Markttrends in Luchtvaart en Precisie Vliegtuigcomponenten

De tijden zijn veranderd. Een typische straalmotor in aanbouw vandaag bestaat uit slechts 20% zuiver aluminium. Meeste van de niet-kritische constructiematerialen — panelen en esthetische interieurs — bestaan nu uit nog lichtere koolstofvezel versterkte polymeren (CFRP) en honingraat materialen. Tegenovergesteld, voor motoronderdelen en kritische componenten van precisie vliegtuigcomponenten, is er een gelijktijdige nadruk op lager gewicht en hogere temperatuurbestendigheid voor betere brandstofefficiëntie, wat nieuwe of vroeger onpraktisch-te-bewerken metalen in de luchtvaart materiaalmix brengt.

Luchtvaart uniek onder industrieën

Luchtvaartproductie is uniek onder andere massaproductiesectoren, met name in de productie van aero motoren. De motor is het meest complexe onderdeel van een vliegtuig, het bevat de meeste individuele componenten en bepaalt uiteindelijk brandstofverbruik. Het avontuur van lean-mix motoren met temperatuurpotentialen tot 3.800 °F (2.100 °C) heeft de vraag naar deze nieuwe materialen vergroot. Gegeven dat huidige superlegeringen een smeltpunt van ongeveer 1.850 °C (3.360 °F) hebben, wordt het vinden van materialen die hogere temperaturen kunnen weerstaan een uitdaging.

Om aan deze temperatuureisen te voldoen, worden Hittebestendige Superlegeringen (HRS) nu in de materiaalevergelijking geïntroduceerd, inclusief titaniumlegeringen, nikkellegeringen, en sommige niet-metallische composietmaterialen zoals keramiek. Deze materialen lijken moeilijker te bewerken dan traditioneel aluminium, wat historisch kortere toollevensduur en minder procesveiligheid betekent.

Er is ook een hoog procesrisico in het bewerken van luchtvaartonderdelen. Omdat marges voor fouten niet bestaan op 35.000 ft kruissnelheid, zijn tolerantiën in de luchtvaart nauwkeuriger dan bijna elke andere industrie. Dit precisieniveau kost tijd. Langere bewerkingstijden zijn vereist voor elk component, en meer tijd per onderdeel maakt schrot relatief duur, wanneer de tijdsinvestering in rekening wordt gebracht. Ook, vergeleken met andere industrieën, bestaan luchtvaartcomponent orders vaak uit korte series en lange levertijden, wat planning voor productiviteit, doorvoersnelheid, en winstgevendheid moeilijk maakt.

Anders dan elke andere industrie behalve olie en gas, die ook hoge temperatuur, druk, en corrosie eisen heeft, beïnvloeden luchtvaartmaterialen zelf componentontwerp. Design for Manufacturability (DFM) is de ingenieurskunst van het ontwerpen van componenten met een gebalanceerde benadering, rekening houdend met zowel componentfunctie als de productievereisten. Deze benadering wordt steeds vaker toegepast in luchtvaartcomponentontwerp en meer in het ontwerp van luchtvaartcomponenten en precisie vliegtuigcomponenten, aangezien hun componenten bepaalde belasting en temperatuurbestendigheid moeten weerstaan, en sommige materialen kunnen slechts zoveel houden. De ontwerpen van materialen en componenten drijven elkaar echt aan, niet één na de ander. Deze relatie tussen materiaal en ontwerp is met name belangrijk bij het bestuderen van next-generation materialen. Voor al deze redenen zijn luchtvaartfabrikanten anders van elkaar. Geen wonder dat hun materiaalbereik uniek is.

Een nieuw materiaallandschap

Standaard luchtvaart aluminium — 6061, 7050 en 7075 — en traditionele luchtvaart metalen — nikkel 718, titanium 6Al4V en roestvrij 15-5PH — worden nog steeds in de luchtvaart gebruikt. Echter, deze metalen geven nu territorium af aan nieuwe legeringen ontworpen om kosten en efficiëntie te verbeteren. Om duidelijk te zijn, deze nieuwe metalen zijn niet altijd nieuw, sommige bestaan al decennia. Echter, ze zijn nieuw voor praktische productietoepassingen aangezien machinegereedschappen, hulpmiddeltechnologie, en wafercoatings geavanceerd genoeg zijn om moeilijk-te-bewerken legeringen te hanteren.

Hoewel de hoeveelheid aluminium in vliegtuigen daalt, verdwijnt het gebruik niet volledig. In feite komt aluminium terug, met name in gevallen waar de overstap op CFRP prohibitief of ineffectief bleek. Maar het aluminium dat terugkomt is niet uw vaders aluminium. Bijvoorbeeld, titanium aluminium (TiAl) en lithium aluminium (Al-Li), die sinds de jaren 1970 bestaan, hebben pas sinds de eeuwwisseling voeten gekregen in de luchtvaart.

