Optimierung automatisierter Verbundwerkstoffproduktion für niedrigvolumige Aerostrukturen

Die Fertigung von Verbundwerkstoff-Aerostrukturen für Verkehrsflugzeuge erstreckt sich über mehr als 50 Jahre und hat sich stetig von kleineren Teilen zu sehr großen Primärstrukturen entwickelt – Rumpf, Flügel, Leitwerk, Triebwerke – die Anfang der 2000er für die Boeing 787 und den Airbus A350 entwickelt wurden. Der weit überwiegende Teil dieser Entwicklung beruhte auf der Verwendung von autoklavgehärteten Carbonfaser/Epoxid-Prepregs, zunächst von Hand gelegt und später über automatisierte Faserablage (AFP), automatisiertes Bandlegen (ATL) und andere maschinenbasierte Prozesse.

Diese Material- und Prozesstechnologien (M&P) waren für die breitrumpfigen 787 und A350 geeignet, die vor der Pandemie Bauquoten von 10-15 pro Monat hatten. Da Boeing und Airbus jedoch in die Zukunft blicken und erwägen, Verbundwerkstoffmaterialien in Primärstrukturen von Schmalrumpfflugzeugen einzusetzen, die voraussichtlich Bauquoten von 60-100 pro Monat haben werden, werden Design und M&P hochrate, out-of-autoclave (OOA), hochautomatisierte Prozesse bevorzugen. Diese Prozesse umfassen unter anderem Harztransferformen (RTM), Pressformen und Flüssigharzinfusion.

Aber selbst wenn Hochratenfertigung den kommerziellen Luftfahrtsektor dominieren wird, wird die Fertigung von Verbundwerkstoff-Aerostrukturen für niedrigrate Flugzeuge – einschließlich Regionalflugzeuge und Business-Jet-Programme – nicht nur bestehen bleiben, sondern kann und sollte von einigen der gleichen Kosten-, Design- und M&P-Innovationen profitieren, die in Hochratenprogrammen eingesetzt werden.

Mit all dem im Hinterkopf startete das europäische Clean Sky 2 Programm OPTICOMS – Optimized Composite Structures for Small Aircraft. OPTICOMS ist ein Konsortium unter Führung des Luftfahrtfertigers Israel Aerospace Industries (IAI, Lod, Israel) mit Partnern, die innovative Automatisierungstechnologien, Materialien, Software, Werkzeuge und Maschinen liefern. Das Ziel von OPTICOMS ist die Bewertung eines niedrigrate-Produktions-Flügelkastendesigns, das automatisierte Fertigung, integrierte Strukturen, OOA-Härtung, großflächiges Strukturkleben, innovative Fertigungs- und Montagewerkzeuge, Strukturelle Gesundheitsüberwachung von Klebefugen und virtuelle Tests umfasst.

Arnold Nathan, Direktor für F&E der Luftfahrtgruppe bei IAI und Manager von OPTICOMS, sagt: „Immer wenn wir versuchen, Automatisierung in eine [Diskussion] über Verbundwerkstofffertigung einzubringen, hören wir oft von unseren Kunden: ‚Automatisierung ist gut, aber nur wenn man ein großes Produktionsvolumen hat.‘ OPTICOMS wurde ins Leben gerufen, um herauszufinden, ob man Automatisierung rechtfertigen kann, wenn man kein großes Produktionsvolumen hat. Kann Verbundwerkstofffertigungsautomatisierung wettbewerbsfähig und kosteneffektiv für niedrige Volumen sein?“

