Composieten in de nieuwste burgervliegtuigen

Composieten in de nieuwste  burgervliegtuigen  Vliegtuigmaterialen  1e Ma Werktuigkunde,op5e LURU  Louis Langouche  Andy Vanaerschot  [1], [2]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

Inhoudsopgave  1.  Composieten in algemene luchtvaart  1.  2.  3. 

2.  3.  4.  5. 

Waar en waarom gebruik van composieten  Gebruikte matrices en vezels  Marktleiders luchtvaart 

Composieten in Airbus A350 XWB  Composieten in Boeing 787 Dreamliner  Toekomst composieten in luchtvaart  KriSsche kijk 

Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

Inhoudsopgave  1.  Composieten in algemene luchtvaart  2.  Composieten in Airbus A350 XWB  1.  2.  3.  4.  5. 

Inleiding en percentage gebruikte composieten  Romp  Vleugels  Andere onderdelen  ProducSe 

3.  Composieten in Boeing 787 Dreamliner  4.  Toekomst composieten in luchtvaart  5.  KriSsche kijk 


Inhoudsopgave  1.  Composieten in algemene luchtvaart  2.  Composieten in Airbus A350 XWB  3.  Composieten in Boeing 787 Dreamliner  1.  2.  3.  4.  5. 

Inleiding   Romp  Vleugels  Andere onderdelen  ProducSe 

4.  Toekomst composieten in luchtvaart  5.  KriSsche kijk 


1. Composieten in algemene  luchtvaart 

[3], [4], [5], [6]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

1.1 Waar & waarom gebruik composieten  •  Nieuwe technologie met composieten:  –  Manufacturing     Lagere producSekost         Kwaliteit robuustheid         CyclusSjden verkorten  –  Ontwerp    Verhoogde performanSe  –  Gebruik    Lagere onderhoudskost 

•  Grote driver voor luchtvaartgebruik:  –  Verhoogde specifieke sterkte/sSjêid en gewichtsbesparing  –  Maar ook: goede vibraSonele demping, lage termische  uitze_ngscoëfficiënt, goede vermoeiings‐ en corrosieweerstand  –  Eigenschappen vormen specifiek voor toepassing 

•  Luchtvaart wil primair een laag gewicht voor  brandstodesparing  ontwerpeisen  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

1.1 Waar & waarom gebruik composieten  •  Vliegtuig  –  Verschillende belasSngen   –  Voor elke component of  onderdeel apart 

•  Via spanningen het    gewenste materiaal    kiezen dat aan lokale  specificaSes voldoet 

[7]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

1.1 Waar & waarom gebruik composieten  Aerospace keuze composieten 2008 

•  Aerospace keuze composieten 

28% 

37%  CFRP  GFRP  andere composieten 

35% 

•  Markt koolstofvezel  –  Aerospace (militaire en burgerluchtvaart, helicopters) grootste aandeel  –  Leveranciers: Hexcel, Cytec en Toray  Koolstofvezel markt 2007  14%  11% 

electronica 

4%  15% 

6% 

industrie  9% 

8% 

Aerospace composieten vraag 2008 

marine  21% 

8%  10% 

aerospace 

9% 

construcSe 

wind energie 

Helicopter  Business 

autosector  olie&gas 

6% 

Militair  79% 

sport 


Luchtvaart 

1.1 Waar & waarom gebruik composieten  •  Composieten spelen belangrijke rol om het gewicht van elk  onderdeel te verlagen  –  Sandwich materialen zorgen voor extra gewichtsbesparing 

•  OpSmalisaSe gewenste materiaal op specifieke locaSe  •  Eigenschappen creëren en combineren die niet met  convenSonele materialen bestaan  •  Aantal bevesSgen daalt sterk     ‘uniSzed’ componenten & lagere assemblagekost  •  Nadelen:   –  VochtabsorpSe: zorgt voor microscheurtjes,degradaSe eigenschappen  –  Controle sterkte vezel/matrix interface  –  End of life cycle: vooral probleem bij thermosets  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

1.2 Gebruikte matrices en vezels  –  Thermoset  •  Grote voordeel: relaSef lage temperatuur en druk bij fabricage  •  Epoxy meest gebruikt: goede mechanische eigenschappen, lage  krimpingsgraad en goede binding met vezels  •  Bismaleimide voor hoge temperatuursapplicaSes 

–  Thermoplast  •  Grote voordeel: hoge breukrek en dus goede impactsterkte  •  PEEK, PEK en polyimide meest gebruikt  •  Maar duurder: hoge druk en temperatuur (door viscositeit) nodig voor  fabricage 

–  Nieuwe materiaalontwikkelingen van thermoset, zoals verhoogde  taaiheid en impactbestendigheid, zorgen voor afname thermoplasten  in luchtvaart  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

1.2 Gebruikte matrices en vezels  –  Koolstofvezel (High Modulus,Intermediate Modulus)  •  Hoge specifieke sSjêid en sterkte,  grote gewichtsreducSe, goede  vermoeiingsbestendigheid, design flexibiliteit en corrosieweerstand  •  Laag soortelijk gewicht (2/3 glasvezel en 1/3 staal)   •  Corrosie‐ en vochtbestendig 

