Улучшение дизайна OOA-инфузированного крылового коробка для устойчивой авиации

По мере того как авиапром предвкушает восстановление после пандемии COVID-19, предыдущий толчок к высокочастотному производству свернулся в срочный драйв снижения экологических угроз планете и людям. Это включает лимиты на выбросы парниковых газов (GHG), энергопотребление и воду, и создание неперерабатываемых отходов. Хотя эти инициативы были и до COVID, их акцент теперь усилен, как и необходимость гораздо более низкой стоимости производства композитных структур. Паневропейская авиационная программа Clean Sky 2 финансировала R&D во всех этих областях и значительно продвинула ряд технологий волокно-армированных композитов.

В седьмом вызове предложений Clean Sky 2 (CFP07, октябрь 2017) входит запрос Airbus Defence and Space (Airbus DS, Кадис, Испания) на инновационный и гибкий пилотный завод для производства высокоинтегрированного летающего демонстратора крылового коробка с использованием автоматизированного размещения волокна (AFP) и жидкой смольной инфузии.

Были другие демки OOA/инфузированных крыловых коробков: OOA «смешанный» крыловой коробок GKN Aerospace (Реддитч, Великобритания) 2013; крыло Airbus A220 от Spirit AeroSystems Belfast (Северная Ирландия) с инфузией смолы в автоклаве; OOA крыло AeroComposit (Москва, Россия) для MS-21. Но все они собирали дискретные стрингер-армированные обшивки и лонжероны механическими крепежами (см. «Путь к OOA крыльям с минимальными крепежами»).

Крыловой коробок, запрошенный Airbus DS в Clean Sky 2, должен был сделать шаг вперед: интегрировать армированную нижнюю обшивку с армированными передним и задним лонжеронами, позволяя передать более полный модуль без крепежей для сборки с остальными компонентами крыла.

Также будут использоваться узкие (0,25 или 0,5 дюйма) сухие углеродно-волокнистые ленты и высокотемпературные (180°C Tg) отверждающие смолы, но с энергосберегающими, низкостоимостными системами нагрева и сенсорно-базированным цифровым контролем и симуляцией для предсказания и управления процессом, сокращения циклов проб и ошибок при разработке и быстрого обучения производственного персонала. Эта оцифровка эволюционирует в мобильное AR-приложение, предоставляющее руководства пользователя и обслуживания, определение последовательности процессов, бесконтактный учет процессов и деталей и проекцию CATIA-моделей на деталь для точной установки преформ стрингеров, инструментальных вставок и CFRP-каульных пластин.

Наиболее требовательно: все оснащение и производственное оборудование должны быть переносимыми и гибкими, легко разворачиваемыми на любом производственном сайте и адаптируемыми для других дизайнов деталей и апгрейдов по мере появления более передовых технологий оснащения, нагрева и Composites 4.0 процессного контроля.

Как объяснил топик-менеджер Луис Рубио, глава инженерии композитной разработки — технологии и процессы в Airbus DS: «Финальная цель проекта — продемонстрировать, что альтернативная технология (к препрегу и автоклаву) с более низкими затратами, сокращенными лид-таймами и экологическим следом может достичь аналогичных конструкторских допусков и уровней качества».

MTorres (Торрес де Элорц, Испания) откликнулась, апплаись без партнеров. «У нас были все возможности in-house: AFP, инфузия, материалы сухих лент и автоматизация», — объясняет Себастьян Диас, старший менеджер прикладных композитных технологий MTorres. Компания получила проект Innovative Infusion Airframe Manufacturing System (IIAMS), финансируемый через программу Horizon 2020 ЕС под грантом №820845, и начала работу в октябре 2018.

Демонстратор внешнего крылового коробка

Демонстратор, выбранный Airbus DS — внешний крыловой коробок на базе его C-295 двухмоторного турбопропа военного транспорта (Рис. 1), производимого в Сан-Пабло, Севилья, Испания. Этот 4,14-метровый композитный внешний торсионный коробок стыкуется с внутренним металлическим торсионным коробком. Композитный крыловой коробок также присоединяется к винглету, переднему и заднему краям.

