Vooruitgang in thermoplastische aerostructuren: Nieuwe productiedoorbraken

Voordelige eigenschappen van thermoplastische composieten, zoals zwaartekracht, relatief hoge out-of-plane sterkte en duurzaamheid/herbruikbaarheid, hebben vliegtuig ontwerp ingenieurs al decennialang getrokken naar het idee van thermoplastische composiet primaire structuren. Maar vliegtuig productie ingenieurs zijn onzeker geweest over het vinden van een kosteneffectieve manier om ze van CAD-simulatie naar de productievloer te brengen. Ze zijn er echter niet afgeschrikt: inspanningen om de benodigde productietechnologieën te ontwikkelen, zijn wereldwijd voortgezet – misschien nergens zo volhardend als in Nederland.

TAPAS en TAPAS2 consortia

In 2009 vormden negen Nederlandse industriële bedrijven en onderzoeksinstituten, samen met Airbus (Toulouse, Frankrijk), het Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS) Consortium. De initiatief breidde uit tot 12 partners in 2014 en vervolgde als TAPAS2. Gericht op door Airbus ontwikkelde toepassingen onder TAPAS2, ontwikkelde GKN Fokker (Hoogeveen, Nederland) recent een fuselage demonstrator met wat het een butt-jointed orthogrid technologie noemt die kostenefficiënte productie van een thermoplastische composiet fuselage ontwerp mogelijk maakt.

De volledige opbrengst van een thermoplastische composiet primaire vliegtuigstructuur – hoewel nog jaren verwijderd – kan nu in zicht zijn, aangezien Gulfstream Aerospace (Savannah, Georgia, VS) een partnerschap is aangegaan met GKN Fokker om de TAPAS2 fuselage technologie te verbeteren, wat de weg wijst naar het mogelijk toepassen van de materialen en processen op een volledige fuselage. Het verhaal achter het nieuw ontwikkelde fuselagepaneel (dat eerder dit jaar getoond werd op JEC World) is een van vooruitgang in ontwerp- en productiemethoden, en verder, in een meer grondig geïntegreerde ontwerp-productie engineering benadering.

Traditioneel, legt GKN Fokker hoofdingenieur Andries Buitenhuis uit, of ze nu stoffen of unidirectionele tapes gebruikden, bleven ontwerpers meestal bij conventionele lagen van 0-, 90- en 45-graden oriëntaties. Ze werkten vanaf hun laag legtabellen, onafhankelijk van andere disciplines. De nieuwe benadering is een geïntegreerd, gedigitaliseerd ontwerp-productie softwareplatform (ontwikkeld via TAPAS) waarin ingenieurs uit verschillende disciplines allemaal naar hetzelfde digitale model kijken en de capaciteit hebben om complexere onderdeelontwerpen te conceptualiseren. Dit opent een heel nieuwe wereld van ongekende optimalisatiemogelijkheden, vervolgt Buitenhuis. Op complexe vormen kunnen vezelrichtingen overal zijn. We kunnen onconventionele laminaten bouwen en een frisse kijk werpen op ontwerp toelaatbaarheden, productiegaten en overlappingen, stralen... En je kunt de structuursterkte lokaal optimaliseren. Deze uitgebreide ontwerpopties benutten de vezelsturing capaciteit van geautomatiseerde vezelplaatsingsmachines (AFP) volledig, en vooruitgang in andere productiemogelijkheden die hieronder besproken worden.

De ontwerpvrijheid die door dit geïntegreerde digitale systeem geboden wordt, heeft onmisbaar bewezen voor het ontwerp en de productie van business jet panelen. In de TAPAS2 fuselage ontwerpen, bevat het koolstofvezel/polyetherketoneketone (PEKK) paneel (gemaakt met Solvay's APC PEKK-FC) een gelaste, fastener-vrije frame-naar-huid verbinding, wat een essentiële bijdrage is aan de kosteneffectiviteit van het ontwerp. We voorspellen kostenpariteit met aluminium fuselage schillen te bereiken, legt Arnt Offringa uit, hoofd van thermoplastische composiet technologie bij GKN Fokker, en dat is omdat aluminium schillen geriveteerd worden. De eliminatie van mechanische bevestigingsmiddelen wordt verwacht om een 20% kostenreductie en een 10% gewichtsreductie in vliegtuig primaire structuren te genereren vergeleken met conventionele composietoplossingen. Natuurlijk komt een groot deel van de kosten- en gewichtsbesparing van de eliminatie van de bevestigingsmiddelen zelf, evenals arbeidskosten voor het installeren ervan. Ook van groot belang is de eliminatie van gaten in de composietcomponenten om de bevestigingsmiddelen te accommoderen – gaten die extra versterking vereisen en dus extra gewicht.

