DIPLOMARBEITEN aus dem Faserinstitut Bremen

Markus Bade

Automatisiertes Fertigungsverfahren fr Winkel

aus kohlenstofffaserverstrktem Kunststoff fr

zuknftige Flugzeuggenerationen

Betreuer:

Prof. Dr.-Ing. Axel S. Herrmann

Dipl.-Ing. Jens Kelling

In Zusammenarbeit mit:

Dipl.-Ing. Ivar Wiik CTC GmbH, Stade

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Kurzfassung

Kurzfassung

Im Rahmen des Airbus Projektes "Next Generation Composite-Wing" (NGCW) wird in dieser Diplomarbeit ein Verfahren zur Herstellung von Rippenan-schlusswinkeln in groen Stckzahlen untersucht und entwickelt. Die Rippen-anschlusswinkel verbinden die Stringer und die Flgelschale mit den Rip-pen. Der Schwerpunkt in dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines Verfah-rens zum Herstellen einer einfachen Geometrie, die aus einem Winkel mit zwei rechtwinkligen Schenkeln besteht. In einem automatisierten Umformprozess formt ein Roboterarm die beiden Schenkel von L-frmigen Laminatzuschnitten ber die Kante eines Umform-blockes um. In ersten praktischen Versuchen mit einem Prototypumformblock und Roboteraufsatz erfolgt zunchst der Nachweis der prinzipiellen Machbar-keit des Verfahrens. Verschiedene Parameter werden whrend der Untersu-chungen variiert. Dazu gehren die Umformgeschwindigkeit, die Position des Roboteraufsatzes beim Umformen und die eingesetzten Trennmittel. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Untersuchungen wird der Prozess optimiert und die Faltenbildung im Laminat verhindert. Das Konzept mit einem beheizten Umformwerkzeug kann die Aufheizzeit deutlich reduzieren. Anhand von Schliffbildern erfolgt die Analyse der Qualitt von zwei ausgehr-teten Winkeln. Durch eine Erweiterung der Umformmethode gelingt es, drei komplexere Winkelgeometrien, bei denen u.a. Durchsetzungen zu bercksich-tigen sind, umzuformen. Werkzeuge und Fertigungsmittel fr die Demonstrati-on der Umformtechnologie an allen vier Winkelanordnungen werden designt und konstruiert. Zustzlich zu den Roboteraufstzen, die aus zwei Aluminium-platten bestehen kommt eine Rolle als Umformwerkzeug zum Einsatz. Fr die Winkel mit Durchsetzung gelingt es nicht, die Faltenbildung zu verhindern. Whrend der Analyse des Prozesses werden die kritischen Schritte identifiziert und Vorschlge zur Optimierung prsentiert, um eine bessere Bauteilqualitt zu ermglichen.

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Abstract

Abstract

Due to economic and environmental concerns the aircraft manufacturer are forced to manufacture lighter and therefore more fuel-efficient aircraft. This goal is often achieved by replacing aluminum structures by carbon fibre rein-forced plastics (CFRP). As the manufacturing of CFRP parts is still an expensive and slow process, the manufacturers are looking for ways to reduce the pro-duction costs and lead times. With respect to these goals the Airbus project Next Generation Composite Wing (NGCW) develops new design and man-ufacturing concepts for the wings of future aircraft. As part of this project this thesis investigates and develops a rapid forming method for rib-feet. Aircraft wings typically include ribs with cut-outs through which the stringers pass. Rib-feet connect the stringer and wing-cover to the ribs. The main focus is on providing a forming method for a simple rib-feet ge-ometry which resembles an angle bracket with two perpendicularly aligned legs. A robot is used for an automated forming process of L-shaped prepreg panels by bending the panels over the edges of a forming block. In first practical ex-periments the feasibility of this process can be proved and various influences on the forming result have been identified. The varied parameters are the forming speed, the distance between end-effector and forming block and the release agents. Based on the results the process has been optimized and the formation of wrinkles in the laminate could be prevented. As a result of the implementation of a heated tooling concept, the heating period could be significantly reduced. Curing of a pair of rib-feet has been required to create microsections of the specimen and investigate the quality. The forming method has been adapted to three more complex rib-feet geo-metries. For these geometries for example a joggle has to be included. Tools for the demonstration of the forming technology on four rib-feet configura-tions have been designed and developed. In addition to end-effectors con-sisting of two aluminum plates, a roller has been used as forming tool. For each geometry possible tooling design solutions have been discussed and shown. For the geometries with a joggle, the formation of wrinkles couldnt be avoided. During the analysis of the process, critical steps were identified and some recommendations were given in order to improve the concepts ensur-ing a better quality of the parts and the reliability of the process.

