Savremeni Kompozitni Materijali u Vazduhoplovstvu

Institut za istraivanja i projektovanja u privredi, Beograd. Sva prava zadrana. Istraivanja i projektovanja za privredu 2009 V7/4 23

Broj rada: 164 2009 V7/4

SSAAVVRREEMMEENNII KKOOMMPPOOZZIITTNNII MMAATTEERRIIJJAALLII UU PPRROOJJEEKKTTOOVVAANNJJUU II PPRROOIIZZVVOODDNNJJII

VVAAZZDDUUHHOOPPLLOOVVNNIIHH KKOONNSSTTRRUUKKCCIIJJAA

Mr Zoran Vasi, dipl. in. Vojnotehniki Institut, Beograd

Prof. dr Zlatko Petrovi, dipl. in. Mainski fakultet, Beograd

Kompozitni materijali se ve dugi niz godina koriste u vazduhoplovstvu. Nesporne su prednosti kompozitnih struktura u odnosu na metalne vazduhoplovne strukture, kao to su: bolji odnos vrstoe i mase, smanjeno vreme za odravanje tokom eksploatacije, produeni ivotni vek vazduhoplova, smanjen ukupan broj strukturalnih delova i manjih podsklopova, manji broj veznih elemenata, vea otpornost na koroziju i oteenja usled zamora materijala, itd. U radu je prikazan kratak pregled korienja kompozitnih materijala u vojnom i u civilnom vazduhoplovstvu. Dat je pregled savremenih dostignua u oblasti projektovanja, proizvodnje i obrade kompozitnih materijala. Prikazana su nova dostignua u automatizaciji slaganja slojeva laminata, i to maine sa vie glava za polaganje slojeva laminata, oznaavanje i kontrolu rada. Objanjen je postupak Resin Transfer Molding RTM koji ima za cilj da eliminie korienje preprega u proizvodnji i velikih rashladnih komora za hlaenje preprega. Istaknuta su nastojanja da se skupi autoklavi zamene jevtinijim peima za polimerizaciju matrice-smole. Prikazana su nova dostignua u obradi ugljeninih kompozita, klasinim buenjem i orbitalnim buenjem.

Kljune rei - vazduhoplovi, kompozitni materijali, projektovanje, proizvodnja, obrada UVOD Tehnologija gradnje vazduhoplovnih struktura je u proteklih sto godina svog razvoja zatvorila krug kada je u pitanju oblik upotrebljenog materijala za izradu zmaja vazduhoplova. Pioniri vazduhoplovstva, su poetkom dvade- setog veka svoje prve strukture aviona izraivali od platna i lepka, uz malo ojaanja od metala. Usledio je zatim period od vie decenija korienja lakih metalnih legura za izradu zmaja vazduhoplova, a poslednjih godina ponovo su aktuelne laminatne (kompozitne) strukture koje u osnovi imaju vie slojeva platna u polimerizovanoj matrici (smoli).

Godinama projektanti strukture vazduhoplova imaju za cilj da kompletnu strukturu glavnih sklopova vazduhoplova, npr. krila ili trupa projektuju i izrade iskljuivo od savremenih kompozitnih materijala. Naravno, svaka ovakva ideja ima svoje pobornike ali i oponente. Pristalice kompozitnih struktura istiu da se izborom kompozitnih materijala poveava prostor u kabini trupa uz istovremeno poveanje performansi i smanjivanje otpora. Korist se moe ogledati u odnosu vrstoe i

mase, smanjenom vremenu za odravanje tokom eksploatacije, produenom ivotnom veku vazduhoplova, smanjenom ukupnom broju strukturalnih delova i manjih podsklopova i manjem broju veznih elemenata (manji je broj rupa na delovima pa je i vreme koje je neophodno za buenje rupa uteeno).

Slika 1.- Izgled unutranjosti kompozitnog trupa

mlaznog aviona tokom izrade u firmi Grob, vajcarska /10/

Z. Vasi i dr. Savremeni kompozitni materijali u projektovanju i proizvodnji vazduhoplovnih konstrukcija

24 Istraivanja i projektovanja za privredu 2009 V7/4

Posebna prednost ogleda se u injenici da kompozitne strukture napravljene od savremenih kompozitnih materijala imaju veu otpornost na koroziju i oteenja usled zamora materijala, u poreenju sa metalnim konstrukcijama.

