Thermoplasten drijven significante gewichtsbesparing in moderne vliegtuigen

De vliegtuigopslagbakbeugel ontwikkeld door Victrex, Tri-Mack en Safran Cabin integreert twee koolstofvezel/PAEK inserts overmoulded met een PEEK hars. Het resultaat was 50% massareductie, 20% kostenreductie en substantiële verbetering in buy-to-fly ratio. Bron: Victrex

Als het gaat om conversie van metalen aerostructuren naar thermoset composieten, is de meeste low-hanging fruit – vleugel, romphulps en staartstructuren – al geoogst. In next-generation vliegtuigen zullen thermoplastische composieten zeker een grote rol spelen in grote structuren ook. In de tussentijd zijn er echter conversiekansen beschikbaar vandaag voor thermoplasten.

Één dergelijk onderdeel is een type zelden gezien, maar hoogst belangrijk: interieur lastdragende beugels. Dit zijn de beugels (momenteel aluminium, roestvrij staal en titanium) die schotten, toiletten, keukens en bagageopslagbakken aan de vloer en romphuls van een vliegtuig bevestigen. Deze beugels komen in een verscheidenheid van vormen en maten, afhankelijk van wat er bevestigd wordt. Op zich wegen deze beugels niet veel. Maar, omdat elk vliegtuig honderden beugels verbruikt, is het totale gewicht substantieel.

Vliegtuiginterieur specialist Safran Cabin (Huntington Beach, Californië, VS) herkende dit en keerde onlangs naar thermoplastische composiet specialisten Victrex (Thornton Cleveleys, VK) en fabricant Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, Rhode Island, VS) om een aluminium opslagbak cabin beugel te converteren naar een nieuw ontwerp gemaakt met VICTREX AE 250 koolstofvezel/polyaryletherketone (PAEK) unidirectionele (UD) tape overmoulded met VICTREX PEEK (polyetheretherketone) 150CA30 polymer.

Fysieke testen van de overmoulded beugel. Bron: Victrex

De beugel heeft een rechthoekige basis met twee verticale inserts uitstekend uit het centrum van de basis. De basis heeft een gemould gat in elk hoek voor bevestigingsmiddelen; elke insert heeft ook een gat nabij zijn top, voor bevestigingspennen en andere hardware. De insert is gemaakt met het koolstofvezel/PAEK materiaal; de basis is overmoulded met de PEEK hars.

Victrex en Tri-Mack, in samenwerking met Safran Cabin, leverden de materialen, onderdeelontwerpoptimalisatie, verwerkings- en toolingexpertise die vereist was om ontwerpkenmerken te realiseren en sleutelprestatieparameters te halen. Safran Cabin leverde expertise in ontwerp en productie om toepasbaarheid in luchtvaartdienst en certificeringsomgevingen te waarborgen.

Tim Herr, director Aerospace bij Victrex, zegt dat de inserts gefabriceerd worden met een Dieffenbacher (Windsor, Ontario, Canada) Fiberforge machine, die koolstofvezel/PAEK UD tapes legt om een laminaat te bouwen. Dit laminaat wordt persgeconsolideerd, randgetrimd en vervolgens waterjet gesneden om de inserts te maken. Tijdens waterjet snijden wordt elke insert aan zijn basis uitgezaagd om een mechanische vergrendelingsoppervlak tijdens overmoulding te creëren.

De inserts worden vervolgens in een tool geplaatst, gevolgd door injectie-overmoulding van de PEEK. "Wanneer we overmoulden," zegt Herr, "creëren we een zeer sterke binding tussen het PAEK composiet insert en het injectie-gemoulde PEEK materiaal." De sleutel voor deze enabler, zegt Herr, is de unieke combinatie van PAEK en PEEK. De PAEK, merkt hij op, heeft een proces temperatuur van ongeveer 40°C minder dan die van PEEK. Deze temperatuursverschil faciliteert een intieme en duurzame binding tussen de twee delen. "Zonder de uitvinding van PAEK," argumenteert Herr, "zou hybride moulding van dit type onmogelijk zijn geweest."

Ontwerpsimulatie afbeeldingen van beugelprestaties onder belastingcondities. Bron: Victrex

Deze ontwerp/procescombinatie vereiste uitgebreide simulatie, analyse, prototyping en fysieke testen, waardoor Victrex verschillende ontwerp- en procesgebreken identificeerde, inclusief insertdeformatie, harsstroomtwijfel, binding/interface falen en holtekruimtes. Dit stuurde ontwerpers terug naar het tekenbord om het ontwerp te optimaliseren, en productieingenieurs terug naar de injectiemouldmachine om procesoptimalisatie te doen. De finale ontwerp/procescombinatie overkwam deze uitdagingen en bewijste de haalbaarheid van een thermoplastisch composiet overmoulded beugel.

De initiële prototype beugels werden geproduceerd bij Tri-Mack. Vergeleken met het originele aluminium onderdeel, realiseerde het prototype composiet 20% kostenbesparing, 50% gewichtsbesparing en een 5x betere buy-to-fly ratio.

"We moeten reageren op veel vragen voor vliegtuigbeugels en vergelijkbare structurele onderdelen, met elk geval veel belasting, beperkings- en blootstellingscondities," zegt Tyler Smithson, R&T Engineer bij Safran Cabin. "De sleutel tot succes is het ontwikkelen van een flexibel composietplatform dat gebruikt kan worden voor meerdere projecten, ons onderdeelaantal en ontwerpcomplexiteit verlaagt, time-to-market inkort, time-to-revenue versnelt."

Victrex stelt dat het hybride overmouldingproces een schaalbare, herhaalbare technologie is die potentieel heeft om commerciële luchtvaartklanten te helpen schrootpercentages te reduceren, cyclus tijden te versnellen, onderdeelconsolidatie te vergroten en secundaire operaties te reduceren.

Testresultaten na de tweede ontwerpiteratie van de beugel toonden substantiële verbetering in belastinggrenzen en falencondities. Bron: Victrex

"Bij Victrex zijn we trots op ons track record in het introduceren van 'disruptieve' technologische benaderingen in de sectoren die we bedienen, gebruikmakend van onze know-how in de verwerking en prestaties van PAEK materialen om het commercialisatieproces te versnellen," reageert Herr. "Hybride overmoulding en VICTREX AE 250 composieten vallen zeker in deze categorie, maar dit is net het begin. We blijven onze composietaanbod testen, met ondersteuning van onze klanten en partners om het volle potentieel van deze materialen te demonstreren."

Momenteel is de beugel gepland voor eindtesten en kwalificatie van productieonderdelen. "Het doel is om de composiet beugel later in 2019 in dienst te stellen. We hebben alles gedaan wat we kunnen om te demonstreren dat deze beugel kan presteren," zegt Herr.

Victrex's Frank Ferfecki, Safran's Tyler Smithson en Tri-Mack's Chris Bjerregaard geven een presentatie over de ontwikkeling van de Safran hybride beugel op CAMX 2019 in het Anaheim Convention Center (Anaheim, Californië, VS) op dinsdag 24 september, 14:30 uur, in zaal 201D.