AFRL test vlechten, SMP-hulpmiddelen en VARTM om kosten te verlagen op toekomstige motorinlaatkanalen

Deel van de U.S. Air Force 2030 Science and Technology-strategie omvat de massale inzet van goedkope Unmanned Aerial Systems om te helpen bij toekomstige operaties. Om deze visie te realiseren, moeten nieuwe productiestrategieën geïdentificeerd worden die de snelle productie van hoge-kwaliteit aerospace-componenten tegen lagere kosten kunnen ondersteunen dan wat momenteel beschikbaar is met legacy-processen.

De Manufacturing and Industrial Technologies Division van het Air Force Research Laboratory (AFRL, Dayton, Ohio, VS) en het Ohio, VS-gebaseerde contracteur-team van Cornerstone Research Group (Dayton), A&P Technology (Cincinnati) en Spintech LLC (Xenia), voerden onderzoek uit om de voordelen te kwantificeren van het vervangen van legacy prepreg-handmatige-oppakking met droge-vezel-gevlochten-preform en vacuum-geassisteerde resin transfer molding (VARTM) voor de fabricage van een 11-voet-lange, S-gevormde composiet-motorinlaatkanaal.

Vliegtuig-motorinlaatkanalen bieden een constante luchttoevoer om te voorkomen dat de compressor van de motor stuitert. De inlaat moet zo min mogelijk weerstand creëren. De kleinste kloof in luchttoevoer kan grote motorproblemen alsook significante efficiëntieverliezen veroorzaken. Als het inlaatkanaal voldoende lucht met minimale turbulentie moet leveren, moet het schoon en vlekkeloos zijn.

De nieuwe productiebenadering voor het S-gevormde inlaatkanaal vervangt handmatige prepreg-oppakking op een multi-piece staal-mandrel gevolgd door autoclave-uitharding met een geautomatiseerd overvlecht-proces dat in plaats daarvan droge vezel toepast. Het zeer zware multi-piece staal-mandrel wordt vervangen door een lichtgewicht single-piece shape-memory polymer (SMP)-mandrel. De droge gevlochtene koolstofvezel wordt vervolgens verwerkt tot een composietstructuur met VARTM met een goedkope epoxy-hars en oven-uitharding.

Het team voltooide analyse van de overvlecht-architectuur, alsook fabricage van een SMP-vormhulpmiddel en de SMP-mandrel die fungeert als hulpmiddel tijdens het preform-overvlecht-proces. Vanwege de complexe geometrie van het S-gevormde inlaatkanaal, waren meerdere iteraties nodig om de overvlecht-machine-instellingen te optimaliseren en composietmateriaal-rimpeling te minimaliseren. In totaal zullen vier inlaatkanalen gefabriceerd worden en legacy-onderdeelkosten en productietijd vergeleken met het nieuwe ontwerp.

"We geloven dat de introductie van een herbruikbare shape-memory-polymer-mandrel samen met het geautomatiseerde overvlecht-proces en een oven-gebaseerde VARTM-composiet-uitharding zal leiden tot significante kosten- en cyceltijdreducties," zegt Craig Neslen, manufacturing-lead voor de Low Cost Attritable Aircraft Technology Initiative in de Manufacturing and Industrial Technologies Division bij AFRL. "Het kwantificeren van de productievoordelen en het valideren van structurele integriteit zal cruciaal zijn om een positieve business-case te vestigen en ontwerpers en fabrikanten te overtuigen dat de nieuwe materialen en processen geïntegreerd moeten worden in toekomstige goedkope motorinlaatkanaal-ontwerpen."

Het finale inlaatkanaal zal geleverd worden aan de U.S. Air Force voor verdere integratie in het complementaire airframe-ontwerp- en productieprogramma binnen AFRL's Aerospace Systems Directorate. De Aerospace Vehicles Division zal statische grondtesten uitvoeren van de geïntegreerde gevlochtene fuselage- en inlaatkanaal-structuur.

"Hoewel we nog niet alle implicaties van attritie-tolerantie op ontwerpcriteria en de resulterende productiematerialen en -processen hebben gedefinieerd, hebben we wel een baseline met drempelvereisten voor sterkte en stijfheid die we zullen beoordelen via full-scale airframe-grondtesten," zei Ray Fisher, aerospace-engineer in de Aerospace Vehicles Division.

AFRL is het primaire wetenschappelijke onderzoek- en ontwikkelingscentrum voor de U.S. Air Force. Het speelt een integrale rol in het leiden van de ontdekking, ontwikkeling en integratie van betaalbare oorlogvoering-technologieën voor onze lucht-, ruimte- en cyberkrachten. Met een personeelsbestand van meer dan 11.000 over negen technologiegebieden en 40 andere operaties over de hele wereld, biedt AFRL een divers portefeuille van wetenschap en technologie variërend van fundamenteel tot geavanceerd onderzoek en technologieontwikkeling. Voor meer informatie, bezoek: www.afresearchlab.com.