KOMPOZITNI MATERIJALI U VOJNOM I CIVILNOM VAZDUHOPLOVSTVU

U svetu se sve vie vazduhoplovnih programa bazira na korienju kompozitnih materijala. Kompozitni materijali osvajaju vojne i civilne avione i helikoptere. Posebna primena je za bespilotne letelice kod kojih su kompoziti ve godinama glavni konstruktivni materijal zmaja letelica.

Vojni vazduhoplovi koriste kompozitne materijale ve nekoliko desetina godina, ali je ukupna koliina kompozitnih materijala koja je ugrae- na u vojne vazduhoplove relativno mala, s obzirom na ogranien broj proizvedenih vojnih vazduhoplova. Poevi od ranih devedesetih godina prolog veka pa do danas primetan je trend u smanjenju procentualnog uea kom-pozita u strukturi vojnih borbenih vazduhoplova, /9/. Danas, kada je u pitanju projektovanje vojnih vazduhoplova, preovladava filozofija da se kompoziti koriste u onoj meri koja omo-guava da se ostvari sklad izmeu pristup-anosti (cene) i performansi koje kompoziti ostvaruju. Na primer, najskorije razvijeni i proizvedeni ameriki borbeni avioni: F/A-18E/F, F-22 i F-35 imaju smanjenu ukupnu koliinu kompozita nego to bi se za takve avione moglo oekivati pre desetak godina. Kod ovih aviona sve spoljne povrine trupa, krila i repova su izraene ili prekrivene kompozitnim oplatama iz razloga smanjenja mase, vee otpornosti na koroziju i zamor materijala. Meutim, unutranja struktura borbenih aviona je izraena od lakih metalnih legura. etiri faktora utiu da se kompoziti u sadanjem procentu ugrauju u borbene avione, /9/:

Promena u filozofiji projektovanja aviona od performansi, kao ranije najbitnijem faktoru koji treba ispuniti, ka filozofiji da su bitniji faktori pristupanost (cena) i performanse, zajedno.

Borbeni avioni nisu tako projektovani da u potpunosti iskoriste sve pozitivne osobine kompozitnih materijala, jer se avioni jo uvek projektuju kao da su potpuno metalni. Drugim reima dananji vodei projektanti jo uvek avion doivljavaju kao metalni proizvod. Dananji projektanti projektuju avion onako kako bi avion od lakih metalnih

legura trebalo da bude projektovan, ali uz korienje kompozita. ak i kad projektanti naine pomak u primeni kompozita umesto metala za neke sklopove, ipak pribegavaju korienju ''utabanih'' staza kada se analizi- raju vaniji (metalni) spojevi i strukturni elementi.

Potreban je dugogodinji razvoj i mnogo uloenih sredstava za dobijanje eljenog kompozitnog materijala sa odgovarajuim karakteristikama za odabranu svrhu.

Kompozitni materijali su kasnije poeli da se razvijaju od legura lakih metala, pa je njihova primena na borbenim avionima u poetku bila sporedna. Kasnije se, tokom razvoja, njihova primena veoma proirila, dok se danas njihova primena bitno smanjila.

Dalja primena kompozitnih materijala na borbenim avionima u novim uslovima zavisie od: a) osvajanja i usvajanja novih tehnologija proizvodnje kompozita i njihove primene na novim konstrukcijama i b) smanjenja vremena izrade velikih kompozitnih sklopova i cene korienja novih materijala primenom novih metoda proizvodnje kompozitnih sklopova.

