AFRL testet Flechten, SMP-Werkzeuge und VARTM zur Kostensenkung bei zukünftigen Triebwerkseinlaufkanälen

Teil der U.S. Air Force 2030 Science and Technology Strategie umfasst den Masseneinsatz kostengünstiger Unmanned Aerial Systems zur Unterstützung künftiger Einsätze. Um diese Vision zu verwirklichen, müssen neue Fertigungsstrategien identifiziert werden, die die schnelle Fertigung hochwertiger Luftfahrtkomponenten zu niedrigeren Kosten als aktuell mit Legacy-Prozessen verfügbar unterstützen können.

Die Air Force Research Laboratory (AFRL) (Dayton, Ohio, USA) Manufacturing and Industrial Technologies Division und das Ohio-basierte Contractor-Team aus Cornerstone Research Group (Dayton), A&P Technology (Cincinnati) und Spintech LLC (Xenia) führten Forschung durch, um die Vorteile der Ersetzung von Legacy-Prepreg-Handlaminierung durch trockene Faser-geflochtene Preforms und Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) für die Fertigung eines 11 Fuß (ca. 3,35 m) langen, S-förmigen Composite-Triebwerkseinlaufkanals zu quantifizieren.

Flugzeugtriebwerkseinlaufkanäle liefern eine konstante Luftzufuhr, um das Abreißen des Verdichters des Triebwerks zu verhindern. Der Einlauf muss so wenig Widerstand wie möglich erzeugen. Die kleinste Lücke in der Luftzufuhr kann größere Triebwerksprobleme sowie signifikante Effizienzverluste verursachen. Wenn der Einlaufkanal ausreichend Luft mit minimaler Turbulenz liefern soll, muss er sauber und fehlerfrei sein.

Der neuartige Fertigungsansatz für den S-förmigen Einlaufkanal ersetzt Handlaminierung von Prepreg auf einem mehrteiligen Stahlmandrel gefolgt von Autoklavenhärtung durch einen automatisierten Überflechtprozess, der stattdessen trockene Fasern appliziert. Der sehr schwere mehrteilige Stahlmandrel wird durch einen leichten einteiligen Shape-Memory Polymer (SMP) Mandrel ersetzt. Die trocken geflochtene Carbonfaser wird dann mittels VARTM mit einem kostengünstigen Epoxidharz und Ofenhärtung in eine Composite-Struktur überführt.

Das Team completed Analyse der Überflechtarchitektur sowie Fertigung eines SMP-Formwerkzeugs und des SMP-Mandrels, der als Werkzeug während des Preform-Überflechtprozesses dient. Aufgrund der komplexen Geometrie des S-förmigen Einlaufkanals waren mehrere Iterationen notwendig, um die Überflechtmaschineneinstellungen zu optimieren und Composite-Materialfaltung zu minimieren. Insgesamt werden vier Einlaufkanäle gefertigt und Legacy-Bauteilkosten und Produktionszeit werden mit dem neuen Design verglichen.

„Wir glauben, dass die Einführung eines wiederverwendbaren Shape Memory Polymer Mandrels zusammen mit dem automatisierten Überflechtprozess und einer ofenbasierten VARTM-Composite-Härtung zu signifikanten Kosten- und Zykluszeitreduktionen führen wird“, sagt Craig Neslen, Manufacturing Lead für die Low Cost Attritable Aircraft Technology Initiative in der Manufacturing and Industrial Technologies Division bei AFRL. „Die Quantifizierung der Fertigungsvorteile und Validierung der strukturellen Integrität werden kritisch sein, um einen positiven Business Case zu etablieren und Designer und Hersteller zu überzeugen, dass die neuen Materialien und Prozesse in zukünftige kostengünstige Triebwerkseinlaufkanal-Designs integriert werden sollten.“

Der finale Einlaufkanal wird an die U.S. Air Force zur weiteren Integration in das komplementäre Luftfahrzeug-Design- und Fertigungsprogramm innerhalb von AFRLs Aerospace Systems Directorate geliefert. Die Aerospace Vehicles Division wird statische Bodentests der integrierten geflochtenen Rumpf- und Einlaufkanalstruktur durchführen.

„Während wir noch nicht alle Implikationen der Abnutzungstoleranz auf Designkriterien und die resultierenden Fertigungsmaterialien und -prozesse definiert haben, haben wir eine Baseline mit Schwellenanforderungen für Festigkeit und Steifigkeit, die wir via volle-Skala Luftfahrzeug-Bodentests bewerten werden“, sagte Ray Fisher, Luftfahrtingenieur in der Aerospace Vehicles Division.

AFRL ist das primäre wissenschaftliche Forschungs- und Entwicklungszentrum der U.S. Air Force. Es spielt eine integrale Rolle bei der Führung der Entdeckung, Entwicklung und Integration erschwinglicher Kriegführungstechnologien für unsere Luft-, Raum- und Cyberspace-Streitkräfte. Mit einer Belegschaft von mehr als 11.000 über neun Technologiebereiche und 40 weitere Operationen weltweit bietet AFRL ein vielfältiges Portfolio an Wissenschaft und Technologie von grundlegender bis fortgeschrittener Forschung und Technologieentwicklung. Für weitere Informationen besuchen Sie: www.afresearchlab.com.