Wing of Tomorrow Ribben: One-Shot, Thermoplastische, en OOA Consolidatie voor Next-Gen Vliegtuigen

Airbus' Wing of Tomorrow (WOT) programma, gelanceerd in 2015, heeft de afgelopen zes jaar meer kosteneffectieve, hogere-doorvoer materiaal, productie- en assemblagetechnologieën voor single-aisle commerciële vliegtuigvleugels verkend (zie CW's eerdere dekking van het WOT programma).

Volgens Arnt Offringa, directeur van het GKN Aerospace Global Technology Center Nederland (Hoogeveen), is GKN Aerospace (Bristol, VK) erg actief geweest in het WOT programma, inclusief de ontwikkeling van een vleugel spar demonstrator gemaakt via resin transfer molding (RTM) en vier aluminium vleugelribben. Een andere technologie demonstrator recent geleverd door GKN Aerospace betrof de ontwikkeling van zowel een kosteneffectieve thermoplastische composite rib, als een innovatief, modulair pressysteem voor one-shot, out-of-autoclave (OOA) productie om het te produceren.

De Sprong naar Thermoplasten

In 2018, begon GKN Aerospace interne discussies over materialen en productietechnologieën die gebruikt konden worden om vijf demonstrator ribben voor het WOT programma te produceren. GKN Aerospace vergelijk verschillende materiaalopties, inclusief thermohardende en thermoplastische composieten. Aluminium, het traditionele materiaal voor commerciële vliegtuigribben, werd gekozen om vier grotere, inboard ribben te produceren, maar voor de kleinere, outboard rib, besloot het bedrijf een composietoptie te verkennen. Offringa merkt op dat omdat de WOT demonstrator een composietvleugel zal zijn, het ontwikkelen van een composietrib die met aluminium kan concurreren een logische stap is.

"Een composietrib op een composietvleugel is voordelig om diverse redenen," zegt hij. "Eerst, het gebruik van composieten met composieten betekent dat er geen verschil is in thermische uitdijting tussen de materialen, zoals je zou hebben met een metalen rib op een composietvleugel of vice versa. Tweedens, je zult geen kwesties of zorgen hebben met betrekking tot corrosie. Composieten betekenen ook gewichtsreductie. Last but not least, maakt het gebruik van composieten inspectie makkelijker."

Offringa legt uit dat typische metalen ribben visuele menselijke inspectie vereisen eenmaal de finale vleugel geassembleerd is. Echter, vanwege de ribben's locatie in het interieur van de vleugel, betekent dat dat grote elliptische luiken in de onderkant van de vleugel zojuist zouden moeten worden geknipt zodat mensen de vleugel binnen kunnen gaan om ze te inspecteren. "Als je gaat naar een composietrib, heb je minder vermoeidheid in de ribben en minder potentiële vermoeidheidsscheuren die je moet inspecteren. Inspectie wordt veel eenvoudiger en minder intensief, en je hoeft geen luiken meer in de vleugelzojuist te bouwen. Het zal een continue vleugelzojuist zijn," zegt hij.

Gewichtsreductie, corrosieweerstand en minder invasieve inspectievoordelen konden behaald worden van zowel thermohardende als thermoplastische composieten. "We deden een interne studie en keken naar gewicht, kosten en industrialisatie, en na het vergelijken van de verschillende technologien, werd de keuze gemaakt om voor thermoplasten te gaan, omdat het het meest potentieel had en de beste business case had met betrekking tot kosten," zegt Offringa.

Gegeven de naderbijheid tot Airbus' Filton, VK vleugeltechnologiecentrum waar de WOT demonstrator getest zal worden, is GKN Aerospace's Bristol, VK tak de hoofdhub van het bedrijfs WOT werk. Echter, gegeven GKN Aerospace Nederland's expertise in thermoplasten uit zijn dagen als Fokker Technologies, voegden de twee GKN Aerospace teams krachten samen voor de rib demonstrator. "Het ontwerp werd gedaan in het VK, maar de productieontwikkeling werd in Nederland gedaan, dus het was een echte leuke samenwerking tussen de verschillende teams in GKN Aerospace," zegt Offringa.

