Compressie RTM: Voortgang in productie van toekomstige luchtvaart-composiet aerostructuren

Composieten hebben een vaste plek verworven in commerciële luchtvaartuig-cellen omdat ze hoge sterkte, lichte structuren mogelijk maken die lagere onderhoudskosten bieden vergeleken met metaal. Huidige projecties voor de volgende generatie zowel wide-body als narrow-body vliegtuigen tonen voortgezette groei in composiet cellen, maar alleen als materialen en processen uitdagende doelen voor lage kosten en hoge productiesnelheden kunnen halen. Hoewel autoclave-gecurde epoxy prepreg tot nu toe heerste in koolstofvezel-versterkte polymere (CFRP) vliegtuigcellen, najagen ontwikkelaars van volgende generatie vliegtuigen agressief out-of-autoclave (OOA) technologieën met geïntegreerde automatisering en inline inspectie als sleutel-faciliteerders voor toekomstige Industrie 4.0 productie.

Ontwikkeling van droge versterkingen

Uitrustings- en automatiseringsleverancier Techni-Modul Engineering (Coudes, Frankrijk) en zijn Amerikaanse dochter Composite Alliance Corp. (Dallas, Texas, VS) hebben een partnerschap aangegaan met de Britse en Franse bedrijfseenheden van geavanceerde materialenleverancier Hexcel (Stamford, Conn., VS) om geautomatiseerde OOA productie van CFRP ribben en stringers te demonstreren. De onderdelen worden gemaakt met geautomatiseerd preformen van Hexcel droge koolstofvezel versterkingen en een compressie resin transfer molding (C-RTM) proces dat snelle infiltratie van Hexcel HexFlow RTM6 vloeibare epoxy hars biedt om onderdelen te produceren met 60% vezelvolume en minder dan 1% luchtinclusies in een cyclus van 2,5 tot 3,0 uur die kan worden opgeschaald om meerdere onderdelen te produceren voor hoge productiesnelheden.

"We zien liquid composite molding (LCM) als een antwoord op de driedubbele uitdaging om kosten te verlagen, rate-ready te zijn en primaire structuur prestaties te leveren," legt Rémy Pagnac, Hexcel technisch ondersteuningsingenieur voor liquid composite molding, uit. Hexcel heeft zijn HiMax non-crimp fabric (NCF) en HiTape unidirectionele (UD) koolstofvezel materialen ontwikkeld om aan de primaire structuur prestatiebehoeftes te voldoen bij het gebruik van LCM processen. HiMax stelt grote, platte structuren zoals vleugelvellen in staat om snel te worden gelegd, terwijl HiTape maatwerk legingen voor grote, complexe structuren met minimaal afval mogelijk maakt. "We kunnen eigenschappen bereiken die gelijk zijn aan de nieuwste generatie UD prepregs," voegt Pagnac toe.

Hexcel heeft gewerkt aan het verminderen van bulk en het verbeteren van draagbaarheid met HiMax NCF, inclusief een fijn 20 dTex streekgaren. HiMax materialen worden geproduceerd op de voormalige Formax faciliteit in Leicester, VK, die Hexcel in 2016 verwierf. De lichte, spread-tow multiaxialen die op deze faciliteit geproduceerd worden, hadden al een lange geschiedenis van het leveren van oplossingen voor veeleisende toepassingen zoals racejachten, superauto's en Formule 1 raceauto's. Nu zijn NCF materialen gebruikt in een vleugel demonstrator project voltooid door Airbus Defense and Space (Airbus DS, Cadiz, Spanje) en Danobat (Elgoibar, Spanje) met behulp van de laatste Automated Dry Material Placement (ADMP) technologie – een type geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) voor NCF – en in het door Airbus gesponsorde ZAero project voor nul-defect CFRP structuren zoals stringer-versterkte vleugelvellen.

