DigiProp: устойчивые инновации для Dowty Propellers и их клиентов

Dowty Propellers (Глоучестер, Великобритания), мировой лидер по композитным винтовым системам и часть GE Aviation (Синциннати, штат Огайо, США), объявила об успешном завершении крупнейшей программы НИОКР по винтам: DigiProp. Четырехлетняя программа «Digital Propulsion» на 20 млн ф.ст., возглавляемая Dowty, ставила цель инноваций во всех аспектах проектирования, производства и испытаний винтовых систем.

Эволюция методов испытаний для лучшего представления эксплуатационной среды стала фокусом DigiProp. Фото: Dowty Propellers

Программа финансировалась правительством Великобритании в сотрудничестве с тремя центрами High Value Manufacturing Catapult: Центром передовых производственных исследований Шеффилдского университета (AMRC, Шеффилд), Производственно-технологическим центром (MTC, Ковентри) и Национальным центром композитов (NCC, Бристоль). Достижения включают:

• Масштабирование трехаксиальной сплетки для сложных геометрий, используя направленные свойства композитов для производительности и прочности при максимизации преимуществ легкости и снижении веса лопасти.
• Термопластиковые композиты, обеспечивающие переработку, сокращение отходов и повторное использование инструментов, поддерживающие цель углеродной нейтральности.
• Внедрение цифрового двойника при проектировании нового завода: оптимизация занимаемой площади, выявление узких мест для сокращения времени производства и энергопотребления, повышение выхода годной продукции с первого раза и ускорение вывода на рынок.
• Сложные модели данных дают аэродинамические и акустические улучшения для клиентов Dowty, а создание цифрового нити заложило основу для использования больших данных.

AMRC: термоформирование пены, сплетка и ультразвуковая обрезка

«Через DigiProp Центр композитов AMRC смог протолкнуть границы возможного в производстве композитов», — говорит д-р Мэтт Смит, технический лидер по моделированию композитов в AMRC. «С термоформированием пены мы достигли уровня сложности, которого раньше не было в AMRC. Dowty Propellers проявила живой интерес и была впечатлена результатами, желая продолжить работу после DigiProp».

Роботизированная ячейка KSL AMRC с ультразвуковым ножом. KukaSim использовался для расчета идеальной позиции инструмента для оптимального режущего пути. Фото: Dowty Propellers, AMRC

«Мы также добились успеха в развитии трехаксиальной сплетки», — говорит Смит, «преодолев вызовы масштабирования производства. Начали с малых испытаний в Манчестерском университете с простыми трубчатыми структурами и перешли к реальной аэродинамической геометрии со сплеткой, приспособляющейся к сложной форме, заданной Dowty».

Команда AMRC также доказала возможность сшивания пакетов материалов перед формовкой с последующей обрезкой ультразвуковым ножем на манипуляторе. «Ультразвуковая обрезка прошла очень успешно», — говорит Смит. «Преимущества: стабилизация пакетов материалов эффективным способом и возможность многоксиальной резки».

«Параметрическая модель винтовых систем позволяет использовать гораздо больше переменных, чем может обработать человеческий разум, доставляя тысячелетия ручных расчетов за недели», — объясняет Джонатан Честни, инженерный лидер Dowty Propellers. «Это дает клиентам более быстрый отклик по проектированию и более высокий уровень оптимизации».

AMRC ищет будущие проекты в термоформировании пены и ультразвуковой обрезке.

NCC: смешанные углерод/ТП и формовка с бладдером

В рамках DigiProp команда NCC пересмотрела рабочий процесс производства лопастей, изучая разные технологии для гибкого проектирования новых структур. NCC спроектировала и изготовила полноразмерные прототипы лопасти турбопропа и новый процесс, комбинирующий формовку с бладдером и трехаксиальную сплетку смешанных термопластиковых и углеродных волокон. Для бладдер-системы восковая форма с силиконовым покрытием использовалась как мандрель для наплетения.

Тестировались разные материалы: лопасть должна быть долговечной и без поверхностных дефектов. Сухой преформ должен сохранять форму, не провисать, не деформироваться и не смещаться при укладке вокруг мандреля для обеспечения правильного позиционирования и ориентации волокон.

Процесс термопластиковой лопасти потребовал разработки жесткого мандреля для сплетки, легко извлекаемого из формы, но с надувным силиконовым бладдером, остающимся после преформования для внутреннего давления при консолидации. Восковая форма с силиконом дала решение, но толщину силикона пришлось оптимизировать для предотвращения разрыва бладдера и неполной консолидации.

Благодаря термопластикам NCC сократила цикл отверждения примерно до пяти минут против четырех часов для типичных эпоксидных смол. В одной итерации пенное ядро убрали, что снизило вес и улучшило устойчивость к усталости и ударную прочность. Всего разработано шесть прототипов лопастей с последовательным улучшением проектных и технологических решений.

NCC сообщает, что DigiProp стала уникальной возможностью развить цифровые производственные технологии для лопастей с применением к другим полым 3D-структурам. Примеры: экономически перерабатываемые композитные компоненты для малых электрических летательных аппаратов. Это привело к проекту Novel Composite E-Bike в партнерстве с велокомпанией Starling Cycles (Бристоль) и Composite Braiding — лидером термопластиковой сплетки.

Будущие технологии внедряются уже сейчас

«Это крупнейший исследовательский проект в истории Dowty, и он не мог быть лучше по времени», — говорит Генри Джонстон, президент Dowty Propellers. «Теперь у нас есть передовой набор новых технологий, хорошо позиционирующий нас для устойчивого ускорения платформ после Covid».

«Проект дал инновации в производительности и стоимости тяги через проектирование и производительность, трансформировав НИОКР для винтов», — говорит Марк Скалли, директор по технологиям передовых систем и тяги в Институте аэрокосмических технологий. «С помощью партнеров Catapult производственные инновации внедрены в новый передовой объект Dowty в Глоучестере».

Качественный скачок производственных возможностей консорциума открывает возможности для роста британской базы производства авиационных винтов, используя композитные технологии с промышленной цифровизацией для снижения затрат и повышения производительности будущих тяговых систем в европейском авиасекторе на 200 млрд евро.

Dowty Propellers начинает использовать технологии DigiProp для развивающихся авиационных применений и таргетирования платформ следующего поколения. Потенциальные клиенты выигрывают от способности компании поддерживать трейд-офф исследования с быстрым анализом производительности.

Dowty подчеркивает: DigiProp невозможна без поддержки и финансирования программы ATI — совместных вложений правительства и промышленности для поддержания конкурентного положения Великобритании в гражданском авиастроении. Программа ATI, реализуемая через партнерство ATI, BEIS и Innovate UK, решает вызовы технологий, потенциала и цепочек поставок.