Thermoplastische composiet innovatie drijven met RTM voor Clean Sky 2 in Spanje

Het EURECAT Centro Tecnológico de Catalunya (EURECAT Technologie Centrum Catalonië, Barcelona, Spanje) is een privé, non-profit R&D organisatie met 11 faciliteiten, 650 werknemers en 50 miljoen euro in jaarlijkse omzet. "Het is het op een na grootste R&D centrum in Spanje," legt Angel Lagraña Hernandez, programmadirecteur voor de luchtvaart en ruimtevaart markt bij EURECAT, uit. Hij legt uit dat een deel van EURECAT's omzet van de Catalaanse regering komt en van de rest, helft moet komen van privésector bedrijven – voornamelijk kleine-tot-middelgrote ondernemingen (KMO's) – terwijl de andere helft publiek kan zijn, zoals het EU-gefinancierde Clean Sky 2 programma. "We hebben nu 18 Clean Sky projecten," merkt Lagraña op, "die we puur op basis van competitieve inzendingen in reactie op calls for proposals hebben gewonnen."

Voorbeelden van hoe composieten voorkomen in Clean Sky 2's talloze doelen en geplande technologie demonstrators omvatten:

• De volgende generatie Multifunctionele Fuselage Demonstrator – thermoplastieken benutten voor schonere lucht
• Circulaire Economie: Composiet Fuselage voor regionale vliegtuigen vormt zich
• Motorrace expertise benutten voor Clean Sky's FastCan

"EURECAT is hoogst transversaal, werkzaam in automotief, spoor en andere industrieën naast zijn werk in luchtvaart," zegt Lagraña. "Het heeft ook veel activiteiten in IT zoals data analytics en blockchain, etc. Composites 4.0 is een van zijn strategische gebieden." Binnen composieten, merkt hij op dat EURECAT primair werkt in out of autoclave (OOA) technologieën. "We focussen op thermoplastieken en vloeibare compressie vorming, inclusief procesmonitoring in real-time, inclusief monitoring van de hars zijn glasovergangstemperatuur (Tg) tijdens verwerking." (Blijf lezen naar de sectie over COFRARE, aan het einde van deze blog, om meer over deze Tg monitoring te zien.)

EURECAT's meest recente composietgerelateerde projecten in Clean Sky 2 omvatten:

• KEELBEMAN om een thermoplastisch composiet kielbalk te demonstreren (Dit project heeft financiering ontvangen van de Clean Sky 2 Joint Undertaking onder het Europese Unie's Horizon onderzoek en innovatie programma onder GAP n° 785435 KEELBEMAN);
• WINFRAME 4.0 om thermoplastische composiet (TPC) raamframes te bouwen voor de Green Regional Aircraft (GRA) demonstrator in Clean Sky (2008-2017) en uitgebreid naar de Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform) in Clean Sky 2 (2014-2024);
  (Dit project heeft financiering ontvangen van de Clean Sky 2 Joint Undertaking onder het Europese Unie's Horizon onderzoek en innovatie programma onder GAP n° 821323 WINFRAME 4.0.)
• COFRARE 2020 voor thermohardende fuselage frames gemaakt met resin transfer molding (RTM) met TPC schuifverbindingen.
  (Dit project heeft financiering ontvangen van de Clean Sky 2 Joint Undertaking onder het Europese Unie's Horizon onderzoek en innovatie programma onder GAP n° 821261 COFRARE 2020.)

Thermoplastische composiet kielbalk

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2017-CFP06-LPA-02-20. Projectduur: maart 2018 tot december 2019

Het doel van het KEELBEMAN project is om een productie-georiënteerde kielbalk structuur voor een A320 type vliegtuig te ontwikkelen die hoge vliegtuigproductiesnelheden mogelijk maakt maar tegen betaalbare kosten via thermoplastische composieten. Naast EURECAT als projectcoördinator, omvatten partners:

• Airbus (Toulouse, Frankrijk) als topic manager
• CETMA (Europees Onderzoekscentrum voor Technologieën Ontwerp en Materialen, Brindisi, Italië)
• De CT Engineering Group (CT Ingenieros, Madrid, Spanje), een bedrijf met talloze wereldwijde kantoren wat een meerjarig contract heeft met Airbus voor vliegtuigontwikkeling zoals onderzoek aan de fuselage, vleugels en achtersteven via zijn Hamburg, Duitsland kantoor; onderzoek aan de achtersteven (Spanje); onderzoek aan fuselage en aanvoersysteem gerelateerde structuren (Toulouse, Frankrijk) en vleugelontwikkeling (Bristol, VK)
• Sofitec (Sevilla, Spanje), een specialist in aerostructuur productie en montage met expertise en productiecapaciteit in composieten.

