STUNNING-project realiseert 8,5 meter thermoplastische vliegtuighuls, duurzame luchtvaartontwerp vooruit

Als onderdeel van de EU's Clean Sky 2 initiatief, zoekt de luchtvaartindustrie een vluchtpad naar duurzaamheid, met name door de transitie van aluminium naar koolstofvezel-versterkte composieten om vliegtuigstructuren te verbeteren en emissies drastisch te verlagen. De Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD) is zo'n programma dat in 2017 startte, samengesteld uit tientallen individuele projecten en werkpakketten (meer hierover in "Proving out LM PAEK welding for Multifunctional Fuselage Demonstrator"). In het bijzonder heeft het STUNNING-project (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe), dat de onderste vliegtuighulssectie van de MFFD moet ontwikkelen, onlangs een 8,5 meter lange vliegtuighuls geproduceerd van thermoplastieken via geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP).

STUNNING wordt geleid door GKN Fokker (Papendrecht, Nederland) met sleutelpartners Diehl Aviation (Laupheim, Duitsland), Netherlands Aerospace Centre (NLR, Amsterdam, Nederland) en Delft University of Technology (TU Delft, Delft, Nederland). Het project heeft als doel geautomatiseerde assemblageprocessen, thermoplastische productie en letseltechnologieën, geïntegreerd ontwerp en productieontwikkeling en geavanceerde elektrische systeemarchitecturen verder te verrijzen.

"Waarschijnlijk is de helft van de Europese luchtvaartindustrie betrokken bij het MFFD-project, omdat we diep ingaan op het onderzoeken van diverse productietechnieken allemaal met duurzaamheid in gedachten," beschrijft Joachim de Kruijk, senior R&D composieten ingenieur bij NLR. "In het onderzoeken van de diverse productieopties en materialen geloven we dat de beste manier om dit doel van een duurzamere vliegtuighulsstructuur te bereiken is door de nieuwe generatie thermoplastische materialen te benutten. We zien dat zo'n materiaal een verandering in productiebenadering en ontwerptechnieken kan mogelijk maken die resulteren in veel lichtere vliegtuigen, wat minder brandstofverbruik en lagere CO₂ en NO_x emissies betekent, terwijl de sterkte en veiligheid die we verwachten van traditionele aluminium vliegtuigen behouden blijft."

Een aantal moderne vliegtuigen, zoals de Airbus A350 XWB en de Boeing 787 Dreamliner, gebruiken al thermoharsende composietmaterialen in de constructie van onderdelen en beugels en zelfs de huid van de vliegtuighuls, merkt Clean Sky op. In het STUNNING-project werden experts bij GKN Fokker en NLR echter belast met het ontwerp voor productie waarmee hoge productiesnelheden van grote, structurele onderdelen voor vliegtuigen mogelijk worden.

"Een van de echte verbeteringen die door het gebruik van thermoplastieken wordt geboden, is dat tijdens het productie- en assemblageproces, in tegenstelling tot thermoharsenden, dit materiaal meerdere keren verhit en opnieuw verhit kan worden om uniformiteit en binding te garanderen," legt De Kruijk uit. "In STUNNING was een van onze doelen om te tonen hoe de verschillende processen gecombineerd konden worden om zowel structurele als niet-structurele componenten voor complete integratie te bouwen. Hiervoor zetten we de hele onderhelft van een vliegtuighuls op te bouwen om inzicht te krijgen niet alleen in de produceerbaarheid van de vliegtuighuls, maar ook de substructuren zoals de verstevigers onder de huid, en andere structurele stukken zoals vloerbalken, alsook delen van de cabin, de systemen en zelfs cargodeuren."

Met deze ambitieuze doelen voor ogen, zetten samenwerkers uit om hun diverse productietechnieken te testen om de talrijke onderdelen en structuren te bouwen die geïntegreerd zouden worden in een vliegtuighuls. Voor NLR betekende dit het testen van zijn kennis en productiemogelijkheden met het grootste onderdeel van allemaal, de onderkant van de vliegtuighulsstructuur. Met behulp van zijn eigen state-of-the-art AFP-machine, haalde NLR naar verluidt zijn doel, de onderhelft van de vliegtuighuls te bouwen – een enkel stuk, van 8,5 meter lang bij 4 meter diameter – wat gezegd wordt het grootste bekende enkel thermoplastische stuk ooit gemaakt te zijn.