«Мы должны были изготовить два 4-метровых демонстратора — правое и левое крылья, которые будут установлены для полетных испытаний», — говорит Диас. «Производство должно было быть one-shot, без вторичного склеявания. Мы делали только «U», включающую нижнюю обшивку с шестью интегрированными стрингерами и лонжероны по бокам. Обшивка, стрингеры и лонжероны все варьируются по толщине. J-форма лонжеронов и интеграция их усилков была довольно сложна для производства. Также стояла задача поддержания тугих допусков и точной геометрии с этим производственным процессом. Эта точность критична, особенно в корне для сборки во внутренний крыловой коробок и затем на винглете».

Дизайн инновационного промышленного производства разрабатывался в MTorres, в то время как Airbus DS давала спецификации дизайна детали. «Мы легко работали вместе для проектирования лучшего производственного процесса, верифицируя, что этот дизайн может быть произведен нашим процессом и наоборот», — говорит Диас.

Автоматизированный центр термоинфузии (ACTI)

По спецификации Airbus DS, все оснащение и оборудование для производства крылового коробка должны быть переносимыми, транспортируемыми стандартными транспортами и быстро разворачиваемыми без специальных мер. Это привело к разработке автоматизированного центра термоинфузии (ACTI), выполняющего горячее драйвинг-формирование стрингеров и лонжеронов; инфузию стрингеров, лонжеронов и обшивки; и циклы отверждения. Горячее драйвинг-формирование (HDF) — разработанное как нагревательное дебалкинг в аэроструктурах и нагревательная преформация вне авиации — удаляет пустоты в укладке и конвертирует 2D бланки для стрингеров и лонжеронов в сформированные преформы (см. «Горячее драйвинг-формирование»).

ACTI имеет полезную внутреннюю площадь примерно 5,5 × 2,2 метра и выглядит похоже на традиционную HDF-систему, со стальной рамкой и верхней половиной, электронно поднимаемой и опускаемой, с блокировками и другими устройствами безопасности. Инструмент отверждения и множественные HDF-инструменты позиционированы внутри ACTI. «Давление не применяется, только вакуум», — отмечает Диас. «ACTI использует нагрятый воздух с определенным потоком для быстрой теплопередачи в процессах HDF и инфузии».

Также система самоуровневающаяся. «Жесткость структуры ACTI (и инструмента отверждения) спроектирована для соответствия допускам под операционными нагрузками в просто поддержанном условии на двух опорных секциях», — объясняет Диас. «Это значит, что размерная точность сохраняется при стоянии на полу без дополнительного выравнивания или геометрической настройки. ACTI также обеспечивает низкое энергопотребление и низкие производственные затраты».

Последнее во многом благодаря замене сборки множественных отвердевших деталей сборкой множественных преформ, которые затем инфузируются и отвердевают в единую интегрированную структуру. «Инструмент отверждения — это также инструмент сборки», — говорит Диас. «Все элементы — сухие преформы, собранные в инструмент отверждения и затем ко-инфузированные вместе в single-shot процессе. Сборочный тиг не нужен, строгие допуски достигаются через инновационные элементы в оснащении».

Другой ключевой аспект — устранение деструктивных и НК тестов (NDT), вместо этого полагаясь на процессные данные, собранные в ходе производственных шагов, для верификации качества процесса и флагирования out-of-spec параметров. Сенсоры, используемые с ACTI, собирают температуру, вакуум, поток смолы и состояние отверждения. «И воздух, и температуры детали мониторятся», — говорит Диас. «Оснащение имеет интегрированные термопары, отслеживающие температуру форм и поверхностей детали». Все данные записываются, анализируются и используются для печати графиков и руководства производственными решениями.

«И в IIAMS, и в будущих проектах данные помогают улучшить настройку процесса на ранних стадиях», — объясняет Диас. Поток смолы и состояние отверждения мониторятся диэлектрическими сенсорами Netzsch (Зельб, Германия), установленными прямо в CFRP инструменты отверждения. «Нам нужны бесконтактные сенсоры для обшивки, потому что нет прямого контакта между смолой и формой», — говорит Диас. «Сенсоры мониторят изменение диэлектрического поля при приходе смолы и последующем затвердевании при отверждении. Мы использовали эти данные для сокращения цикла отверждения».

Позже в проекте сенсоры и ACTI комбинировались с человеко-машинным интерфейсом (HMI), разработанным MTorres, позволяющим истинный процессный контроль с компьютера, включая вакуум и температуру, а также поток смолы через клапан подачи. Цель по Airbus DS — продвинуть массовое производство интегрированных композитных первичных структур, делая процесс более сглаженным и интеллектуальным.

