Институт структур и дизайна DLR развивает технологию термопластиковых композитных фюзеляжей

В рамках проекта «LuFoV-3 TB-Rumpf» автоклав-бесплатная консолидация термопластиковых препрег-ламинатов и сопротивленная сваркаurther развиваются и валидируются как технологические кирпичики для будущих фюзеляжей самолетов. Эта работа выполняется Немецким аэрокосмическим центром (DLR), Институтом структур и дизайна (Институт BT) в Штутгарте в сотрудничестве с партнерами из авиапромышленности, включая Airbus и другие исследовательские институты.

Институт BT DLR продемонстрировал полностью интегрированное пересечение фюзеляжа, состоящее из обшивки, стрингеров, рам и клепок. Демонстратор основан на криволинейной обшивке, консолидированной вне автоклава (OOA) с ко-консолидацией стрингеров и интеграцией рам и клепок через сопротивленную сварку. Швы были характеризованы механическими испытаниями, а шовная линия дополнительно изучалась с помощью оптического микроскопа.

TB-Rumpf: зрелость OOA консолидации и сварки

Состояние искусства для консолидации крупногабаритных компонентов из непрерывноволокнистых высокотемпературных термопластов (например, полиарилэтеров или PAEK) — это автоклавная консолидация. Однако с помощью оптимизированной настройки процесса и адаптированного управления процессом можно достичь полной консолидации, используя только температуру и вакуумное давление. Использование самонагреваемых форм или печей может исключить необходимость в автоклаве и таким образом создать преимущества в стоимости. Проект TB-Rumpf направлен на зрелость процесса, называемого VCT (Vacuum Consolidation Technique), и определение пределов процесса, включая максимально возможную толщину ламината.

Еще одна ключевая технология для будущих применений передовых термопластиковых композитов — сварка для сборки. DLR и Airbus выделили сопротивленную сварку как ведущую технологию из-за ее способности создавать высокопрочные структуры. В рамках проекта TB-Rumpf процесс сопротивленной сварки и необходимые сварочные элементы оптимизируются. Полученные демонстраторы структурно тестируются для валидации механической производительности соединения и сваренных композитных ламинатов.

Исследование вакуумной техники консолидации (VCT)

Маттиас Хорн, руководитель проекта в институте BT DLR, объясняет, что демонстратор TB-Rumpf использует однопревосходящую ленту из углеродного волокна с низкоплавким полиарилэтеров (LM-PAEK). Эта термопластиковая композитная лента обрабатывается с помощью автоматизированной укладки волокна (AFP) с использованием робота KUKA (Аугсбург, Германия) с наконечником AFPT (Дёрт, Германия) и 6-киловаттовым лазером для нагрева ленты.

OOA консолидация с использованием VCT: «Целью было подтвердить применимость этого процесса для толстых ламинатов», — говорит Георг Долл, исследователь Института BT и руководитель по консолидации в TB-Rumpf. «Мы показали хорошие результаты для ламинатов толщиной до 11 мм без пор или других дефектов, подтвержденных микрографическими срезами и ультразвуковым контролем. Ключи к успеху — оптимизированная настройка VCT, адаптированный термический цикл и однородное и последовательное качество препрега».

OOA ко-консолидация элементов жесткости: Помимо использования VCT для производства панелей обшивки фюзеляжа без автоклава, проект TB-Rumpf также добился успеха в разработке ко-консолидации для прямой интеграции элементов жесткости стрингеров с обшивкой в одном цикле процесса VCT.

AFP укладка криволинейных и двойно криволинейных форм: Лазерная AFP как дополнительный процесс к VCT исследовалась, включая пределы процесса и материала (например, максимальное уклонение ленты), путем изготовления двойно кривильных ламинатов размером примерно 800 x 1200 мм. Результаты этих производственных испытаний могут быть использованы для продвижения OOA консолидации, а также in-situ консолидации, достигаемой во время AFP без вторичной операции.

Сопротивленная сварка

«Для интеграции структурных элементов фюзеляжа и тем самым обеспечения возможности производства будущих термопластиковых концепций фюзеляжа мы исследовали сопротивленную сварку с точки зрения повышения надежности процесса и оптимизации прочностных значений», — говорит Симон Бауэр, исследователь Института BT и руководитель по сварке в TB-Rumpf. «Фокус был на оптимизированной настройке сварочного элемента, основанного на углеродном волокне как нагревательном элементе, и улучшенной электрической проводимости в комбинации с наилучшими подходящими сварочными параметрами, такими как термический цикл, температура, давление, ток и напряжение». Сопротивленная сварка использовалась для крепления клепок к раме и стрингерам; также она использовалась для крепления рамы к обшивке.

Технологические кирпичики для будущих дизайнов фюзеляжей

«Благодаря демонстрируемой технологической зрелости, как внеавтоклавная консолидация, так и сопротивленная сварка могут играть важную роль для будущих дизайнов фюзеляжей», — подчеркивает д-р Поль Ёрн, руководитель соответствующего проекта Airbus.

Чтобы приблизить технологии еще ближе к промышленному применению, в ближайшем будущем будут исследованы дальнейшие сложные аспекты. Для вакуумной консолидации фокус будет на масштабировании размера и переносе на двойно криволинейные контуры. Для сопротивленной сварки будут адресоваться вопросы допусков и автоматизации.

Представленные здесь результаты были достигнуты в рамках исследовательского проекта TB-Rumpf (FKZ: 20W1721D) в рамках Федеральной авиационной исследовательской программы V-3, финансируемой Федеральным министерством экономики и энергетики Германии.

Для получения дополнительной информации посетите dlr.de/bt.