Wing of Tomorrow Rippen: One-Shot, Thermoplastisch und OOA-Konsolidierung für nächste Flugzeuggeneration

Airbus' Wing of Tomorrow (WOT) Programm, 2015 gestartet, hat die letzten sechs Jahre damit verbracht, kosteneffizientere, höherdurchsatzfähige Material-, Fertigungs- und Montagetechnologien für Ein-Gang-Flugzeugflügel zu erforschen (siehe CWs vorherige Berichterstattung zum WOT-Programm).

Laut Arnt Offringa, Direktor des GKN Aerospace Global Technology Center Netherlands (Hoogeveen), war GKN Aerospace (Bristol, UK) sehr aktiv im WOT-Programm, einschließlich der Entwicklung eines Flügelholm-Demonstrators via Resin Transfer Molding (RTM) und vier Aluminium-Flügelrippen. Ein weiterer Technologiedemonstrator, kürzlich von GKN Aerospace geliefert, beinhaltete die Entwicklung sowohl einer kosteneffizienten Thermoplast-Composite-Rippe als auch eines innovativen, modularen Presssystems für One-Shot, Out-of-Autoclave (OOA) Fertigung derselben.

Wechsel zu Thermoplasten

2018 begann GKN Aerospace interne Diskussionen über Materialien und Fertigungstechnologien für fünf Demonstratorrippen des WOT-Programms. GKN Aerospace verglich mehrere Materialoptionen, einschließlich Thermoset- und Thermoplast-Composites. Aluminium, das traditionelle Material für kommerzielle Flugzeugrippen, wurde für vier größere, innere Rippen gewählt, aber für die kleinere, äußere Rippe entschied sich das Unternehmen, eine Composite-Option zu erforschen. Offringa merkt an, dass da der WOT-Demonstrator ein Composite-Flügel sein wird, die Entwicklung einer Composite-Rippe, die mit Aluminium konkurrieren kann, ein logischer Schritt ist.

„Eine Composite-Rippe an einem Composite-Flügel ist aus mehreren Gründen vorteilhaft“, sagt er. „Erstens bedeutet die Verwendung von Composites mit Composites, dass es keinen Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen den Materialien gibt, wie man ihn bei einer Metallrippe an einem Composite-Flügel oder umgekehrt hätte. Zweitens gibt es keine Probleme oder Bedenken bezüglich Korrosion. Composites bedeuten auch Gewichtsreduktion. Last but not least erleichtern Composites die Inspektion.“

Offringa erklärt, dass typische Metallrippen visuelle menschliche Inspektion erfordern, sobald der finale Flügel montiert ist. Aufgrund der Rippenposition im Flügelinneren müssten große elliptische Luken in die untere Flügelhaut geschnitten werden, damit Menschen in den Flügel eindringen können, um sie zu inspizieren. „Geht man zu einer Composite-Rippe, hat man weniger Ermüdung in den Rippen und weniger potenzielle Ermüdungsrisse, die inspiziert werden müssen. Inspektion wird viel simpler und weniger intensiv, und man muss keine Luken mehr in die Flügelhaut bauen. Es wird eine durchgehende Flügelhaut sein“, sagt er.

Gewichtsreduktion, Korrosionsbeständigkeit und weniger invasive Inspektionsvorteile könnten sowohl von Thermoset- als auch Thermoplast-Composites erzielt werden. „Wir führten eine interne Studie durch und betrachteten Gewicht, Kosten und Industrialisierung, und nach Vergleich der verschiedenen Technologien fiel die Entscheidung für Thermoplaste, weil sie das größte Potenzial und den besten Business Case bezüglich Kosten bot“, sagt Offringa.

Angesichts der näheren Nähe zu Airbus' Filton, UK Flügeltechnologiezentrum, wo der WOT-Demonstrator getestet wird, ist GKN Aerospace's Bristol, UK Zweig der Haupt-Hub der WOT-Arbeit. Allerdings, gegeben GKN Aerospace Netherlands' Expertise in Thermoplasten aus seinen Tagen als Fokker Technologies, schlossen sich die beiden GKN Aerospace Teams für den Rippendemonstrator zusammen. „Das Design wurde in UK gemacht, aber die Fertigungsentwicklung in den Niederlanden, also war es eine wirklich schöne Kooperation zwischen den verschiedenen Teams in GKN Aerospace“, sagt Offringa.