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Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Inhalt

Aufgabenstellung III

Schriftliche Erklrung VII

Kurzfassung IX

Abstract XI

Inhaltsverzeichnis XIII

Verzeichnis der Formelzeichen XV

1 Einleitung 11.1 Hintergrund 11.2 Projekt Next Generation Composite Wing 21.3 Motivation 2

2 Stand der Technik 62.1 Kohlenstofffaserverstrkte Kunststoffe 62.2 Kohlenstofffaser 72.3 Matrix 72.4 Prepregs 92.4.1 Verformungsmechanismen 102.4.2 Untersuchungen zur Reibung beim Umformen 132.4.3 Umformen von Prepregs 142.4.4 Umformverfahren 152.4.5 Flanschumformversuche 192.5 Bauteilqualitt 202.6 Bauweisen 242.6.1 A350XWB Flgelkasten 242.6.2 NGCW U-Box 252.6.3 Design der Winkel 26

3 Experimentelle Vorgehensweise 293.1 Vorversuche 293.1.1 Aufheizversuche 303.1.2 Heipressversuche 31

4 Entwicklung eines neuen Umformkonzeptes 344.1 Initiale Umformversuche mit dem Roboter 354.2 Optimierung des Umformverfahrens 374.2.1 Fertigung eines Umformblockes aus Aluminium 374.2.2 Optimierung des Aufheizkonzeptes 394.3 Versuchsreihe 1: Kurze Winkel mit Aussparung 404.3.1 Abstand des Aufsatzes zum Block 40

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4.3.2 Umformgeschwindigkeit 414.3.3 Plattenabstand des Aufsatzes 424.3.4 Einfluss der Hilfsstoffe 424.3.5 Aushrten der kurzen Winkel 424.3.6 Prfung der Laminatqualitt: 434.4 Versuchsreihe 2: Kurze Winkel ohne Aussparung 444.4.1 Variante1: Kontinuierliche Abwrtsbewegung 444.4.2 Variante 2: 3-Schritte-Umformen 454.5 Versuchsreihe 3: Kurze Winkel mit Durchsetzung 474.6 Versuchsreihe 4: Lange Winkel mit Durchsetzung 484.6.1 Variante 1: Umformen mit zwei Platten 484.6.2 Variante 2: Umformen mit einer Rolle 494.6.3 Variante 3: 2-Schritte-Umformen 504.6.4 Aushrten der langen Winkel 50

5 Ergebnisse der Untersuchungen 525.1 Aufheizversuche 525.3 Umformen mit dem Roboter 555.3.1 Initiale Versuche 555.3.2 Versuchsreihe 1: Kurze Anschlusswinkel mit Aussparung 565.3.3 Versuchsreihe 2: Kurze Anschlusswinkel ohne Aussparung 645.3.4 Versuchsreihe 3: Kurze Winkel mit Durchsetzung 655.3.5 Versuchsreihe 4: Lange Anschlusswinkel mit Durchsetzung 66

6 Entwicklung einer automatisierten Prozesskette 686.1 Prozesszeiten 68

7 Schlussfolgerung 747.1 Aufheizsystem 747.2 Heipresse 777.3 Umformprozess: 777.3.1 Versuchsreihe 1: Kurze Winkel mit Aussparung 777.3.2 Versuchsreihe 2: Kurze Winkel ohne Aussparung 837.3.3 Versuchsreihe 3: Kurze Winkel mit Durchsetzung 857.3.4 Versuchsreihe 4: Lange Winkel mit Durchsetzung 877.4 Laminatzuschnitt 89

8 Zusammenfassung 91

9 Schlussbemerkungen und Ausblick 94

10 Literaturverzeichnis 98

Abbildungsverzeichnis 102

Anhang 104A.1. 104

XIV JRK GLOBAL CONSULTANTSTHE LEADING EXPERTS OF ADVANCED CARBON COMPOSITES

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Verzeichnis der Formelzeichen

