2019 Parijs Luchtshow: Belangrijkste hoogtepunten en industrie inzichten

Verwachtingen waren gemengd gaande de 2019 Parijs Luchtshow (17-23 juni). Boeing, hoopte men, zou meer grondwerk leggen voor het New Midsize Aircraft (NMA), maar de 737 MAX crisis heeft veel van het bedrijfs energie en aandacht geconsumeerd. Inderdaad, op dag één van de luchtshow, gaf Boeing een heel algemene aankondiging over bedrijfsomstandigheden en gaf zijn 20-jarige commerciële vliegtuigvoorspanning. Niets over NMA. De grootste ploeg die Boeing maakte tijdens de show was het nieuws dat het 200 737 MAX vliegtuigen had verkocht aan International Airline Group (IAG).

Airbus, aan de andere kant, kondigde de A321XLR aan (LR = long range), de nieuwste iteratie van de A320neo. Gepland om in 2023 in dienst te treden, zal de A321XLR een bereik hebben van 4.700 zeemijlen, bereikbaar door additionele brandstofopslagcapaciteit. Airbus zei dat het vliegtuigbereik luchtvaartmaatschappijen goedkopere single-aisle opties op routes zal bieden die nu primair bediend worden door duurdere dubbele-aisle vliegtuigen. Zulke routes omvatten New York-Rio, Shanghai-Sydney en Madrid-Dubai.

Ondanks het gebrek aan NMA nieuws, blijft er bij de composiet-gerelateerde bedrijven die uitstallen op de Parijs Luchtshow een definitieve inspanning om materialen- en processtechnologie te ontwikkelen en af te stemmen om te voldoen aan wat Boeing en Airbus van de toeleveringsketen in het komende decennium zullen vragen. Dit omvat traditionele thermoharder prepregs met autoklaaf uitharding, vloeibare hars infusie van droge vezels met out-of-autoclave uitharding, thermoplastische composieten en additieve productie. De verwachtingsgevoel door de hele toeleveringsketen is tastbaar.

Op de vlieglijn was de gebruikelijke reeks commerciële, militaire en civiele vliegtuigen, met dagelijkse vluchtdemonstraties. Opvallend in de lucht waren demonstraties van elektrisch aangedreven vliegtuigen, een scherpe en stille contrast met de oorverdovende bulder geassocieerd met jacht- en commerciële jets. In de statische displays waren een aantal EVTOL (electric vertical takeoff and landing) toestellen gericht op de stedelijke mobiliteitsmarkt. Dit vliegtuigtype, in het bijzonder, blijkt een significatief doelwit van composietmaterialen, die een noodzaak zijn voor elektrisch aangedreven vlucht. Echter, de productievolumes van sommige van deze platforms zullen waarschijnlijk in de duizenden per jaar lopen, wat materiaal- en processtechnologieën meer duwt naar een automobiel-achtig productiemodel. Dat gezegd, EVTOLs zijn in hun jeugd, gegeven de regulatoire, kwalificatie en luchtvaartruimtebeheerhurdles die nog te nemen zijn.

Hieronder de hoogtepunten van de show.

Spirit AeroSystems

De werelds grootste vliegtuigfabrikant, Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, VS), startte de show vroeg maandagochtend met een persconferentie aankondigend de introductie van zijn ASTRA fuselagepaneel (Advanced Structures Technology and Revolutionary Architecture), ontworpen om te laten zien hoe een volledig composiet fuselage zou kunnen worden ontworpen om te voldoen aan de prestaties, snelheid en kosten vereisten van een next-generation single-aisle vliegtuig. Het ontwerp en de productie van dat paneel worden behandeld in een apart verhaal hier.

MTorres

Een ander composietpaneel van belang op de show werd gevonden op de MTorres (Torres de Elorz, Navarra, Spanje) stand. Dit rib-verstevigde grid/skin structuur, geproduceerd via harsinfusie van droge koolstofvezels, is eigenlijk het brein Kind van Stephen Tsai, composiet veteran en professor luchtvaart en astronautica, emeritus, aan Stanford Universiteit, die op de MTorres stand was om het uit te leggen. Tsai zei dat hij dit ontwerp enkele jaren geleden bedacht had en baseerde het op de grid/skin structuur toegepast in de productie van de Vickers Wellington, een Britse Tweede Wereldoorlog bomber geproduceerd door Vickers-Armstrongs en beroemd om structurele integriteit in crashes te behouden. Om dit ontwerp tot leven te brengen in een composiettoepassing, ontwierp Tsai de ribben in een roosterstructuur, met elke rib een vaste breedte en hoogte, en afstand tussen ribben ook vast.