Sue Partridge, Leiterin WOT bei Airbus, bemerkt: „Zusammenarbeit mit Partnern ist ein wichtiger Aspekt des Wing of Tomorrow Programms. Durch Kombination unserer Ressourcen können wir Lösungen vorantreiben, die die Fähigkeiten beider Organisationen nutzen für ein besseres Ergebnis.“

Für die WOT-Rippen, die an Airbus geliefert wurden, nutzte GKN Aerospace Solvays (Brüssel, Belgien) APC Carbonfaser/Polyetherketonketon (PEKK-FC) Tapes, basierend auf der firmeneigenen Novaspire PEKK-FC (FC) schnelle-kristallisierenden Formulierung. Offringa merkt an, dass Toray Advanced Composites' (Morgan Hill, Kalifornien, USA) Low-Melt Carbonfaser/Polyaryletherketon (PAEK) Material auch als Option für zukünftige Rippenstrukturen evaluiert wird.

Design einer nächsten-Generation Flügelrippe

Ein typischer Ein-Gang-Flugzeugflügel hat mehr als 20 Rippen. Der Thermoplast-Composite-Demonstrator-Rippe ist die 14. am Demonstratorflügel; die anderen werden alternative Materialien und Prozesse demonstrieren.

Thermoplast-Composite-Rippen werden oft via Stampforming für kleine Flugzeuge hergestellt, sagt Offringa. Allerdings schloss GKN Aerospace traditionelles Stampforming als Option für die WOT-Rippe aus, weil kommerzielle Flugzeugflügel, sogar für Schmalrumpf wie den WOT-Demonstrator, sehr hohen Druck- und Zuglasten ausgesetzt sind.

„Würde man eine Thermoplast-Rippe im traditionellen Sinne stampformen, müsste man eine sehr dicke Rippe mit dicker Stegwand machen, um sie stark genug für die wirkenden Kräfte zu machen“, sagt Offringa, „und das ist angesichts der Gewichtsreduktionsanforderungen nicht vorzuziehen. Zusätzlich könnte Stampforming keine doppelseitige untere Flanschkomponente an der Rippe erzeugen, wo das Teil mit der unteren Flügelhaut verbunden ist; ein Extra-Komponente müsste gefertigt und an den Rest der Rippe geschraubt werden. GKN Aerospace brauchte einen Fertigungsprozess, der mehr Flexibilität für das Design des Teams bot.“

GKN Aerospace's 90 cm lange, 24 cm hohe Thermoplast-Rippe verfügt über einen vertikalen Steg und einen bidirektionalen 8 mm dicken Flansch, der vom unteren Rippenende ausgeht. Um Gewichtsanforderungen zu erfüllen, ist der Steg nur 7 mm dick. Zur Verhinderung von Knicken und Erhöhung der Steifigkeit wird der Steg durch 3 mm dicke Versteifungselemente mittels GKN Aerospace's Butt-Joint-Technologie verstärkt, die flache Stegvorformlinge und spritzgegossene „Füllmaterialien“ nutzt, um eine starke, kontinuierliche Verbindung zu schaffen (siehe „Thermoplastic primary aerostructures take another step forward“ für Anwendung dieser Technologie an einem Gulfstream Rumpfpanel mit Solvays Carbonfaser/PEKK-FC Tapes).

„Wir wussten, dass wenn wir diese Form in Composites herstellen und robust machen könnten, wir ein sehr leichtes Design mit der gesuchten Gewichtsreduktion hätten. Aber das Problem war: Wie stellt man so eine komplexe Form kosteneffizient und mit hohen Raten her? Da haben wir unsere Anstrengungen reingesteckt, um dieses neue Produkt zu schaffen“, sagt Offringa.

One-Step, OOA Fertigung

Der Prozess baut auf Technologie auf, die GKN Aerospace zuvor für das TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure) Projekt und für eine Rumpfpanelentwicklung für Gulfstream nutzte, die die Butt-Joint-Technologie des Unternehmens verwendet. Für die WOT-Rippe entwickelte GKN Aerospace einen OOA, One-Step-Konsolidierungsprozess. „Wir haben unsere vorherige Arbeit auf die nächste Stufe gehoben, indem wir zum ersten Mal aus dem Autoklav herausgingen“, merkt Offringa an.

