IIAMS Wing Box-routekaart naar certificering

Afb. 7 “Certificatieproces van de modificaties voor het prototype”, inclusief de FTB#2 buitenvleugel. Fotocredit: "Structural Radar Research of Airbus Defense and Space as Clean Sky Partnership" door Manuel Iglesias Vallejo, Rubén Tejerina Hernanz, Antonio Jiménez, et al., Airbus Defense and Space, 8e Europese conferentie voor luchtvaart- en ruimtewetenschappen (EUCASS), 1 juli 4, 2019.

Deze online zijbalk bij het artikel van maart 2021, "Advancing the OOA infused wing box", geeft meer details over hoe Clean Sky 2-projecten zoals IIAMS passen in roadmaps voor het rijpen van vloeibare harsinfusie (LRI) en thermoplastische composiet (TPC) technologieën tijdens het voltooien het werk dat nodig is om ze te certificeren in out-of-autoclave (OOA) composietstructuren voor vliegtuigen van de volgende generatie.

Airbus DS, FTB#2 en toekomstige turbopropvliegtuigen

Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cadiz, Spanje) trad toe tot het onderzoeks- en technologieprogramma Clean Sky van de Europese Unie als EADS CASA. CASA, opgericht als Construcciones Aeronáuticas SA in 1923 in Getafe, Spanje, heeft een lange geschiedenis in de vliegtuigproductie en was een van de oorspronkelijke leden van het Airbus-consortium. De tweede vestiging werd opgericht in Cadiz in 1926, en het bedrijf heeft 22 vliegtuigmodellen geproduceerd, evenals componenten voor Airbus en Eurofighter militaire vliegtuigen en voor commerciële vliegtuigen geproduceerd door Airbus en Boeing.

Schone lucht 1 omvat 7 projectgebieden — 6 Integrated Technology Demonstrators (ITD's) en de Technology Evaluator. De ITD's, die elk worden geleid door 2 industriële organisaties, bestrijken verschillende segmenten van het luchtvervoer.

Clean Sky 2 omvat 9 projectgebieden:3 innovatieve vliegtuigdemonstratieplatforms (IADP's), 3 ITD's, 2 transversale activiteiten en de technologie-evaluator.

https://www.cleansky.eu/discover

Airbus DS is geëvolueerd van een co-leider van de Green Regional Aircraft (GRA) Integrated Technology Demonstrator (ITD) in de originele Clean Sky programma (2008-2017) tot co-leider van de AIRFRAME ITD en leider van de flight test bed 2 (FTB#2) in het REGIONAL Integrated Aircraft Demonstrator Platform (IADP) in het vervolg Clean Sky 2 programma (2014-2024).

A.E. Jiménez Gahete, van het Directoraat Structures and Design, Engineering &Technology bij Airbus DS, beschrijft de ontwikkeling van FTB#2 in de Materiales Compuestos van september 2020 artikel getiteld "Airbus Defense and Space sterk geïntegreerde vleugelkastsectie vervaardigd door plaatsing van droge vezels en vloeibare harsinfusie". Dit werk van Airbus DS in Clean Sky 2 zal worden toegepast op een toekomstig militair transport- of commercieel regionaal turbopropvliegtuig . Een van de belangrijkste doelstellingen is de ontwikkeling van de externe vleugel voor de FTB#2, die zal worden voorzien van primaire OOA-composietstructuren, waaronder een integraal verstijfde thermoplastische composiet bovenvleugelkastdeksel en een eendelige, one-shot vleugelkast gemaakt met behulp van automatische vezelplaatsing (AFP) met droge vezeltapes en vloeibare harsinfusie .

Dit laatste is inderdaad de structuur die MTorres heeft ontwikkeld en geproduceerd binnen het Clean Sky 2 IIAMS-project, zoals beschreven in CompositesWorld ’s artikel van maart 2020, “Het bevorderen van de OOA-geïnfundeerde vleugeldoos.” Met name die vleugelkast integreert de onderhuid, voor- en achterliggers, maar omvat niet de bovenhuid. Uit onderstaande geïllustreerde wegenkaarten wordt duidelijk dat de bovenhuid van thermoplastisch composiet zal zijn.

FTB#2 externe vleugeldoelen en achtergrond

"Elk toekomstig vliegtuigontwerp vereist meer eco-efficiëntie gedurende de hele levenscyclus", zegt Gahete. Dit moet het volgende omvatten:

• Minder energie in de productie van componenten
• Minder schroot primair materiaal
• Verminderd verbruik van productievloeistoffen en hulpmaterialen
• Verhoogde recycleerbaarheid.

Dergelijke verbeteringen waren sleutelfactoren bij de ontwikkeling van het structurele ontwerp en het productieproces voor de FTB#2 externe vleugel, samen met doelen voor een lager gewicht (-10%) en productiekosten, evenals een verhoogde productie-efficiëntie.

