Leonardo & CETMA revolutioneren composietmaterialen om kosten te verlagen en milieu-impact te verminderen

Deze blog is gebaseerd op mijn interview met Stefano Corvaglia, materialen-engineer, hoofd van onderzoek & ontwikkeling en IP-manager van Leonardo Aerostructures Division (Grottaglie, Pomigliano, Foggia, Nola productiefaciliteiten, zuidelijk Italië) en Dr. Silvio Pappadà, onderzoek-engineer en hoofd van programma's met Leonardo bij CETMA (Brindisi, Italië).

Leonardo (Rome, Italië) is een van de werelds grootste spelers in Luchtvaart, Defensie en Beveiliging met 13,8 miljard euro omzet en 40.000+ werknemers wereldwijd. Het bedrijf biedt uitgebreide oplossingen op wereldwijde schaal voor lucht, land, zee, ruimte, cyber & beveiliging en onbemande systemen. Met ongeveer € 1,5 miljard (11% van omzet in 2019) gewijd aan R&D, is Leonardo gerangschikt 2e in Europa en 4e wereldwijd in termen van onderzoeksinvesteringen in de luchtvaart- en defensiesector.

Via zijn Aerostructures Division levert Leonardo fabricage en montage van grote structurele componenten, inclusief rompsecties en empennages, in composieten en traditionele materialen voor de werelds grote civiele vliegtuigprogramma's.

In composietmaterialen produceert Leonardo Aerostructures Division "een-stuks vaten" voor de Boeing 787 centrale rompsecties 44 en 46 in zijn Grottaglie-fabriek alsook de horizontale stabilisatoren in zijn Foggia-fabriek – in totaal ongeveer 14% van de 787-vliegtuigcel. Andere composietstructurenproductie omvat, in zijn Foggia-fabriek, fabricage en montage van empennages voor ATR en Airbus A220 commerciële vliegtuigen. Foggia produceert ook composietonderdelen voor de Boeing 767 en voor militaire programma's inclusief de Joint Strike Fighter F-35, Eurofighter Typhoon-jager, C-27J militair transport en Falco Xplorer, het nieuwste lid van de Falco-familie van onbemande vliegtuigen geproduceerd door Leonardo.

Samenwerken met CETMA

"We hebben veel lopende activiteiten met CETMA, bijvoorbeeld in thermoplastische composieten en resin transfer molding (RTM)," zegt Corvaglia. "Ons doel is om R&D-activiteiten klaar voor productie te hebben in de kortst mogelijke tijd. In onze afdeling (R&D en IP-management) kijken we ook naar disruptive technologien met een lagere TRL [technology readiness level – dat wil zeggen, lagere TRL is meer nascente en verder van productie], maar we kijken naar meer competitief zijn en onze klanten wereldwijd te helpen."

"Vanaf het begin van ons samenwerk," voegt Pappadà toe, "hebben we altijd gekeken om kosten en milieu-impact laag te houden. We hebben gevonden dat thermoplastische composieten (TPC) een reductie in beide bieden ten opzichte van thermoharden."

Corvaglia merkt op dat, "samen met Silvio's team, we deze technologieën hebben ontwikkeld en enkele geautomatiseerde cel-prototypes gebouwd om deze in productie te evalueren."

Continue compressievorming (CCM)

"CCM is een goed voorbeeld van ons samenwerk," zegt Pappadà. "Leonardo identificeerde enkele componenten gemaakt in thermohardende composieten en samen hebben we technologie verkend om deze in TPC te leveren, kijkend naar waar er grote aantallen onderdelen in het vliegtuig zitten, zoals spleetstructuren en stenen met eenvoudige geometrie."

"We hadden een nieuwe productietechnologie nodig gekenmerkt door lage kosten en hoge snelheid," vervolgt hij. Hij wijst erop dat in het verleden enkele TPC-componenten geproduceerd werden met een grote hoeveelheid afval. "Dus produceren we netto-vormen gebaseerd op niet-isotherme compressievorming maar met enkele innovaties (patenten lopen) om afval te reduceren. We ontwierpen een volledig geautomatiseerde cel hiervoor, die een Italiaans bedrijf voor ons bouwde."

Deze cel is in staat om de componenten te produceren die Leonardo ontwierp, zegt Pappadà, "met een snelheid van één component elke 5 minuten, 24 uur per dag werkend." Echter, zijn team moest dan de productie van het preform uitvinden. "In het begin hadden we een plat laminatieproces nodig, want dit was de knelpunt op dat moment," legt hij uit. "Dus ons proces begint met een blanco (plat laminaat), verhit dit in een infrarood (IR)-oven en dan in een pers voor vormgeving. Platte laminaten worden doorgaans geproduceerd met grote pressen en vereisen 4-5 uur cyclus-tijd. We besloten een nieuwe methode te onderzoeken die in staat is om platte laminaten sneller te produceren. Zo ontwikkelden we een hoge-productiviteit CCM-lijn bij CETMA met steun van Leonardo-ingenieurs. We verminderden de cyclus-tijd voor een 1-meter bij 1-meter onderdeel tot 15 minuten. Belangrijk is dat het een continu proces is, dus we kunnen oneindige lengtes produceren."