Flügeldesign

OPTICOMS entstand aus einer Clean Sky 2 Anfrage des italienischen Business-Flugzeugherstellers Piaggio Aerospace (Genua) für die Entwicklung eines vollverbundwerkstoffbasierten Alternativflügels für seine P180 Avanti neunsitzige Business-Twin-Turboprop. Der Flügelkasten misst 6,8 Meter Länge, 0,71 Meter Breite an der Wurzel und 0,28 Meter Breite an der Spitze. Piaggio, so Nathan, war begierig darauf, eine Alternative zum rein metallischen Legacy-Flügelkasten zu bewerten – eine Alternative mit denselben Abmessungen, aber mit reduziertem Gewicht (20 %). Zudem sollten die Kosten um 20-30 % im Vergleich zur konventionellen Verbundwerkstoff-Flügelkastenfertigung gesenkt werden. IAI und seine Partner gewannen den Auftrag und begannen 2016 mit der Zusammenarbeit mit Piaggio.

OPTICOMS ist ein Mehrteil-Programm, das darauf ausgelegt ist, eine Reihe hochdetaillierter und sorgfältig durchgeführter Trade-Studies durchzuführen, um optimales Flügeldesign, Materialkombination und OOA-Fertigungsprozess für die automatisierte Herstellung eines niedrigvolumigen vollverbundwerkstoffbasierten Flügelkastens zu evaluieren und zu bestimmen.

IAI und OPTICOMS, so Nathan, entschieden sich früh, sich auf die Evaluierung von drei Fertigungsprozessen zu konzentrieren, die von drei Partnern bereitgestellt werden: Automatisiertes robotergestütztes Pick-and-Place von trockenen und vorimprägnierten Geweben, geliefert von Techni-Modul Engineering (TME, Coudes, Frankreich); automatisierte Faserablage (AFP) von trockenen und vorimprägnierten Tows, geliefert von Coriolis Composites (Quévén, Frankreich); und automatisierte Trockenmaterialablage (ADMP) Technologie, geliefert von Danobat (Elgoibar, Spanien). Die Auswahl dieser Technologien und Partner wäre entscheidend für die Führung von IAI durch seine Multi-Varianten-Trade-Studies.

Design-Ergebnisse

• Integrales Mehrfach-Holm-Drei-Holm-Design minimiert Montage
• „Arbeitende“ lasttragende Außenhaut hilft, mechanische Spannungen von den Holmen zu nehmen
• Geklebte untere Außenhaut mit SHM macht mechanische Befestigungselemente überflüssig

Der erste Schritt in dieser Trade-Study war die Designevaluierung. Diese Arbeit wurde bei IAI von Adam Sawday, StrukturdIngenieur für fortgeschrittene Technologien, geleitet. Sawday sagt, er und IAI verfolgten einen Clean-Sheet-Ansatz beim Design des Flügels und untersuchten mehr als 18 Konzepte über eine Vielzahl von Architekturen. Designs fielen schnell in eine von zwei Kategorien. Die erste setzt eine „arbeitende“ Außenhaut ein, in der die Flügelkasten-Außenhaut zu einer lasttragenden Struktur wird. Die zweite setzt nicht-arbeitende Außenhäute mit belasteten Holmkappen ein. Innerhalb dieser Kategorien umfassen Designs ein traditionelles Konzept mit Rippen, Stringern und zwei Holmen, oder alternativ die Verwendung von drei Holmen – genannt Mehrfach-Holm – ohne Rippen oder Stringer. Mehrere Konzepte berücksichtigten auch den Einsatz einer Sandwichplattenkonstruktion, die eine halb-arbeitende Außenhaut erzeugt.

„Unser Mantra war, Fertigungsaufwand und Montageaufwand zu reduzieren“, sagt Sawday. „Und wir glauben, dass wenn man eine effizientere Struktur entwickeln kann, die integraler ist, man eine billigere und leichtere Struktur erhält.“

Sawday sagt, die Designs wurden anhand einer Reihe von Metriken gemessen, um ihre Fähigkeit zu bewerten, die Programmkosten- und Gewichtsziele zu erreichen. Diese Metriken umfassen: Materialkosten, Designkomplexität, Komponentenfertigungskosten, Montagekosten, zerstörungsfreie Prüfung (NDT) Kosten, Werkzeug- und Vorrichtungsbaukosten, Gewicht, Festigkeit, Technology Readiness Level (TRL), ökologische Überlegungen, Risikoprofil, Robustheit und Zuverlässigkeit. Davon waren die am stärksten gewichteten Kriterien Gewicht, Fertigungs- und Montagekosten, Designkomplexität, TRL und Risikoprofil.