U civilnom vazduhoplovstvu se poslednjih godina planira ekstenzivnija upotreba kompo-zitnih materijala. Time se otvara jedno novo poglavlje u primeni kompozitnih materijala kada e se mnogo vei delovi i sklopovi (ceo trup, krilo) izraivati od kompozita i to u mnogo veoj seriji nego to je bio sluaj kod proizvodnje vojnih aviona. (Kao primer, proizvodnja i organizacija proizvodnje delova i sklopova amerikog aviona bombardera V2 koji je izraen u koliini do 20 aviona je sasvim razliito od proizvodnje aviona F-35 JSF ija je proizvodnja projektovana za 20 jedinica meseno.) Takoe, treba imati u vidu da su putniki civilni avioni po svojim gabaritima mnogo vei od vojnih borbenih aviona, te e proizvodnja i potronja savremenih kompozitnih materijala u perspektivi biti mnogo vea nego danas. Sa poveanjem obima proizvodnje tehnolozi u proizvodnim pogonima vazduho-plovnih delova se suoavaju sa problemom organizacije proizvodnje kompozitnih delova masovnim slaganjem kompozitnih platna ili preprega umesto korienjem davno usvojenih postupaka proizvodnje delova od aluminijum-skih legura, /3/.


Istraivanja i projektovanja za privredu 2009 V7/4 25

Slika 2. Udeo razliitih materijala u izradi

konstrukcije aviona A380 /11/

Danas vodei svetski proizvoai vazduhoplova Boing (Boeing) i Erbas (Airbus) za izradu zmaja svojih novih aviona predviaju kompozitne laminatne strukture ugljeninog ili nekog drugog sastava u polimerizovanoj smoli. Boing je za novi putniki avion B-787 predvideo da se skoro 100% oplata trupa izrauje od ugljeninih kompozita (ugljenini prepreg i epoksi smola) a ukupno 50% na celom avionu bie zastupljeni kompozitni materijali /10/. Kod novog vojnog transportnog aviona Erbas A400M predvieno je da se glavni i sekundarni delovi krila izrauju takoe od ugljeninih kompozita. Za novi putniki avion Erbas A350XWB, takoe, predvieno je da 53% strukture bude izraeno od kompozitnih materijala.

PROJEKTOVANJE I INTEGRACIJA SA PROIZVODNJOM

Projektovanje kompozitnih delova i sklopova danas je mnogo olakano razvojem savremenih CAD softvera koji imaju posebne module za kreiranje svakog pojedinog sloja kompozitnog dela, ukljuujui i sendvi konstrukcije. Proje- ktant moe da koristi odreene materijale iz ranije formiranih kataloga materijala sa svim njihovim mehanikim i fizikim karakteristikama. Slojeve izabranog materijala projektant vezuje za ranije oblikovane trodimenzionalne entitete (solid ili povrinski model), /13/. Trenutno je na tritu najkompletniji softver za projektovanje sloenih kompozitnih delova softver CATIA firme Dassault Systemes.

Poboljanja u proizvodnji kompozitnih sklopova su ostvarena zahvaljujui tehnolokim inova-cijama koje su omoguile da se originalan i isti CAD softver koji se koristi tokom procesa projektovanja koristi za definisanje parametara

u proizvodnji. Korienjem originalnih datoteka koje je prethodno koristio projektant tokom projektovanja nekog sklopa za kreiranje pro-izvodnih parametara maina u fabrici eliminie viestruko pretvaranje projektnih parametara datih u jednom obliku u druge oblike koje je ranije zahtevao proizvodni postupak fabrike (npr. runo slaganje slojeva laminata ili malo-serijsko automatizovano mainsko slaganje). Neki od vodeih svetskih proizvoaa sofi-sticiranih maina za slaganje slojeva laminata su se oslonile na CAD/CAM softver za proje-ktovanje i izradu CATIA. Istovremeno su za operativne sisteme svojih novih maina umesto Unix-a izabrale rasprostranjeniji Microsoft Windows.

PROIZVODNJA

Uslov za proizvodnju vazduhoplovnih struktura od kompozita je da uloeni rad, vreme i novac ne budu vei od postojeih. Ovo znai da je za izradu kompozitnih struktura neophodno poveati obim proizvodnje ovakvih sklopova bez dogradnje novih proizvodnih prostora, jer se proirenje fabrikih postrojenja ni po ceni, ni po vremenskom ciklusu izrade ne moe opravdati savremenim zahtevima trita. Kao primer moe se videti kako izgleda proces proizvodnje kompozitnih delova razloen na niz aktivnosti gde se zapaa da najvie vremena se troi na proces slaganja slojeva kompozita i to 42%, /4/. Takoe, prema sadanjem tehnolo- kom nivou proizvoaa kompozitnih sklopova, nemogue je proizvoditi vei obim kompozitnih vazduhoplovnih sklopova bez negativnog utica- ja na kvalitet. Kao jedini mogui izlaz iz ovakve situacije vidi se u poveanoj automatizaciji izrade.