–  Glasvezel (E‐glas en S‐glas)  •  Lage specifieke sSjêid, hogere densiteit en effect vochtabsorpSe  •  Lage kost  secundaire structuren   •  Superieure energieabsorpSe bij impact 

–  Aramide‐ en boronvezel  •  Komen voor in oudere vliegtuigen  •  Aramide: zeer hoge treksterkte, maar lage compressiesterkte  •  Boron: hard als diamant, hoge specifieke sterkte en sSjêid  [8], [9], [10]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

1.2 Gebruikte matrices en vezels 

•  CombinaSe vezel/matrix:  –  Meest gebruikte is koolstof/epoxy  [11], [12]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

1.3 Marktleiders luchtvaart  •  Vier grote luchtvaarbouwers in de wereld:  –  Airbus (Frankrijk)  •  Burger‐,militaire en privé luchtvaart  •  Orders in 2007: 1458 

–  Boeing (USA)  •  Burger‐, militaire en privé luchtvaart  •  Orders in 2007: 1423 

–  Bombardier (Canada)  •  Regionale en business luchtvaart  •  Orders in 2007: 698 

–  Embraer (Brazilië)  •  Commerciële, militaire en business luchtvaart  •  Orders in 2007: 145 


2. Composieten in Airbus   A350 XWB  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

[13] 

2.1 Inleiding  •  •  •  • 

Tweemotorig straalvliegtuig (Rolls‐Royce Trent XWB motoren)  Als reacSe op boeing 777 en 787  Volledig redesign midden 2006 met CFRP romp  3 versies:  –  A350‐800 (270 passagiers, TOF 245 ton)  –  A350‐900 (314 passagiers, TOF 265 ton)  –  A350‐1000 (350 passagiers, TOF 295 ton) 

•  Vliegbereik    tot 15 400 km  •  Kruissnelheid    0.85 mach  •  Design freeze   December 2008  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

[14], [15] 

2.1 Inleiding  Materialen A350 XWB 

•  Gebruikte materialen:  –  –  –  –  – 

53% composiet  19% aluminiumlegeringen  14% Stanium  6% staal  8% andere 

6% 

8%  Composiet 

14%  53%  19% 

•  Grote aandeel composieten:   –  GewichtsreducSe  –  Hogere kruissnelheid  –  Langer vliegbereik door brandstodesparing 

•  Composietmateriaal daar waar vermoeiings‐ en  corrosieweestand essenSeel is  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

Aluminium  Titanium  Staal  Andere 

2.1 Inleiding  •  Composietmateriaal: koolstofvezel versterkt epoxy voor zowel  primaire als secundaire structuren  –  Zeer goede mechanische eigenschappen en vermoeiingsweerstand  –  Zowel als laminaat als sandwichmateriaal(‐skin)  –  Hoofdleverancier Hexcel  •  speciaal ontwikkelde HexPly: verstevigde gemodificeerde epoxy prepreg  met Hexcel’s HexTow intermediate modulus koolstofvezel voor primaire  structuren  

[16], [17]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.1 Inleiding  •  Gebruik van sandwichmaterialen  –  –  –  – 

30% tot 50% gewichtsbesparing  Thermische en akoesSsche isolaSe  Impactbestendiger maar vatbaar aan gelocaliseerde schade  Vloeistofdoordringingsproblemen 

•  Gebruikte sandwich in A350:  –  Speciaal ontworpen honingraat van DuPont Kevlarpapier  •  Zeer hoge sterkte, laag gewicht een goede thermische stabiliteit 

–  Bepaalde componenten DuPont Nomex  •  Zeer hoge sterkte tot gewicht verhouding  •  Inherent vlambestendig  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

[18] 

2.1 Inleiding 

•  InterieurapplicaSes voornamelijk glasvezel versterkte fenolen  –  Plafondpanelen, inwendige wandpanelen, tussenstukken, grote  cabinewanden  –  Composiet heet lage ontvlambaarheid en goede vuurbestendigheid  [19], [20]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.1 Inleiding  •  Composieten doorheen de jaren bij Airbus:  –  Zeer snelle toename laatste jaren  –  A310‐300 (1985): 5% composieten in verScale staartvlak, radarkoepel,  hoogteroer en richSngsroer  –  Vervolgens ook gebruik in horizontale staartvlak, flaps, spoilers,  rolroer, keel beam,vloerpanelen en achterste drukvat   –  A380 (2007): 25% composieten met extra gebruik in achterste romp in  composiet, de vleugelbox en vleugelribben   –  A400M: meer dan 30% composieten  –  A350: 53% composieten ! 