Maar hoe is dit nieuw vergeleken met de CCM die al meer dan een decennium gebruikt wordt door Xperion, nu XELIS (Markdorf, Duitsland)? "We hebben analytische en numerieke modellen ontwikkeld die in staat zijn om defecten zoals luchtinclusies te voorspellen," zegt Pappadà. "We deden dit in samenwerking met Leonardo en de Universiteit van Salento (Lecce, Italië) om parameters en hun invloed op kwaliteit te begrijpen. We gebruikten deze modellen om deze nieuwe CCM te ontwikkelen waar we zeer hoge dikte maar ook hoge kwaliteit kunnen hebben. Dankzij deze modellen kunnen we temperatuur en druk optimaliseren maar ook hoe deze toe te passen. Er zijn veel technologische aspecten die je kunt ontwikkelen om uniforme verdeling van temperatuur en druk te hebben; echter, we moesten de impact van deze op de mechanische prestaties en groei van defecten in composietstructuren begrijpen."

Pappadà vervolgt, "Onze technologie is flexibeler. Ook, CCM is 20 jaar geleden ontwikkeld, maar er is geen informatie over deze techniek omdat de paar bedrijven die het gebruikten kennis en know-how niet deelden. Dus we moesten vanaf niets beginnen, alleen met onze kennis van composieten en verwerking."

"We werken nu door interne programma's en met onze klanten om onderdelen voor deze nieuwe technologieën te vinden," zegt Corvaglia. "Deze onderdelen kunnen herontworpen en hergekwalificeerd worden om productie te starten." Waarom? "Het doel is om een vliegtuig zo licht mogelijk te hebben maar ook prijscompetitief. Dus we moeten ook optimaliseren met dikte. Maar we zouden erachter kunnen komen dat een onderdeel nog lichter kan of meerdere onderdelen met een vergelijkbare vorm identificeren, wat significante kostenbesparingen mogelijk kan maken."

"Tot nu toe," herhaalt hij, "is deze technologie in handen van een paar geweest. Maar we hebben alternatieve technologieën ontwikkeld om deze processen nog geautomatiseerder te maken door meer geavanceerde pers-vorming toe te voegen. We stoppen een plat laminaat in en er komt een onderdeel uit, klaar om te gaan. We zijn in de fase van herontwerpen van onderdelen en ontwikkelen van plat versus gevormde CCM."

"We hebben nu in CETMA een CCM-lijn die heel flexibel is," zegt Pappadà, "waar we verschillende drukken kunnen toepassen zoals nodig om complexe vormen te bereiken. De lijn die we samen met Leonardo zullen ontwikkelen, zal meer gefocust zijn op componenten die aan zijn specifieke behoeften voldoen. We denken dat we verschillende CCM-lijnen kunnen hebben voor platte panelen en L-stringers versus meer complexe vormen. Op die manier kunnen we de apparatuurkosten lager houden versus de grote pressen die momenteel gebruikt worden om complexe geometrie TPC-onderdelen te produceren."

Inductielassen voor in-situ consolidatie

"Inductielassen is heel interessant voor composieten omdat het mogelijk is om temperatuur heel goed af te stemmen en te controleren, om heel snel op te warmen en heel nauwkeurig te controleren," merkt Pappadà op. "Met Leonardo hebben we inductielassen ontwikkeld om TPC-componenten te verbinden. Maar nu denken we om inductielassen te gebruiken voor in-situ consolidatie (ISC) van TPC-tapes. Om dit te doen, hebben we nieuwe koolstofvezel-tape ontwikkeld die heel snel opgewarmd kan worden door inductielassen met een toegewijde machine. De tape gebruikt dezelfde matrixmaterialen als commerciële tapes maar met een andere architectuur die elektromagnetische verwarming verbetert. We optimaliseren de mechanische prestaties maar denken ook aan het proces, proberen verschillende behoeften te matchen, bijvoorbeeld hoe kosteneffectief te verwerken met automatisering."

Hij wijst erop dat ISC heel moeilijk is te bereiken met TPC-tape bij goede productiesnelheden. "Om dit voor industriële productie te hebben, moet je sneller opwarmen en afkoelen en druk op een heel gecontroleerde manier toepassen. Dus we besloten inductielassen te gebruiken om een klein gebied alleen op te warmen waar we materiaal consolideren maar de rest van het laminaat koud te laten. Inductielassen gebruikt voor montage heeft een hogere TRL, zegt Pappadà."