Slika 3. Savremeni CAD softver za projektovanje

kompozitnih struktura /13/



Automatizacija kao izlaz se vidi ne samo u proizvodnom procesu, nego i pre, tokom proce-sa projektovanja, gde se papirna konstruktivna dokumentacija koju danas poznajemo mora zameniti elektronskom. Izvesna dostignua u oblasti upravljanja podacima proizvoda (Product Data Management PDM) i upravljanja ivotnim ciklusom proizvoda (Product Lifecycle Management PLM) su ostvarena, a novoformirani softveri iz ovih obla-sti ve se koriste na mnogim vazduhoplovnim projektima.

Slika 4. Proces proizvodnje kompozitnih delova

razloen na niz aktivnosti /4/

Savremenim zahtevima za izradu velikog broja vazduhoplovnih kompozitnih sklopova ne mogu da odgovore proizvoai koji za izradu kompozitnih sklopova koriste slabo automati-zovan i, naroito, runi postupak slaganja sloje-va kompozitnih platna ili preprega. Obim proi-zvodnje za velike proizvoae aviona kao to su Boing i Erbas (sa mesenom proizvodnjom oko 40 primeraka aviona B-737 ili A320) zahteva da proizvoai kompozitnih sklopova postignu brzinu slaganja slojeva kompozita od oko 50kg na sat. Imajui u vidu da su debljine pojedinih slojeva kompozita koje se koriste za izradu vazduhoplovnih struktura najee od 0,1 do oko 0,3mm, lako je zakljuiti koje su koliine platna ili preprega neophodne nekom proizvoau da obezbedi kako bi osigurao dnevnu proizvodnju.

U napore za obezbeenje uslova za poveanu proizvodnju ukljuili su se i proizvoai automatizovanih maina za polaganje platna ili preprega. Tako su svetski poznate firme za izradu visokokvalitetnih maina za mainsku obradu lakih legura ili elika, npr. Cincinnati Machines ili Forest Line, osvojile izradu maina sa vie glava za polaganje slojeva kompozita koje su veoma brze i ne zauzimaju vie prostora od identinih sporih maina sa jednom glavom za slaganje slojeva. U tome ih prate i

druge firme (npr. Siemens) koje izrauju softvere za sisteme koje raunarski upravljaju mainama za slaganje slojeva. Softveri koriste trodimenzionalne CAD solid modele kao polaznu osnovu i transformiu ih u program koji upravlja mainom za slaganje laminata. Tako se softverom omoguava da se projektovani deo uz pomo CAD sistema pogodnim putem pretvori u niz operacija slaganja slojeva, koje na kraju procesa izrade kao rezultat daju stvarni kompozitni deo, /3/.

Jedna od najnovijih razvojnih mogunosti je prelaz na sedmo-osne maine sa vie glava za polaganje slojeva kompozita. Dodatne ose za upravljanje raunarom su potrebne da ostvare odgovarajui pritisak valjka na poloeni laminat i kalup. Ovim se poveava obim i tanost izra-de. Prema kompleksnosti kompozitnog dela koji treba izraditi maina sa vie glava koristi ue ili ire trake platna ili preprega, koje mogu biti irine oko 6mm za veoma komplikovane delove. Sa druge strane, za vee delove koji nema-ju kompleksne oblike maine mogu da polau ire trake u svakom prolazu. Pri ovakvom slaganju slojeva maine sa vie glava pokazuju punu svoju efikasnost jer one omoguavaju da se vea koliina kompozita poloi na kalup.

Primer uspene saradnje izmeu firmi Forest-Line i Coriolis rezultirao je u izradi maine za automatsko polaganje ugljeninih preprega u trakama irine 6,35mm ekstremne preciznosti. Ovakva maina je u stanju da na veoma kom-pleksnim povrinama polae do 8kg preprega na sat (slika 5.).