GKN Fokker bereikte technologie gereedheidsniveau (TRL) 3 (proof of concept) met Airbus voor een geperstuurde fuselage, waarbij kostenpariteit met aluminium fuselagepanelen werd gedemonstreerd, onder TAPAS2 in december 2017. Onderweg breidde het GKN Fokker team zijn visie voor deze thermoplastische fuselage technologie uit van commerciële lijnvliegtuigen naar business jet toepassingen.

Gulfstream's interesse

GKN Fokker's geschiedenis van succesvol werk voor Gulfstream op thermoplastische composietcomponenten maakte een partnerschap met de business jet fabrikant een logische volgende stap. Het is wijd bekend dat Gulfstream al jaren thermoplastische composietonderdelen vliegt, zegt Mark Chapman, manager van Gulfstream's Advanced Structures and Materials Initiative (ASMI). Hij voegt toe dat het fuselagepaneel project een natuurlijke progressie is vanaf wat we doen, beginnend met eenvoudigere onderdelen en bewegend naar primaire structurele onderdelen. GKN Fokker heeft samen met Gulfstream gewerkt aan de ontwikkeling van talloze thermoplastische composiet secundaire componenten, waaronder staart elevators en roerders alsook vloerpanelen op de G650.

In 2015 presenteerden Offringa en Buitenhuis TAPAS2 projectontwikkelingen aan Gulfstream, en Chapman en zijn team herkenden het potentieel voor het oogsten van de voordelen van TAPAS2 resultaten. We zagen de potentiële gewichtsreductievoordelen, betere impactweerstand en zwaartekracht, en verbeterde prestaties, herinnert Chapman zich. Fastener-vrij ontwerp is ook aantrekkelijk. Lastechnologie zou ons in staat stellen de fuselage efficiënter te monteren dan een mechanisch bevestigde montage, zegt Chapman.

Het partnerschap met GKN Fokker ondersteunt Gulfstream's onderzoek en ontwikkeling van complexere fuselage vormen die niet economisch haalbaar zijn om met metaalstructuren te produceren. Je kunt metaal maar tot een bepaalde mate stretch-vormen, merkt Chapman op. De spleetsels en ondersteunende structuur nodig voor complexe vormen zijn niet erg efficiënt. Offringa stemt in: Zulke complexe geometrieën zijn moeilijk te produceren met conventionele technologieën.

Ontwerp en productie integreren

Om een fastener-vrij, produceerbaar ontwerp te bereiken, richt GKN Fokker's benadering zich op het weerstaan van de twee sleutelkrachten waaraan de fuselage verbindingen blootgesteld zijn: kabinendruk en impact zoals gereedschap vallen. Kabinendruk plaatst radiale kracht op de fuselage, wat hoge belasting in de frame-naar-huid verbinding creëert. In conventionele ontwerpen omvatten fuselage frames muizen gaten door welke de longitudinale stringers passeren. Onder de kracht van kabinendruk, dienen deze muizengaten als discontinuïteiten die blootgesteld zijn aan hoge afschuivingskrachten – een groot probleem voor een fastener-vrij ontwerp, gegeven composieten's lage out-of-plane sterkte vergeleken met metalen. Impact genereert ook hoge belasting in de frame-naar-huid verbinding omdat de frame niet buigt onder impact.

Het GKN Fokker/Gulfstream team wist dat het onhaalbaar was om de uitdagingen gecreëerd door een complexe kromming aan te pakken, of met metaal of met conventionele composiet ontwerp-productie benaderingen. In het bijzonder wijst Buitenhuis erop dat Een complex fuselage ontwerp niet mogelijk zou zijn zonder vezelsturing. Deze capaciteit van AFP machines is wat de ontwerpers vrijmaakte om de vezeloriëntatie lokaal te optimaliseren op basis van de complexe vorm van de schil, en af te wijken van de standaard 0/45/90 vezeloriëntatie opties. Vezelsturing voor vormen en gewichtsoptimalisatie is een van de meest significante vooruitgang van dit project, gelooft Chapman.

GKN Fokker maakte het fuselagepaneel's huid op een ultrasonische AFP machine die het bedrijf ontwikkelde voor snelle thermoplastische tape leg. De tape is unidirectioneel, wat ook de laminaatprestaties verbetert vergeleken met stof tapes.

Met succes de hoge belasting gecreëerd door kabinendruk en impactkrachten, alsook andere prestatie-eisen, is het nieuwe concept ontwikkeld onder TAPAS en TAPAS2, en nu toegepast in het Gulfstream paneel, wat beschreven wordt als een butt joint orthogonaal verstevigde huid met gelaste frames. Het ontbinden van deze beschrijving benadrukt drie sleutelontwerpkenmerken en de productieontwikkelingen nodig om ze te implementeren: (1) de orthogrid, (2) de butt joint en (3) lastechnologie.

