AEROTEC onthult geavanceerd hybride CFRP-AM ontwerp voor lichte luchtvaartstructuren

Tegenwoordig bestaan vliegtuigstructuren uit veel verschillende materialen. Bijvoorbeeld, de fuselage en vleugelstructuur van de Airbus A350XWB is voornamelijk samengesteld uit composieten met enkele metalen onderdelen. Hier worden onderdelen, per klassiek hybride ontwerp, met bouten en nietjes verbonden. Dit ontwerp leidt tot hoge montage tijd, inspanning en kosten. Bovendien introduceert het hoge aantal bevestigingsmiddelen in dit klassieke hybride ontwerp onnodig gewicht, alsook spanningsconcentraties bij belastinginvoeringpunten.

In het project TOAST heeft Premium AEROTEC (Augsburg, Duitsland), een Tier 1 leverancier van fuselage structuren voor de A350, volledig nieuwe methoden van het verbinden van composieten en metalen gepresenteerd. Op deze manier kunnen de nadelen van het klassieke hybride ontwerp met bouten en nietjes geëlimineerd worden. Premium AEROTEC ontwikkelde en produceerde, in minder dan vijf maanden, een demonstrator voor een vliegtuig luchtrem-achtige structuur, met een modern hybride ontwerp. Het bestond uit een titanium belastinginvoering fitting gemaakt met additive manufacturing (AM) en een koolstofvezel-versterkt polymer (CFRP) thermoplastisch composiet plaat, verbonden met behulp van thermoplastische composiet overvorming.

De innovatie van deze demonstrator is de verbinding van de verschillende materialen zonder bouten of bevestigingsmiddelen. Dit was alleen mogelijk door het gebruik van additive manufacturing en thermoplastische overvorming. De titanium fitting was ontworpen met pennen aan de onderzijde en ribben ontworpen met gyroid structuren, beide gemakkelijk geproduceerd met AM. Het AM titanium deel en een thermoplastische composiet plaat werden vervolgens in een thermovormmol geplaatst. De twee componenten werden samengeperst in een thermovormproces met een injectievormstap onmiddellijk daarna. Tijdens deze stap werden de V-vormige thermoplastische composiet ribben overvormd en in de spons-achtige gyroid ribben van de titanium fitting geperst.

De verbindingen in deze hybride demonstrator werden gerealiseerd ofwel door materiaalverbinding (CFRP – CFRP) of vormsluiting (titanium AM – CFRP). Parallel werden structurele tests uitgevoerd voor de bepaling van de mechanische eigenschappen van de verbindingen. Deze tests toonden aan dat de belastingoverdrachtscapaciteiten vergelijkbaar waren met die met nietjes en bouten.

De voordelen van dit moderne hybride ontwerp, in vergelijking met het klassieke ontwerp met mechanische bevestigingsmiddelen, omvatten snelle productie en montage zonder bevestigingsmiddelen, minder onderdelen zijn nodig en de processtappen voor de montage zijn korter en geautomatiseerd. Bovendien leiden de efficiëntie van de ontwerpvrijheden benut door gebruik van AM en injectievorming tot gewichtsreducties. Deze technologie kan overal toegepast worden waar lasten tussen punten en oppervlakken moeten worden overgedragen.

Premium AEROTEC is de eerste componentfabrikant ter wereld die 3D-geprinte componenten van titaniumlegeringen voor seriële vliegtuigproductie levert. Premium AEROTEC is een wereldwijde speler in de luchtvaartindustrie en behaalde een omzet van €2 miljard in 2018. De kernactiviteit is het ontwerp en de constructie van vliegtuigstructuren in metaal en koolstofvezel composietmaterialen. Het bedrijf heeft vestigingen in Augsburg, Bremen, Hamburg, Nordenham en Varel in Duitsland alsook Brașov in Roemenië. Premium AEROTEC werkt ongeveer 10.000 mensen wereldwijd.