Dodatna funkcija koja se na nove maine sa vie glava za slaganje laminata dodaje je no za seenje traka. Ovim se omoguuje kom-paktnost sistema koji slae slojeva laminata i see ih na potrebnu duinu. Neke od maina imaju mogunost oznaavanja pojedinih slojeva (ink-jet tampaima) u vidu linija bar-koda ili posebnim simbolima,

Slika 5. Automatizacija procesa slaganja kompozita

poveava efikasnost u proizvodnji



ime se eliminie naknadno tehnoloko vreme, ime se znatno tedi na vremenu, a greke se eliminiu.

Trenutno u svetu postoji samo 100 sofisticiranih numerikih raunarski upravljivih maina koje slaganjem laminata proizvode jednostavnije ili kompleksnije kompozitne delove. Pogodnim aplikativnim softverima poboljana je i pojednostavljena upotreba ovih maina, tako da se i sloeniji kompozitni delovi sa kompleksnim konturama i promenljivom debljinom mogu izraivati ve posle nekoliko dana obuke, a da kart bude u prihvatljivih 2%. Trenutno se specijalizovanim mainama sa vie glava za polaganje laminata u kalupe priozvoaa MAG Cincinnati proizvode kompozitni delovi i sklopovi za trup aviona Boing B-787 i Erbas A380 i drugih manjih. Proizvoa Hawker Beechcraft trup svog poslovnog mlaznog aviona Premier1 takoe proizvodi mainama istog proizvoaa to je omoguilo da je masa kompozitnog trupa za 20% manja nego da je proizvedena od legura aluminijuma. Takoe je znaajno smanjen ukupan broj strukturalnih delova i manjih podsklopova sa 3000 delova (u varijanti izrade od metala) na samo dva dela (u varijanti izrade od kompozita).

Slika 6.Izgled maine Forest Line sa ugraenim CNC softverom /2/

Kvalitativna kontrola ve sloenih laminata u alatima je takoe promenjena, modernizovana i automatizovana. Tradicionalni pristup kontroli u malo-serijskoj proizvodnji se sastoji u korienju ablona koji se runo postavljaju na laminat ime se proveravaju potrebne mere. Na novim mainama ugraeni su laseri koji kontroliu tanost spoljnih ivica laminata.

SAVREMENI PRISTUP PROIZVODNJI VAZDUHOPLOVNIH KOMPOZITNIH KONSTRUKCIJA

Proizvoai koji u velikoserijskoj proizvodnji izrauju kompozitne sklopove velikih gabarita korienjem preprega (pre-impregnated dry fabric with resin - prethodno impregnirana platna smolom) i naknadnim tretiranjem u velikim autoklavima suoeni su sa problemom uvanja velikih koliina preprega u hladnim komorama - hladnjacima i njihovim ogranie-nim vremenom skladitenja. Kada se standa-rdnim postupkom slaganja velikog broja slojeva preprega formira konstrukcija, npr. krila, faktor vreme postaje kljuan zato to se tada nekoliko tona prepreg materijala (debljine i do desetog dela milimetra) mora nabaviti, uskladititi u hladnim komorama i pripremiti u kratkom roku, a zatim sloiti na kalup krila prema dokume- ntaciji i da se pri tom ne prekorai vreme za koje se materijal preprega moe upotrebiti, /10/.

Slika 7. Izgled maine sa vie glava za polaganje

kompozita MAG Cincinnati Viper /4/

Korienjem slojeva unidirekcinoog platna ili tkanja bez smole materijal se prvo sloi u kalup a zatim se ubrizgava predviena smola. Tek nakon ubrizgavanja smole poinje proces polimerizacije, to znatno produuje vreme za koje se materijal moe upotrebiti. Takoe, i proces slaganja slojeva laminata (bez smole) u alat nije vie ogranien kratkim vremenom upotrebljivosti preprega. Ovaj nain slaganja slojeva platna sa nakandnim kontrolisanim ubrizgavanjem smole u kalup je u literaturi poznat pod nazivom Resin Transfer Molding RTM. Ovaj postupak ne zahteva od proizvoaa da poseduje velike hladne komore



za smetaj preprega, kao ni autoklave za polimerizaciju smole. Ovim postupkom se proizvode sklopovi zadovoljavajueg kvaliteta i dimenzija u velikoserijskoj proizvodnji, to je i cilj velikih svetskih proizvoaa. RTM postupak proizvodnje kompozitnih sklopova omoguava formiranje sklopova sa manjim brojem delova, smanjenje vremena izrade, materijala i ukupne cene, a pogodnim dizajnom omoguava da se eliminiu mnogi od do sada uobiajenih radnih postupaka.

