Voortgang Multifunctionele Fuselage Demonstrator: Pioniers in duurzame vliegtuiginnovatie

Verminderde brandstofemissies en energieverbruik, en de capaciteit om single-aisle commerciële vliegtuigen te produceren met snelheden van ten minste 60 per maand, drijven de Clean Sky 2 Europese partnerschap's technologieontwikkeling voor de volgende generatie vliegtuigen die vanaf 2035 en daarna de lucht in gaan. Lichtgewicht composieten en snellere, milieubewustere productieprocessen maken deze doelen een realiteit, met name voor het Multifunctionele Fuselage Demonstrator (MFFD) project.

Het hoofddeliverable voor dit project, dat wordt geleid door Airbus (Hamburg, Duitsland) met partners uit academie en de luchtvaartindustrie, is een 8-meter-lange, thermoplastische composiet, single-aisle commerciële vliegtuig fuselage barrel demonstrator, te produceren voor 2022. De MFFD is een van drie volschaal fuselage secties die worden geproduceerd binnen Clean Sky 2's Large Passenger Aircraft (LPA) Innovative Aircraft Demonstrator Platform (IADP).

Gestart in 2014, omvatten de MFFD projectdoelen:

• Productiesnelheden van 60-100 vliegtuigen per maand mogelijk maken
• Rumpfgewicht met 1.000 kilogram verminderen
• Herhalende kosten met 20% verminderen.

Om deze doelen te bereiken, worden tientallen individuele projecten en werkpakketten voltooid, met twee hoofstructuren die worden geproduceerd: een bovenste fuselage schil en een onderste fuselage schil, die samengeorst worden om de finale demonstrator te vormen. Feitelijk, stofloos verbinden (zonder bevestigingsmiddelen of gaten) via lassen is een majeur onderdeel van het programma. Beide helften worden geproduceerd uit Toray Cetex TC1225 laag-smelt polyaryletherketon (PAEK) koolstofvezel thermoplastische prepreg van Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Calif., VS). Volgens Dr.-Ing. Lars Larsen, hoofd van verbindings- en assemblagechnologieën bij het Duitse Aerospace Centrum (DLR; Augsburg, Duitsland), zullen beide helften het gebruik van verschillende productietechnieken testen.

De onderste fuselage sectie van de MFFD wordt geproduceerd via project STUNNING (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastisch fuselaGe), dat zelf veel projecten onder zich heeft (zoals MECATESTERS, gefocust op inductielassen). De onderste sectie zal bestaan uit de onderste fuselage schil met gelaste stringers en frames, de cabine- en vrachtvloerstructuur en relevante interieur- en systemelementen.

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 streeft ernaar geautomatiseerde assemblageprocessen, thermoplastische productie en lastechnologieën, geïntegreerd ontwerp en productieontwikkeling en geavanceerde elektrische systemenarchitecturen verder te verrijpen.

"Onze industriële impact is tweeledig: het automatiseringsniveau dat we toepassen op de assemblage van de demonstrator, en duurzame manieren van produceren van onderdelen ontwikkelen," zegt Dr. Bas Veldman, programmanager bij GKN Fokker.

Volgens een paper die Veldman publiceerde in februari 2020, is modulaire assemblage van de onderste fuselage cruciaal om het doel van snelle productietijden te halen. Om de hoofdhuid van de fuselage te produceren, worden grote preforms gemaakt van koolstofvezel/thermoplastische prepreg gelegd door een ultrasonische- of laser-verwarmde geautomatiseerde bandleggingsmachine (ATL) maar niet in-situ geconsolideerd. Details worden gelegd door een geautomatiseerde vezelplaatsingsmachine (AFP). Robots plaatsen de preforms dan in een vrouwelijke consolidatievorm, en na inzakken, wordt de huid geconsolideerd in een autoclave. Volgens Veldman worden out-of-autoclave processen ook onderzocht. De stringers en frames zullen aan de huid gelast worden.

"Oorspronkelijk was het plan om alle onderdelen dit jaar te laten produceren," zegt Veldman, maar door coronavirus-gerelateerde vertragingen, "Het gaat nu over naar volgend jaar ook. Maar we hebben wel een paar onderdelen die nu voltooid zijn," inclusief veel van de kleinere persvormde onderdelen zoals clips, stotten en beugels die gebruikt zullen worden voor het bevestigen van vliegtuigstoelen en andere componenten. De nadruk op duurzame productie leggen, voegt Veldman toe dat sommige van de clips geproduceerd worden van hergebruikte afsnijden van andere onderdelen op de demonstrator, via een Clean Sky 2 project genaamd ECO-CLIP.

Vanaf begin 2020, omvat het consortium dat de 8-meter-lange bovenste schil produceert Airbus, Premium Aerotec (Augsburg, Duitsland), wat de industriële en structurele ontwerp lead is; DLR, verantwoordelijk voor de huidopbouw en lastechnologieontwikkeling; en Aernnova (Vitoria-Gasteiz, Spanje), wat de stringers produceert.

Voor de luchtvaartindustrie om over te stappen op duurdere thermoplastische materialen, zegt Larsen, "Moeten we laten zien dat we kosten tijdens productie kunnen besparen." Het bovenste helft consortium ontwikkelt nieuwe geavanceerde vezelplaatsings (AFP) technologie met, opvallend, in-situ consolidatie voor de koolstofvezel/PAEK huidopbouw, alsook industrialisatie van continue ultrasonische lassen en weerstandslassen voor integratie van de stringers, frames en andere componenten, wat veiligheid verbetert en kosten verlaagt. DLR bouwt eerst een 1-meter-lange, pre-demonstrator testschil om de technologieën te valideren voordat de volschaal demonstrator gebouwd wordt, en plant om de huid voor de pre-demonstrator schil eind 2020 te laten produceren. Integratie van de stringers is gepland voor begin 2021.

De volschaal versies van beide helften worden verwacht eind 2021 voltooid te zijn. Eenmaal voltooid, zullen ze in de finale demonstrator samengeorst worden bij het Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM (Stade, Duitsland).