Развитие термопластичных аэроструктур: Новые прорывы в производстве

Выгодные характеристики термопластичных композитов, такие как вязкость, сравнительно высокая внеплоскостная прочность и устойчивость/перерабатываемость, десятилетиями привлекали инженеров-проектиров самолетов к идее термопластичных композитных первичных структур. Но инженеры по производству самолетов не были уверены в нахождении экономически эффективного способа продвижения их от CAD-симуляции до производственного цеха. Однако они не остановлены: усилия по разработке необходимых производственных технологий продолжались по всему миру — возможно, нигде не так упорно, как в Нидерландах.

Интегральные L-стрингеры. Фюзеляж GKN Fokker из углеродного волокна/PEKK, спроектированный и построенный для Gulfstream, включает изогнутые продольные L-стрингеры с тупым углом для обеспечения снятия с инструмента. Фото CW | Джефф Слоун

В 2009 году девять нидерландских промышленных компаний и исследовательских институтов, вместе с Airbus (Тулуза, Франция), сформировали Консорциум Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure (TAPAS). Инициатива расширилась до 12 партнеров в 2014 году и продолжилась как TAPAS2. Нацеливаясь на приложения, разработанные Airbus под TAPAS2, GKN Fokker (Хугевен, Нидерланды) недавно разработал демонстратор фюзеляжа, используя то, что он называет «технологию ортогрида с стыковкой внахлест», которая обеспечивает экономически эффективное производство дизайна термопластичного композитного фюзеляжа.

Полная отдача от термопластичного композитного первичного авиационного фюзеляжа — хотя все еще годами впереди — может теперь быть в поле зрения, так как Gulfstream Aerospace (Саванна, штат Джорджия, США) сотрудничает с GKN Fokker для продвижения своей технологии фюзеляжа TAPAS2, указывая путь к возможному применению материалов и процесса к полному фюзеляжу. История за новоразработанной фюзеляжной панелью (которая была показана на JEC World в этом году) — это история достижений в дизайне и производственных методах, а также в более глубоко интегрированном подходе инженерии дизайн-производство.

«Традиционно», — объясняет главный инженер GKN Fokker Андрис Бойтенхаус, — «будь то ткани или однонаправленные ленты, проектировщики в основном придерживались обычных слоев ориентаций 0, 90 и 45 градусов. Они работали со своими таблицами укладки слоев, независимо от других дисциплин». Новый подход — интегрированная, оцифрованная программная платформа дизайн-производство (разработанная через TAPAS), в которой инженеры из разных дисциплин все смотрят на одну цифровую модель и имеют способность концептуализировать более сложные дизайны деталей. «Это открывает целый новый мир беспрецедентных возможностей оптимизации», — продолжает Бойтенхаус. «На сложных формах направления волокон могут быть везде. Мы можем строить неконвенциональные ламинаты и свежим взглядом смотреть на допуски проектирования, производственные зазоры и перекрытия, радиусы... И вы можете локально оптимизировать прочность структуры». Эти расширенные варианты дизайна полнее используют способность автоматической укладки волокон (AFP) к управлению волокнами, и достижения в других производственных возможностях, обсуждаемых ниже.

Свобода дизайна, предоставляемая этой интегрированной цифровой системой, оказалась незаменимой для дизайна и производства панелей бизнес-джета. В дизайнах фюзеляжа TAPAS2 панель из углеродного волокна/полиэтеркетонкетона (PEKK) (сделанная с Solvay APC PEKK-FC) имеет сварное, безкрепежное соединение рамы-кожи, которое является существенным вкладчиком в стоимостную эффективность дизайна. «Мы предсказываем достижение стоимостного паритета с алюминиевыми обшивками фюзеляжа», — объясняет Арнт Оффринг, руководитель технологии термопластичных композитов GKN Fokker, «и это потому, что алюминиевые обшивки заклепаны». Устранение механических крепежей ожидает сгенерировать 20% снижение затрат и 10% снижение веса в авиационных первичных структурах по сравнению с обычными композитными решениями. Конечно, большая часть экономии затрат и веса идет от устранения самих крепежей, а также трудозатрат на их установку. Также великого значения является устранение отверстий в композитных компонентах для размещения крепежей — отверстий, которые требуют дополнительного усиления и поэтому дополнительного веса.

GKN Fokker достигла уровня технологической готовности (TRL) 3 (доказательство концепции) с Airbus для герметичного фюзеляжа, демонстрируя стоимостной паритет с алюминиевыми панелями фюзеляжа, под TAPAS2 в декабре 2017 года. По ходу дела команда GKN Fokker расширила свое видение для этой технологии термопластичного фюзеляжа от пассажирских авиалиний к применениям бизнес-джетов.

