien de nabijheid van de romp en het landingsgestelsysteem.

Daarnaast, zegt Alexandre Condé, hoofdingenieur bij Daher die aan de spar werkte, was Airbus op zoek naar de ontwikkeling van een hooggeautomatiseerd productieproces dat het bedrijf in staat zou stellen om het vliegtuiggewicht te verminderen en kosteneffectief productiesnelheden van 60-100 shipsets per maand te halen. Daher stelde een ontwerp voor dat in staat was 15 metallische componenten en bevestigingsmiddelen te vervangen die oorspronkelijk onderdeel waren van het basale composiet-sparontwerp. "Het idee was om de meeste features te integreren om kosteneffectief te zijn en gewicht te besparen," zegt Condé.

De resulterende sparstructuur is een bijproduct van een OOA vacuum bag only (VBO) thermoharde spar die Daher in 2018 ontwikkelde voor een Dassault Aviation (Parijs, Frankrijk) businessjet. Bailly zegt dat de Dassault-spar geproduceerd werd met Hexcel's M56 epoxyhars-gebaseerde prepreg, OOA VBO verhard. Vervolgens, toen Daher betrokken raakte bij het Airbus WOT-programma, besloot het bedrijf het ontwerp, processen en rechtvaardiging van de Dassault-spar aan te passen en toe te passen op de nieuwe Airbus WOT-structuur, met selectie van de Hexcel M56 350°F verharding OOA epoxy, prepregget in Hexcel AS4 koolstofvezelweefsel en IM7 UD koolstofvezel.

Het productieproces dat gebruikt werd voor de spar-fabricatie is automated fiber placement (AFP) met een Coriolis Composites (Quéven, Frankrijk) systeem, dat materiaal aanbrengt over een mannelijke vorm. Verharding vindt plaats onder vacuümzak in een oven. Het resulterende onderdeel heeft, volgens Condé, een porositeit van 0,1%.

Condé zegt dat de prepreg gekozen werd boven vloeibare harsvorming om dezelfde reden dat prepreg de afgelopen 30 jaar een vast onderdeel is geworden van luchtvaartproductie: het biedt een consistente en betrouwbare hars/vezel-volumeverhouding die productie van onderdelen met consistente en betrouwbare afmetingen en massa mogelijk maakt. "Door deze nieuwe generatie OOA hars met alleen vacuüm te gebruiken, heb je een perfecte robuustheid in het vezelgehalte in de dikte van het composiet na verharding," zegt Condé. "Ook is het gewicht van het onderdeel heel stabiel omdat je de hars niet buiten het vezel pers."

Daher zegt het de eerste partner te zijn die, eind 2020, een WOT-onderdeel leverde – één spar aan Airbus in Bristol, VK – voor integratie in de eerste WOT-demonstrator; het bedrijf is bezig met de levering van nog twee. Naast deze demonstratiefase denkt Daher ook aan industrialisatie van spar-fabricatie en werkt aan een manufacturing system design (MSD) analyse die operaties, faciliteiten, apparatuur en personeelsbehoefte voor vol-volume productie van een volgende generatie single-aisle vliegtuig schat en simuleert.

Meerdere ribben, meerdere afmetingen

De inspanning bij Daher om ribben voor het WOT-programma te ontwikkelen is complexer en eisender geweest. Het bedrijf heeft vijf ribben van variërende afmetingen en dimensies binnen de vleugel geontworpen; de overige ribben zijn een combinatie van aluminium- en composietontwerpen, inclusief een thermoplastisch composiet rib ontworpen door GKN Aerospace.

In een eerdere samenwerking met Dassault Aviation had Daher zijn vermogen getoond om relatief kleine ribben te ontwerpen en te produceren uit thermoplastische composieten, legt Bailly uit. Met WOT heeft het bedrijf de kans gehad om zijn vaardigheden uit te breiden naar de ontwikkeling van grotere (~2 meter lange), hogere-belasting ribben.

Daarnaast, per WOT-doelen, richt Daher zich op een technology readiness level (TRL) van 6 tegen eind 2023. "Aan het einde van het WOT-programma, wanneer we hebben bewezen dat we op TRL 6 zijn voor grote ribben, tussen deze twee programma's [WOT en Dassault Aviation], zullen we hebben gedemonstreerd dat we in staat zijn de complete rib-sectie van de vleugel te dekken – dat is het idee," zegt Bailly.

"We hebben gebruikgemaakt van dit programma om naar verschillende manieren van onderdelenproductie te kijken en mechanische gedragingen te vergelijken, en ook naar de impact op de productie. Parallel werken we aan de simulatie om componentgedrag te voorspellen zoals spring-back of stamping-effect. Het doel is om proeven tijdens de ontwikkeling te reduceren, dus de non-recurring kosten," zegt Condé.