De uitdaging van zijn ontwerp, zei Tsai, was het ontwikkelen van ribkruisingen die grote mechanische belasting kunnen weerstaan. Wat hij bedacht was een ribarchitectuur die koolstofvezelbanden continu in één richting plaatst (noem het A), en discontinu in de kruisende richting (noem het B). Dan, voor de volgende laag, zouden banden discontinu in de A richting en continu in de B richting geplaatst worden. Dit patroon zou doorgaan tot de gewenste ribdikte bereikt is. Op deze manier zou elk ribkruispunt altijd gekruist worden door een continue band. Eenmaal de ribben gebouwd in de vorm, wordt een huid eroverheen gelegd via geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) of geautomatiseerde tape leggen (ATL) en de hele structuur geco-cured.

De voordelen van dit ontwerp, zei Tsai, zijn meerdere, maar de primaire is dat het moeilijk is voor schade om verder te gaan dan het gelokaliseerde gebied, wat betekent dat een scheur gepropageerd in de huid niet gemakkelijk kan migreren buiten enige van de ribben die de getroffen gebieden begrenzen. Tsai zei ook dat de grid/skin structuur hoog gewichts- en materiaalefficiënt is. Toch merkte hij op, Dit is makkelijk te ontwerpen maar moeilijk te maken. Waar MTorres in komt.

Tsai zei dat de beperkende factor in de fabricage van zijn paneelontwerp de plaatsing van de ribbanden was. Om volledig geïndustrialiseerd te worden, vereisten ze bandplaatsing snij snelheid en nauwkeurigheid die, tot recent, niet mogelijk was. Echter, Tsai benaderde MTorres met zijn ontwerp en vroeg of de ATL/AFP specialist de klus kon doen. Iñigo Idareta, hoofdafdeling speciale projecten bij het bedrijf, en het MTorres composiet team werden op de taak gesteld en werkten met Tsai om MTorres's technologieën aan de toepassing aan te passen. Er waren twee uitdagingen, zei Idareta op de luchtshow: fine-tuning bandplaatsing snij snelheid en nauwkeurigheid, waar MTorres's AFP snij-terwijl-vliegen capaciteit cruciaal was om constante hoge leg snelheid te behouden; en ontwikkeling van gereedschapsoplossingen die opbouw van elke rib toelieten zonder dat de rib stapelintegriteit verloor. Verder, het gebruik van MTorres's eigen droge koolstofvezel formaat voor AFP toepassingen was nodig om deze uitdagende infusie te laten werken. Allen werden bereikt, zei Idareta. Ook bereikt, gebaseerd op Tsai's ontwerp, is het gebruik van off-hoek vezelplaatsing van de paneelhuid, die vier lagen is en ongeveer 1,2 mm dik.

De gebruikte koolstofvezel was een droge 50K materiaal van Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites Inc. (Sacramento, Californië, VS), gekozen primair omdat het het materiaal was dat MTorres ter beschikking had. De hars was een standaard industriële-kwaliteit verstijfde epoxy. Idareta zegt dat het paneel getest werd door Alan Nettles bij NASA en goed presteerde. Rib/huid hechting in het bijzonder, zei hij, was uitstekend. Tsai erkende dat het zwakke punt van het paneel de ribkruising is wat een cross-ply [0/90] laminaat is. De ribben waren alle [0]. Dus de kruisingen hadden ongeveer de helft van de uniaxiale treksterkte en een beetje meer dan de helft van de uniaxiale druksterkte. Zelfs met die zwakte, is de grid/skin sterkte meer dan tweemaal de huidige aluminiumtechnologie van hetzelfde ontwerp, niet rekening houdend met het additionele lichtere gewicht van de composieten. Tsai zei ook dat aluminium, om dezelfde sterktte-eigenschappen te bereiken als geboden door zijn ontwerp, drie keer zoveel zou wegen.