De CT Engineering Group leverde volledige modellering van de kielbalk geometrie via zijn Toulouse kantoor, terwijl Sofitec non-destructieve test (NDT) inspectie ontwikkelde. "Dit is erg uitdagend met zo'n gesloten doos structuur," wijst Lagraña erop.

Ontwikkeling van kielbalk structuren

"Vandaag de dag zijn de meeste vliegtuig kielbalken gemaakt in metaal behalve de Airbus A350, die monolithisch koolstofvezel composiet is," zegt Lagraña. "Dit vereist grote aantallen nietjes en een significante hoeveelheid tijd voor montage." Hij legt uit dat de kielbalk een kritieke structuur in de fuselage is, "Er zijn gevallen geweest waar de kielbalk gebroken is tijdens landing, wat de hele fuselage liet scheuren en breken.

Volgens een 2011 artikel door Steve Wilhelm, is de A350 kielbalk 70% composiet, 54 voet (16,5 meter) lang, samengevoegd met 10.000 bevestigingsmiddelen, weegt 1,2 ton en vormt de ruggengraat van het vliegtuig. Wilhelm merkt op dat de competitieve Boeing 787 vliegtuig "niet afhangt van zo'n robuuste kielstructuur, omdat meer van de hulsterkte komt van composiet vaten die eind-aan-eind bevestigd zijn." Het artikel citeert dan Michel Merluzeau, managing partner van G2 Solutions LLC luchtvaart consultancy (Kirkland, Wash., VS), die het Airbus ontwerp beschrijft als "meer conventioneel" en "minder riskant" maar wijst erop dat de kielbalk "essentieel is voor de structurele integriteit van dat vliegtuig."

Airbus pionierde eigenlijk een composiet kielbalk voor de A340 in 2001. Maar zoals hierboven beschreven, werkt het hoge aantal benodigde nietjes tegen de gewichtsbesparing die mogelijk is door composieten te gebruiken. Dus een sleuteldoel in het KEELBEMAN project is om bevestigingsmiddelen te minimaliseren door thermoplastische composiet componenten te gebruiken die samengeweest worden.

TPC kielbalk

"De ontwikkeling van een thermoplastische composiet kielbalk met lassen voor montage is onderdeel van Airbus' ontwikkeling van het vliegtuig van morgen, wat programma's omvat zoals de Wing of Tomorrow en Fuselage of Tomorrow," zegt Lagraña. "Binnen KEELBEMAN hebben we een 250-millimeter bij 500-millimeter bij 1-meter lange demonstratiesectie van een kielbalk met stringers geproduceerd en de haalbaarheid van lassen van deze structuur met zoveel mogelijk automatisering gedemonstreerd."

Lagraña merkt op dat de demonstrator wandplaten en stringers gemaakt werden met koolstofvezel/polyetherketoneketone (PEKK) unidirectionele (UD) tape in een continuous compression molding (CCM) proces ontwikkeld door CETMA (zie "Luchtvaartkwaliteit compressie vorming" en "PEEK vs. PEKK vs. PAEK en continuous compression molding"). "Er zijn ook ribben voor transversale verstevigers die gemaakt werden met traditionele non-isothermale compressie vorming door EURECAT," voegt Lagraña toe.

Inductielassen als sleutel-enabler

Lagraña merkt op dat CETMA een sleutelrol speelde niet alleen in de onderdeelsproductie voor KEELBEMAN, maar ook in de assemblage van de demonstrator met zijn gepatenteerde inductielasmachine en technologie. Deze lastechnologie werd oorspronkelijk ontwikkeld in het eerste Clean Sky programma's ECO FAIRS project (2011-2014), samen met de isothermale en non-isothermale compressie vorming van TPC structuren getoond hierboven. In ECO FAIRS gebruikte CETMA al deze technologieën om een prototype demonstrator te produceren gebaseerd op het bestaande bovenpaneel (stringer-versterkte velpaneel) van een Agusta Westland helikopter staart alsook een gebogen sponson fairing demonstrator. Hoewel deze gemaakt waren met CETEX (geleverd door TenCate, nu Toray Advanced Composites) T300 3K 5HS koolstofvezel textiel met dubbelzijdige PPS (polyphenylene sulfide) film, bewees CETMA ook inductielassen met PEEK en PEI composieten uit.