Net als de spar, begon de ontwikkeling op coupon-, element- en detailniveau, gevolgd door de productie van subschaal-onderdelen voordat de finale, levensgrote onderdelen gebouwd werden. Testen werden op elk niveau uitgevoerd, merkt Condé op, inclusief specifieke testen die door Daher voor rib-features zijn ontwikkeld.

Voor alle vijf ribben koos Daher uiteindelijk voor unidirectionele (UD) koolstofvezel/laag-smelt polyaryletherketon (PAEK) tapes geleverd door Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Californië, VS) met hars geproduceerd door Victrex (Cleveleys, Lancashire, VK). Om de ribben te produceren, worden platte blanks gemaakt met AFP gevolgd door ovenconsolidatie – in sommige gevallen worden materialen voorgeconsolideerd voordat ze gestampt worden. Indien nodig, worden extra flenzen of andere componenten mechanisch bevestigd op de gestampten onderdelen.

Elke rib is ontworpen volgens zijn positie langs de vleugel, groottespecificaties en belastingseisen (één tot 50 ton), dus elk is uniek op verschillende manieren. De grootste rib meet 2 meter lang x 1 meter breed. Ongeacht, begint elk met een plat web, dat gestampt wordt naar een "L"-vorm om een flens aan de onderkant van het onderdeel te creëren waar het verbindt met de vleugelvleugel. Voor extra stabiliteit bestonden verschillende van de ribben uit twee "L"-vormige componenten die mechanisch rug-aan-rug bevestigd werden om een "T"-vorm te vormen met bidirectionele flenzen.

Gespecialiseerde features omvatten een beugel (geproduceerd uit thermoharde composieten) voor verbinding met de flap track bevestigd aan de rib, en een reeks gaten of ply drops in bepaalde ribben om het onderdeelgewicht te verminderen.

"De hele tijd dat we ontwierpen, moesten we de complexiteit versus de kosten managen," zegt Bailly. "Dat was altijd in onze gedachten, om iets simpels maar kosteneffectiefs te doen." Eenvoud was ook cruciaal vanuit een productiesnelheidsperspectief, merkt Condé op. "Als het te complex is, zal dat niet concurrentieel zijn vanuit het klantperspectief, bij de heel hoge snelheden die ze willen hebben."

Eén uitdaging die complexiteit in het ontwerp introduceerde was de relatieve dikte van elke van de ribben – tot 12 millimeter voor de grootste rib. Dikkere stoffen neigen te rimpelen of verkeerd te vormen bij stamping, en dikke onderdelen kunnen moeilijk tot de eindvorm worden gemachineerd.

Voor bewerking gebruikte Daher een mix van waterstraalsnijden en mechanische bewerking afhankelijk van de onderdeelbehoeftes, beide om problemen in de onderdeeldikte te verhelpen en de temperatuur te managen. Bovendien, op de 12-millimeter-dikke rib, ontwierpt het team een ply-drop venster in het midden van het onderdeel om het totale onderdeelgewicht te verminderen. Naast het oplossen van deze potentiële problemen, merkt Condé op dat het ply-drop venster ook in staat stelde om "verschillende soorten productiefeatures op de onderdelen te proberen, om ons begrip van het gedrag van de onderdelen te vergroten."

Het stampvormproces bleek een nog grotere uitdaging. "We moesten een nieuwe manier van stampen bedenken om het risico op rimpelen te mitigeren," zegt Bailly. Daher ontwikkelde uiteindelijk een eigen methode om het probleem op te lossen.

Volgende stappen

Naast WOT evalueert Daher alternatieve productiemethoden voor het produceren van thermoplastische ribben, terwijl plannen worden gemaakt om een volledige productielijn voor hoog-volume productie in de toekomst te ontwikkelen.

Bijvoorbeeld, hoewel de WOT-demonstrators bevestigingsmiddelen gebruiken, merkt Bailly op dat door de overname in 2019 van thermoplastische composiet- en inductielasspecialist KVE Composites (Den Haag, Nederland), Daher de capaciteit bezit voor gelaste componenten in de toekomst. "We werken aan een ander, apart project om een hoger TRL-niveau te bereiken op UD dikke onderdelen lassen [voor gebruik in volgende generatie single-aisle vliegtuigen]," zegt hij.

Daher werkt ook aan de ontwikkeling van een volledige productielijn om in de toekomst thermoplastische ribben te produceren. "We verbeteren het concept echt en verminderen het aantal machines dat nodig is voor alle taken en reduceren proceskosten," zegt Bailly, met als doel om te komen aan de hoge-volume vliegtuigproductiedoelstellingen.