Интерес Gulfstream

История успешной работы GKN Fokker для Gulfstream на термопластичных композитных компонентах сделала партнерство с производителем бизнес-джетов логическим следующим шагом. «Широко известно, что Gulfstream летает на термопластичных композитных деталях уже годами», — говорит Марк Чапмен, менеджер инициативы Gulfstream по передовым структурам и материалам (ASMI). Он добавляет, что проект фюзеляжной панели «является естественным прогрессированием от того, что мы делали, начиная с более простых деталей и движясь к первичным структурным деталям». GKN Fokker сотрудничала с Gulfstream в разработке многочисленных вторичных термопластичных композитных компонентов, включая хвостовые элеваторы и рули высоты, а также половые панели на G650.

В 2015 году Оффринг и Бойтенхаус представили разработки проекта TAPAS2 Gulfstream, и Чапмен и его команда распознали потенциал для получения преимуществ результатов TAPAS2. «Мы видели потенциал снижения веса, лучшей ударной стойкости и вязкости, и улучшенной производительности», — вспоминает Чапмен. Безкрепежный дизайн также привлекателен. «Технология сварки позволила бы нам собирать фюзеляж более эффективно», чем механически закрепленная сборка, говорит Чапмен.

Партнерство с GKN Fokker поддерживает исследования и разработки Gulfstream более сложных форм фюзеляжа, которые могут быть неэкономически feasibly произвести с металлическими структурами. «Металл можно растягивать только до определенной степени», — отмечает Чапмен. «Стыковки и поддерживающие структуры, необходимые для сложных форм, не очень эффективны». Оффринг соглашается: «Такие сложные геометрии трудно производить с обычными технологиями».

Объединение дизайна и производства

Чтобы достичь безкрепежного, производимого дизайна, подход GKN Fokker фокусируется на выдержке двух ключевых сил, denen подлежат стыки фюзеляжа: давление в кабине и удары, такие как падение инструментов. Давление в кабине создает радиальную силу на фюзеляже, создавая высокие нагрузки в соединении рама-кожа. В обычных дизайнах рамы фюзеляжа включают «мышиные норки», через которые проходят продольные стрингеры. Под действием давления в кабине эти мышиные норки служат разрывами, подверженными высоким силам отслоения — главной заботой для безкрепежного дизайна, учитывая низкую внеплоскостную прочность композитов по сравнению с металлами. Удары также генерируют высокие нагрузки в соединении рама-кожа, потому что рама не изгибается под ударом.

Двойная кривизна. Термопластичный композитный фюзеляжная панель приспосабливается к сложной геометрии заднего фюзеляжа бизнес-джета Gulfstream с управлением волокном AFP укладкой кожи и ко-консолидацией ортогрида. Обратите внимание на окружные лопастообразные стрингеры, которые позже свариваются к раме. Источник: GKN Fokker

Команда GKN Fokker/Gulfstream знала, что нереально справиться с вызовами, создаваемыми сложной кривизной, ни с металлом, ни с обычными подходами дизайн-производство композитов. В частности, Бойтенхаус указывает: «Сложный дизайн фюзеляжа был бы невозможен без управления волокном». Эта способность AFP-машин освободила проектировщиков для локальной оптимизации ориентации волокна на основе сложной формы обшивки и отклонения от стандартных вариантов ориентации волокна 0/45/90. «Управление волокном для форм и оптимизации веса — одно из самых значительных достижений этого проекта», — считает Чапмен.

GKN Fokker изготовила кожу фюзеляжной панели на ультразвуковой AFP-машине, которую компания разработала для быстрой укладки термопластичной ленты. Лента однонаправленная, что также улучшает ламинаты по сравнению с тканевыми лентами.

Успешно справляясь с высокими нагрузками, создаваемыми давлением в кабине и силами удара, а также другими требованиями производительности, новая концепция, разработанная под TAPAS и TAPAS2, и теперь применяемая в панели Gulfstream, описывается как «ортогонально-ребристая кожа со стыковкой внахлест со сварными рамами». Распаковка этого описания подсвечивает три ключевые особенности дизайна и производственные разработки, необходимые для их реализации: (1) ортогрид, (2) стыковка внахлест и (3) технология сварки.

Ортогрид

Требования к прочности панели выполняются частично через полностью взаимосвязанную ортогональную ребристую жесткость. Этот ортогрид устраняет пиковые нагрузки, связанные с мышиными норками, освобождая дизайн от точек, где силы отслоения усиливаются. Ортогрид состоит из непрерывных продольных стрингеров и рам, включающих два отдельных компонента: дискретные, но соединенные окружные лопастообразные стрингеры и рамы, сваренные сверху этих.