Dalje usavravanje RTM postupka proizvodnje kompozitnih sklopova je proizvodnja to veih integralnih kompozitnih struktura uz potpunu kontrolu tolerancija tako da, kada se proizvedeni veliki kompozitni sklopovi spoje u vee sklopove, nije potrebno naknadno doraivati sklopove ili ugraivati dodatne meuelemente koji bi ponitili zazore zbog nedovoljno tane izrade (imovanje).

Unapreenja proizvodnje kompozitnih sklopova se odnose i na kvalitet i materijal kalupa-alata za slaganje slojeva kompozita. Glomazni i teki metalni kalupi zamenjeni su kompozitnim kalupima. Kontrolisanim upravljanjem tempera- turne ekspanzije kalupa moe da se u potpunosti utie na zavrne dimenzije kompozitnog sklopa (debljina sklopa i poklapanje sa zadatom teorijskom konturom). Koeficijent termike ekspanzije kompozita od koga su napravljeni kalupi je (priblino) isti kao i samog laminata koji se nalaz u kalupu, dok je znaajno razliit kod kalupa napravljenih od metala (elika ili aluminijuma). Masa kompozitnih kalupa je znaajno manja od metalnih kalupa, to moe da bude od velikog znaaja kada se izrauju vei kompozitni sklopovi.

Jo jedno polje gde je mogue uticati na efikasnost i brzinu izrade kompozitnih struktura je razvoj takvih materijala i procesa koji e obezbediti izradu bez korienja autoklava /9/. Autoklavi su po svojoj prirodi masivni i skupi. Trenutno se u vodeim razvojnim centrima u svetu radi na takvom procesu izrade kompozitnih struktura koji e obezbediti izradu bez korienja autoklava. Postupak se sastoji u tome da ve sloeni slojevi preprega ili platna sa matricom (smolom) se prekrivaju vakuumsk- im prekrivkama i zagrevaju u obinim peima sa kontrolisanom temperaturom. Takve pei su znaajno jevtinije za nabavku i odravanje od skupih autoklava. Dok je kod autoklava neophodno ostvariti pritisak od oko 58 bara, kod obinih pei je dovoljno da se postigne pritisak od 1 bara. Dalje, u procesu proizvodnje

autoklavi su usko grlo u velikoserijskoj proizvodnji, jer svi kompozitni sklopovi moraju da prou kroz njih. S obzirom da su obine pei jevtinije, mogue je, nabavkom vie jedinica, ostvariti paralelnu proizvodnju, bez stvaranja uskih grla u lancu proizvodnje. Imajui sve ovo u vidu, proizvoai su poeli da proizvode takve preprege i platna za koje nije potrebno tretiranje u autoklavu. Npr., firma Hexcel Composites je uvrstila u svoj proizvodni asortiman tzv. sistem preprega HexPly M56 namenjen za izradu sekundarnih vazduhoplovnih struktura uz polimerizaciju u obinim peima. Prepreg Hex- Ply M56 je dostupan sa ugljeninim ili staklenim tkanjem ili ugljeninim unidirekcionim platnima, metalnim mat ojaanjem (nitima) i pogodan je za manuelno slaganje ili automatizovano mainsko slaganje. Temperatura polimerizacije je 180

oC. Slian sistem preprega proizvodi

firma Cytec pod nazivom Cycom 5320, a firma ACG proizvodi sistem MTM

44 za istu namenu.

Slika 8. Izgled rupe u kompozitnoj strukturi sa

primerima moguih nepravilnosti /6/

DALJI RAZVOJ KOMPOZITNIH STRUKTURA I EKSPLOATACIJA

Razvoj kompozitnih vazduhoplovnih struktura ide u smeru sofisticiranih struktura koje e u sebi imati ugraene senzore koji signaliziraju promene koje se deavaju unutar same kompozitne strukture. Uoeno je da pojedine pojave koje se deavaju tokom eksploatacije unutar kompozitnih struktura nemaju svoju manifestaciju na spoljanjoj povrini strukture. To se prvenstveno odnosi na pojavu delaminacije izmeu unutranjih slojeva laminata.

