Geautomatiseerde Aerocomposiet Productie: Vloeibare Vormgeving vs. Gelaste Thermoplasten – Strategisch Overzicht

Terwijl OEM's en leveranciers de materialen en processen verkennen die de volgende generatie vliegtuigen mogelijk zullen maken, worden twee verschillende benaderingen gedemonstreerd. De eerste is vloeibare vormgeving van droge vezel preforms gezien, bijv. in Spirit AeroSystem's (Prestwick, Schotland) high-rate resin transfer molding (RTM) lijn voor Airbus A320 spoilers en ook in het Airbus-geleide Wing of Tomorrow (WOT) programma dat geautomatiseerde plaatsing van non-crimp fabrics (NCF) en vloeibare harsinfusie gebruikt, gevolgd door out-of-autoclave (OOA) cure in een oven (zie "High-rate, automated aerospace RTM line delivers next-gen spoilers" en "Update: Lower wing skin, Wing of Tomorrow" respectievelijk).

De tweede is thermoplastische composieten (TPC) geïllustreerd, bijv. in de Clean Sky 2 Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD), waar verstevigde huiden gecreëerd worden met geautomatiseerde vezelplaatsing — in-situ geconsolideerd voor de bovenste helft en autoclave-geconsolideerd voor de onderste helft — gevolgd door assemblage via lassen. Deze programma's gebruiken automatisering om productiesnelheid en kwaliteit te verhogen terwijl kosten reduceren. Maar hoe vergelijken ze zich?

Het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) Instituut voor Structuren en Ontwerp exploiteert het Center for Lightweight Production Technology (ZLP) in Augsburg. Onder zijn vele composietproductieprojecten, bieden PROTEC NSR en Fast Lane RPB een unieke kans om respectievelijk een vloeibaar-gevormde thermohardende achterste drukschot (RPB) voor de tweedekse Airbus A350 te vergelijken met een thermoplastische RPB voor de enkelvoudige Airbus A320. Beide projecten werkten met de Tier 1 leverancier van deze structuren, Premium Aerotec Group (PAG, Augsburg, Duitsland), en demonstreerden automatisering tijdens het evalueren van cyclus tijd en kosten.

Vloeibaar-gevormde TS bulkhead

"We begonnen veel jaren geleden met PAG in het AZIMUT project om handmatige processen voor composietproductie te analyseren," zegt Dr. Lars Larsen, hoofd van assemblage en verbindings technologieën bij ZLP Augsburg. "Onze eerste automatiseringsoplossing was voor leggen, en toen werkten we om meer operaties te automatiseren." Het hoofddoel voor PROTEC NSR was om deze gespecialiseerde oplossingen voor RPB productie in een enkele geautomatiseerde proces te brengen, legt Dr. Marcin Malecha, projectmanager voor PROTEC NSR bij DLR, uit.

Preform en greifers. De processtappen voor het creëren van de vacuümgezakkte droge preform zijn getoond in Fig. 1 hieronder. Deze werd geïnfuseerd met RTM6 epoxy hars met het door Airbus gepatenteerde vacuum assisted process (VAP), dat een semi-permeabel membraan gebruikt voor gereduceerde porositeit. De preform opbouw bestond uit twee sets van 16 lagen tot 5 meter lang gebruikmakend van de volledige 1,27-meter breedte van het 5-harness satijn koolstofvezel weefsel. Tussen deze twee sets ingesloten waren 25 complex-vormige, versterkende stukjes tot 1,5 bij 2,5 meter. Acht stringers werden erbovenop geplaatst.

"Het ontwikkelen van gereedschappen en greifers die de benodigde precisie in draperen en hanteren konden bereiken, was een van de grootste uitdagingen," merkt Larsen op. Dit was deels door de complexe mix van lagen die drie verschillende draperingsmechanismen vereisten:

1. Toepassing van vol-breedte materiaal direct vanaf de rol dat zich moet aanpassen aan de vorm van de maal.
2. Draperen van grote gesneden structurele lagen waar twee robots samenwerken, één per stofrand, om op te pakken en de doelgeometrie van de maal te creëren om conformering zonder rimpels te garanderen voor plaatsing.
3. Accommodatie voor kleine, gevormde lagen tot 1,5 bij 2,5 meter.