Thermoplastische composieten en harsinfusie spelen beide een sleutelrol in de FTB#2 externe vleugel. In-situ geconsolideerde (ISC) thermoplastische composieten (TPC) en droge vezel/hars-infusie maken het mogelijk om grote primaire structuren OOA te vervaardigen tegen lagere kosten in vergelijking met traditionele op autoclaaf gebaseerde processen. Thermoplastisch lassen en sterk geïntegreerde structuren die in één keer zijn aangebracht, verminderen ook de impact van montage, mechanische bevestigingsmiddelen, machinale bewerking van die bevestigingsmiddelen en inspectie door het hele land.

Infusietechnologie ontwikkelingen in Clean Sky 2 begonnen met eerdere Clean Sky-projecten zoals GRA, ECO-DESIGN, APOLO en CERTERIN. Ondertussen ISC TPC is gerijpt in Clean Sky-projecten ICARO, TARGET, ECO-DESIGN en Green Regional Aircraft-Light Weight (GRA-LW), waardoor deze technologie kan worden opgenomen in de Clean Sky 2 FTB#2-vluchtdemonstrator.

Fig. 10. Testpiramide. Photo Credit:"Airbus Defense and Space sterk geïntegreerde vleugelkastsectie vervaardigd door plaatsing van droge vezels en vloeibare harsinfusie", door A.E. Jiménez Gahete, Materiales Compuestos vol. 4, nr. 4, blz. 19-26, september 2020.

FTB#2 externe vleugelcertificering

Zoals uitgelegd door Gahete:"Stap voor stap doorlopen wij [Airbus DS] de volledige testpiramide van cascostructuren, van coupons tot de volledige structurele tests van de buitenvleugel." Hexcel HiTape, UD 210 gram per vierkante meter (gsm) en 12,7 mm breed met thermoplastische sluier V800E aan beide zijden (sluiergewicht 4 gsm per zijde), doordrenkt met Hexcel HexFlow RTM6 180°C uithardende epoxyhars, is volledig gekarakteriseerd, inclusief unidirectionele en meerhoekige eigenschappen. Testresultaten toonden aan dat dit materiaal goed presteert in modulus, maar minder goed in sterkte in vergelijking met Hexcel's HexPly M21E epoxy prepreg gemaakt met HexTow IMA intermediaire koolstofvezel, die wordt gebruikt om vleugelhuiden, rondhouten en centrale vleugelkast te vervaardigen voor de Airbus A350. Quasi-isotrope laminaten lieten goede resultaten zien in vergelijking met dezelfde referentie.

Gahete legt uit dat naast coupons voor materiaalkarakterisering, en voorafgaand aan details en panel-subcomponenttests om de toegestane ontwerpmogelijkheden te verkrijgen, fabricagedemonstrators werden gebruikt om te helpen valideren "welke ontwerpkenmerken kunnen worden verkregen met de geselecteerde fabricageprocessen." DEMO1 integreert een sectie van huid met variabele dikte, J-spar met ribverstevigers en twee stringers geïntegreerd in de huid en J-spar-flens. En DEMO2 - met afmetingen van 3 meter lang x 0,86 meter breed x 3,44 meter hoog - simuleert de totale afmetingen van de FTB#2 buitenste vleugelkast en omvat vijf stringers. Gahete merkt op dat er enkele procesaanpassingen zijn gemaakt door middel van een paar iteraties voordat succesvolle resultaten werden verkregen in tests van structurele onderdelen.

Fig. 9. Ontwikkelingstestmatrix voor FTB#2 buitenvleugel. Fotocredit:Gahete, Materiales Compuestos vol. 4, nr. 4, blz. 19-26, september 2020.

Er werd ook een testmatrix voor ontwerpdetails voltooid, inclusief blikseminslag, uitloop van de stringer en verlammingstests van de stringer (voor evaluatie van knikken en falen). Ook subcomponentenpaneltests zijn met positieve resultaten afgerond. Nu de hele testpiramide met succes is voltooid, van coupons tot subcomponenten, zegt Gahete, blijven alleen de laatste volledige statische en functionele tests van de buitenste vleugel over om de FTB # 2-kwalificatie voor vliegen te verkrijgen. Deze tests zijn gepland voor eind 2021.

FTB#2 als onderdeel van grootschaligere technologieontwikkeling

De externe vleugelkast is slechts een onderdeel van FTB#2 dat Airbus DS levert. Andere structurele demonstrators - zoals uitgelegd in de paper uit 2019, "Structural radar research of Airbus Defense and Space as Clean Sky partnership", geschreven door Airbus DS en gepubliceerd door de European Conference for Aeronautics and Space Sciences (EUCASS) in 2019 - omvatten MT1 of MT2-cockpits (zie afbeelding hieronder) met hoge structurele integratie voor gewichts- en kostenreductie, vleugelvoorranden met morphing-functies en volledige externe vleugel met winglet en morphing-flap. (Let op, dit laatste wordt ontwikkeld via het Air Green 2-project van CIRA - Italian Aerospace Research Centre.)