•  Grote ontwikkelingen in de A350 zijn de volledige  composieten romp en vleugel  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.2 Romp A350 XWB  •  Bestaat grootste gedeelte uit   koolstofvezelcomposiet, ook Stanium   en aluminium/aluminiumlithium   •  Grote aandeel composieten  daling van vermoeiings‐ en  corrosiegerelateerde onderhoudstaken met 60% ten opzichte  van een aluminiumromp  •  Aluminium nodig voor elektrische conSnuïteit te verzekeren  binnenin het elektrische structuurnetwerk (zie ook verder)  –  Blikseminslag  –  Technologie naar koolstof nanotubes  [21], [22]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.2 Romp A350 XWB  •  Romp zal bestaan uit 3 delen  –   Zo groot mogelijk om aantal omtreksverbindingen te verminderen 

•  Elke secSe zal bestaan uit 4 lange koolstofvezelskin panelen  (boven, onder en 2 zijkanten)  –  Elk paneel apart ontworpen en lokaal geopSmaliseerd  [23], [24], [25]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.2 Romp A350 XWB  •  Panelen worden verbonden aan composieten frames  –  Beter tegen corrosie met koolstofvezel romp  –  Probleem met elektrische conSnuïteit  –  Metalen strips aan frames 


2.2 Romp A350 XWB  •  Achterste gedeelte romp uit 1 stuk composiet 

•  LangsversSjvers ook uit composiet 


2.2 Romp A350 XWB  •  Voordelen 4 panelen rompstructuur  –  Flexibele assemblage, aantal omtreksverbindingspunten zo laag  mogelijk, gemakkelijkere handelbaarheid voor grote diameter, minder  complex en snellere manufacturing Sjd  –  laagste overall‐gewicht gezocht voor:   structurele performanSe (4 delen per secSe),  elektrische conducSviteit, crashbestendigheid   (energie‐absorpSe door frames) en   herstelbaarheid (paneel verwijdering)  –  een hogere en dus aangenamere cabinedruk kan voorzien worden  (koolstofvezel is namelijk vermoeiingsbestendiger). Tevens kan de  vochSgheidsgraad verhogen  –  GewichtsreducSe, daling milieu‐impact en lagere onderhoudskosten  [30]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.2 Romp A350 XWB  •  Ook andere onderdelen die voorkomen in de romp worden  gemaakt uit composiet  Fail‐safe onderdelen  Verbindingen tussen de panelen  Vloerpanelen (reeds van in A380)  Keel‐beam die de verschillende onderdelen   van de romp verbindt met de vleugeldoos   (reeds van in de A340)  –  Drukschot gemaakt uit non‐crimp fabric   met sStching technologie  –  –  –  – 


[31], [32], [33] 

2.2 Romp A350 XWB  •  Romppanelen vervaardigd met automaSsche lay‐up  –  92% van de romp zo vervaardigd met VIPER vezelplaatsing machine  van MAG CININNATI  –  Panelen tot 6.3 meter in diameter  –  Hogere kwaliteit  –  ProducSever 


2.2 Romp A350 XWB  Centrale secSe 15  Spirit Aerosystems  Voorste secSes 13/14  Airbus Duitsland 

Achterste secSes 16/18  Airbus Duitsland 


2.3 Vleugel A350 XWB 

•  3 varianten aânkelijk van type met maximale oppervlakte  van 442 m2 

vleugelspanwijdte 

A330 

A350 

61 meter 

64 meter 

vleugeloppervlakte  354 m2 

442 m2 

Sweep 

35° 

32° 


[37] 

2.3 Vleugel A350 XWB  •  80% koolstofvezelcomposiet  –  –  –  – 

Boven en onder: composieten huid  LangsversSjvers en ribben  Voor en achter spar (Hexcel M21E)  Aanvals‐ en vluchtboordassemblies 

•  Keuze composieten vleugel  –  Lager gewicht  –  Verminderde fabricage‐ en   onderhoudskosten  [38], [39]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.3 Vleugel A350 XWB  •  Ook uit composiet:  –  Vleugeldoos  –  Alle beweegbare oppervlakken:   flap, slats, spoilers (sandwich)  –  Rolroer  –  Winglet  –  Secundaire structuren  –  Fairing van flap support systeem  •  Bestaat uit 2 delen: flap support en flap support  fairing  •  Fairing (1 vaste en 1 beweegbare) omhult flap   support     koolstofvezelcomposiet  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

[40], [41], [42] 

2.3 Vleugel A350 XWB  •  Aangepast producSeproces  –  –  –  – 

Eerdere modellen (A380): staSsche lijn met verScale opbouw  A350: horizontale opbouw met pulse‐lijn  Laat toe volledige automaSsche boren en het vastzexen van bouten  Voordelen:   •  lagere cyclysSjd   •  opSmalisaSe proceskost  •  beter ergonomie voor de arbeiders 


2.3 Vleugel A350 XWB  •  Typisch manufacturing proces   Voorbereiding mal  automaSsche tape lay‐up  versSjver integraSe   vacuümzak aanbrengen  uitharden in autoclaaf niet  destrucSeve testen  frezen  verven 


[43] 

2.3 Vleugel A350 XWB  Bovenkant vleugelhuid  Airbus Duitsland 

Vaste vluchtboord  Achterste vleugelspar  GKN Aerospace 

Flapsysteem  S.A.B.C.A. 