Легкое оснащение и переносимость

MTorres произвела два комплекта форм — для правого и левого крыла. «Детали с идентичной геометрией, как усилки, имели только один комплект», — отмечает Диас. «Другие инструменты делились, когда возможно».

Единый одночастный инструмент отверждения использовался для формирования 3D формы обшивки, на которую локализовывались все остальные преформы. Длиной около 4,5 метров, правые и левые версии этого инструмента сделаны из CFRP, говорит Диас. «Это упрощает поддержание допусков, потому что мы спроектировали оснащение с той же укладкой и обработкой, что и детали, поэтому CTE очень близок к конечной детали. Эти CFRP инструменты отверждения также легкие, около 200 кг, и подвижны на маленьком электро-погрузчике. Это было бы невозможно, если бы мы использовали металл для 4,5-метрового инструмента».

Остальное оснащение — каули, позиционеры и HDF-инструменты — легко управлялись вручную. HDF стрингеров, лонжеронов и преформ усилков лонжеронов использовало мужские (IML) инструменты, тоже из CFRP. В использовании они монтировались на алюминиевом столе и устанавливались в ACTI.

AFP с новой сухой волокнистой лентой

Все структурные элементы крылового коробка — обшивка, стрингеры, лонжероны, усилки лонжеронов — произведены технологией MTorres AFP для сухих волокнистых лент. «Вызванный предложением call требовал быстрые и дешевые материалы», — говорит Диас. «Но коммерчески доступные сухие волокнистые ленты, особенно от крупных поставщиков, не были так легко закупить, и у нас была экспертиза сделать свои (см. «Новая сухая лента для жидкостно-формуемых композитов»). Мы использовали нашу 0,5-дюймовую, 300 г/м² сухую углеродно-волокнистую ленту из Mitsubishi Rayon (Токио, Япония) 50K высокопрочного (HS) волокна. Наша лента инженерилась для облегчения и хорошей работы при инфузии, но также при укладке нашими AFP-головками. Мы знаем все параметры для AFP-укладки, HDF и смольной инфузии, и если нужны небольшие изменения, мы могли, потому что у нас была линия производства лент».

MTorres также тестировала процесс с 200 г/м² лентой Hexcel (Ле Авеньер, Франция) из промежуточного модуля (IM) волокна. «Хотя наш процесс может хорошо работать с обоими типами лент», — говорит Диас, «на фазе разработки было легче и дешевле укладывать нашим материалом versus коммерчески доступный — ширина и жесткость инженерились так, что поведение от бобин к столу было плавным и быстрым. Также был легко доступен».

Две стратегии AFP: одна для нижней обшивки, другая для стрингеров, лонжеронов и усилков. Обшивка (3–6 мм) укладывалась в финальную 3D форму поверх инструмента отверждения (Шаг 1), используя полупроницаемую мембрану — запатентованную Airbus в вакуум-ассистированном процессе (VAP) инфузии. Стрингеры, лонжероны и усилки укладывались как плоские бланки (2D) на вакуумный стол и затем перемещались на HDF-инструменты для достижения финальной 3D формы (Шаг 2).

Нагревательная преформация

Плоские бланки для стрингеров, лонжеронов и усилков перемещались с укладочного стола на станцию горячего формирования с помощью портала с вакуумными захватами. «Автоматизированная система может перемещать бланки в плоском состоянии и укладывать их на мужские формирующие инструменты [Шаг 3] без создания морщин». Формирующие инструменты устанавливались на алюминиевый формирующий стол, помещаемый в ACTI. Многоразовый силиконовый вакуумный мешок (Mosites Rubber Co., Форт-Уорс, Техас, США) укладывался поверх бланков, которые затем нагревались в ACTI до 130°C и формировались вакуумным давлением (Шаг 4). «Вакуум плавно применялся по предопределенному рампу через контрольный клапан при достижении уставки температуры», — говорит Диас.

Он отмечает: сухие ленты легче преформировать/HDF, «потому что связь между слоями мягче, чем в препрегах. Несмотря на то, что это сухой материал, это есть HDF/нагревательное дебалкинг, в котором полученная преформа держит форму благодаря биндерам, включенным в ленты».

Для стрингеров и усилков лонжеронов бланки формировались в две L-формы, которые затем укладывались спина к спине на инструмент отверждения для образования Т-стрингеров/усилков. Каждый из шести стрингеров обшивки разный и требует разные бланки для преформ. Каждый из 24 усилков лонжеронов тоже разной длины.