Экономичная стыковка внахлест. GKN Fokker инновационировала и запатентовала стыковку внахлест, позволяющую соединение ортогрида и ортогрид-кожа с использованием экономичных элементов из коротковолокнисто-усиленного литья под давлением и плоских ламинатов из непрерывного волокна для стенки и шляпки стрингера (здесь T-стрингер; панель Gulfstream включает L-стрингеры с той же техникой). Источник: GKN Fokker

Таким образом, это представляет новое поколение в дизайне ребристых фюзеляжей, которое эволюционировало за годы развития ортогрида. Изначально GKN Fokker использовала T-стрингеры, в которых шляпки как продольных, так и окружных элементов были непрерывными и перекрывались в углах. Соединение с рамой, однако, требовало удаления окружной шляпки. Таким образом, T-стрингеры стали L-стрингерами, а рамы стали окружными лопастообразными стрингерами, с рамами, затем сваренными к ним.

Другая модификация требуется, потому что изогнутые стрингеры, используемые как продольно, так и окружно, делают снятие с инструмента гораздо более сложным. Таким образом, L-стрингеры спроектированы с углом шляпка-стенка более 90 градусов, так что детали инструмента всегда могут соскальзывать боком из ребристой сетки.

Стыковки внахлест

GKN Fokker разработала не только дизайн ортогрида, но и новый производственный подход для сетки, а также механизм соединения сетка-кожа. «Сетка может быть запретительно дорогой в изготовлении», — отмечает Оффринг, «но наша сетка построена из плоских ламинатов и простых литых под давлением "заполнителей"».

Более конкретно, GKN Fokker применила свою запатентованную технологию стыковки внахлест к панели Gulfstream (также к предыдущим панелям TAPAS). Стенка и шляпка компонентов T- или L-стрингера, а также компоненты лопастообразных стрингеров, изготавливаются из преформ, водоструйно вырезанных из плоского ламината углеродное волокно/PEKK. Соединительные элементы (кожа к стенке и стенка к шляпке) литые под давлением, пи-образные заполнители из коротковолокнистого углерод/PEKK материала. И смола, и тип углеродного волокна соответствуют тем в элементах сетки.

Кожа и ортогрид ко-консолидируются в инструменте Invar внутренней линии формы (IML). Инструмент имеет желоба, в которые загружаются компоненты ортогрида и инструментальные блоки. AFP-сформированная кожа затем помещается на IML, и вся сборка мешается и автоклавно консолидируется.

Сварка

Автоматизированная сварка. Вклад в экономическую целесообразность термопластичного композитного фюзеляжа, GKN Fokker разработала и применила роботизированную технологию сварки. Источник: GKN Fokker

Комбинация дизайна ортогрида и стыковки внахлест обеспечивает безкрепежное соединение ортогрида и рамы через сварку. Несколько технологий сварки были разработаны членами команды TAPAS в фазе TAPAS2, включая индукционную, проводимую и ультразвуковую сварку. Панель Gulfstream использовала проводимую сварку для соединения стенки рамы с окружным лопастообразным стрингером. Эта задача выполняется с головкой сварки, смонтированной на роботе — еще одна разработка, вносящая вклад в экономически эффективную производственность.

Один шаг из нескольких

GKN Fokker начала сотрудничество с Gulfstream в 2017 году, создавая дизайн-концепции для фюзеляжной панели. Дизайн и изготовление нескольких изогнутых панелей последовали в 2018 и 2019 годах, с вехой первой демонстрационной панели, показанной на этом году JEC World.

Готовый компонент. С элементами рамы, сваренными к окружным лопастообразным стрингерам, панель фюзеляжа Gulfstream готова для тестирования, оценки и продолжающейся разработки, пока компании работают к производственным термопластичным композитным фюзеляжам. Источник: GKN Fokker

GKN Fokker продолжает строить панели и ожидает достичь TRL4 (валидация компонента) в этом году. «Мы сейчас обсуждаем путь к полной зрелости», — сообщает Оффринг. Указывая, что дизайн панели не нацелен на конкретную платформу, Чапмен сообщает, что тестирование панели поможет углубить понимание Gulfstream свойств материалов и производительности. Относительно более широкого бизнес-кейса для термопластичных композитных первичных структур, включая производительность джета, производственную стоимость, стоимость в использовании и долговечность, Чапмен замечает: «Мы получим лучшее понимание этих, пока двинемся дальше по дороге исследований и разработок. Пока наш фокус на производстве этих сложных форм экономично».