CETMA heeft ook de mogelijkheid ontwikkeld om zijn inductielasproces te optimaliseren door gebruik te maken van simulatie tools, numerieke analyse uitvoerend met COMSOL Multiphysics (COMSOL Inc., Burlington, Mass, VS) eindige elementen modellering (FEM) software. Het verifieerde deze modellen door een groot aantal fysieke tests. CETMA bevestigde zijn geoptimaliseerde procesparameters door enkel-lap tests op gelaste coupons, waarin afschuifsterkte waarden zeer dicht bij het maximum in literatuur gerapporteerd lagen. Opvallend was dat deze ook veel hoger waren dan de maximum waarden bij gebruik van structurele lijmen, zegt CETMA.

CETMA heeft zijn lascapaciteit bewezen voor een grote verscheidenheid aan materialen, inclusief geweven en UD koolstofvezel, alsook PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 en zelfs lassen naar CF/epoxy met een thermoplastische PVB (polyvinyl butyral) hybride laag voor overgang van het thermohardend substraat naar het thermoplastische gezicht voor lassen. (Veel van deze sectie details zijn getrokken uit CETMA competenties presentatie en het CORDIS eindrapport voor ECO FAIRS.) CETMA heeft in 2014 een Europees octrooi aangevraagd en uitvinders Silvio Pappada en Andrea Salomi werden toegekend met octrooi EP2801472A1 in 2016. CETMA heeft talloze papers en presentaties gepubliceerd over deze technologie, inclusief:

• "Finite element simulations to support the development of out-of-autoclave technologies", A&D, 11-12 okt 2012
• "Finite Element Simulations to Support Continuous Induction Welding of PPS-Carbon Composites", SEICO 13, 11-13 maart 2013 "Parijs"
• "Development of a New Induction Welding Machine for Thermoplastic Composites in the Aerospace Sector", Italian Association of Aeronautics and Astronautics XXII Conferentie Napels, 9-12 sept 2013
• "Induction welding in aerospace sector", TPRC, Thermoplastic Composites European Consortium, Web-meeting, december 2013.
• "Full scale tests on thermoplastic components for aerospace sector", SEICO 14, 10-11 maart 2014 "Parijs"
• "New induction welding equipment for the aerospace sector", JEC magazine, Nr. 87, maart 2014, pp. 89-91.

KEELBEMAN status en weg vooruit

Airbus bezocht CETMA in december om de finale las van de 1-meter demonstratorsectie te zien, en het KEELBEMAN team hield ook een finale review van technology readiness level (TRL). "We krijgen goede resultaten en rijpen de technologie van TRL 3 naar TRL 4," zegt Lagraña. Volgende stappen kunnen verdere ontwikkeling naar TRL 6 en productie van een full-scale kielbalk omvatten die geïnstalleerd wordt in een van Clean Sky 2's demonstrators, zoals de WP 2.3.2 full-size lower center fuselage, maar dit is nog niet besloten.

WINFRAME 4.0 project voor TPC raamframes

Een ander thermoplastische composiet (TPC) programma voor EURECAT is WINFRAME 4.0, met het doel om 24 raamframes te ontwikkelen en produceren voor een regionale vliegtuig fuselage/cabine geïntegreerde grond demonstrator (zie uitleg van Clean Sky 2's ontwikkelingen voor Regionale Vliegtuigen en de Full-scale Innovatieve Fuselage en Passagierscabine Demonstrator hieronder). WINFRAME 4.0 partners omvatten:

• Multinationaal luchtvaartbedrijf Leonardo (Rome, Italië) als topic manager
• EURECAT
• Sofitec.