Передний и задний J-лонжероны состоят из одного бланка, сформированного в C, обращенный внутрь крылового коробка, и другого бланка, сформированного в Z, обращенный наружу — два укладываются спина к спине. Лонжероны также имеют синусоидальные ножки снаружи крылового коробка (стрелка на Шаге 7). «Мы вырезали форму для ножек лонжерона на плоском укладочном столе до перемещения бланка на формировательную станцию», — говорит Диас. «Ничего не могло быть обрезано или отфрезовано после в этой зоне. Бланки укладывались прямо на мужской формирующий инструмент с ножками лонжерона на левой стороне инструмента и верхним фланцем на его правой стороне».

One-shot инфузия

Следующий шаг — укладка преформ стрингеров, лонжеронов и усилков на уже уложенную нижнюю обшивку крыла (Шаг 5). «Мы индексировали каждую преформу при укладке на обшивку и инструмент отверждения», — говорит Диас. Цилиндры, действующие как локационные элементы, видны на конце лонжерона слева на Шаге 5 и на концах обоих лонжеронов на Рис. 3. Эти изображения также показывают белые позиционирующие устройства для стрингеров и J-лонжеронов. В финальной преформ-сборке было 13 таких позиционеров, каждый разный.

Каульные пластины также были ключевой частью системы локации и укладки преформ. Они выполняли традиционную роль поддержания равномерного давления и температуры по регионам сложных укладок/геометрии, но также были ключевы для инфузии, как обсуждается ниже. Черная CFRP каульная пластина с вырезами для преформ стрингеров видна на конце стрингеров и лонжеронов на Шаге 5 и Рис. 3.

«Локация преформ стрингеров зависит от локации той каули», — объясняет Диас. «Цифровая технология, разработанная для мониторинга и контроля производственного процесса, включала AR-приложение, проектирующее CATIA-модели на укладку. Это использовалось для руководства укладкой каульных пластин, позиционирующих элементов и затем преформ. Оно также показывало следующие шаги. Приложение позволяет самоопору на планшетах, так что все рабочие имеют легкий доступ ко всей информации».

Финальный комплект черных CFRP каульных пластин затем укладывался поверх L-преформ для Т-стрингеров и также вдоль внутренней и внешней сторон каждого J-лонжерона, выходя на фланец и вниз на ножку снаружи крылового коробка, как показано на Шаге 5 и Рис. 3. «Лонжероны также используют своего рода каульную пластину на внутренней стороне на концах для повышения точности в зоне стыков», — говорит Диас. «Все эти каульные пластины использовались в HDF процессе и оставались прикрепленными к преформам через укладку».

Завершенная сухая преформ-сборка с каулями покрывалась пилплэем и вакуумной пленкой. Вся сборка обшивки, стрингеров и лонжеронов помещалась в ACTI, оснащение нагревалось до 120°C. Эпоксидная смола Hexcel RTM6 нагревалась до 70°C и дегазировалась перед инфузией через одну точку подачи смолы. «ACTI была готова к подаче смолы из четырех локаций», — отмечает Диас, «но после обширной симуляции и тестов решили, что проще и дешевле иметь одну точку входа смолы».

Даже с одной точкой инфузия была очень сложной, состоящей из трех разных режимов. «Сначала делали симуляцию течения с ПО PAM-RTM [ESI Group, Париж, Франция]», — говорит Диас. «Был такой сложный микс фронтов течения и параметров для полного смачивания. Например, поток смолы был быстрее в центре крылового коробка, но было сложно смачить все усилки».

VAP с полупроницаемой мембраной хорошо работала для нижней обшивки, но была заменена на высокотемпературную потоковую сетку вдоль стрингеров и внутри лонжеронов. «Углы были самыми сложными зонами для смачивания», — отмечает Диас, «но они также были самыми критичными для удержания допусков для сборки, как и по краям». Это видно в красных зонах симуляции течения на Рис. 4. «В этих зонах разработали кастомизированный подход для достижения точных размеров». Также использовали вакуумные порты по периметру и на верху лонжеронов.

Инфузия была относительно быстрой, как предсказывали симуляции, за которой следовало двухчасовое отверждение при 180°C, используя только горячий воздух, а не нагретое оснащение. После разформовки каждый демонстратор крылового коробка инспектировался ультразвуковым тестированием (UT). Это делалось как часть доставок IIAMS для анализа качества демонстраторов. Промышленное применение этого процесса, однако, сократит традиционные НК в пользу цифровых сенсоров и более быстрых инлайн-инспекционных инструментов вроде систем зрения.