Down-Selection zum finalen Design

Daten aus dieser Evaluierung halfen IAI, die Designkonzepte auf 10 Finalisten einzugrenzen. Vier waren Mehrfach-Holm/arbeitende Außenhaut, einer war Mehrfach-Holm/nicht-arbeitende Außenhaut mit belasteten Holmen, vier waren Mehrfach-Rippe/arbeitende Außenhaut mit Stringern, einer war Mehrfach-Rippe/arbeitende Außenhaut ohne Stringer, und einer war Sandwichstruktur/arbeitende Außenhaut ohne Stringer. Jedes Design bot verschiedene Kombinationen aus Vorhärtung, Co-Härtung, Kleben oder mechanischer Befestigung.

Zum finalen Design führte eine weitere Runde Trade-Studies mit vielen der gleichen Kriterien wie in der ersten Studie. Jedes Design erhielt einen Trade-Wert, basierend darauf, wie gut es die Kriterien erfüllte. „Wir hatten diese große Trade-Off-Tabelle, und jede Designoption hatte einen Wert, und das half uns, die stärkste Option zu sehen“, sagt Sawday.

Es gab ein Design, das von Anfang an in den Trade-Studies konsistent gut abschnitt und wahrscheinlich an der Spitze landen würde, merkt Sawday an. Und es tat es. Intern als Mehrfach-Holm/arbeitende Außenhaut #2 bezeichnet, weist es eine hochintegrierte und co-gehärtete obere Außenhaut und drei Holme auf. Diese werden dann an eine untere Außenhaut geklebt, die Zugangsöffnungen hat. Selektiv zwischen den Holmen platziert ist eine Reihe von „Backup“-Rippen, die die Außenhaut stützen, die den größten Teil der Biegelasten trägt.

„Die günstigsten Strukturen, die wir entwickelten“, sagt Sawday, „waren jene mit Mehrfach-Holmen, wo die Außenhaut lasttragend wird. Die Holme werden dann einfachere und dünnere Strukturen und nicht annähernd so schwer wie in traditionellen Verbundwerkstoff-Flügeldesigns. Wir dachten, wenn wir diese Holme sehr einfach machen könnten, mit konstantem Querschnitt, würde das viel Kopfzerbrechen und viel Ausschuss sparen.“

Sawday sagt, das geklebte integrale Mehrfach-Holm/arbeitende Außenhaut-Design zeigte besonderes Versprechen für seine reduzierten Montagekosten, geringes Gewicht, einfache Automatisierung und insgesamt niedrige Teileanzahl. Die Frage blieb jedoch: Welche Materialien und welche Fertigungsprozesse wären am besten geeignet, um dieses Design zum Leben zu erwecken?

M&P Trade-Studies

Zuerst kamen die Material-Trade-Studies. Diese wurden bei IAI von Yaniv Yurovitch, Verbundwerkstoff-Ingenieur, durchgeführt. Er sagt, OPTICOMS begann mit der Evaluierung von OOA-Carbonfaser-Prepregs, trockenen Carbonfasern (Bändern und Geweben) und Harzen basierend auf Empfehlungen von Piaggio, IAI und Technologiepartnern. Das Ergebnis war eine Liste von 35 qualifizierten und neuen Materialien.

Diese erste Materialgruppe wurde dann basierend auf den wichtigsten Parametern für das OPTICOMS-Projekt gescreent: Kosten, Glasübergangstemperatur (Tg), Viskosität (für Infusion oder Injektion) und Eignung für automatisierte Legetechnologien. Diese Evaluierung reduzierte die Materialliste von 35 auf 20 Prepregs, trockene Fasern und Harze.

