DigiProp drijft duurzame innovatie voor Dowty Propellers en hun klanten

Dowty Propellers (Gloucester, VK), een wereldleider in composietschroefsystemen en onderdeel van GE Aviation (Cincinnati, Ohio, VS), heeft de succesvolle voltooiing aangekondigd van zijn grootste schroefonderzoeks- en ontwikkelprogramma: DigiProp. Dowty leidde het vierjarige, £20 miljoen "Digital Propulsion"-programma, dat streeft naar innovatie in elk aspect van het ontwerp, de productie en de test van zijn schroefsystemen.

Het evolueren van testmethoden om de operationele omgeving beter weer te geven, was een focusgebied in het DigiProp-programma.

DigiProp werd gefinancierd door de Britse overheid, in samenwerking met drie van de Britse High Value Manufacturing Catapult-centra: het Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC, Sheffield) van de Universiteit van Sheffield, The Manufacturing Technology Centre (MTC, Coventry) en The National Composites Centre (NCC, Bristol). Behaalde vooruitgang omvat het opschalen van triaxiale vlechting voor complexe geometrieën, de ontwikkeling van een geautomatiseerd schuimthermoformproces als alternatief voor gieten of frezen, en het succesvolle gebruik van robotgestuurde ultrasonische trimmen voor koolstofvezel-prevormen. Aanvullende ontwikkelingen omvatten:

• Triaxiale vlechting werd op industriële schaal ontwikkeld, waarbij de richtingsgebonden eigenschappen van geavanceerde composieten worden benut om prestaties en sterkte te leveren, terwijl de voordelen van lichtgewicht maximaal worden benut voor een algehele gewichtsreductie van het blad.
• Thermoplastische composieten werden ontwikkeld, wat hergebruik, afvalreductie en hergebruik van hulpmiddelen mogelijk maakt, wat de streven naar koolstofneutraliteit ondersteunt.
• Invoering van een digitale tweeling tijdens de ontwikkeling van Dowty Propellers' nieuwe fabriek optimaliseerde niet alleen de voetafdruk van de fabriek, maar identificeere ook procesknelpunten voor verminderde productietijd en energieverbruik, verbeterde first-time yield-prestaties en versnelde time-to-market voor klanten.
• Via complexe datamodellen zijn aerodynamische en akoestische prestatieverbeteringen nu beschikbaar voor Dowty Propellers' klanten en heeft de creatie van een digitale draad de basis gelegd voor het gebruik van big data.

AMRC over schuimthermoformeren, vlechten en ultrasonisch trimmen

"Door het DigiProp-programma kon het AMRC Composite Centre de grenzen van wat mogelijk is met composietproductie verleggen," zegt Dr. Matt Smith, technisch lead voor composietsimulatie bij AMRC. "Met schuimthermoformeren is dit complexiteitsniveau iets wat we bij AMRC eerder niet hebben gedaan. Dowty Propellers was erg geïnteresseerd en onder de indruk van de resultaten en wilde dit werk voortzetten na het einde van DigiProp."

"We hebben ook geslaagd in het ontwikkelen van onze triaxiale vlechtcapaciteit," zegt Smith, "en de uitdagingen van het opschalen van de productie overwonnen. We begonnen met kleinschalige proeven aan de Universiteit van Manchester met eenvoudige buisvormige structuren en vorderden tot echte luchtprofielgeometrie met de vlecht die in staat was om zich aan de complexe vorm aan te passen die door Dowty Propellers was gespecificeerd."

Het AMRC Composite Centre-team heeft ook de haalbaarheid bewijzen van het samen naaien van stapels materiaal vóór het vormgeven. Hierop volgt het trimmen tot afmeting met een ultrasonisch mes gemonteerd op een robotarm. "Het ultrasonisch trimmen was echt succesvol," zegt Smith. "De voordelen van deze technologie zijn dat materiaalstapels op een efficiënte manier worden gestabiliseerd en het ultrasonische snijproces multiaxiale snijvereisten kan aan."

"Het parametrische schroefsystemenmodel dat we hebben ontwikkeld, stelt ons in staat om aanzienlijk meer variabelen te gebruiken dan een menselijke ooit kan berekenen, wat ons in staat stelt duizenden jaren handmatige berekening in een paar weken te leveren," legt Jonathan Chestney, engineering lead bij Dowty Propellers, uit. "Dit geeft onze klanten een snellere ontwerprespons en een hoger niveau van ontwerpoptimalisatie dan ooit tevoren."

AMRC zoekt nu naar toekomstige projecten in schuimthermoformeren en ultrasonisch trimmen.