Vaste aanvalsboord  Voorste vleugelspar  Spirit Aerosystems 

Bewegende aanvalsboord  Belairbus 

Onderkant vleugelhuid  Airbus Spanje 

Vleugelassemblage te  [44]  Airbus UK  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.4 Andere onderdelen A350 XWB  •  Staartstuk  –  –  –  – 

Staartkegel in één geheel koolstofvezelcomposiet  Horizontale stabilisaSevlak en verScale vin  Aanvals‐ en vluchtboord van staartvlak (sandwich)  Hoogteroer en richSngsroer 


2.4 Andere onderdelen A350 XWB  •  Neusstuk  –  Niet uit één stuk koolstofvezelcomposiet,   maar aluminium‐lithium  –  Belangrijkste reden: Al‐Li beter bestand tegen  vogelimpact  –  Composiet zou lukken, maar Staniumversteviging nodig    grote kost 

•  Radarkoepel   –  Wel in composiet  –  Transparant voor    Radiogolven (sandwich)  [46], [47]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.4 Andere onderdelen A350 XWB  •  Motordelen in composiet  –  Motorbehuizing uit koolstofvezelcomposietskin (sandwich)  –  Achterzijde‐fan behuizing  –  Fan bladen  •  Holle fanbladen met vibraSedempend epoxy‐  amine composiet met speciale leegtevullers 

•  Ook volgende componenten in composiet:  –  Landingsgesteldeuren (sandwich)  –  Vloerpanelen (sandwich)  –  Band: Verstevigd met Kevlar  •  Betere taaiheid en thermische  stabiliteit 

–  Belly fairing (sandwich)  [48]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.5 ProducSe  •  Fabricage onderdelen over   de hele wereld met finale   assemblage met Trent XWB   motoren te Airbus Toulouse  •  Bedrijfsplan Airbus A350 XWB:  –  1/3 uit te besteden vliegtuigcasco  –  1/3 uit te besteden uitrusSngen en   benodigdheden  –  1/3 Airbus zelf: assemblage en   structuurwerk 

•  Helt van luchtstructuur ‘aangekocht’  [49], [50]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.5 ProducSe  •  Airbus zelf: 

–  Frankrijk (St. Nazaire‐Ville en Meaulte vesSgingen):   •  NeussecSe  •  Keel beam 

–  Duitsland (Varel,Nordendam en EADS Augsburg vesSgingen):  •  •  •  • 

Voorste rompsecSes 13/14 en achterste zijromppanelen 16/18  Drukschot  VerScale staartvlak  Vleugelhuid (bovenkant) 

–  Spanje (Getafe en Illescas)  •  staartkegel  •  Vleugelhuid (onderkant)  •  Horizontaal staartvlak 

–  UK (Broughton) 

•  Vleugel assemblage met vleugeldoos 


2.5 ProducSe  •  Externe bedrijven in opdracht Airbus:  –  Spirit Aerosystems (Schotland,USA,Maleisia)  •  Vaste vleugelaansvalsboord  •  Voorste vleugelspar  •  Boven‐ en zijgedeelte centrale rompsecSe 15 

–  GKN Aerospace (UK)  •  Vaste vleugelvluchtboord  •  Achterste vleugelspar  •  Spars voor vleugeldoos 

–  Hexcel  •  Koolstofvezelcomposiet (HexPly)  •  Motorgondel (samen met Spirit Aerosystems) 

–  Alliant Techsystems (USA)  •  Achterste fan behuizing  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

2.5 ProducSe  –  GE aviaSon (UK)  •  Vluchtboord interface en secundaire structuren 

–  Joint Venture met China  •  Composietdelen en ‐onderdelen  •  5% van composieten in A350 in China gemaakt 

–  Belairbus (België)  •  Bestaat uit ASCO,SONACA en BMT aerospace  •  Beweegbare aanvalsboorden vleugel 

–  S.A.B.C.A. (België)  •  Flapsysteem voor vluchtboord 


2.5 ProducSe  •  Subassemblage in de Airbus vesSgingen  –  –  –  – 

Duitse Airbus: de voorste en achterste rompdelen  Franse Airbus: de neus en centrale rompgedeelte  UK Airbus: de vleugels met vleugeldoos  Airbus Spanje en Duitsland: koolstofvezel staartvlak, vin en staartkegel. 


3. Composieten in Boeing 787  Dreamliner  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.1 Inleiding  •  Airbus A330  Boeing B767 (1981)  •  Verkoopsdaling Boeing 747 (1969)  


3.1 Inleiding  747X  •  Concurrent van A380  •  747 herontwerp: langere romp (9t 3in)  •  Hogere efficiënSe door supercriScal  wing 

Sonic Cruiser  •  Hogere snelheid (mach 0.98)  •  Zelfde verbruik als 767 of A330  [53]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.1 Inleiding 

Sonic Cruiser • Kunststof romp • Kunststof vleugels

• Bleedless engines (Trent1000/GEnx)

•  ReisSjd   Snel reizen (verbruiker)   Meer vluchten per dag (airlines) 

•  OperaSonele kost  brandstof   •  Duur maar futurisSsch ontwerp  

 Boeing 7E7 (787) Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

[55],[56],[57] 