Zowel met HiMax als HiTape integreert Hexcel lagen van dunne, laag-areagewicht thermoplastische filament voile die als binder fungeren, waardoor de noodzaak voor poederbinders die historisch gebruikt werden in droge materialen voor preformen en vloeistofvorming, vervalt. Voor HiMax is deze voile tussen de NCF lagen geintercaleerd; voor HiTape wordt de voile aan beide kanten van de koolstofvezel unitape aangebracht. "Hierdoor hoef je geen poederbinder te gebruiken om de UD lagen op hun plaats te houden," legt Pagnac uit. "HiTape is gecalibreerd, en is geen gesneden tape, dus er is geen vlas en er is minder variatie in breedte voor verbeterde AFP verwerking. De thermoplastische voile voegt ook zwaarte toe aan de finale laminaat, en we hebben gedemonstreerd dat we hoge materiaal depositie snelheden kunnen bereiken met de volgende generatie AFP machines." In een mei 2015 SAMPE paper beschrijft Hexcel een enkel-kromming preform geproduceerd met 0,25-inch brede HiTape toegepast met een laser-uitgeruste Coriolis Composites (Quimper, Frankrijk) AFP machine met een leg snelheid van 1 meter/seconde. Het heeft ook gewerkt met Electroimpact (Mukilteo, Wash., VS) AFP apparatuur om depositie snelheden van tot 150 kilogram/uur te demonstreren voor een full-size spar aerostructuur.

C-RTM aanpassen voor de luchtvaart

C-RTM werd voor het eerst geïntroduceerd met high-pressure RTM (HP-RTM) voor automobilistische composieten. Net als bij conventionele RTM omvat C-RTM het plaatsen van een droge vezel preform in een gematchde metalen mol, het injecteren van vloeibare hars in het preform en vervolgens het toepassen van warmte en druk met een geactiveerde pers. Bij C-RTM wordt de mol echter slechts deels gesloten, wat een gat laat tussen het droge preform en het bovenste moloppervlak (Fig. 1). Vacuüm wordt toegepast, een precise dosis gemengde hars geïnjecteerd en de pers sluit het gat in de mol, waardoor de vloeibare hars naar beneden in het preform in de z-richting over het hele deel wordt geduwd. "Dit is veel sneller dan het injecteren van de hars in-plane door het deel," legt Techni-Modul Engineering procesingenieur Thomas Chevallet uit.

Techni-Modul Engineering zag een kans om C-RTM aan te passen voor de luchtvaart tijdens zijn rol als partner in het Clean Sky 2 "Optimized Composite Structures" (OPTICOMS) project. Georganiseerd binnen Work Package B-1.2 ("More affordable composite structures"), heeft OPTICOMS als doel de productiekosten van kleine vliegtuigen (bijv. regionale straalvliegtuigen) te verlagen via geïntegreerde structuren en geautomatiseerde productie, waarbij zowel prepreg als vloeibare hars methoden worden onderzocht. OPTICOMS heeft een composiet vleugel demonstrator ontworpen bestaande uit een bovenste vleugelvel met drie sparren, geproduceerd als een geïntegreerde structuur in een one-shot proces. De full-scale vleugel (Fig. 2) is onderdeel van een AIRFRAME Innovative Technology Demonstrator (ITD) voor het evalueren en rijpen van technologieën naar technology readiness level (TRL) 6 voor volgende generatie vliegtuigen in productie vanaf 2025. Israel Aerospace Industries (Lod, Israël) werd in juli 2016 geselecteerd als coördinator voor OPTICOMS. Het consortium omvat ook kleine vliegtuig OEM Piaggio Aerospace (Savona, Italië), Techni-Modul Engineering en AFP apparatuurleveranciers Coriolis Composites en Danobat.

"C-RTM was in de industrie bekend," legt Chevallet uit, "maar met HP-RTM is nog steeds een grote pers nodig. Onze ontwikkeling was om C-RTM aan te passen voor snelle injectie met lagere druk, wat goedkopere productie van luchtvaartonderdelen met zeer strikte eisen voor hoog vezelvolume, vezeluitlijning en lage luchtinclusies mogelijk maakt. De injectietijd voor de 0,7 meter lange en 0,2 meter brede vleugelrib in het OPTICOMS project werd teruggebracht van 40 naar vijf minuten. In een apart testprogramma voor een I-balk stringer van 900 millimeter lang en 150 millimeter hoog, werd de injectietijd verkort van één uur naar minder dan vijf minuten."