Orthogrid

De paneelsterkteeisen worden deels voldaan door volledig onderling verbonden orthogonale grid versteviging. Deze orthogrid elimineert de piekbelasting geassocieerd met de muizengaten, het ontwerp ontdoend van punten waar afschuivingskrachten vergroot worden. De orthogrid bestaat uit continue longitudinale stringers en frames die bestaan uit twee afzonderlijke componenten: discontinue maar verbonden circumferentiële blaadstringers en frames gelast erbovenop.

Dit vertegenwoordigt een nieuwe generatie in fuselage versteviger ontwerp die geëvolueerd is tijdens jaren van orthogrid ontwikkeling. Initieel gebruikte GKN Fokker T stringers waarin de kappen van zowel longitudinale als circumferentiële leden continu waren en overlappend op de hoeken. Verbinden met de frame vereiste echter de verwijdering van de circumferentiële kap. Dus T stringers werden L stringers en frames werden circumferentiële blaadstringers met frames daarna gelast aan hen.

Een andere wijziging is vereist omdat de gebogen stringers gebruikt zowel longitudinale als circumferentiële, gereedschapsloslating veel meer uitdagend maken. Dus de L stringers zijn ontworpen met een kap-naar-web hoek van meer dan 90 graden, zodat gereedschapsstukken altijd zijdelings uit het stringer grid kunnen glijden.

Butt joints

GKN Fokker ontwikkelde niet alleen het orthogrid ontwerp, maar ook een nieuwe productiebenadering voor het grid alsook het grid-naar-huid verbindingsmechanisme. Het grid kan prohibitief duur zijn om te fabriceren, merkt Offringa op, maar ons grid is opgebouwd uit platte laminaten en eenvoudige gespruitgiet vullers.

Specifieker, GKN Fokker paste zijn gepatenteerde butt joint technologie toe op het Gulfstream paneel (ook op de voorgaande TAPAS panelen). De web en kap van de T of L stringer componenten, alsook de blaadstringer componenten, zijn gefabriceerd uit preforms die waterstraal gesneden zijn uit een plat koolstofvezel/PEKK laminaat. De verbindingselementen (huid naar web en web naar kap) zijn gespruitgiet, pi-vormige vullers gemaakt van een kort-vezel koolstofvezel/PEKK materiaal. Zowel de hars als het koolstofvezeltype komen overeen met die in de grid leden.

Huid en orthogrid worden geconsolideerd in een Invar inner mold line (IML) gereedschap. Het gereedschap heeft groeven waarin de orthogrid componenten en gereedschapsblokken geladen worden. De AFP-gevormde huid wordt vervolgens op de IML geplaatst, en de hele assembly wordt in zak gezet en autoklaaf-geconsolideerd.

Lassen

De combinatie van het orthogrid en butt joint ontwerp maakt fastener-vrije verbinding van de orthogrid en frame via lassen mogelijk. Verschillende lastechnologieën werden ontwikkeld door TAPAS teamleden tijdens de TAPAS2 fase, inclusief inductie, conductie en ultrasonische lastechnologieën. Het Gulfstream paneel gebruikte conductielassen om de frame web te verbinden met de circumferentiële blaadstringer. Deze taak wordt uitgevoerd met de lasthoofd gemonteerd op een robot – een andere ontwikkeling die bijdraagt aan kostenefficiënte produceerbaarheid.

Eén stap van verschillende

GKN Fokker startte de samenwerking met Gulfstream in 2017, met ontwerpconcepten voor het fuselagepaneel. Ontwerp en fabricage van verschillende gebogen panelen volgden in 2018 en 2019, met de mijlpaal eerste paneel demonstrator getoond op dit jaar JEC World.

GKN Fokker blijft panelen bouwen en verwacht TRL4 (component validatie) later dit jaar te bereiken. We bespreken momenteel de weg naar volledige volwassenheid, rapporteert Offringa. Uitwijzend dat het paneelontwerp geen specifiek platform targetteert, rapporteert Chapman dat paneeltesten zal helpen Gulfstream's begrip van materiaaleigenschappen en prestaties te verdiepen. Wat het bredere business case voor thermoplastische composiet primaire structuren betreft, inclusief de jet's prestaties, productiekosten, gebruiks-kosten en duurzaamheid, merkt Chapman op: We zullen een beter begrip krijgen van die zaken naarmate we verder op de onderzoek-en-ontwikkeling weg komen. Voor nu is onze focus op het kosteneffectief maken van deze complexe vormen.