Sue Partridge, hoofd van WOT bij Airbus, merkt op: "Samenwerking met partners is een belangrijk aspect van het Wing of Tomorrow Programma. Door onze middelen te combineren, kunnen we oplossingen vooruitbrengen die de capaciteiten van beide organisaties benutten voor een beter resultaat."

Voor de WOT ribben geleverd aan Airbus, gebruikte GKN Aerospace Solvay's (Brussel, België) APC koolstofvezel/polyetherketoneketone (PEKK-FC) tapes, wat gebaseerd is op het bedrijfs Novaspire PEKK-FC (FC) snelle-kristallisatie formulering. Offringa merkt op dat Toray Advanced Composites' (Morgan Hill, Californië, VS) low-melt koolstofvezel/polyaryletherketone (PAEK) materiaal ook geëvalueerd wordt als optie voor toekomstige ribstructuren.

Ontwerpen van een Next-Generation Vleugelrib

Er zijn meer dan 20 ribben op een typische single-aisle vliegtuigvleugel. De thermoplastische composite demonstrator rib is de 14e op de demonstratorvleugel; de anderen zullen alternatieve materialen en processen demonstreren.

Thermoplastische composite ribben worden vaak geproduceerd via stampvormen voor kleine vliegtuigen, zegt Offringa. Echter, GKN Aerospace sloot traditionele stampvormen uit als optie voor de WOT rib omdat commerciële vliegtuigvleugels, zelfs voor narrow-bodies zoals de WOT demonstrator, onder zeer hoge compressie- en trekkingbelasting staan.

"Als je een thermoplastische rib in de traditionele zin zou stampvormen, dan zou je een erg dikke rib moeten maken, met een dik web om het sterker te maken zodat het de krachten die op het werken kan weerstaan," zegt Offringa, "en dat is niet gewenst gegeven gewichtsreductievereisten. Bovendien zou stampvormen niet in staat zijn om een dubbelzijdige bodemflens component op de rib te creëren waar het deel verbindt met de onderkant van de vleugelzojuist; een extra component zou moeten worden geproduceerd en gebout aan de rest van de rib. GKN Aerospace had een productieproces nodig dat meer flexibiliteit bood voor het ontwerp dat het team in gedachten had."

GKN Aerospace's 90-centimeter-lange, 24-centimeter-hoge thermoplastische rib heeft een verticaal web en een bidirectionele 8-millimeter-dikke flens uitgebreid van de onderkant van de rib. Om aan gewichtseisen te voldoen, is het web slechts 7 millimeter dik. Om kinking te voorkomen en stijfheid te vergroten, wordt het web versterkt door 3-millimeter-dikke verstevigingselementen met behulp van GKN Aerospace's butt-joint technologie, wat platte versteviging preforms en injectiegevormde "vuller" materialen gebruikt om een sterke, continue verbinding te creëren (zie "Thermoplastic primary aerostructures take another step forward" om te leren over gebruik van deze technologie op een Gulfstream vliegrumpf paneel geproduceerd met Solvay's koolstofvezel/PEKK-FC tapes).

"We wisten dat als we deze vorm in composieten konden maken en het robuust maken, dan zouden we een erg lichtgewicht ontwerp hebben met de gewichtsreductie die we zochten. Maar het probleem was, hoe maak je zo'n ingewikkelde vorm kosteneffectief en met hoge snelheden? Daar hebben we onze inspanningen in gestopt om dit nieuwe product te creëren," zegt Offringa.

One-Step, OOA Productie

Het proces bouwt voort op technologie die GKN Aerospace eerder gebruikt heeft voor het TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure) project, en voor een vliegrumpf paneelontwikkeling voor Gulfstream die de butt-joint technologie van het bedrijf gebruikt. Voor de WOT rib, ontwikkelde GKN Aerospace een OOA, one-step consolidatieproces. "We hebben ons vorige werk naar het volgende niveau getild door voor de eerste keer uit de autoklaaf te gaan," merkt Offringa op.