Proben jedes dieser 20 Materialien wurden bestellt; Yurovitch stellte dann Proben her und führte mechanische Tests als Teil der nächsten Down-Selection durch. „Das war ein wirklich großes Arbeitspaket“, sagt Yurovitch. „Es erlaubte uns, mehr Entscheidungen zu treffen und die finalen drei Materialien auszuwählen.“ Jene Faser/Harz-Kombinationen sind:

• Toray Composite Materials Americas' (Tacoma, Wash., USA) 2510 Carbonfaser/Epoxid-Prepreg.
• Hexcels (Stamford, Conn., USA) HiTape Carbonfaser UD-Bänder, zu verwenden mit Hexcels HexFlow RTM6 Epoxidharz.
• Carbonfaser-Noncrimp-Gewebe (NCF) geliefert von SAERTEX (Saerbeck, Deutschland), zu kombinieren via Infusion mit Solvay Composite Materials' (Alpharetta, Ga., USA) PRISM EP2400 zähmodifiziertem Epoxid.

Diese Liste begünstigt offensichtlich den Einsatz von trockenen Fasern, was wiederum Infusion als Fertigungsprozess begünstigt. Nathan sagt, dies wird teilweise durch die Herausforderung getrieben, die Prepreg-Haltbarkeit in einer Niedrigvolumen-Umgebung zu managen. „Wenn man über Niedrigvolumenproduktion spricht, will man wirklich nicht viel Prepreg herumliegen haben und sich um Haltbarkeit kümmern“, sagt er. „Trockene Fasern haben dieses Problem nicht.“

Diese drei Materialien wurden auch mit einem oder mehreren der für OPTICOMS ausgewählten Fertigungsprozesse gekoppelt: Toray Prepreg passt zu Pick-and-Place und AFP, Hexcels HiTape/RTM6 passt zu AFP sowie Pick-and-Place, und SAERTEX NCF passt zu Pick-and-Place oder ADMP.

Die Trades um die automatisierten Fertigungsprozesse – welcher am besten für welche Art von Teil geeignet ist – werden noch von IAI und OPTICOMS durchgeführt. Vorläufige Ergebnisse, so Nathan, weisen die Technologien jedoch definitiv in bestimmte Richtungen. Zum Beispiel hat Danobats ADMP-Technologie, ursprünglich für die schnelle Ablage breiter Gewebe in der Windturbinenblattfertigung entwickelt, sich in OPTICOMS als ebenso effizient erwiesen. Die Technologie hat während OPTICOMS gereift und ihre Robustheit und Zuverlässigkeit wurden verbessert, aber sie ist immer noch eine weniger reife Luftfahrt-Legetechnologie im Vergleich zu AFP.

Im Gegenzug ist AFP mit dem Coriolis-System, mit seiner umfangreichen Luftfahrterfahrung, eine reife und präzise Technologie, hat aber längere Legezeiten im Vergleich zu ADMP und erfordert relativ häufige Inspektion, um Anomalien zu prüfen. Coriolis hat im OPTICOMS-Projekt bemerkenswerte Fortschritte bei der Entwicklung von Inline-Echtzeit-Inspektion der Ablage gemacht, um dieser Herausforderung zu begegnen, sagt Nathan. Schließlich scheint TMEs Pick-and-Place-Technologie, die den Transfer geschnittener Gewebe vom Schneidetisch zur Form automatisiert, am effektivsten für kleinere, diskrete Teile wie die Backup-Rippen im Mehrfach-Holm/arbeitende-Außenhaut-Design zu sein.

Nächste Schritte

OPTICOMS ist auf Kurs, die Automatisierungs-, Kosten- und Gewichtsreduktionsziele des Programms zu erreichen, sagt Nathan, obwohl noch mehrere Monate Arbeit anstehen, um Fertigungsprozesse sowie Montagelösungen zu evaluieren.