"De methode die we gebruiken kan één raamframe per 10 minuten produceren," zegt Lagraña. Productiestappen omvatten: TPC laminaat blanks in een oven verwarmen, translateren naar een mol, de mol sluiten in een pers, warmte en druk toepassen voor 10-20 minuten en het afgeronde deel(s) demolden. "Deze benadering bereikt niet alleen kortere cycli dan vloeistofvorming maar ook veel goedkopere tooling," voegt hij toe. "Het proces is bekend in de automobilistische industrie, het is compressie vorming in een hoog geautomatiseerde configuratie wat de kwaliteit van het deel verhoogt, maar de luchtvaartmaterialen die gebruikt zijn verschillen, in dit geval een koolstofvezel-versterkte PPS en koolstofvezel van Toray Advanced Composites (voorheen TenCate). Aan het einde van dit project zullen we een TRL 6 voor deze technologieën bereikt hebben," zegt Lagraña.

COFRARE project: RTM C-frames en thermoplastische schuifverbindingen

Het COFRARE 2020 project is een uitbreiding van het initieel COFRARE 2.0 project:

Clean Sky 2 - JTI-CS2-2015-CFP02-AIR-02-16. "Procesontwikkeling voor composiet frames productie met hoge productiesnelheid en lage kosten" Projectduur: 2016 tot 2018.

Het doel van het Clean Sky 2 COFRARE 2.0 project was om een competitieve en haalbare productieproces te ontwikkelen voor koolstofvezel composiet frames te gebruiken in een composiet paneel-gebaseerde fuselage voor regionale vliegtuigen. Partners omvatten:

• Napels-gebaseerde Tier 1 luchtvaart leverancier en engineering/industrialisatie bedrijf DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Italië)
• EURECAT
• LGAI Technological Center S.A., een afdeling van Applus+ Laboratories in Barcelona, Spanje leverde testen.

Het doel van de volgende generatie COFRARE 2020 project is om full-scale composiet frames en schuifverbindingen te produceren te gebruiken in de Clean Sky 2 fuselage/cabine geïntegreerde grond demonstrator. Deze demonstrator is georganiseerd binnen Clean Sky 2's Regional Aircraft IADP (Innovative Aircraft Demonstrator Platform) en gedetailleerd in Sectie 5.2.2 van het maart 2015 Joint Technical Programme document:

"Regionale vliegtuigen zijn een kern element van Clean Sky door een gewijde ITD (Integrated Technology Demonstrator) - Green Regional Aircraft (GRA), leverend essentiële bouwstenen naar een luchtvaartsysteem dat het milieu respecteert, veilige en naadloze mobiliteit waarborgt, en industriële leiderschap in Europa bouwt. In Clean Sky 2, ... De demonstratiedoelstellingen van de Regional Aircraft IADP zijn veel complexer, omvattender en uitdagender dan die van de huidige Clean Sky GRA project, wat gedwongen was om te werken binnen budget en tijdsbeperkingen. ..."

Het 2015 Joint Technical Programme schetst Regionale Vliegtuig ontwikkeling om te omvatten twee vliegende testbeds en vijf grote geïntegreerde grond demonstrators. De laatste omvat de Full-scale Innovatieve Fuselage en Passagierscabine Demonstrator: "De fuselage zal een full-scale demonstratie zijn van technologieën voor composiet materiaal, structuren en productie gericht op [bereiken] gewichts- en kostenreductie en het minimaliseren van de milieu-impact door eco-ontwerp en energieverbruik optimalisatie langs de hele levenscyclus (richting nul-impact)."

COFRARE 2020 project partners omvatten:

• Leonardo als topic manager
• EURECAT
• DEMA
• Vliegtuig componenten en assemblages fabricatie A. Abete (Nola/Marigliano, Italië).

"In COFRARE 2020 maken we fuselage frames met RTM (resin transfer molding), die geïntegreerd zullen worden in de fuselage demonstrator," legt Lagraña uit. "We gebruiken de Ziplus technologie van Shikibo (Osaka, Japan) die preformen produceert die goed geschikt zijn voor injectie met hars." Shikibo Ltd. is onderdeel van Composite Alliance Corp. (Dallas, Texas, VS), en biedt een verscheidenheid aan textiel preform technologieën.