Eerst worden unidirectionele (UD) thermoplastische tapes gesneden tot de juiste breedtes, en wordt een laminator gebruikt om de platte elementen in twee L-vormige web preforms te voorvormen. De web preforms, een plat preform voor de flens, en kleinere preform en injectiegevormde vuller elementen die de stringers vormen, worden allemaal in een tool geladen, die in een modulaire co-consolidatiepers geplaatst wordt die vergelijkbaar is met een resin transfer molding (RTM) pers. De pers sluit, en een blaasjesysteem wordt gebruikt om druk te creëren vanuit zowel horizontale als verticale richtingen, wat de druk in een autoklaaf simuleert. Een geïntegreerd weerstandsverhittingssysteem brengt het composiet kort op smelttemperatuur voordat het afkoelt voor consolidatie.

"We hebben de meeste ontwikkelingsinspanning in het afstemmen en optimaliseren van de tooling gestopt," zegt Offringa. Het systeem is ontworpen om modulair te zijn; de tooling kan uitgewisseld worden om ribben met verschillende afmetingen of andere typen onderdelen te accommoderen terwijl hetzelfde verhittings- en afkoelsysteem behouden blijft. Hoewel niet nodig voor deze ribben, kan de pers die GKN Aerospace ontwikkelde op zijn Technology Center onderdelen tot 6 meter lang accommoderen, wat ook andere panelen of balken kan omvatten.

Het proces controlsysteem is cruciaal bij het verwerken van thermoplasten. Thermoplasten smelten bij hogere temperaturen dan thermohardende materialen, en moeten in een gecontroleerd, consistent proces afgekoeld worden om vervorming te minimaliseren en kristalliniteit te maximaliseren. "Het is erg belangrijk om het exacte proces van begin tot eind te controleren," zegt Offringa. "Het thermische management van de verhittingscyclus is erg belangrijk." (zie "Thermoplastic (TP) forming issues" sidebar in dit artikel voor meer detail over kwesties en belang van procescontrole bij gebruik van thermoplasten).

Speciale tooling features worden gebruikt om de dunne, geïntegreerde verstevigers gemakkelijk van de tool te laten loslaten. Het ontvormde deel is near net shape, en wordt daarna getrimd om het afgeronde deel te vormen. Van tool in tot tool uit, duurt het hele proces ongeveer 45 minuten. Dit betekent dat met één pers, ongeveer 15 vleugelribben in een acht-uurs dienst geproduceerd kunnen worden.

"Het eindigt in een simpel productieproces," merkt Offringa op. "We doen veel dingen tegelijk: co-consolideren van preforms met verschillende vormen, het creëren van de onderkant van de rib om een bidirectionele flens te hebben, en tegelijkertijd versterken we het web met de butt-jointed technologie. Uiteindelijk nemen we alle elementen van het materiaal, plaatsen ze in een tool, en we creëren één, homogene deel in één verwerkingsstap."

Testen, Levering en Verder

Testen. Subcomponenten werden getest om spanning en compressie sterktevereisten te halen bij GKN's Isle of Wight en Hoogeveen faciliteiten.

Eind 2019, werden rib subcomponenten getest bij GKN Aerospace's Isle of Wight en Hoogeveen faciliteiten, en Offringa zegt dat ze spanning en compressie belastingseisen "met een grote marge" haalden. Hij voegt toe: "Het is sterk, het is tough, het is makkelijk te fabriceren. Dit is een concept dat precies uitkwam zoals we hoopten dat het zou. Vergeleken met een aluminiumversie, zegt Offringa dat de thermoplastische compositeversie significante gewichtsbesparing biedt en kosteneffectief is."

Het bedrijf heeft drie ribben aan Airbus geleverd, een waarvan zal geassembleerd en getest worden op de WOT demonstrator. GKN Aerospace blijft werken aan het optimaliseren van zijn proces en materialen voor commerciële luchtvaartribben, zowel voor Wing of Tomorrow als daarbuiten.