"Voor de samenwerkende robots, ontwikkelden we eind-effectoren die zes modules bevatten verbonden door kogelgewrichten," legt Larsen uit. "Dit stelt de eind-effector in staat te deformeren, op een manier vergelijkbaar met een slang, conform de doelgeometrie van de maal. Geïntegreerde verwarmingsapparaten activeren de binder in het weefsel terwijl het getransporteerd en gevormd wordt, de 3D-vorm en positie handhavend zodra geplaatst."

Geautomatiseerd draperen en plaatsen

De eind-effector bevat een greifer die 127 modules gebruikt uitgerust met vacuümzuiging om gesneden lagen stof op te pakken, te transformeren in een 3D-vorm en ze te verwarmen voordat ze in de maal geplaatst worden. Foto Credit: German Aerospace Center (DLR) Institute of Structures and Design

Hier zijn zowel de 127-module greifer (links) als samenwerkende robots (achtergrond) te zien. Foto Credit: German Aerospace Center (DLR) Institute of Structures and Design

Voor de samenwerkende robots, werden eind-effectoren ontwikkeld die zes modules bevatten verbonden door kogelgewrichten. Foto Credit: German Aerospace Center (DLR) Institute of Structures and Design

Elke robot pakt een rand van het grote stoflaagje. Ze werken dan samen terwijl ze het laagje transporteren om de vereiste doelgeometrie te creëren voordat ze de stof in de maal plaatsen. Foto Credit: German Aerospace Center (DLR) Institute of Structures and Design

Foto Credit: German Aerospace Center (DLR) Institute of Structures and Design

Close-up van de samenwerkende robot eind-effectoren. Foto Credit: German Aerospace Center (DLR) Institute of Structures and Design

Dit systeem dat DLR initieel ontwikkelde voor een A320 achterste drukschot is nu ook gedemonstreerd voor een romp paneel en is ontworpen om flexibel te zijn voor een verscheidenheid aan grote aerostructuren, gebaseerd op hun digitale ontwerpbestanden, zonder de robots opnieuw te leren. Foto Credit: German Aerospace Center (DLR) Institute of Structures and Design

Voor de kleine, gevormde lagen tot 1,5 bij 2,5 meter, werd een tweede soort greifer ontwikkeld die 127 modules gebruikt uitgerust met vacuümzuiging voor opnemen. "Deze greifer pakt materiaal in een 2D toestand en buigt het dan naar de doelgeometrie," legt Malecha uit. "Het moet beslissen welke van de 127 modules het vasthoudt en welke het laat glijden om de 2D laag te transformeren naar een 3D-vorm. Dus, het is heel vergelijkbaar met hoe handen werken om te draperen. We maakten veel experimenten en kregen ervaring in waar te vasthouden en waar los te laten. Kracht kan aangepast worden door hoe intens de modules het materiaal grijpen."

Inline inspectie. Optische sensoren in de modulaire greifers monitoren het draperingsproces. Na het plaatsen van een laag, inspecteert een eind-effector die een Leica T-Scan (Hexagon Manufacturing, Cobham, VK) en een camera-gebaseerd vezelhoek meetysteem van Profactor (Steyr, Oostenrijk) combineert voor kwaliteit. "We meet eerst vezelhoeken en vergelijken met het CAD-bestand," zegt Malecha, "en dan meten we de randen van elk stuk en controleren de positie versus het CAD-bestand."

Stringers en vacuümzakken. Na het voltooien van de preform, werden acht verstevigers (stringers) erbovenop bevestigd. Voor deze taak werd de Multi Kinematic Greifer ontwikkeld en ook gebruikt om de vacuümzak hulpmaterialen aan te brengen. Deze greifer omvat drie kleine en onafhankelijke 6-vrijheidsgraden (DOF) robots en een stijve arm, allemaal gemonteerd op de centrumflens van een industriële 6-DOF robot. Vacuümzak hulpmaterialen — peel ply, geperforeerde release film en harsstroom media (gereedschap-kant hulpmaterialen) — waren voorgesneden en voorgeassembleerd, ontworpen voor waar ze geplaatst werden. "Ze hoefden niet gedrapeerd te worden, alleen geplaatst," merkt Malecha op. De voorgefabriceerde semi-permeabele membraan werd half-geautomatiseerd toegepast via een eind-effector met een "paraplu-achtig" mechanisme, terwijl plaatsing van kleverige tape en buitenste vacuümzak handmatig bleef maar ook geautomatiseerd kon worden.