"Deze reductie in injectietijd die C-RTM biedt, zou nog groter zijn voor grote onderdelen zoals volledige vleugelvellen of helikopter rotorenbladen," voegt Chevallet toe. Hij merkt op dat C-RTM ook injectie van hoog-viscositeit harsen alsook lagere-druk injectiesystemen en lagere-tonnage pressen mogelijk maakt, wat kosten verlaagt. "De moldruk tijdens C-RTM is slechts 6 bar, veel lager dan wat gebruikt wordt in HP-RTM," legt Chevallet uit. "Het proces bereikt luchtvaartkwaliteit composieten maar werkt goed voor grote, dunne onderdelen en kleinere, complex gevormde onderdelen."

Geautomatiseerd preformen

Hoewel snellere, goedkopere harsinjectie en OOA vormgeving sleutelonderdelen zijn van deze benadering voor meer betaalbare aerocomposiet productie, vereist de proceskett nog steeds meerdere stappen voor snijden en leggen van materialen en preformen. "Voor ons was OPTICOMS ook over automatisering," zegt Chevallet. Techni-Modul Engineering leverde niet alleen een C-RTM injectiesysteem voor het OPTICOMS project, maar ook een pick-and-place robot en een hot drape forming (HDF) machine, allemaal geïntegreerd in een volledig geautomatiseerde productiecel.

Kort na de start van OPTICOMS in 2016, won Techni-Modul Engineering dochter CAC de ACE Equipment and Tooling Innovation Award in de categorie manufacturing voor zijn geautomatiseerde 3D preform cel op CAMX 2016 (26-29 sept., Anaheim, Calif., VS). In staat om 3D preformen te produceren uit droge vezel of prepreg, gebruikte de cel vacuümzuiggreppers om gesneden lagen op te pikken, te plaatsen en te vouwen op een verwarmde preform mol. Techni-Modul Engineering en CAC ontwikkelden software om de gesneden lagen van 2D materialen voor te bereiden voor vorming tot complexe en ontwikkelbare oppervlakken. Deze cel werd verder ontwikkeld in OPTICOMS en het I-balk testproject.

Stap 1

Binnen de geautomatiseerde cel van Techni-Modul Engineering verwijdert een pick-and-place robot lagen van een geautomatiseerde snijder en brengt ze aan op een verwarmd preform gereedschap.

Stap 2

De preform gereedschappen zitten op een compactietafel met een gescharnierd herbruikbaar vacuüm membraan (blauw, links) gebruikt om een verwarmde debulk elke 5-8 lagen tijdens het leggen te voltooien.

Stap 3

Elke stringer preform cyclus produceert één C-balk preform (twee vormen de I-balk web) en één platte flange preform. Twee sets vereist voor elke I-balk stringer worden hier getoond.

Stap 4

De vier I-balk stringer preformen worden in de RTM mol geplaatst, vacuüm wordt toegepast en harsinjectie voltooid in 5 minuten.

Stap 5

Na een 90-minuten curering wordt het stringer gedemold en hars flash getrimd voor een complete deelcyclus van 4,5 uur.

Stap 6 – Rib preformen

Een robot plaatst gesneden lagen op het verwarmde preform gereedschap. Elke 5-8 lagen wordt een verwarmde debulk voltooid om het preform te compacteren.

Voor debulking wordt blauwe release film aangebracht.

Breather wordt gebruikt om lucht over het preform te onttrekken.

Na de finale debulk wordt het preform op het gereedschap gekoeld en snijgaten getrimd.