Dit was geen kleine prestatie, zegt Clean Sky. Terwijl composietmaterialen zoals thermoharsenden steeds meer in vliegtuigconstructie worden gebruikt, zijn grote thermoplastische onderdelen relatief nieuw voor het vakgebied, wat ook betekent dat het een beetje duurder kan zijn, in vergelijking. Maar volgens De Kruijk is dat alleen aan de oppervlakte, omdat de voordelen de prijs verruimingen.

"Omdat het nieuwer is en vanwege zijn eigenschappen, zijn thermoplastieken een beetje duurder dan thermoharsenden. Maar er zijn een aantal differentierende factoren die het gebruik van het nieuwe materiaal de moeite waard maken. Bijvoorbeeld, thermoplastieken zijn een beetje lichter dan thermoharsenden omdat het een toughere matrixmateriaal is en betere weerstand heeft tegen impactschade, wat belangrijk is," legt De Kruijk uit. "Daarnaast is er de manier waarop het materiaal in productie gebruikt kan worden. Om diverse onderdelen of stukken thermoplastieken te verbinden, hoef je het materiaal alleen te verwarmen om het te lassen. Dat betekent dat we de honderdduizenden nitten kwijtraken die conventionele vliegtuigen bij elkaar houden, wat ongetwijfeld zal leiden tot dramatischere gewichtsbesparingen."

Een ander onderwerp waar NLR mee belast is, is hoe vliegtuigen geconstrueerd uit thermoplastieken geïnspecteerd, onderhouden en gerepareerd kunnen worden. Aangezien het gebruik van grote composietonderdelen in vliegtuigen nogal beperkt is, betekent dit dat er veel minder data en praktijk is in inspectie, onderhoud en herstelbaarheid.

"Momenteel werken we aan het ontwikkelen van technologie voor een aantal non-destructive inspection (NDI) technieken om vliegtuigen te inspecteren, zoals thermografie en shearografie, maar die technologie is nog in ontwikkeling. Momenteel gebruiken we ultrasonische inspectie om te controleren op defecten en problemen, maar dat kan een tijdrovend proces zijn," suggereert De Kruijk. "Echter, huidige inspectie en onderhoud van conventionele vliegtuigen is ook traag. Vanwege de aard van thermoplastieken, met de mogelijkheid om opnieuw te verwarmen en te lassen, zien we dat onderhoud veel sneller kan worden gedaan dan op traditionele vliegtuigen. Stel je voor hoeveel tijd bespaard kan worden door niet elke enkele niet over de hele structuur handmatig te hoeven controleren."

Vanwege de grootte van de eindhuls, werden twee segmenten geproduceerd. Met de voltooiing van de leging van het tweede 90-graden segment van de onderste vliegtuighuls, is de volgende stap om te consolideren en de twee 90-graden segmenten van de onderste vliegtuighuls te voegen tot een 180-graden vliegtuighulssegment. Hiervoor is echter naar verluidt een zeer grote autoklaaf nodig die in staat is om zowel de oversized stukken te passen als te verwarmen om ze samen te voegen. Omdat er geen dergelijke autoklaaf in Nederland is, gaan de twee helften naar Duitsland voor integratie. Het proces was gepland om aan het einde van juni plaats te vinden.

"Aannemende dat we vooruit kunnen gaan met het verbinden van deze twee stukken van de vliegtuighuls in juni, verwachten we dat we de geconsolideerde huls in de zomer terug bij NLR kunnen hebben om het gedetailleerde NDI-proces te starten om de succes te testen en te verifiëren en de kwaliteit van de complete onderste vliegtuighuls grondig vast te stellen," illustreert De Kruijk. "Daarna zullen we het naar onze partners bij GKN Fokker sturen, waar de diverse onderdelen die in het STUNNING-project zijn ontwikkeld, volledig gemonteerd en geïntegreerd kunnen worden."

Voor een complete samenvatting van het MFFD-project, zie "Moving forward on the Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD)." Voor meer over inductielassen, bekijk deze webinar gepresenteerd door GKN Fokker.

Dit project heeft financiering ontvangen van de Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) onder grant agreement No 945583. De JU ontvangt ondersteuning van het Horizon 2020 onderzoek- en innovatieprogramma van de Europese Unie en de Clean Sky 2 JU leden anders dan de Unie.