Het gebruik van inductieve verwarming voor in-situ consolidatie lijkt heel disruptief – iets wat geen andere OEMs of tier-leveranciers openlijk op dit moment doen. "Ja, dit is misschien wel disruptieve technologie," zegt Corvaglia. "We hebben de machine en de materialen gepatenteerd. We streven naar iets wat vergelijkbaar is met thermohardende composieten. Velen hebben AFP (geautomatiseerde vezelplaatsing) met TPC geprobeerd maar moeten een secundaire stap voor consolidatie doen. Dit is een grote beperking in termen van geometrie, kosten, cyclus-tijd en grootte van onderdelen. We kunnen inderdaad de manier veranderen om luchtvaartonderdelen te produceren."

SQRTM

Naast thermoplasten, kijkt Leonardo voort aan RTM-technologieën. "Dit is een ander gebied waar we met CETMA hebben gewerkt en nieuwe ontwikkelingen hebben gepatenteerd gebaseerd op een oudere technologie, in dit geval SQRTM. Same qualified resin transfer molding (SQRTM) werd initieel ontwikkeld door Radius Engineering (Salt Lake City, Utah, VS). "Om een out-of-autoclave (OOA) methode te hebben die ons toestaat materiaal te gebruiken dat al gekwalificeerd is, is belangrijk," zegt Corvaglia. "Het laat ons ook prepregs gebruiken die bekende eigenschappen en kwaliteit hebben. We hebben een vliegtuig-vensterframe ontworpen, gedemonstreerd en gepatenteerd met deze technologie."

"Deze is ook oudere technologie, maar als je op het web zoekt, vind je geen info over deze techniek," merkt Pappadà op. "Wat belangrijk is, is dat we opnieuw analytische modellen gebruiken om procesparameters te voorspellen en te optimaliseren. Met deze technologie kunnen we goede harsverdeling hebben – zonder droge gebieden of hars-ophooping – en near-zero void-inhoud. We kunnen hoge structurele prestaties produceren omdat we vezelinoud kunnen controleren, en deze technologie kan gebruikt worden om complexe vormen te produceren. We gebruiken dezelfde materialen gekwalificeerd voor autoclave-uitvering, maar in plaats daarvan in een OOA-methode, maar je zou ook kunnen beslissen om snelle-uitverende harsen te gebruiken om cyclus-tijd te reduceren tot minuten."

"Zelfs met huidige prepreg, hebben we de uittijd verminderd," merkt Corvaglia op. "Bijvoorbeeld, vergeleken met een normale autoclave-cyclus van 8-10 uur, kunnen we 3-4 uur halen met SQRTM voor een onderdeel als een vensterframe. Warmte en druk worden direct op het onderdeel toegepast, en de massa om op te warmen is minder. Ook, het verwarmen van vloeibare hars versus lucht in een autoclave is sneller en de onderdeelkwaliteit is uitstekend, wat een voordeel is vooral voor complexe vormen. Er is geen herwerk, near-zero voids en uitstekende oppervlaktekwaliteit omdat het gereedschap het controleert, niet een vacuümzak."

Visioenair, technologie-gebaseerde toekomst

Leonardo produceert innovatie in een groot en divers scala aan technologieën. Vanwege de snelle evolutie van technologie, ziet het investeren in hoog-risico R&D (lage TRL) als cruciaal om de nieuwe technologieën te ontwikkelen die vereist zijn voor toekomstige producten, die verder gaan dan de incrementele (korte termijn) ontwikkeling die het al ondersteunt in huidige producten. Zo'n combinatie van korte- en lange-termijnstrategieën zijn gecombineerd in Leonardo's 2030 R&D Masterplan, een geïntegreerde visie voor een duurzame en competitieve bedrijf.

Als onderdeel van dit plan, lanceert het de Leonardo Labs, een internationaal netwerk van bedrijfs-R&D-laboratoria gewijd aan geavanceerd onderzoek en technologie-innovatie. Voor 2020 zal het bedrijf de opening van de eerste zes Leonardo Laboratories nastreven in de gebieden Milaan, Turijn, Genua, Rome, Napels en Taranto en 68 onderzoekers (Leonardo Research Fellows) werven met vaardigheden in de volgende gebieden: 36 posities in Kunstmatige Intelligentie en autonoom intelligente systemen, 15 in big data analytics, 6 in high performance computing, 4 in elektrificatie van luchtvaartplatformen, 5 in materialen en structuren en 2 in kwantumtechnologieën. Leonardo Labs zullen de rol van innovatie-uittrekposten en generatoren van Leonardo's toekomstige technologieën spelen.

Opvallend is dat de technologieën die Leonardo commercialiseert in vliegtuigen ook toepassingen kunnen hebben in zijn land- en zeedivisies. Blijf op de hoogte voor meer updates over Leonardo en zijn potentiële impact op composieten.