"We hebben de klassieke handmatige stapeling van lagen geautomatiseerd met robotische pick and place," zegt Chevallet. "De robot pikt lagen op van een geautomatiseerde snijder en brengt deze over naar het verwarmde preform gereedschap dat op een compactietafel zit [Stappen 1 en 6]." Een peel ply (blauwe film in Stap 6), breather (wit materiaal in Stap 6) en gescharnierd herbruikbaar vacuüm membraan (lichtblauw links in Stappen 2 en 6) worden aangebracht, gevolgd door vacuüm en warmte om voor te vormen en lucht uit de textielstapel te verwijderen (hot drape forming, HDF) terwijl de dunne thermoplastische voiles smelten om een gecompacteerd preform te creëren.

"Hoeveel lagen je tegelijk kunt compacteren hangt af van de materialen en vorm van het deel," legt Chevallet uit. "Voor delen met lage kromming, zoals een vleugelvel, kun je mogelijk elke 50 lagen compacteren. De OPTICOMS rib heeft echter 90-graden hoeken, en de test I-balk stringer heeft T-vormen, dus je moet voorzichtig zijn om geen rimpels in de lagen tijdens preformen te vormen." Hij voegt toe dergelijke complexe vormen kunnen compactering elke 5-8 lagen vereisen, maar nog steeds deel kunnen uitmaken van een hoog-volume, geïndustrialiseerd proces: Lagen stapelen, 2-minuten HDF compactering, openen en opnieuw stapelen, gevolgd door herhaalde compacteringscycli met een finale afkoeling van het preform op het gereedschap voor transfer naar de RTM mol.

"Onze geautomatiseerde cel kan leggen met een snelheid van 15 seconden per laag," merkt Chevallet op. "Leggen voor de OPTICOMS rib, met minder dan 20 lagen in totaal, werd voltooid in 20 minuten." Leggen voor de I-balk stringer was langer – 45 minuten – vanwege de complexe vorm en laminaat stapeling, inclusief dikte variaties van 1,2 tot 6 millimeter. "Dit is nog steeds veel sneller dan handmatige processen en verlaagt foutenrisico, verhoogt herhaalbaarheid en kwaliteit terwijl kosten dalen," voegt hij toe.

Stap 7

De RTM tool voor de OPTICOMS rib bestaat uit meerdere delen.

Stap 8

Het rib preform wordt in de RTM tool geplaatst.

Stap 9

Vacuüm wordt toegepast, hars geïnjecteerd en infiltreert het preform, gevolgd door een 90-minuten curering. Hier is de pers geopend om het gecureerde deel te onthullen.

Stap 10

Na demolding wordt hars flash verwijderd voor een complete deelcyclus van 4 uur.

Slimme controle

Een ander kenmerk van de geautomatiseerde preform cel van Techni-Modul Engineering is het geïntegreerde controlsysteem. Aangeduid als SMART CONTROL, is de ruggengraat een camerasysteem en multi-use software die foto's die tijdens verwerking worden gemaakt vergelijkt met de CAD database van het deel, wat preorm vormherkenning, vezeloriëntatie controle, laag positionering en detectie van defecten en vreemde objecten (FOD) mogelijk maakt. De SMART CONTROL feedback instructeert de robot hoe de lagen in de juiste volgorde en timing op te pikken en te plaatsen, maar waarschuwt ook de celoperator wanneer fouten worden gedetecteerd. "Het systeem kan geconfigureerd worden zodat de operator dan handmatig de laag verwijdert en het systeem herstart om het te vervangen," legt Chevallet uit, "of we kunnen met de klant werken om een geautomatiseerde oplossing te creëren voor het verwijderen van defecte lagen en het corrigeren van fouten."