Verzeichnis der Formelzeichen

Abkrzungen

A/C Aircraft AFK Aramidfaserverstrkte Kunststoffe ATL Automatischer Tapeleger BMI Bismaleimid-Harz CFK Kohlenstofffaserverstrkte Kunststoffe CFRP Carbon Fibre Reinforced Plastics CLT Klassische Laminattheorie (engl. classical laminate theory) CSDC Composite Structures Development Center EP Epoxidharz FeMi Fertigungsmittel FKV Faser-Kunststoff- Verbund FVW Faserverbundwerkstoffe GFK Glasfaserverstrkte Kunststoffe HIVOL High Volume Low Cost Manufacturing INTEQ Integrated Equipped Wing MDOW Multi-Disciplinary Optimised Wing NDT zerstrungsfreie Werkstoffprfung (engl. nondestructive testing) NGCW Next generation composite wing PE Polethylen PEEK Polyetheretherketon PET Polyethylenterephthalat PH Phenolharze PP Polypropylen PPS Polyphenylensulfid TRL Technology Readiness Level UD Unidirektional VE Vinylester WBA Wing-box assembly

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Einleitung

1 Einleitung

1.1 Hintergrund Die Luftfahrtindustrie steht vor einem Wandel der Bauweisen. Nach dem Wechsel von Holz und Textilien zu Aluminiumstrukturen Anfang des 20. Jahr-hunderts wird die Massenproduktion von Flugzeugen, die nun berwiegend aus Verbundwerkstoffen bestehen, zur Realitt. Die Nutzung von Verbund-werkstoffen bei Flugzeugstrukturen hat sich von weniger als 5 % im Airbus A300 in den Siebzigern bis hin zu mehr als 10 % im Airbus A340-600, der seinen Erst-flug in 2001 hatte, langsam aber stetig erhht. Von da an ist der prozentuale Anteil an Verbundwerkstoffen von 25 % (A380, 2005) ber 30 % (A400M, 2009) zu ber 50 % in der A350 gestiegen [1]. Allerdings erfolgt die Herstellung aller Flugzeugtypen, inklusive der B787, mit einer Hauptstruktur aus Verbundwerk-stoffen, bisher mit relativ geringen Produktionsraten (10 A/C pro Monat). Trotz hoch entwickelter und teurer Anlagen, die in der Fertigung von Verbundwerk-stoffen zum Einsatz kommen, hat die Produktion mehr hnlichkeit mit einer Manufaktur als mit einer hoch automatisierten Produktionslinie beispielsweise in der Automobilindustrie. Auch haben sich die Baukonzepte nicht stark ver-ndert, da viele der Verbundbauteile direkt aus Teilen substituiert sind, die vorher aus Metall hergestellt worden. Die nchste Generation von Flugzeugen aus Verbundwerkstoffen soll die jetzigen A320- und B737-Familien ersetzen. Die hohe Nachfrage fr diese Klasse von Flugzeugen erfordert zuknftig hhere Produktionsraten als fr die jetzigen Single Aisle Flugzeuge (40+). Um diese Ra-te zu erreichen, mssen die bestehenden Fertigungstechnologien verbessert und ebenfalls neue Technologien und Baukonzepte entwickelt werden. Abbildung 1.1 zeigt den bentigten Aufwand, um dieses Ziel zu erreichen. Die erwartete monatliche Produktion von Verbundwerkstoffen bei Einfhrung der A350 entspricht nahezu derselben Menge, die alle existierenden Typen zu-sammen bentigen.

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Abbildung 1.1: Erwartete monatliche Produktion von Verbundwerkstoffen fr Flugzeugstrukturen in Tonnen [AIRBUS]

1.2 Projekt Next Generation Composite Wing Um sich den zuknftigen Herausforderungen zu stellen, hat Airbus das Projekt Next Generation Composite Wing(NGCW) ins Leben gerufen. NGCW be-fasst sich mit der Fertigung von Primrstrukturen aus CFK. Die Ziele sind eine hhere Produktionsrate bei gleichzeitiger Kostenreduzierung. NGCW besteht aus drei Unterprojekten, von denen HIVOL eines ist. HIVOL steht fr High Vo-lume Low Cost Manufacturing, und beschreibt eine kostengnstige Massen-fertigung von Bauteilen fr eine Groserie. HIVOL deckt dabei die Bereiche Teilefertigung, Design von Demonstratoren, Fertigungstechnologien und Ar-beitsvorgnge in der Fabrik ab. Die beiden anderen Unterprojekte MDOW Multi-Disciplinary Optimised Wing und INTEQ Integrated Equipped Wing befassen sich mit der Auslegung von Strukturen und Design, der Integrierung von Systemen und Konzepten, wie z. B. Tanksystem, Fahrwerk oder auch Eis-schutzmanahmen. Die Untersuchungen in dieser Diplomarbeit laufen im Rahmen des Projektes WBA2 (Wingbox Assembly 2). Dieses Projekt befasst sich mit der Forschung und Entwicklung des Flgelkastens aus CFK fr den Nachfolger der A320, die mo-mentan unter dem Namen A30X entwickelt wird. Das Ziel des Projektes ist es, eine kostengnstigere Fertigung des Flgels mit einer hheren Produktionsrate und einem reduzierten Gewicht zu verwirklichen. Der Flgelkasten besitzt ein neues Design-Konzept, die sogenannte U-Box. Das Hauptmerkmal der U-Box, die Anwendung der Integralbauweise, verringert die Anzahl der bentigten Verbindungselemente. Das Konzept befindet sich zum jetzigen Zeitpunkt (Stand September 2011) in Entwicklung. Um die Reife des jeweiligen Entwicklungsstandes nachzuweisen, dient als Masystem der sogenannte Technology Readiness Level (TRL). Eine Skala von eins bis neun zeigt den Entwicklungsstand der Technologie. Die Entwicklung des U-Box-Konzeptes ist bis zur dritten Stufe der Skala fortgeschritten. Bei TRL 3 erfolgt der Nachweis der Funktionstchtigkeit der Technologie.

