DigiProp treibt nachhaltige Innovation für Dowty Propellers und deren Kunden voran

Dowty Propellers (Gloucester, UK), ein weltweit führender Anbieter von Verbundwerkstoff-Propellersystemen und Teil von GE Aviation (Cincinnati, Ohio, USA), hat den erfolgreichen Abschluss seines größten Propeller-Forschungs- und Entwicklungsprogramms bekannt gegeben: DigiProp. Dowty leitete das vierjährige, 20 Millionen Pfund schwere „Digital Propulsion“-Programm, das darauf abzielte, jeden Aspekt des Designs, der Fertigung und der Prüfung seiner Propellersysteme zu innovieren.

Die Weiterentwicklung von Prüfmethoden, um die Betriebsbedingungen besser abzubilden, war ein Schwerpunkt im DigiProp-Programm. Foto: Dowty Propellers

DigiProp wurde von der britischen Regierung finanziert, in Zusammenarbeit mit drei der britischen High Value Manufacturing Catapult-Zentren: dem Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC, Sheffield) der Universität Sheffield, dem Manufacturing Technology Centre (MTC, Coventry) und dem National Composites Centre (NCC, Bristol). Zu den Errungenschaften zählen die Skalierung des Triaxialflechtens für komplexe Geometrien, die Entwicklung eines automatisierten Schaumthermoformprozesses als Alternative zu Gießen oder Bearbeiten sowie der erfolgreiche Einsatz von robotergestütztem Ultraschalltrennen für Kohlefaser-Preform. Weitere Entwicklungen umfassen:

• Triaxialflechten wurde auf industrielle Skalierung entwickelt, wobei die richtungsabhängigen Eigenschaften fortschrittlicher Verbundwerkstoffe für Leistung und Festigkeit genutzt werden, während die Vorteile der Leichtbauweise maximiert werden, um eine Gesamtgewichtsreduzierung der Blätter zu ermöglichen.
• Thermoplastische Verbundwerkstoffe wurden entwickelt, die Recycling, Abfallreduzierung und Werkzeugwiederverwendung ermöglichen und so den Weg zur CO₂-Neutralität unterstützen.
• Einführung eines digitalen Zwillings während der Entwicklung der neuen Dowty-Propellers-Fabrik optimierte nicht nur den Fabrik-Footprint, sondern identifizierte auch Prozessengpässe für reduzierte Fertigungszeit und Energieverbrauch, verbesserte Erstausbeute und beschleunigte Time-to-Market für Kunden.
• Durch komplexe Datenmodelle sind aerodynamische und akustische Leistungsverbesserungen nun für Dowty Propellers' Kunden verfügbar, und die Schaffung eines digitalen Fadens hat die Grundlage für die Nutzung von Big Data gelegt.

AMRC zu Schaumthermoformen, Flechten und Ultraschalltrennen

„Durch das DigiProp-Programm konnte das AMRC Composite Centre die Grenzen des Machbaren in der Verbundwerkstofffertigung verschieben“, sagt Dr. Matt Smith, technischer Leiter für Verbundwerkstoffsimulation am AMRC. „Mit Schaumthermoformen haben wir zuvor innerhalb des AMRC noch nie diese Komplexität erreicht. Dowty Propellers war wirklich interessiert und beeindruckt von den Ergebnissen und wollte diese Arbeit über das Ende von DigiProp hinaus fortsetzen.“

AMRCs KSL-Roboterzelle mit Ultraschallmesser-Aufsatz. KukaSim wurde verwendet, um die ideale Position des Werkzeugs für den optimalen Schnittpfad zu ermitteln. Foto: Dowty Propellers, AMRC

„Wir haben auch unsere Triaxialflechtfähigkeit erfolgreich weiterentwickelt“, sagt Smith, „und die Herausforderungen der Skalierung der Fertigung gemeistert. Wir begannen mit kleinmaßstäblichen Versuchen an der Universität Manchester mit einfachen röhrenförmigen Strukturen und schritten zu realen Tragflächengeometrien voran, wobei der Flechtprozess der komplexen von Dowty Propellers vorgegebenen Form folgen konnte.“

Das AMRC Composite Centre Team hat auch die Machbarkeit des Vernähens von Materialstapeln vor dem Formen bewiesen. Darauf folgt das Trimmen auf Größe mit einem an einem Roboterarm montierten Ultraschallmesser. „Das Ultraschalltrennen war wirklich erfolgreich“, sagt Smith. „Die Vorteile dieser Technologie sind, dass Materialstapel effizient stabilisiert werden und der Ultraschallschneidprozess Multiaxial-Schneideanforderungen bewältigen kann.“

„Das parametrische Propellersystem-Modell, das wir entwickelt haben, ermöglicht es uns, weit mehr Variablen zu nutzen, als ein menschlicher Verstand je berechnen könnte, und liefert tausende Jahre manueller Berechnung in wenigen Wochen“, erklärt Jonathan Chestney, Engineering-Leiter bei Dowty Propellers. „Dies gibt unseren Kunden eine schnellere Designreaktion und ein höheres Maß an Designoptimierung als je zuvor.“

AMRC sucht nun nach zukünftigen Projekten in den Bereichen Schaumthermoformen und Ultraschalltrennen.