Cyclus tijd en kosten. Voor Malecha was de grootste uitdaging het bouwen van de modulaire, kunstmatige intelligentie (AI)-gebaseerde manufacturing execution system (MES) om het procesketen te monitoren en te controleren. "We moesten data management systemen bouwen die heel verschillende processen samen konden brengen en ze dan commanderen via de MES door één data uitwisselingspoort," legt hij uit. "We kunnen ze gebruiken zoals ze nodig zijn on the fly, wat meer flexibiliteit en breder gebruik mogelijk maakt versus het volgen van een strikte productievolgorde."

De PROTEC NSR technologie was gevalideerd door een full-size demonstrator te produceren in januari 2019, en een maturiteitsniveau van TRL 5-6 te bereiken mid-2019. Vergeleken met de huidige state-of-the-art bij PAG, snijdt deze geautomatiseerde procesketen de cyclus tijd van gerolde stof toepassing met 58% en pick-and-place van gesneden lagen met 50%. Productiekosten voor deze operaties werden gereduceerd met 11,5% en 31%, respectievelijk.

Thermoplastische RPB

"Dit project startte in 2018 met PAG en Institut für Verbundwerkstoffe (IVW, Kaiserslautern, Duitsland) om te laten zien wat mogelijk is met thermoplastische composieten in grote onderdelen en primaire structuren," legt Dr. Stefan Jarka, projectmanager voor Fast Lane RPB en expert op lastechnologieën bij ZLP Augsburg, uit. "Een RPB is niet echt primair, omdat de mechanische eisen niet zo hoog zijn als een vleugel of romp, maar het laat zien wat mogelijk is voor grote, plate, licht gebogen structuren. In slechts vier maanden ontwikkelden we een demonstrator A320 RPB als voorbeeld van hoe een bestaande aluminiumstructuur om te zetten naar thermoplastische composieten."

Deze demonstrator gebruikte Cetex koolstofvezel (CF) weefsel/polyfenyleensulfide (PPS) organovellen (Toray Advanced Composites, Nijverdal, Nederland) en weerstandslassen. Een weerstandselement tussen de twee oppervlakken die gelast worden genereert warmte en blijft in de gelaste structuur. GKN Fokker (Hoogeveen, Nederland) heeft deze techniek decennialang gebruikt om vliegtuig landingsgesteldeuren en vaste aanloopkanten te produceren. Voor deze A320 RPB, gebruikte het ZLP team een CF weerstandselement in plaats van conventionele roestvrij staal mesh.

"De thermoplastische composiet RPB moest dezelfde prijs of goedkoper zijn, maar het materiaal is veel duurder," merkt Larsen op. Dus lagere productiekosten door automatisering was cruciaal, alsook het gebruik van acht identieke blaadjes secties. "Deze secties waren nodig om de dubbel-gebogen vorm van het deel te vormen," legt Jarka uit. "Thermoformen als één enkel deel zou een heel grote pers vereisen die te duur zou zijn. Dus acht kleinere secties werden persgevormd door de IVW met matched metal tooling en we assembleerden deze met geautomatiseerd lassen. Het automatiseringsniveau voor thermoplastisch persvormen is hoger dan voor thermohardende composieten. U gebruikt voornamelijk matched metal tooling, met hoge maar constante temperatuur als hoofdissue, maar dit maakt de geautomatiseerde perscyclus heel snel."

De algemene processtappen voor de demonstrator RPB zijn getoond in Fig. 2. "Het lasproces dat we gebruikten was niet nieuw," zegt Jarka, "maar moest verder ontwikkeld worden om de 1,5-meter lange [en 40-millimeter brede] lassen voor het 3-meter diameter deel te verbinden en een kwaliteitsinspectiesysteem te integreren. Componenten werden eerst in de juiste positie vastgezet met een positioneringsjig en toen werd elektrische energie toegepast om de plastische smelt in de laszone te genereren."