1.3 Motivation Das Ziel des Projektes NGCW ist es, ein gewichts- und kostengnstiges Bauteil mit berlegener Funktionstchtigkeit zu entwickeln. Voraussetzung dafr ist die Anwendung der Integralbauweise mit erheblicher Reduzierung der Einzel-teile und Verbindungselemente sowie eine weitgehende Automatisierung des Fertigungsablaufs. Die im Vergleich zum Aluminium hheren Kosten des CFK-Werkstoffes erfordern als wirtschaftlichen Ausgleich eine Reduzierung der Fer-tigungskosten durch eine Automatisierung der Herstellung. Die fr die U-Box

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Einleitung

entwickelten automatisierten Fertigungsschritte umfassen Anlagen fr den Zuschnitt, das Ablegen und das Umformen. In dieser Diplomarbeit steht die Fertigung von Winkeln fr die Anbindung der Rippen an die Flgelschale, die sogenannten Rippenfe, im Fokus. Die Rip-penfe stellen das Verbindungsstck zwischen den Rippen und den Stringern im Flgelkasten dar. Da die Flgelschale und die Stringer ber die gesamte Flgelspannweite betrachtet variieren, bentigen auch die Winkel eine an-gepasste Geometrie. Die Fertigung von fnf 1,5 m langen Demonstratorboxen im zweiten Jahresabschnitt 2011 erfordert eine grere Anzahl der Anschluss-winkel. Allein fr die Demonstrator-Box, die zur Validierung der Fertigungsver-fahren notwendig ist, gibt es 53 Winkel mit 18 unterschiedlichen Geometrien. Fr den Nachweis von geeigneten Fertigungsverfahren sind reprsentativ vier unterschiedliche Winkel ausgesucht worden. Diese besitzen alle identifizierten kritischen Merkmale der Anschlusswinkel des Flgelkastens. Dazu gehren kur-ze Winkel, die sogenannten Kofferecken, die einen Schenkel zur Anlage an den Stringerfuss, einen Schenkel zur Anlage an den Stringerkopf und einen Winkel zur Rippenanbidung aufweisen. Diese kurzen Winkel gibt es in ge-schlossener Ausfhrung und mit einer Aussparung an der Ecke. Es sind eben-falls lngere Winkel, die zwei nebeneinander liegende Stringer miteinander verbinden, notwendig. Im Bereich vom bergang der Flgelschale zum Stringerfuss besitzen diese Winkel Durchsetzungen, um sie an die Kontur des Stringerfusses anzupassen. Diese Winkel werden ebenfalls in geschlossener Ausfhrung und mit Aussparungen an den Ecken bentigt. Abbildung 1.2 zeigt sind links die bentigten Winkel mit Aussparungen zum Nachweis des Fertigungskonzeptes und dessen Position in der U-Box. Auf der rechten Seite der Abbildung ist der Sitz der Winkel im Flgelkasten abgebildet.

Abbildung 1.2: Position der Anschlusswinkel in der U-Box

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, ein geeignetes Fertigungsverfahren fr die Winkel zu entwickeln. Um in die nchste Stufe der Entwicklung der U-Box ber-zugehen mssen unterschiedliche Fertigungsverfahren untersucht, die Durch-

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fhrbarkeit beurteilt, die bestehenden Risikofaktoren bewertet und Lsungen prsentiert werden.

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