NCC zu kommengled Carbon/TP und Blasenformen

Im Rahmen von DigiProp untersuchte das NCC-Team den Blattfertigungs-Workflow und erkundete verschiedene Technologien und Prozesse, um Blattanforderungen und geometrische Constraints einzugeben und so viel Flexibilität wie möglich im Design neuer Blattstrukturen zu schaffen.

NCC entwarf und fertigte Vollskalen-Prototypen eines Turboprop-Flugzeug-Propellerblatts sowie einen neuartigen Fertigungsprozess, der Blasenformen mit Triaxialflechten von commingled thermoplastischen und Kohlefaserverstärkungen kombiniert. Für das Blasensystem wird ein mit Silikon beschichtetes Wachsmodell als Dorn für das Überflechten verwendet.

Verschiedene Materialzusammensetzungen mussten getestet werden, da das Blatt langlebig und frei von Oberflächenfehlern sein musste. Der trockene Faser-Preform musste auch seine Form behalten und nicht durchhängen, verziehen oder sich bewegen, wenn er um den Dorn gelegt wurde. Dies dient der Sicherstellung korrekter Positionierung und Ausrichtung der Fasern, um Designabsicht und Leistungsanforderungen des Blatts zu erfüllen.

Der Fertigungsprozess für das thermoplastische Blatt erforderte die Entwicklung eines starren Dorns für das Flechten, der leicht aus der Form entfernt werden konnte, aber ein aufblasbares Silikonblasen nach dem Preforming verbleibt. Letzteres ermöglicht die Anwendung von Innendruck zur Konsolidierung während der Aushärtung. Das silikonbeschichtete Wachsmodell bot eine Lösung, aber die Dicke des Silikons musste optimiert werden, um Versagen der Blase und unvollständige Konsolidierung des Verbundwerkstoffblatts zu verhindern.

Durch den Einsatz von Thermoplasten reduzierte NCC den Aushärtezyklus auf etwa fünf Minuten im Vergleich zu vier Stunden für typische Duroplast-Epoxidharze. In einer Iteration entfernte NCC den Schaumkern aus dem Blattaufbau und beobachtete eine Gewichtsreduzierung sowie Verbesserung sowohl der Ermüdungslebensdauer als auch der Schlagfestigkeit. Insgesamt wurden sechs Prototyp-Propellerblätter entwickelt, die jeweils auf den vorherigen aufbauten und Design- und Fertigungstechniken verbesserten.

NCC berichtet, dass die Arbeit am DigiProp-Programm eine einzigartige Gelegenheit war, digitale Fertigungstechnologien für Blattdesigns mit breiteren Anwendungen für andere hohle 3D-Strukturen zu entwickeln. Beispiele sind wirtschaftlich recycelbare Verbundwerkstoffkomponenten für kleinere elektrische Luftfahrzeuge. Diese Arbeit führte zu einem Folgeprojekt, dem Novel Composite E-Bike, in dem NCC mit dem in Bristol ansässigen Mountainbike-Hersteller Starling Cycles und Composite Braiding, einem führenden Unternehmen für thermoplastisches Verbundwerkstoffflechten, zusammenarbeitet.

Zukunftstechnologie bereits jetzt im Einsatz

„Das ist das größte Forschungsprojekt, das wir je bei Dowty unternommen haben, und es hätte nicht besser getimt sein können“, sagt Henry Johnston, Präsident bei Dowty Propellers. „Wir verfügen jetzt über eine fortschrittliche Suite neuer Technologien, die uns gut positionieren für die nachhaltige Plattformbeschleunigung, die post-Covid stattfindet.“

„Dieses Projekt hat Innovationen in Antriebsleistung und Kosten durch Design und Produktivität geliefert, was die F&E für Propeller transformiert hat“, sagt Mark Scully, Leiter Technologie für Advanced Systems & Propulsion am Aerospace Technology Institute. „Mit Unterstützung der High Value Manufacturing Catapult-Partner wurde die Fertigungsinnovation in die neue hochmoderne Dowty-Anlage in Gloucester implementiert.“

Der Quantensprung in der Fertigungskapazität, den das Konsortium erzielt hat, eröffnet neue Möglichkeiten, die britische Luft- und Raumfahrt-Propeller-Fertigungsbasis zu erweitern, indem Verbundwerkstofftechnologie mit industrieller Digitalisierung genutzt wird, um Produktionskosten zu senken und die Leistung zukünftiger Antriebssysteme in Europas 200 Milliarden Euro schwerem Luftfahrtsektor zu steigern.

Dowty Propellers beginnt nun, die im DigiProp realisierten Technologien für sich entwickelnde Flugzeuganwendungen und zur Zielsetzung auf Plattformen der nächsten Generation einzusetzen. Potenzielle Kunden profitieren von der Fähigkeit des Unternehmens, Trade Studies mit kurzer Bearbeitungszeit für Leistungsanalysen zu unterstützen.

Dowty macht deutlich, dass DigiProp ohne Unterstützung und Finanzierung durch das ATI-Programm, eine gemeinsame Investition der britischen Regierung und der Industrie zur Erhaltung und Stärkung der wettbewerbsfähigen Position des Landes in ziviler Luft- und Raumfahrtkonstruktion und -fertigung, nicht möglich gewesen wäre. Das ATI-Programm, durchgeführt durch eine Partnerschaft zwischen Aerospace Technology Institute (ATI), Department for Business, Energy & Industrial Strategy (BEIS) und Innovate UK, adressiert Technologie-, Kapazitäts- und Lieferkettenherausforderungen.