Wat is er voor deze technologie? Tsai zei dat het klaar is voor toepassing, en noemde diverse mogelijke onderdeeltypen: fuselage structuren, ruimtevaartuig lichamen, auto-panelen, batterijkasten. Idareta zei dat MTorres werkt aan het itereren van het ontwerp, inclusief het ontwikkelen van een gebogen paneel en een vol glasvezelfust paneel. Beiden, zei hij, zijn binnen handbereik.

Ook, er zijn diverse aspecten van Tsai's ontwerp die gewijzigd kunnen worden om aan een verscheidenheid aan belastinggevallen te voldoen. Deze omvatten ribbreedte, ribhoogte, hoek van kruising en ruimte tussen ribben. Ook, hoewel MTorres infusie gebruikte om het paneel op de luchtshow te maken, kon het gefabriceerd worden met traditionele thermoharder prepreg.

GKN Aerospace

Commerciële vleugel specialist GKN Aerospace (Redditch, VK) kondigde op de luchtshow aan dat het de eerste onderdelen geproduceerd heeft voor zijn deel van het werk aan het Airbus Wing of Tomorrow programma, een vijfjarige (2018-2022), multi-bedrijf, VK Catapult inspanning om materialen- en processtechnologieën te ontwikkelen voor hoge-snelheid (100 per maand) fabricage van hars geïnfuseerde koolstofvezel composiet vleugels om te deployen op een next-generation single-aisle vliegtuig.

Paul Perera, VP technologie bij GKN Aerospace, was op de luchtshow en leverde verdere details over het programma. Hij zei dat GKN momenteel 60 mensen heeft werken aan de spar en ribben voor de vleugel, met het grootste deel van het werk gedaan uit GKN's Global Technology Center, dat later dit jaar in nieuwe faciliteiten in Filton, VK, verhuist.

De spar zal droge vezel geplaatst worden door GKN en dan geïnfuseerd. De ribben zullen gefabriceerd worden van zowel thermoplastische composieten als aluminium. Het National Composites Centre (Bristol, VK) werkt aan diverse technologieën voor Wing of Tomorrow, inclusief iCAP (digital capability acquisition programme) om data-gebaseerde automatiseringsoplossingen te ontwikkelen, alsook geautomatiseerde vezelsnij- en plaatsingssystemen ontwikkeld door Loop Technology (Poundberry, Dorchester, VK) die ingezet zullen worden in vleugelfabricage. Northrop Grumman (voorheen Orbital ATK, Clearfield, Utah, VS) ontwikkelt stringers voor het programma. Onderste vleugelhuiden zullen gefabriceerd worden door Spirit AeroSystems op zijn Prestwick, Schotland, faciliteit; Bovenste vleugelhuiden zullen gefabriceerd worden door Airbus. Het doel is levering van drie shipsets naar de Airbus vleugelfabriek in Broughton, VK, voor montage in de komende 18 maanden, met de eerste in juni 2020, de tweede late 2020 en de derde begin 2021. Uiteindelijk, als het programma zoals gepland voortgaat, zal het harsinfusie bewijzen als een haalbaar proces voor hoge-snelheid productie van een composiet vleugel voor een next-generation single-aisle. Perera zegt dat 1-meter spar secties geproduceerd en beoordeeld op de GKN faciliteit op Isle of Wight, VK laten zien dat de materialen en proces een goede fit zijn voor de toepassing.

Perera merkte op dat een groot deel van het Wing of Tomorrow programma zal draaien om automatiseringsontwikkeling. In feite, zei hij, automatisering zal een sleutel enabler zijn van harsinfusie voor next-generation luchtvaartproductie.

Solvay Composite Materials

Als je zoekt naar bewijs van hoe de focus op luchtvaartproductie industrialisatie en productie-efficiëntie afdaling naar materialenleveranciers, kijk niet verder dan Solvay Composite Materials (Alpharetta, Georgia, VS), die in het midden zit van een meerjarige inspanning om te herbeoordelen waar en hoe het luchtvaart-kwaliteit harsen, banden en prepregs produceert. De nadruk voor Solvay ligt op ontwikkeling van een operatiestrategie gericht op faciliteiten die minder productnummers produceren op hooggespecialiseerde apparatuur die kan voldoen aan de snelheid- en kwaliteitseisen van next-generation vliegtuigen. Marc Doyle, Solvay's executive VP aerospace, zegt dat het nieuwe faciliteit in Wrexham, Wales, VK, symbolisch is voor deze inspanning. Die fabriek, geopend in september 2018, produceert slechts twee productnummers (lijmen), maar in een hooggestructureerde, hooggeoptimaliseerde, automatiseringsdominante omgeving ontworpen om de just-in-time vereisten van haar klanten te halen. Het bedrijf verwacht dit model met alle nieuwe faciliteiten te volgen, en zal proberen legacy planten te converteren ook.