Drugo polje razvoja i unapreenja kompozitnih struktura odnosi se na mehaniko spajanje kompozitnih struktura sa metalnim. Sam proces buenja rupa u kompozitnim strukturama ih oslabljuje a sama rupa postaje mesto za pojavu inicijalnih prskotina. Sa druge strane, spoj razliitih materijala na mestu spoja moe



vremenom da izazove pojavu korozije na metalnim strukturama. Trenutna istraivanja u svetu idu u smeru da se polimerizacijom formiraju veliki kompozitni sklopovi zajedno za metalnim delovima (okovima i sl.), a bez me- hanikih veznih elemenata.

Slika 9. Manji ugao vrha burgije pravi manju delaminaciju i kvalitetnije rupe na izlazu /11/

Ova nastojanja su ve primenjena na lako optereenim sekundarnim vazduhoplovnim strukturama, a samo je pitanje vremena kada e biti primenjena i na primarnim strukturama.

OBRADA KOMPOZITNIH STRUKTURA

Najvie i najee korieni kompozitni mate-rijali u vazduhoplovstvu poslednjih godina su na bazi ugljeninih vlakana i epoksi smole. Iako poseduju veoma dobre mehanike osobine i veliku zateznu vrstou ovi polimeri imaju takvu strukturu koja ih ini tekim za tanu, kvalitetnu i preciznu mainsku obradu, /11/. Dok je mai-nska obrada metala kao to su elik ili legure aluminijuma (zahvaljujui dobrim reznim osobi- nama i ravnomernom formiranju strugo- tine) dostigla nivo koji ostvaruje eljene tolerancije, mainska obrada kompozita je mnogo komple- ksniji problem. Kompozitni materijali na bazi ugljeninih vlakana i epoksi smole delu- ju kao abraziv koji skrauje vek reznog alata, /6/. Mehanikom obradom ovi kompozitni materijali esto stvaraju ugljeninu prainu, a ne strugo- tinu kao metali, koja slabo odvodi toplotu to sa svoje strane omoguava da se matrica neelje- no topi zbog pregrevanja.

Tokom mainske obrade kompozita dolazi do loma i krzanja vlakana i matrice (smole) usled dejstva sila pritiska i savijanja nastalih prodorom reznog alata u materijal. Usled breg habanja reznog alata pri obradi kompozitnih materijala dolazi do veeg cepanja vlakana na povrinskim slojevima kompozitnog dela (povrinski lom vlakana), do poveanog broja

neizrezanih vlakana i matrice (savijanje bez loma) i delaminacije (razdvajanja slojeva) na povrini ili unutranjim zidovima rupa.

Buenje rupa za vezne elemente

Najvei problem koji se javlja tokom buenja rupa je delaminacija. Najee se javlja u trenutku kada rezni alat ili burgija izlazi iz materijala koji bui kada aksijalne sile vre pritisak na izlazne slojeve laminata kompozita. Ova poj- ava se javlja i na samom poetku procesa buenja kada spoljni deo reznog alata usled velike obodne brzine zapoinje proces seenja vlakana. Istraivanja, /11/, su pokazala da na kvalitet mainske obrade kompozitnih materijala i vek reznog alata najvie utiu sledei parametri: Geometrija reznog alata Parametri rezanja/buenja Materijal reznog alata Povrinska obrada ili zatita reznog alata.

Slika 10. Vei ugao vrha burgije rezultuje u boljim

povrinama rupa, bez neiseenih vlakana /11/

Izbor ugla na vrhu burgije zavisi od toga koji problem u buenju kompozita treba da se kontrolie. Manji ugao na vrhu (90

o) uzrokuje

bolji kvalitet ivica rupe (sa manje delaminacije i loma vlakana).

Brzina habanja reznog alata ili burgije zavisi najvie od materijala od kog je izraen alat i od povrinske obrade ili zatite. Dijamantom ojaani sloj burgije pokazao je poveanje ivotnog veka alata deset puta u odnosu na ne- zatien ugljenini elik.