Fig. 2. Thermoplastische RPB processtappen
Processtappen gebruikt om acht secties (onder) van stamp-gevormde CF/PPS organovellen te produceren die toen samengevoegd werden via weerstandslassen om een demonstrator A320 bulkhead te vormen. Foto Credit: German Aerospace Center (DLR) Institute of Structures and Design

QA integreren. "We probeerden thermografie, zowel flitslamp- als ultrasoon-geactiveerd, maar het is niet zo makkelijk om de laszone te meten met dit," legt Jarka uit. "Thermografie is heel snel, maar het vertelt u niet gemakkelijk of u goede consolidatie hebt." In plaats daarvan gebruikten ze een standaard test rig om meerdere gelaste monsters te maken, meting stroom, spanning en temperatuur. "We inspecteerden ze dan met ultrasoon testen (UT) en maakten correlaties tussen procesparameters en goede consolidatie," zegt Larsen. "Als we goede parameters hebben, dan hebben we een goed deel. We hebben ook een processimulatie gebouwd om de data die we tijdens lassen verkrijgen met de initiële baseline die we vestigden te vergelijken."

Automatisering en cyclus tijd. "Het hele proces was heel snel, op de schaal van automobielonderdelen," zegt Jarka. "We bereikten TRL 3 in onze 2019 review en hebben sindsdien gerijpt tot TRL 4. We zullen TRL 6 bereiken eind 2021." Vóór de pandemie, had PAG aangegeven het de thermoplastische RPB in productie zou brengen tot 2021. Hoewel de toekomst nu minder duidelijk is, wordt de thermoplastische RPB nog steeds gezien als enabler voor de "romp van morgen," gewicht reducerend van 41 tot 35 kilogram, proces- en assemblagetijd met 75% en totale deelkosten met meer dan 10%.

TS en TP composieten vergelijken

"De thermoplastische processen zijn zo snel dat u goedkoper kunt zijn versus aluminium en zelfs een productiesnelheid van 100 vliegtuigen per maand kunt halen," zegt Jarka. "De RPB is een goede toepassing voor thermoplastisch lassen maar ook voor automatisering," zegt Malecha. "De droge vezel, vloeibare-gevormde RPB is duurder om te automatiseren."

"Maar die automatisering is interessant omdat u echte winst kunt behalen door slechts enkele van de sub-processen te automatiseren," zegt Larsen. "Bijvoorbeeld, met het automatiseren van de hulpmaterialen, konden we de vacuümzakken in ongeveer een uur voltooien, ruwweg 10 keer sneller dan het handmatige proces." Echter, hij geeft toe dat kosten een groot obstakel zijn om dergelijke verbetering te implementeren. "De kosten van de digitale tools, robots en ontwikkeling is te veel voor één enkel deel, zoals de RPB. Maar als we een modulaire benadering konden ontwikkelen waar u dit systeem voor veel onderdelen kunt gebruiken, dan kan deze kosten breder verspreid worden, het betaalbaar makend berekend met de gereduceerde tijd en arbeid." ZLP heeft dit inderdaad bereikt, zoals uitgelegd in CW's juli 2020 feature: "Composites 4.0: Digital transformation, adaptive production, new paradigms."

"Er zijn nog niet veel vergelijkingen tussen thermohardende en thermoplastische composietstructuren," zegt Malecha. "Maar we beginnen thermohardende en thermoplastische processen te vergelijken." Hij merkt op dat het volgende doel is om te laten zien dat thermoplastische letsels de eigenschappen hebben die vereist zijn voor vliegtuigvleugels en rompen. En die prestaties moeten ook getoond worden voor grote, geïntegreerde vloeibare-gevormde vleugels, bijv. Dit is precies wat de MFFD en WOT programma's uitvoeren. En we wachten hun resultaten af, alsook die van veel andere Clean Sky 2 en EC projecten, om de volgende stappen vooruit te tonen.