3.1 Inleiding 

787-8 223 passagiers (drie klassen) 15700 km

787-9 259 passagiers (drie klassen) 15400 km Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

787-3 296 passagiers (twee klassen) 6500km

[59] 

3.1 Inleiding 

787 (2007) •  50% composiet (=80 volume%) •  20% aluminium •  Efficiëntie +20%

777 (1995) •  9% composiet

Motoren Gewichtsreductie aerodynamische verbeteringen Geavanceerde systemen [61],[62]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.2 Romp  •  •  •  •  • 

~100% composiet  SecSes 48 en 47  Vought (Charleston, USA)  SecSes 46 en 44  Alenia (Italie)  SecSe 43  Kawasaki Heavy Industries (Japan)  SecSe 41  Spirit (Wichita, USA) 

Toray prepreg laminaatstructuur 1.  Computergestuurde lay-up van composiet-prepreg op grote cilindervormige mal 2.  In autoclaaf plaatsen voor harden. In de autoclaaf wordt door de warmte een chemische reactie uitgelokt Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

[63],[64] 

3.2 Romp  •  Toray levert C‐vezel,  geïmpregneerd met  polymeer‐matrix, in  stroken  •  Deze kunnen  computergestuurd op een  mal gelegd worden (layup)  •  Na harden in autoclaaf  worden de uitsparingen  voor ramen en deuren  uitgesneden  [66]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.2 Romp 

[67],[68],[69]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.2 Romp  Automated layup:  •  Kwaliteit beter  •  Lagere kosten  •  Hogere  producSesnelheid 

[70],[71]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.2 Romp 


3.2 Romp  •  Laminaatstructuur  •  C‐epoxy prepreg voor autoclaaf harding (Toray)  •  In buitenste laag zit metaaldraad geweven voor  blikseminslag  Rear pressure bulkhead • 

Vacuum-impregnatie

• 

Oven-harding (OOA) ( rest van de romp in autoclaaf)

• 

EADS

• 

Top brand-, rook-, en giftige eigenschappen geen nood aan brandbarrières [26],[27] 


3.3 Vleugel  Raked wing tips: Korean Airlines Aerospace Division Moving trailing edges: Boeing (Hawker de Havilland)

Fixed trailing edges: Kawasaki Heavy Industries Moving leading edge: Spirit & GKN

Wing box, skin Mitsubishi Heavy Industries Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

[76] 

3.3 Vleugel  •  Center wing box (fuselage secSon)      Fuji Heavy Industries 

•  Center wing box (wing to body fairing  assembly)     Boeing Canada  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.3 Vleugel 


3.3 Vleugel  •  Wing Deicing System: Heater mat voor slats  –  Meerlagig uitgeharde composietstructuur  –  C‐vezel  –  Glasvezel  –  Metaal opgespoten  –  Leading edge   –  8 wing slats  [80],[81]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.3 Vleugel  Layup op alu tool  •  Volledig recht in de  lengte‐richSng  •  Maar kromming  moet volledig  voldoen aan  aerodynamische  specificaSe van  Boeing  [82],[83]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.3 Vleugel  1.  Geweven prepreg‐mat C‐epoxy: 15  lagen  2.  Een droge laag geweven glasvezel  (voorkomen van galvanische  corrosie tussen C‐vezel en metaal)  3.  Legering (bedrijfsgeheim), laag  wordt manueel opgespoten, dikte in  relaSe tot weerstand 

1+2+3+2+1+bedekken met caul plate  autoclaaf [84],[85]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.3 Vleugel  Nabewerking:  •  BevesSgingsgaten CNC machine  •  In 1 stuk:  •  Gemakkelijk te plaatsen en te vervangen bij deffect  GNK momenteel op zoek naar: •  goede prepregs die OOA-harding toelaten •  configuratie met honingraatstructuur voor stijvere constructie


3.4 Andere onderdelen  •  Window‐frames Hexply AS4  •  Rotorbladen van de inlaat van de  straalmotoren: Hexply AS4  •  Buitenwand straalmotor: C‐/glasvezel  prepregs  •  Landing gear braces Hexcel IM‐7 


3.4 Andere onderdelen  •  Neus: glasvezel: Flexcore honingraatstructuur  •  ToileRen, interieur,… Fibrelam panels  •  Wing to body fairing: C‐/glas‐/aramidevezel  prepregs  •  Dak en zijpanelen binnenkant: Glasvezel   •  Keel Beam: C‐vezel prepregs 


3.5 ProducSe  TORAY (ALLES AUTOCLAAF)  Toray T800S  •  Vervanging van T800H (Boeing 777)      verbeterd ontwikkelingsproces      hogere producSesnelheid      gemakkelijker om BMS8‐276 specificaSe te behalen  •  1 van hun weefsels bevat tussengeweven geleidende draad.       buitenste laag van de romp, bescherming tegen blikseminslag  •  Verpicht gebruik van geautomaSseerde layup     producSe‐efficiënSe veel hoger dan bij hand‐layup 