„Das ist ein wichtiger Punkt bei OPTICOMS“, erklärt er. „Wir hatten eine robuste Down-Selection des Designs. Wir hatten eine Down-Selection des Materials. Wir hatten eine Down-Selection der Prozesse. All das braucht Zeit und Aufwand. Das ist einer der einzigartigen Aspekte des Projekts.“

OPTICOMS initiierte drei Calls for Proposals (CFP) für Technologien und Hardware, um die Projektziele zu unterstützen, sicherzustellen und zu verbessern. Die erfolgreichen Vorschläge wurden zu Clean Sky 2 Projekten, assoziiert mit und ergänzend zum OPTICOMS „Mutter“-Core-Partner – alle arbeiten gemeinsam auf ein gemeinsames Ziel hin.

Der erste Aufwand in dieser Entwicklung ist FITCoW, der darauf abzielt, ein neuartiges, integrales Carbonfaser-Werkzeugsystem für die Co-Härtung der arbeitenden Außenhaut und der drei Holme zu entwickeln. FITCoWs Ziel-Liste ist ehrgeizig: 50 % Reduzierung der Fertigungsteilekosten, 30 % Werkzeugkostenreduzierung (im Vergleich zu metallischer Alternative), 20 % Fertigungszeitreduzierung im Vergleich zu Autoklav- und OOA-Alternativen, 40 % CTE-Mismatch-Reduzierung im Vergleich zu Invar-Werkzeugen, 20 % Verringerung der Heiz- und Kühlzeit und 40 % Inspektionszeitreduzierung dank besserer dimensionskontrollfähigkeiten.

Um die Holm/Außenhaut-Struktur an die untere Außenhaut zu kleben, resultierte der zweite CFP in einem weiteren OPTICOMS-Projekt namens WIBOND, um ein Klebe-Montagewerkzeug zu entwickeln, das den Klebstoff aufträgt, den適切en Druck anwendet und Faserooptiksensoren in der Klebelinie für Strukturelle Gesundheitsüberwachung der Klebung integriert; CW wird in einem separaten Artikel, der 2022 veröffentlicht wird, darüber und über die anderen Montagetechnologien berichten.

Der dritte CFP wurde initiiert, um die entscheidende Herausforderung von Eigenspannungen zu bewältigen, die ein „Spring-in“ der Holm/Außenhaut-Struktur verursachen. Diese Verformungen können nachteilige Auswirkungen auf den Klebe-Montageprozess haben. Das ELADINE-Projekt schloss sich dem OPTICOMS-Aufwand an, um Software zu entwickeln, die thermische Anisotropie, Polymerisationsschwindung, Werkzeug-Teil-Interaktion, Harzfluss und Verdichtung sowie Temperaturgradienten über die Struktur modelliert und vorhersagt.

Der Hauptfokus von IAI und OPTICOMS liegt derzeit darauf, bis Q2 2022 einen vollständigen 6,8-Meter-Demonstratorflügel an Piaggio für statische und Ermüdungstests zu liefern. Dies wird gefolgt von einer Analyse der Gesamtleistung des Flügels und der Fähigkeit von Design, Materialien und Prozessen, die Projektkriterien zu erfüllen. Darauf wird eine Empfehlung von Piaggio über potenzielle nächste Schritte zur Kommerzialisierung folgen.

Jenseits von Piaggio hofft IAI jedoch, dass der OPTICOMS-Flügelkasten Anwendung in anderen Flugzeugen finden könnte. „Obwohl dieses Projekt auf einem spezifischen Flugzeug basiert“, sagt Sawday, „haben wir versucht, das Design auf unterschiedliche Dicken und Größen skalierbar zu machen. Wir haben nie aus den Augen verloren, dass diese Technologie hoch anpassungsfähig sein kann und sollte.“