Op het materialen innovatie front, lichtte Solvay twee opvallende inspanningen toe – een gericht op thermoplasten en de ander op koolstofvezels. Mike Blair, executive VP van onderzoek en innovatie, zei dat een van de grootste uitdagingen/kansen van thermoplasten hun hoge temperatuur delta is; dat wil zeggen, de hoge proces temperaturen van thermoplasten kunnen coefficient of thermal expansion (CTE) problemen in onderdelen veroorzaken als ze afkoelen, met name grote onderdelen. Het doel? Polyketone chemie wijzigen om proces temperaturen te verlagen, zonder de glasovergang (T_g) temperatuur te beïnvloeden. Het bedrijf kijkt ook naar manieren om de verwerkbaarheid en hantering in geautomatiseerde apparatuur van zijn thermoplasten te verbeteren. Onze standaard PEEK en PEKK materialen werken eigenlijk goed, zei Blair. We hoeven ze alleen aan te passen om ze meer aanpasbaar te maken.

De innovatie rondom koolstofvezels is even intrigerend. In 2017 verwierf Solvay grote-tow polyacrylonitrile (PAN) fabrikant European Carbon Fiber GmbH (Kelheim, Duitsland), wat Solvay een nieuwe en gezonde voorraad van PAN voor 50K tow koolstofvezel gaf. Gegeven dit, was de uitdaging gesteld: Kan een grote-tow koolstofvezel geformatteerd worden om de prestatiekenmerken van een intermediate modulus (IM) kleine-tow koolstofvezel te bieden? Blair zei dat het idee gedachtewekkend is, maar niet triviaal. Hij merkte op dat het gewoon hanteren van 50K tow vezel, op zich, de vezel kan beschadigen. Dus, zonder te veel te onthullen over wat Solvay in gedachten heeft, zei Blair dat het bedrijf werkt aan hanteringstechnologie ontworpen om vezelschade te vermijden. Een agressief schema voor dit, zei hij, zou 18 maanden zijn.

Toray Advanced Composites

De voormalige TenCate Advanced Composites is nu volledig geabsorbeerd door Toray en, sinds maart, gaat onder de naam Toray Advanced Composites (Morgan Hill, Californië, VS). Steve Mead, managing director, zegt dat de EVOTL een bijzonder actieve is voor het bedrijf nu (thermoharders en thermoplasten). Hij merkte op dat we materiaal leveren aan opkomende EVOTL programma's, toevoegend dat composieten een echte enabler zijn vanwege de parasitaire batterijgewicht op deze vliegtuigen. Niet-composiet materialen zijn geen optie. De combinatie van luchtvaartkwaliteit fabricage aan automobiele snelheden is intrigerend, zei hij.

Eviation

Onder de hogere profiel introducties op de Parijs Luchtshow was Alice, een volledig-elektrisch, volledig-composiet vliegtuig geïntroduceerd door Eviation (Kadima-Tzoran, Israël). Alice is een negen-zitplaatsen regionale transportvliegtuig dat een bereik heeft van 650 mijl/1.000 kilometer bij een cruising snelheid van 240 knopen. Het vliegtuig heeft één primaire pusher propeller aan de staart en twee additionele pusher propellers aan de vleugelpunten om weerstand te verminderen en redundantie te creëren. Omar Bar-Yohay, CEO van Eviation, introduceerde het vliegtuig en zei dat vluchttesten gedaan zullen worden in Moses Lake, Washington, VS, gevolgd door US Federal Aviation Administration (FAA) certificering in late 2020 of early 2021. Het vliegtuig zal een lijstprijs van $4 miljoen hebben en Bar-Yohay zei dat het bedrijf volledig gefinancierd is door certificering en vroege productie.