Een interessant aspect van dit programma is het gebruik van sensoren van Synthesites (Uccle, België) voor real-time monitoring van hars aankomst, temperatuur, druk, Tg en curering. "De sensoren zijn geplaatst in specifieke gebieden van het composiet deel en de RTM tool om de harsinjectie strategie te optimaliseren," merkt Lagraña op. Injectie wordt bereikt met een hoog geautomatiseerd systeem geleverd door ISOJET (Corba, Frankrijk), wat ook onderdeel is van Composite Alliance Corp. Synthesites sensoren zijn dielectrische sensoren, maar in tegenstelling tot meeste dielectrische analyse (DEA), die gebaseerd is op wisselstroom (AC), gebruikt Synthesites gelijkstroom (DC). "Onze sensoren presteren goed bij hoge weerstand materialen zoals harsen en omdat we een enkele spanning toepassen, hoeven we niet meerdere frequenties te analyseren, maar bereiken we toch een hoge nauwkeurigheid, zelfs aan het einde van curering," legt Synthesites directeur Dr. Nikos Pantelelis uit.

"We ontmoetten Synthesites op een SAMPE conferentie in 2011," herinnert Lagraña zich. "Zij spraken over sensoren om curingscyclus te verkorten. We onderzoeken hoe preformen voor fuselage frames te automatiseren en zelfs snellere verwerking met HP-RTM (high-pressure RTM), maar nog steeds zit je op 3-4 uur proces tijd. Echter, met Synthesites, hebben we curingscyclus met 50 procent verkort door Tg te monitoren. We testen nu voor eigenschappen. Deze sensoren kunnen werken bij hoge druk maar in onze RTM verwerking gebruiken we slechts 8 bar druk."

De Synthesites DC dielectrische sensoren, OptiFlow vloeibare hars flow monitoring systeem en OptiMold curingsmonitoring systeem zijn gedemonstreerd in productie door diverse windturbineblade fabrikanten. Ze worden ook gebruikt door Bombardier Aerospace (Belfast, VK) om de vloeibare composiet gevormde vleugel voor de C-Series nu Airbus 220 te produceren. Het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR, Stade, Duitsland) heeft curingscyclus reductie tot 50% gedemonstreerd met zowel autoclave prepreg als RTM, terwijl het National Composites Center (NCC, Bristol, VK) heeft gedemonstreerd dat zelfs voor hoog reactieve harsen, de real-time Tg berekeningen gemaakt van sensor metingen van hars temperatuur en weerstand zo nauwkeurig zijn als Tg gemeten van gecureerde panelen met differentiële scanning calorimetrie (DSC).

Frames verbinden met TPC schuifverbindingen

Een ander sleuteldeel van COFRARE 2020 is een meer hoge-volume productiemethode om de honderden schuifverbindingen en beugels te produceren die vereist zijn om de RTM fuselage C-frames aan de composiet fuselage panelen te verbinden. "We ontwikkelen 255 verschillende geometrieën voor thermoplastische composiet beugels geproduceerd door compressie vorming," zegt Lagraña. (Let op, GKN Fokker heeft meerdere Clean Sky 2 projecten waar het TPC beugels zal produceren voor de Multifunctionele Fuselage Demonstrator in de Large Passenger Aircraft IADP; dit werk in COFRARE 2020 is voor kleinere, regionale vliegtuigen.) De basis methode wordt hieronder getoond, met gematchde staal gereedschappen en een verwarmde pers. "De kosten van dergelijke compressie vorming gereedschappen is slechts 2.000 euro, wat heel betaalbaar is vergeleken met RTM tooling," voegt hij toe. "Stamping bereikt ook zeer korte cyclus tijden."

EURECAT is geïnvesteerd in het voorop lopen van composiet technologie ontwikkeling, zegt Lagraña. "We geloven dat de druk voor een schone omgeving het gebruik van composieten in alle transport dramatisch zal verhogen, en dat betaalbaarheid en prestaties samen zullen gaan. Dit is waarom we focussen op geautomatiseerde, out-of-autoclave technologieën om aan onze klanten te bieden."

Blijf op de hoogte voor mijn komende blog over de Clean Sky 2 STUNNING en MECATESTERS projecten, die zullen bespreken de ontwikkeling van gelaste TPC beugels voor de Multifunctionele Fuselage Demonstrator en een volledige karakterisering van PAEK voor dit project. Ik zal ook bloggen over Synthesites in meer detail alsook meer van CETMA's ontwikkelingen in composieten. 2020 gaat een heel interessant jaar worden voor composieten!