Onderstaande afbeelding toont verschillende Airbus DS-onderzoeken binnen Clean Sky (CS1) en Clean Sky 2 (CS2), als onderdeel van een breed technologieportfolio.

Ook uitgelegd in het EUCASS-document, hebben deze onderzoeksprojecten niet alleen geavanceerde composiettechnologieën, maar ook nieuwe ontwikkelingen in metalen, evenals additieve fabricage, gereedschap en reparatie:

• Zeer geïntegreerde primaire structuur
  • One-shot co-cured verstijfd multifunctioneel dubbel gebogen massief laminaat
  • Hoge integratie van bulkframes via vloeibare harsinfusie (LRI)
    • Massief laminaat (onderste voormalige FR-9)
    • Verstijfde sandwich (voorwaartse drukschot FR-1)
    • Onderhuid en rondhouten van FTB#2 vleugelkast
  • Hoge integratie via thermoplastische in-situ consolidatie (ISC)
    • Kleine kromming (FR-4 van MT1/MT2; bovenste huid van FTB#2 externe vleugelkast)
    • Thermoplastische continuvormen (stringers)
    • Hoge/dubbele kromming (leading edge en motorkap)
  • Fuselage frame/vleugel rib gemaakt in warm gestempelde lichtmetalen plaat
• Secundaire structuur:goedkope TPC en ALM (additive layer manufacturing) raamkozijnen
• Gereedschapstechnologieën:goedkope composiet en ALM
• Reparaties en onderhoud
  • Standaard reparatie op sterk geïntegreerde gebogen verstijfde huid (pre-preg)
  • Thermoplastische ISC co-consolidatie en lassen
  • RTM-LRI structurele items
    • Prepreg-patchtoepassing
    • Droge materiaalpleisters plus harsinjectie
  • Harsinjectie om externe multifunctionele lagen te fixeren

Montage zonder jig is ook een terugkerend accent geweest, net als de rijping van nieuwe 4.0 digitale systemen en testtechnologieën, zoals die worden vermeld in de EUCASS-paper:

• Interferometrie (DIC)
  • Multi-impact mid-energy testen
  • Trillingstesten
• Thermografie
  • NDT-toepassing
  • Structureel gedrag in een warme omgeving
• SHM-sensoren en meettechnieken
  • Glasvezel FBG (Fiber Bragg-rooster)
  • OBR (optische terugverstrooiingsreflectometrie)
  • MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems die elektrische en mechanische componenten combineren op een enkele computerchip)
• p-U akoestische (druk-snelheid gebaseerde in-situ absorptie meetmethode)

Samenwerkend EU-kader voor certificering

Een laatste opmerking uit de EUCASS- en Gahete-papers is de eer die wordt gegeven aan de nauwe samenwerking met en het werk van een aantal belangrijke Airbus DS-partners, waaronder NLR (Netherlands Aerospace Centre), Airborne (Den Haag, Nederland), Applus+ Laboratories (Barcelona, Spanje), MTorres (Torres de Elorz, Spanje) en FIDAMC (Getafe, Spanje), de laatste beschreven als "aanzienlijk betrokken bij alle technologieën die worden ontwikkeld met composietmaterialen en hun productieprocessen."

Sinds enige tijd heb ik de activiteiten en publicaties van ingenieurs bij Airbus in Getafe genoteerd en geschreven over het ISC TPC-werk van FIDAMC en anderen. CW heeft ook gewezen op het leiderschap van Airbus DS in veel van de artikelen die over Clean Sky-projecten zijn geschreven. Maar tot nu toe begreep ik niet hoe langlopend en gepland de Airbus DS-strategie was, waarbij optimaal gebruik werd gemaakt van zijn deelname aan en bijdrage aan Clean Sky-programma's. Het is volkomen logisch om de basis voor certificering te leggen tijdens de ontwikkeling van nieuwe cockpit- en vleugeldemonstrators. CW schreef over dezelfde aanpak die wordt gevolgd door topicleider Airbus Duitsland binnen de Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD). In dat geval zal binnen het deelproject MECATESTERS een volledige karakterisering van low-melt polyaryletherketon (LM PAEK) in lasverbindingen worden gerealiseerd.

De Airbus DS-wegenkaarten en structurele technologieradarillustraties die in dit rapport worden getoond, zijn nog een ander voorbeeld van hoe de Europese luchtvaart- en composietindustrieën samenwerken om klaar te zijn voor de toekomst. Clean Sky 2 blijft succesvol door de Europese luchtvaart- en luchtvaartcomposietenindustrie te voorzien van een ambitieuze visie en een gefinancierd kader om samen te werken om duidelijke doelen te bereiken. Dit werk zal ook helpen als de industrie draait in de richting van elektrificatie, waterstof en alternatieve brandstoffen om klimaatverandering het hoofd te bieden, en zowel de luchtvaart als composieten spelen een sleutelrol bij die prestatie.