Het toestel op de show was een niet-vliegend prototype net de week ervoor gemonteerd. Waar en hoe dit vliegtuig uiteindelijk geproduceerd zal worden, blijft abwachten. Het prototype, voor zijn deel, was gemonteerd uit composietstructuren gefabriceerd door diverse leveranciers. Een is Multiplast (Vannes, Frankrijk), deel van Carboman Group SA (Vannes), een vijf-bedrijfs roll-up dat ook Decision (Ecublens, Zwitserland), SNE SMM (Lanester, Frankrijk), Plastinov (Samazan, Frankrijk) en Plastéol (Samazan) omvat. Multiplast, met een geschiedenis in mariene structuurproductie, fabricerde de fuselage voor de Alice out of autoclave (OOA) met een zandwichstructuur met Nomex honingraat kern. De fuselage werd in twee helften gebouwd op basis van een stuurboord/bakboord centrelijn configuratie, met de twee fuselagesecties gehecht/bevestigd samen (zie time-lapse video hieronder). Multiplast weet niet of het de contract voor serieproductie van het toestel wint, maar het bedrijf zegt dat het beoordeelt wat vereist zou zijn van een materiaal- en procesperspectief om fabricage te industrialiseren. Vleugels en buikverkleidingen voor de Alice werden geleverd door Composite Cluster Singapore (CCS).

Stratasys

Additieve productie (AM) machinespecialist Stratasys (Eden Prairie, Minnesota, VS) was op de Parijs Luchtshow met nadruk op haar vermogen om AM te gebruiken voor onderdelen- en gereedschapsproductie. Voor composietproductie was de nadruk op gereedschappen. Het bedrijf had op zijn stand twee malen gemaakt met Stratasys machines. Het materiaal is SABIC's ULTEM 1010, een onversterkte polyetherimide (PEI) die gunstig is voor autoklaafverwerking. De eerste vorm was voor fabricage van een koolstofvezel vleugel voorrand en heeft in-vorm electrodes om prepreg verbrandingscapaciteit te verhogen en uithardingstijd te verminderen van 1,5 uur tot slechts 10 minuten. Het andere onderdeel was een leggereedschap gemaakt door Boom Aerospace (Centennial, Colorado, VS) voor productie van kleine onderdelen voor het Overture supersonisch commercieel vliegtuig dat het bedrijf ontwikkelt. Scott Sevcik, VP manufacturing solutions bij Stratasys, zei dat Boom twee Stratasys machines in gebruik heeft, met een derde later dit jaar geleverd. Sevcik zei dat Stratasys verwacht twee nieuwe gehakte koolstofvezel-versterkte materialen voor AM gebruik later dit jaar te introduceren; Stratasys, zei hij, werkt ook aan continue vezelversterking voor AM.

Boom Aerospace

Een andere opvallende aankondiging op de Parijs Luchtshow kwam van Boom Aerospace (Englewood, Colorado, VS), die, zoals genoteerd, Overture ontwikkelt, een volledig nieuw supersonisch passagiersvliegtuig. Boom CEO en oprichter Blake Scholl zei in een persconferentie dat Boom bijna klaar is met het composiet-intensieve XB-1, een subschaal prototype van de Overture dat verwacht wordt tegen einde 2019 uitgerold te worden en testgevlogen ergens in 2020. Deze testvluchten, zei Scholl, zijn ontworpen om Boom te helpen ontwerp- en ingenieursprincipes van het vliegtuig te beoordelen, en geleerde lessen toe te passen op het definitieve ontwerp en productie van Overture, dat verwacht wordt midden 2020er jaren in dienst te treden. Dit is een langer schema dan oorspronkelijk verwacht door Boom. Dit is een ambitieus project, zei Scholl. In de vroege dagen is het makkelijk te optimistisch te zijn.

Overture wordt verwacht een maximaal snelheid van Mach 2,2 te hebben, een cruising hoogte van 60.000 voeten (19.354 meter) en zal passagiers (55-75) van Sydney naar Los Angeles in slechts 7 uur brengen, of Washington D.C. naar Londen in slechts 3,5 uur. Scholl stelde dat ticketkosten op Overture verwacht worden competitief te zijn, op een zitplaats-per-mijl basis, met huidige luchtvaartprijzen. Scholl zei ook dat Overture verwacht een technologie genaamd Prometheus Fuels te gebruiken, die atmosfeer koolstof omzet in benzine of, in Boom's geval, straalbrandstof, gebruikmakend van elektriciteit afkomstig van hernieuwbare bronnen. Op deze manier, zei hij, zal het vliegtuig nul netto koolstof supersonische vlucht bieden.