3.5 ProducSe  HexPly AS4  •  Zeer goede structurele eigenschappen  •  C‐vezels in epoxy matrix   •  Betere vermoeiingsweerstand dan meeste metalen  •  Laag gewicht  •  Autoclaaf harding  •  Verkrijgbaar UD of in geweven maxen   Straalmotoren van GE en Rolls Royce  Window frames


3.5 ProducSe 

HexMC  •  SMC   (sheet moulding compound)  •     Quasi‐isotrope eigenschappen  •  Compression moulding  •  C‐vezel met Epoxy‐matrix  •  Hoge vezeldensiteit (60%)  •  Bruikbaar voor complexe 3D‐vormen  •  Hoge producSesnelheden (100 à 1000 componenten per dag), lage  hardingscycli (aânkelijk van de dikte, vanaf 5 minuten aan 135°C)  •  Gebruiksgemak  •  Lage dichtheid, goede sterkte, hoge sSjêid 


3.5 ProducSe  HexMC  Compressiemal P=50à150 bar T~130°C

Gebruik HexMC in 787: Grote window frames (=primaire structuur!!!) Nordam Rollen met vezelbundels van 8x50mm

[92],[93],[94],[95]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

3.5 ProducSe  HexPly M56  •  C‐vezel in epoxy matrix  •  OOA‐prepreg (out of autoclave)  •  Oven‐harding onder vacuum  •  Zelfde eigenschappen dan tradiSonele  aerospace prepregs met autoclaaf harding     gebruikt in secondaire structuren  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

Vezels, matrix,  prepreg, tooling 

3.5 ProducSe 

Construcae 


3.5 ProducSe 


3.5 ProducSe  Dreamliter… 


4. Toekomst composieten in  luchtvaart 


4. Toekomst composieten in luchtvaart  VARTM (vacuum‐assisted resin‐transfer molding) 

•  De matrix wordt door  onderdruk in de  vezelstructuur  getrokken  [100],[101]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

4. Toekomst composieten in luchtvaart  VARTM (vacuum‐assisted resin‐transfer molding) 

•  Voordelen:  –  Flexibiliteit: prepregs  gebonden aan matrix  en vezel, variaSe van  combinaSe matrix‐vezel  mogelijk  –  ProducSesnelheid (niet  wachten op  beschikbaarheid van  autoclave)  –  Goedkoper dan  Prepregs (tooling cost)  [102],[103]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

4. Toekomst composieten in luchtvaart 

•  George N. Bullen (Northrop Grumman Corp.):  “Elimina5on autoclaves by development of out‐of ‐autoclave cure of materials and processes is the  “holy grail” for composite manufacturers and users.”  –  Grooxe, kost, immobiliteit  

•  obstakel voor toepassing van composieten  •  groot probleem voor producSesnelheid 

–  Vroeger kleinere onderdelen  •  volledige romp: onhandig 

–  Beperking van de grooxe van onderdelen  •  Fasteners en andere verbindingen  •  Integriteit gaat verloren 


4. Toekomst composieten in luchtvaart  •  oorspronkelijk layup  met de hand  •  AFP automated  fiber placement  •  ATL automated tape  laying  •  Mag CincinnaS:  grootste producent 

Automaasering 


5. KriSsche Kijk 


5. KriSsche kijk  •  John Leahy (Airbus) (Boeing787)  –  Overhaaste gebruik composieten?  –  Boeing heet de eerste relevante ervaring pas bij 777  (1995)  –  “rushed and ridiculous” 

•  Vincent Weldon (ex‐Boeing)  –  Crashwaardigheid en toxiciteit  –  Heet er problemen mee dat voor sommige aspecten geen  full‐scale test gedaan wordt  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

5. KriSsche kijk  •  Crashwaardigheid  –  Lagere warmtegeleiding  –  Duurt langer voor vuur om doorheen te branden dan  aluminium (vlampunt nochtans 350°C resp. 600°C)  –  Andere breukmode: breuk ipv deuk 

•  Crashgedrag  –  Brand: andere problemen dan bij aluminium  –  Bij brand is blijkbaar belangrijkste factor wat mensen  meebrengen. Composiet of aluminium frame maken  weinig verschil.  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

5. KriSsche kijk  •  Herstel bij beschadiging???  –  Herstel problemaSsch  –  Voor aluminium frame: Scab patch  –  Voor composiet?  Boeing stelt 3 manieren voor: 1.  Algemeen gebruikte vacuumdebulked, bonded scarfed repair (figuur) 2.  Boeings gepatenteerde “quick composite repair technique” 3.  Conventioneel herstel met bouten Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

[106] 

5. KriSsche kijk   Honingraat

Laminaat 


5. KriSsche kijk  Tests 

–  Airframe pressure test 

(overdruk 150% maximaal verwachte overdruk)  •  1.05kg/cm²  •  Hogere cabinedruk haalbaar dan bij aluminium  structuur  •  Lagere voelbare hoogte en dus hoger comfort 

–  Wingbox structural test   hxp://www.youtube.com/watch?v=bV_V4U0iX4w  –  Talloze staSsche en faSgue tests 