Dezelfde optische afbeeldingen die gebruikt worden om laagranden en contouren te detecteren, worden ook gebruikt voor het controleren van vezeloriëntatie. Chevallet toe te geven dat als het deel erg groot is (bijv. 2 meter lang vergeleken met 200 bij 200 millimeter), "je misschien een camera nodig hebt die foto's maakt vanuit een hogere verticale positie om de randen van lagen te detecteren, en dan dichterbij het deel komt voor het controleren van vezeloriëntatie. Je kalibreert deze sequentie voor elk type deel. Voor het detecteren van rimpels en FOD, is er een database van verschillende defecten en je kunt hieraan toevoegen, zodat het deep learning algoritme na verloop van tijd verbetert. Het idee is om een systeem te hebben dat adaptief is."

Cyclustijd en toekomstige productie

Preformen voor de OPTICOMS rib werden gemaakt met HiMax, en de I-balk stringer gebruikte HiTape. Het harsysteem voor beide was Hexcel's HexFlow RTM6 eén-component (1K) vloeibare epoxy, die een curingscyclus heeft van 90 tot 120 minuten bij 180°C. Deze curering is de langste stap in de deelcyclustijden voor zowel de OPTICOMS rib als test I-balk stringer, zoals te zien is in Tabel 1.

Tot nu toe is dit de enige epoxy gekwalificeerd voor RTM van luchtvaartstructuren. Echter, de interesse groeit in het kwalificeren van twee-component systemen die bij de injectiekop gemengd worden, wat verhoogde curingscyclus flexibiliteit biedt en de noodzaak voor gekoelde verzending en opslag om voorbijgaande reactie van de voorgemengde RTM6 te voorkomen, opheft.

Airbus Helicopters (Donauworth, Duitsland) werkte met Alpex Technologies (Mils, Oostenrijk) in het SPARTA project om een HP-RTM proces te demonstreren met een twee-component versie van HexFlow RTM6 om 30-minuten cures bij 180°C te bereiken voor een A350 deurframe, een complex gevormde primaire structuur van 2 meter hoog, 200-250 millimeter breed en 8-10 millimeter dik. Airbus heeft ook een 1,5 meter bij 0,5 meter CFRP rib gedemonstreerd gemaakt met HP-RTM door zijn Composite Technology Center (CTC, Stade, Duitsland) dochter, met 20-minuten vormcycli voor delen met 60% vezelvolume en minder dan 2% luchtinclusies. In het afgelopen jaar werkte CTC met een aantal tier leveranciers om hand layup prepreg onderdelen over te zetten naar HP-RTM voor de A320. Echter, 2K harsystemen moeten gekwalificeerd worden voor aerostructuur productie, en CTC is bezorgd over het vermogen om continu de mengkwaliteit van 2K harsystemen in situ te waarborgen. Alpex gebruikt in-mol sensoren van Netzsch (Selb, Duitsland) en Kistler (Winterthur, Zwitserland) om dit te bereiken, en andere oplossingen worden ontwikkeld.

Zelfs zonder 2K systemen zijn hogere productievolumes mogelijk. Deurframes in het SPARTA project werden verwijderd na de initiële 30-minuten curering bij 180°C en na-gecurd buiten de pers, onder vacuüm om thermische spanning te verwijderen en mechanische eigenschappen te waarborgen. Volgens Alpex's hoofd R&D Bernhard Rittenschober vereist dit extra sets gereedschappen, maar slechts één pers en injectie-eenheid. Hij legt uit de extra gereedschaps kosten worden gecompenseerd door lagere proces- en pers kosten en snel terugverdiend kunnen worden, zelfs met een laag volume van 500-1.000 delen/jaar.

"De belangrijkste prestatie van deze demonstrators is de mogelijkheid om primaire aerostructuren te maken met een korte harsinjectie versus conventionele luchtvaart RTM processen, waar het een moeilijk, langdurig proces is om hars in zulke grote delen met UD koolstofvezel versterkingen te infiltreren," zegt Pagnac. "We zijn net aan het begin van wat we kunnen bereiken met dit type intelligente geautomatiseerde preformen en C-RTM verwerking," voegt Chevallet toe. "Het heeft het potentieel om de meer kosteneffectieve, duurzame productie van stringer-geïntegreerde vel structuren te bereiken die worden geëviseerd voor toekomstige vliegtuigen."