Zunächst werden unidirektionale (UD) Thermoplast-Tapes auf die korrekten Breiten geslitzt, und ein Laminator wird verwendet, um die flachen Elemente in zwei L-förmige Stegvorformlinge vorzuformen. Die Stegvorformlinge, ein flacher Vorformling für den Flansch, und kleinere Vorformlinge und spritzgegossene Füllelemente, die die Stringer bilden, werden alle in ein Werkzeug geladen, das in eine modulare Co-Konsolidierungspresse platziert wird, die einer RTM-Presse ähnelt. Die Presse schließt, und ein Blasensystem erzeugt Druck aus horizontaler und vertikaler Richtung, simulierend den Druck in einem Autoklav. Ein integriertes Widerstandsheizsystem bringt das Composite kurz auf Schmelztemperatur, bevor es zum Konsolidieren abkühlt.

„Wir haben den größten Entwicklungsaufwand in das Abstimmen und Optimieren des Werkzeugs gesteckt“, sagt Offringa. Das System ist modular designed; das Werkzeug kann ausgetauscht werden, um Rippen mit anderen Dimensionen oder andere Teilarten aufzunehmen, während dasselbe Heiz- und Kühlsystem beibehalten wird. Zwar nicht für diese Rippen nötig, kann die von GKN Aerospace an seinem Technology Center entwickelte Presse Teile bis 6 Meter Länge aufnehmen, was auch andere Paneele oder Träger einschließen könnte.

Das Prozesskontrollsystem ist entscheidend bei der Verarbeitung von Thermoplasten. Thermoplaste schmelzen bei höheren Temperaturen als Thermosets und müssen in einem kontrollierten, konsistenten Prozess abkühlen, um Verzug zu minimieren und Kristallinität zu maximieren. „Es ist sehr wichtig, den exakten Prozess von Anfang bis Ende zu kontrollieren“, sagt Offringa. „Das Thermomanagement des Heizzyklus ist sehr wichtig.“ (siehe „Thermoplastic (TP) forming issues“ Sidebar in diesem Artikel für mehr Details zu Problemen und Wichtigkeit der Prozesskontrolle bei Thermoplasten).

Spezielle Werkzeugmerkmale ermöglichen das leichte Lösen der dünnen, integrierten Versteifungen aus dem Werkzeug. Das entformte Teil ist Near-Net-Shape und wird dann getrimmt zum Fertigteil. Von Werkzeug rein bis Werkzeug raus dauert der gesamte Prozess ca. 45 Minuten. Das bedeutet, mit einer Presse können in einer 8-Stunden-Schicht ca. 15 Flügelrippen gefertigt werden.

„Am Ende ist es ein simpler Fertigungsprozess“, merkt Offringa an. „Wir machen viele Dinge gleichzeitig: Co-Konsolidierung von Vorformlingen mit verschiedenen Formen, Erstellung des Rippenbodens mit bidirektionalem Flansch, und gleichzeitig versteifen wir den Steg mit der Butt-Joint-Technologie. Letztendlich nehmen wir alle Materialelemente, legen sie in ein Werkzeug, und erstellen ein homogenes Teil in einem Verarbeitungsschritt.“

Test, Lieferung und Ausblick

Test. Teilarbeiten wurden an GKN's Isle of Wight und Hoogeveen Einrichtungen auf Zug- und Druckfestigkeitsanforderungen getestet.

Ende 2019 wurden Rippen-Teilarbeiten an GKN Aerospace's Isle of Wight und Hoogeveen Einrichtungen getestet, und Offringa sagt, sie bestanden Zug- und Drucklastanforderungen „mit großem Vorsprung“. Er fügt hinzu: „Es ist stark, es ist zäh, es ist einfach herzustellen. Das ist ein Konzept, das genau so herauskam, wie wir es hofften.“ Im Vergleich zu einer Aluminiumversion bietet die Thermoplast-Composite-Version signifikante Gewichtsersparnis und ist kosteneffizient.

Das Unternehmen hat drei Rippen an Airbus geliefert, eine davon wird am WOT-Demonstrator montiert und getestet. GKN Aerospace arbeitet weiter an der Optimierung seiner Prozesse und Materialien für kommerzielle Luftfahrt-Rippen, sowohl für Wing of Tomorrow als auch darüber hinaus.