FAA (Federal Aviaaon Administraaon)  • Kijkt of gebruikte designmethoden juist zijn  • Stelt criteria voorop waarop de vliegtuigen getest moeten worden  [110]  Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

Dank u voor uw aandacht 

? Vliegtuigmaterialen:  Composieten in Airbus A350 – Boeing 787 

ReferenSes Figuren  [1] hxp://wallpapers.pixxp.com/14__A350_‐_800_Airbus.htm (aangepast)  [2] hxp://urbancore.files.wordpress.com/2007/08/boeing787_high.jpg (aangepast)  [3] hxp://www.defenseindustrydaily.com/images/AIR_A400M_Desert_Landing_lg.jpg  [4] hxp://cdn‐www.airliners.net/aviaSon‐photos/photos/5/3/9/1234935.jpg  [5] hxp://k0lee.com/bor77reunion/images/spaceship1a.JPG  [6] hxp://www.supracor.com/images/aerospace.jpg  [7] “Airbus View on Nanocomposites ‐ Polymer Nanocomposites for Future Airbus Airframes “, Benjamin L. Farmer   hxp://nanomaterialsagency.net/uploads/presentaSons/dr_ben_farmer.pdf  [8] hxp://www.performance‐trim.com/images/generic_doortrims_02_large.jpg  [9] hxp://krosglass.pl/images/produkty/mata_1002_300_125.jpg  [10] hxp://www.jetaerospace.org/Images/kevlar_skin.jpg  [11] fig. 8.6 pag.246: Composite materials for aircrat structures, second ediSon. A. Baker,S.Duxon,D. Kelly (2004)  [12] fig. 8.4 pag.244: Composite materials for aircrat structures, second ediSon. A. Baker,S.Duxon,D. Kelly (2004)  [13] hxp://wallpapers.pixxp.com/14__A350_‐_800_Airbus.htm  [14] hxp://commons.wikimedia.org/wiki/File:A350_variant_sizes.svg  [15] hxp://www.flightglobal.com/arScles/2008/07/08/225120/as‐airbus‐a350‐takes‐shape‐can‐it‐avoid‐the‐a380s.html  [16] hxp://img.nauScexpo.it/images_ne/photo‐g/tessuto‐in‐fibra‐di‐carbonio‐preimpregnato‐188327.jpg  [17] hxp://www.direcSndustry.com/prod/hexcel‐corporaSon/intermediate‐modulus‐im‐carbon‐fiber‐37685‐258943.html  [18] hxp://www2.dupont.com/Kevlar/en_US/products/mech_paper.html  [19] "Taking the lead A350 XWB ‐ Airbus", hxp://www.eads.net/xml/content/OF00000000400004/7/19/41508197.pdf  [20] "Taking the lead A350 XWB ‐ Airbus", hxp://www.eads.net/xml/content/OF00000000400004/7/19/41508197.pdf  [21] “Airbus Structures R&T ‐ Airbus Composites Technologies & Structures”, Bruno Béral  hxp://andrea.nfrance.com/~eq40782/files/drire/developpement‐industriel/composites/avenir_des_technologies.pdf  [22] hxp://www.3dchem.com/imagesofmolecules/Buckytubes2.jpg  [23],[28],[30],[31],[32],[40],[43] “Compositesin Airbus ‐ A Long Story of InnovaSons and Experiences”, Guy Hellard  hxp://www.eads.net/eads/special/investor/Streams2008/GIF_2008/pdf/41889725.pdf  [24],[35],[36] “Airbus Structures R&T ‐ Airbus Composites Technologies & Structures”, Bruno Béral  hxp://andrea.nfrance.com/~eq40782/files/drire/developpement‐industriel/composites/avenir_des_technologies.pdf 


ReferenSes Figuren  [25] hxp://www.flightglobal.com/arScles/2008/05/22/224026/airbus‐set‐to‐roll‐out‐carbonfibre‐a350‐fuselag‐demonstrator.html  [26] www.cnim.fr/pdf/fr/fichesprocedes.pdf  [27] hxp://www.flightglobal.com/arScles/2008/07/08/225120/as‐airbus‐a350‐takes‐shape‐can‐it‐avoid‐the‐a380s.html  [29] www.cnim.fr/pdf/fr/fichesprocedes.pdf  [33] "Analysing Composite Component Manufacturing",Marcel Buckley  hxp://ltn.vbnlive.com/site/upload/document/Microsot_PowerPoint_‐_4._Marcel_Buckley.pdf  [34] Reinforced plasScs,november 2008, Fibre placement systems for A350xwb  [37] onderdeel hxp://wallpapers.pixxp.com/14__A350_‐_800_Airbus.htm  [38] hxp://www.flightglobal.com/arScles/2009/02/23/322929/picture‐gkn‐manufactures‐a350‐xwb‐wing‐spar‐prototype.html  [39]"Analysing Composite Component Manufacturing",Marcel Buckley  hxp://ltn.vbnlive.com/site/upload/document/Microsot_PowerPoint_‐_4._Marcel_Buckley.pdf  [41] hxp://www.swissengineering‐stz.ch/pdf/pla0120082872.pdf  [42] hxp://www.sabca.com/news_a350xwb_fss.htm  [44] hxp://wallpapers.pixxp.com/14__A350_‐_800_Airbus.htm  [45] hxp://www.airbus.com/store/mm_repository/images/400x/ax00005460/media_object_image_400x284_A350‐800.jpg  [46] hxp://www.aerolia.com/uk/services/services‐concepSon.php  [47] hxp://www.flightglobal.com/arScles/2007/09/21/216943/airbus‐rolls‐out‐a350‐xwb‐design‐revisions.html  [48] hxp://www.volvo.com/volvoaero/global/en‐gb/products/Engine+components/commercial_engine/commercial_engines.htm?TAB=6  [49] hxp://blog.flightstory.net/wp‐content/uploads/airbus_a350xwb‐final_assembly_line2.jpg  [50] hxp://www.flightglobal.com/arScles/2008/07/08/225120/as‐airbus‐a350‐takes‐shape‐can‐it‐avoid‐the‐a380s.html  [51] hxp://popnext.generaSonmp3.com/files/juin2005/beluga‐airbus.jpg 