По Диасу, хотя цикл инфузии-отверждения был похож на автоклавный препрег крыловой коробок, общий цикл времени должен быть ниже. «Мы устранили большую часть послеинфузионной сборки и также не должны шимовать ничего как с препрегом, но качество то же. Например, склеивание между последним слоем обшивки и первым слоем стрингера не требует клееной пленки посередине для улучшения механических свойств и учета допусков». Это очевидно более эффективно, но он отмечает: темп производства деталей не был изначально движущим фактором. «Этот метод конкурирует не с производством отдельных деталей, а с завершенной сборкой крылового коробка».

Завершенные демонстраторы, путь к сертификации

«У нас было только 18 месяцев на завершение проекта, включая дизайн процесса и оснащения, изготовление оснащения и демонстраторов», — говорит Диас. «К 14 месяцу был первый демонстратор готов для демонстрации на JEC в конце февраля 2020 [Шаг 3], но JEC отменена из-за пандемии. Хотя проект завершен в конце сентября 2020, если вычесть месяцы, когда мы не могли работать из-за COVID-19, мы фактически закончили в 16 месяце. Смогли держать этот очень тугой график благодаря in-house дизайнерской способности и возможности изготовления прототипов оснащения нашими AFP и CNC фрезерными станками».

Упрощенный 1-метровый демонстратор изготавливался в MTorres для проверки всех процессных параметров. Затем производился первый полноразмерный демонстратор. Оснащение и производственное оборудование затем перемещались в Airbus DS в Кадис (Шаг 8), где производился финальный демонстратор. Это также было частью доставок проекта, доказывая, что оборудование легко транспортируется и устанавливается на множественных локациях.

Как объяснено в сайдбаре «IIAMS крыловой коробок: дорожная карта сертификации», Airbus DS сыграла ключевую роль в программе Clean Sky, прогрессируя от ко-лидера Green Regional Aircraft (GRA) интегрированного технологического демонстратора (ITD) в Clean Sky, к ко-лидеру AIRFRAME ITD, а также лидеру flight testbed 2 (FTB#2) в REGIONAL интегрированной авиационной демонстраторской платформе (IADP) в Clean Sky 2. FTB#2 будет включать другие композиты и разработки аэрофрейма, включая в кокпите и других крыловых компонентах.

Все проекты для подготовки FTB#2 — часть более широкой долгосрочной стратегии Airbus. Цель — разработать будущий турбопроп-аэрофрейм, более легкий и эффективный, и производственные процессы, дешевле и использующие меньше энергии, производственных жидкостей и вспомогательных материалов, но также генерирующие меньше лома и предлагающие повышенную перерабатываемость.

«Шаг за шагом мы [Airbus DS] проходим через всю пирамиду тестов аэрофрейм-структур от купонов до полноразмерных статических тестов внешнего крыла», — объясняет А.Е. Хименес Гаэте в сентябре 2020 статье Materiales Compuestos «Airbus Defence and Space highly integrated wing box section manufactured by dry fiber placement and liquid resin infusion». Материальная характеристика, матрица тестов деталей дизайна и субкомпонентные тесты для дизайн-допусков все завершены с позитивными результатами. MTorres помогла в тестировании, включая изготовление тест-купонов и деталей, а также демонстраторов для валидации процесса и деталей дизайна крылового коробка. Остаются только финальные полноразмерные статические и функциональные тесты внешнего крыла, говорит Гаэте, для получения квалификации FTB#2 к полету.

«One-shot инфузия уменьшает стыки, снижает вес и повышает робастность», — говорит Диас. «Новая сухая лента MTorres дала отличные результаты и в обработке — AFP, HDF и инфузия — и в структурных свойствах детали». Он отмечает: исторически существовало сомнение, что смольно-инфузионные композиты могут достичь той же структурной производительности и допусков, что автоклавные препреги.

«Достичь тех же допусков в single-shot процессе с мягким [неметаллическим] оснащением — наш величайший вызов», — признается он. «Но мы доказали, что технология работает и может производить крупные первичные структуры, нужные для будущих самолетов. Наш следующий шаг — продолжать продвижение цифровых технологий и переносимости производственной системы».