Als nikkel legering in zijn warmtebestendige eigenschappen, behoudt TiAl sterkte en corrosiebestendigheid bij temperaturen tot 600 °C (1.112 °F). Maar TiAl is makkelijker te bewerken, met vergelijkbare bewerkbaarheidseigenschappen als alfa-bèta titanium, zoals Ti6Al4V. Belangrijker, TiAl kan de duw-gewichtsverhouding in aero-motoren verbeteren omdat het half de grootte is van nikkel legeringen. Bijvoorbeeld, zowel lage-druk turbijnbladen als hoge-druk compressorbladen, traditioneel gemaakt van dichte nikkel-gebaseerde superlegeringen, worden nu gefabriceerd van TiAl-gebaseerde legeringen. General Electric was een pionier in deze ontwikkeling en gebruikt TiAl lage-druk turbijnbladen in zijn GEnx motor, de eerste grootschalige toepassing van het materiaal in een commerciële straalmotor — in dit geval, de Boeing 787 Dreamliner.

Een andere herintroductie van aluminium in de luchtvaartindustrie vindt plaats in lichtgewicht Al-Li, speciaal ontworpen om de eigenschappen van 7050 en 7075 aluminium te verbeteren. Over het algemeen versterkt de toevoeging van lithium het aluminium met lagere dichtheid en gewicht, twee katalysatoren voor de evolutie van luchtvaartmateriaal. De hoge sterkte van Al-Li legeringen, lage dichtheid, hoge stijfheid, schadetolerantie, corrosiebestendigheid en lasvriendelijke aard maken het een betere keuze dan traditioneel aluminium in commerciële straalvliegtuigcellen. Op dit moment gebruikt Airbus de AA2050. Tegenovergesteld, Alcoa gebruikt de AA2090 T83 en de 2099 T8E67. De legering wordt ook gevonden in de brandstof en oxidant tanks van de SpaceX Falcon 9 ruimteraketten, en wordt uitgebreid gebruikt in NASA's raket en shuttle projecten.

Titanium 5553 (Ti-5553) is een ander relatief nieuw metaal in de luchtvaart, met hoge sterkte, licht gewicht, en goede corrosiebestendigheid. De hoofdbearende componenten, die sterker en lichter moeten zijn dan de roestvrij staal legeringen die eerder gebruikt werden, zijn de ideale toepassingspunten voor deze titaniumlegering. Bekend als de driedubbele 5-3, was het een materiaal dat extreem moeilijk te bewerken was — tot onlangs. Uitgebreid onderzoek en ontwikkeling is uitgevoerd om het metaal praktisch te maken voor bewerking, en de driedubbele 5-3 heeft recent bewezen zeer voorspelbaar te zijn door bewerkingsconsistentie vergelijkbaar met meer traditionele titaniumlegeringen zoals de eerder genoemde Ti6Al4V. De verschillen in de twee materialen vereisen verschillende snijgegevens om vergelijkbare toollevensduur te bereiken. Maar wanneer de operator de juiste parameters ingesteld heeft, kan een driedubbele 5-3 machine voorspeld worden. De sleutel met de Driedubbele 5-3 is een beetje langzamere operatie en optimalisatie van het hulpmiddelpad en koelsysteem om een goed evenwicht tussen toollevensduur en veiligheid te bereiken.

Bepaalde structurele componenten, zoals bevestigingsmiddelen, chassis, en cylinders, vereisen ruwe sterkte, en lichtgewicht is minder een prioriteit. In dergelijke gevallen, biedt Ferrium S55 legeringstaal mechanische eigenschappen gelijk aan of beter dan conventionele ultra-hoge sterkte stalen zoals 300M en SAE 4340, met het toegevoegde voordeel van algehele corrosiebestendigheid. Dit kan de noodzaak voor cadmium coating en de daaropvolgende gerelateerde verwerking elimineren.

Composieten pakken hun strook

Composietmaterialen maken ook een groeiend deel uit van de luchtvaartmateriaal taart. Ze verminderen gewicht en brandstofverbruik terwijl ze makkelijk te hanteren, ontwerpen, vormgeven en repareren zijn. Eenmaal alleen overwogen voor lichte structurele leden of hutcomponenten, strekt het bereik van luchtvaartcomposieten nu uit tot werkelijk functionele componenten — vleugel en romp hussen, motoren en landingsgestel.

Ook belangrijk, composietelementen kunnen in complexe vormen gevormd worden die bewerking en lijmen in het geval van metalen onderdelen zouden vereisen. Vooraf gevormde composietcomponenten zijn niet alleen licht en sterk, maar verminderen ook het aantal zware bevestigingsmiddelen en verbindingen — wat potentiële foutpunten zijn — op een vliegtuig. Op deze manier helpen composietmaterialen de mondiale trend van het verminderen van het aantal componenten in gehele assemblages te drijven, één-stuks ontwerpen waar mogelijk benutten.

Meer Informatie over precisie componenten & luchtvaart component

• :: Onderdelen bewerken voor de Luchtvaartindustrie
• :: Hoe precisie onderdelen te bewerken?