NCC over commingled koolstof/TP en blaasvormen

Als onderdeel van DigiProp, beoordeelde het NCC-team de bladproductieworkflow, waarbij verschillende technologieën en processen werden verkend om zo veel mogelijk flexibiliteit in het ontwerp van nieuwe bladstructuren te creëren.

NCC ontwierp en produceerde vervolgens volschaal prototypes van een turboprop-vliegtuigschroefblad alsook een nieuw productieproces dat blaasvormen combineert met triaxiale vlechting van commingled thermoplastische en koolstofvezelversterkingen. Voor het blaassysteem wordt een wasvorm gecoat met silicone gebruikt als mandrel voor overvlechten.

Verschillende materiesamenstellingen moesten getest worden omdat het blad duurzaam en vrij van oppervlaktedefecten moest zijn. De droge vezelprevorm moest ook zijn vorm behouden en niet zakken, vervormen of verplaatsen wanneer hij rond de mandrel werd gelegd. Dit om de juiste positionering en uitlijning van de vezels te garanderen om aan de ontwerpeisen en prestatievereisten van het blad te voldoen.

Het productieproces voor het thermoplastische blad vereiste de ontwikkeling van een starre mandrel voor vlechten die gemakkelijk uit de vorm kon worden verwijderd, maar waar een opblaasbare silicone blaas na het prevormen achterblijft. Deze zou de toepassing van interne druk voor consolidatie tijdens harden mogelijk maken. De silicone-gecoate wasvorm bood een oplossing, maar de dikte van de silicone moest geoptimaliseerd worden om falen van de blaas en onvolledige consolidatie van het composietblad te voorkomen.

Door thermoplastieken te gebruiken, verminderde NCC de hardcyclus tot ongeveer vijf minuten vergeleken met vier uur voor typische thermoharsende epoxiharsen. In één iteratie verwijderde NCC schuimkern uit de bladconstructie, met een gewichtsreductie en verbetering van zowel vermoeidingslevensduur als impactweerstand als resultaat. In totaal werden zes prototype schroefbladen ontwikkeld, waarbij telkens voortgebouwd werd op en verbeterd werd in ontwerp- en productietechnieken.

NCC rapporteert dat 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 herbruikbare composietcomponenten voor kleinere elektrische luchtvaartuigen. Dit werk heeft geleid tot een vervolgproject, de Novel Composite E-Bike, waarin NCC samenwerkt met de Bristol-gebaseerde mountainbike-fabrikant Starling Cycles en Composite Braiding, een leider in thermoplastische composietvlechttechnologie.

Toekomstige technologie nu ingezet

"Dit is het grootste onderzoeksproject dat we ooit bij Dowty hebben ondernomen en het had niet beter getimt kunnen zijn," zegt Henry Johnston, president bij Dowty Propellers. "We hebben nu een geavanceerde suite van nieuwe technologieën, wat ons goed positioneert voor de duurzame platformversnelling die na Covid plaatsvindt."

"Dit project heeft innovaties in propulsieprestaties en kosten geleverd door ontwerp en productiviteit, wat R&D voor schroeven heeft getransformeerd," zegt Mark Scully, Head of Technology for Advanced Systems & Propulsion bij het Aerospace Technology Institute. "Met de hulp van de High Value Manufacturing Catapult-partners is de productie-innovatie geïmplementeerd in de nieuwe state-of-the-art Dowty-faciliteit in Gloucester."

De sprong in productiecapaciteit die door het consortium is gemaakt, opent nieuwe mogelijkheden om de Britse luchtvaartschroefproductie te laten groeien door composiettechnologie te combineren met industriële digitalisering om productiekosten te verlagen en de prestaties van toekomstige propulsiesystemen in Europa's €200 miljard luchtvaartsector te verhogen.

Dowty Propellers begint nu de in DigiProp gerealiseerde technologieën te gebruiken voor zich ontwikkelende vliegtuigtoepassingen en om next-generation platforms te targeten. Potentiële klanten profiteren van het vermogen van het bedrijf om trade studies te ondersteunen met korte doorlooptijden voor prestatieanalyses.

Dowty benadrukt dat DigiProp niet mogelijk zou zijn geweest zonder steun en financiering van het ATI-programma, een gezamenlijke Britse overheid- en industrie-investering om de competitieve positie van het land in civiele luchtvaartontwerp en -productie te behouden en te laten groeien. Het ATI-programma, uitgevoerd via een partnerschap tussen het Aerospace Technology Institute (ATI), Department for Business, Energy & Industrial Strategy (BEIS) en Innovate UK, adressen technologische, capaciteits- en supply chain-uitdagingen.