ReferenSes Figuren  [52] eigen bewerking van scale drawings van verschillende boeing modellen, www.boeing.com  [53] www.boeing.com  [55] presentaSe: “The Boeing 787 Dreamliner, more than an airplane”, www.aiaa.org  [56] presentaSe: “The Boeing 787 Dreamliner, more than an airplane”, www.aiaa.org  [57] www.businessweek.org  [58] www.boeing.com  [59] presentaSe: “The Boeing 787 Dreamliner, more than an airplane”, www.aiaa.org  [61] presentaSe: “The Boeing 787 Dreamliner, more than an airplane”, www.aiaa.org  [62] www.flickr.com “boeing 777 composite structure”  [63] hxp://www.flightglobal.com/blogs/flightblogger/2007/05/where‐in‐the‐world‐is‐the‐787.html  [64] presentaSe: “The Boeing 787 Dreamliner, more than an airplane”, www.aiaa.org  [66] presentaSe: “The Boeing 787 Dreamliner, more than an airplane”, www.aiaa.org  [67] Sjdschrit “Aerospace and defence, manufacturing 2008”  [68] Sjdschrit “Aerospace and defence, manufacturing 2008”  [69] www.spiritaero.com “autoclave  [70] ”Polymeercomposieten”, Hoofdstuk 4 Mesomechanica, (slides, deel 1)  [71] www.compositesworld.com: “boeing sets pace for composite usage in large civil aircrat”  [72] www.voughtaircrat.com  [73] www.voughtaircrat.com  [74] www.voughtaircrat.com  [75] www.compositesworld.com: “Boeing 787 at pressure bulkhead passes faSgue test for cerSficaSon”  [76] www.ostrower .com/jon/assembly/wing.jpg  [78] Sjdschrit “Aerospace and Defence”, “Materials for composite layup tooling”  [79] hxp://seaxleSmes.nwsource.com/  “Boeing shares work, but guards its secrets”  [80] www.compositesworld.com “787 integrates new composite wing deicing system” 


ReferenSes Figuren 

[81] www.compositesworld.com “787 integrates new composite wing deicing system”  [82] www.compositesworld.com “787 integrates new composite wing deicing system”  [83] www.compositesworld.com “787 integrates new composite wing deicing system”  [84] www.compositesworld.com “787 integrates new composite wing deicing system”  [85] www.compositesworld.com “787 integrates new composite wing deicing system”  [86] www.compositesworld.com “787 integrates new composite wing deicing system”  [87] www.nordam.com/ “window frame”  [88] www.compositesworld.com “2008 Farnborough Airshow Report”  [89] www.hexcel.com “product data Hexcel AS4”  [90] www.hexcel.com  [91] www.hexcel.com “HexMC users guide”  [92] www.hexcel.com “HexMC users guide”  [93] www.hexcel.com “HexMC users guide”  [94] www.hexcel.com “HexMC users guide”  [95] www.nordam.com/ “window frame”  [96] www.omac.org “boeing’s new vision and manufacturing standardizaSon, Tim Opitz, Director 787 ProducSon & Support  [97] www.boeing.com dreamliter image gallery  [98] www.boeing.com dreamliter image gallery  [99] www.boeing.com dreamliter image gallery  [100] Research in the applicaSon of the vartm technique to thefabricaSon of primary aircrat composite structures  [102] www.compositesworld.com “Inside R&D: A‐VaRTM takes flight in Japan”  [103] www.compositesworld.com “Inside R&D: A‐VaRTM takes flight in Japan”  [105] Sjdschrit: “Aerospace and Defence Manufacturing 2008”, “AutomaSng composites fabricaSon”  [106] www.compositesworld.com “Composites repair”  [107] www.hexcel.com “composite repair”  [108] www.hexcel.com “composite repair”  [109] www.hexcel.com “composite repair”  [110] www.compositesworld.com “Boeing completes 787 “high‐blow” test, strike stalls wing test” 


Composieten in de nieuwste burgervliegtuigen

Recommend Documents