Drugi nain reavanja problema buenja ugljeninih kompozitnih struktura umesto klasinog buenja je tzv. orbitalno buenje, /9/. Ovaj



nain mainske obrade podrazumeva manji prenik reznog alata od prenika rupe koja treba da se izbui, a povrina rupe koja se obrauje je samo povremeno u kontaktu sa reznim alatom. Ovakva obrada formira manje pona, a za buenje rupa potrebna je manja aksijalna sila nego kod klasinog buenja. Stvaranje manje koliine pona, u kombinaciji sa manjim prenikom alata od rupe omoguava efikasno otklanjanje produkata obrade uz pomo vakuuma. Brzo otkanjanje produkata obrade, sa druge strane, onemoguava tetno zagrevanje alata i kompozita te smanjuje rizik od topljenja matrice (smole). S obzirom da je povrina kompozita koja se obrauje samo povremeno u kontaktu sa alatom omogueno je njeno bolje hlaenje i buenje rupa bez rashla- dne tenosti. Ovo sa druge strane produava vek alata, smanjujui ukupnu cenu proizvodnje. U nekim sluajevima, neophodna je minimalna koliina sredstva za podmazivanje u cilju smanjenja trenja.

Slika 11. Primer orbitalnog (planetarnog) buenja

kompozitne i metalne strukture /12/

Na slici 11. dat je prikaz razliitih alata za buenje otvora za vezne elemente u kompozi- nim strukturama. Primetno je da razliiti proizvoai imaju razliit pristup reavanju problema buenja kompozitnih struktura, pa je stoga i geometrija reznog alata razliita, od proizvoaa do proizvoaa. Za razliku od

obrade metala, kompozitni materijali imaju mnogo vie nepoznanica ili parametara koji variraju od konkretnog dela strukture, kao to su materijal samog kompozita (ojaanje i matri-ca), broj slojeva platna, smer pojedinih slojeva, itd. Stoga proizvoai uglavnom nemaju utvre- ne kataloge alata za obradu kompozita, ve veinu alata specijano proizvode za svaku ko- nkretnu kompozitnu konstrukciju.

Manja aksijalna sila potrebna prilikom orbitalnog buenja smanjuje mogunost pojave delaminacije (raslojavanja slojeva kompozita) i neeljenog savijanja tankih kompozitnih struktura u toku buenja.

Novi prenosni sistem za orbitalno buenje (firme Novator, /12/, slika 13.) razvijen je za potrebe proizvodnje aviona B-787 i sastoji se od sledeih sklopova:

Titanijum

Slojevi kompozita Orbitalna jedinica za buenje Fiksator glave za buenje Elektro-pneumatska jedinica za napajanje Raunar sa softverom za optimizaciju

parametara buenja Kontroler kretanja jedinice za buenje Sistem za identifikaciju pozicija rupa.

Slika 12. a) Parabolina burgija firme Onsrud /6/; )

Kennametal-ove burgije proizvode minimum delaminacije na ulazu i na izlazu /11/; ) Amamco

burgija sa volframom na vrhu i karakteristinog oblika /2/

Prenosni sistem izvrava softverski opti-mizovano istovremeno buenje kompozitnih (ugljeninih) i metalnih struktura ostvarujui



komplikovane reime brzine buenja, prilaza i zahvata alata. Ovaj sistem omoguava kvalite- tno buenje sklopova kompozitnih i metalnih struktura bez potrebe da se nakon buenja strukture razdvajaju i iste od produkata buenja, bilo da je re o esticama kompozitnih i metalnih struktura, ili tenosti za hlaenje ili podmazivanje.

Slika 13. Izgled prenosnog sistema za orbitalno

buenje; buenje rupa pri montai

Opsecanje izraenih kompozitnih delova

Opsecanje ili tzv. trimovanje izraenih kompozitnih delova se izvodi nakon zavrene polimerizacije matrice i neophodno je zbog razloga to se tokom proizvodnje kompozitnih delova slaganje slojeva kompozitnog platna vri na nain da svi slojevi kompozitnog platna budu iri i dui od zahtevanih dimenzija dela koji se proizvodi. Dovoenje na potrebnu konstruktivnu meru se izvodi opsecanjem koje se moe izvriti na vie naina.

Standardan nain opsecanja podrazumeva mainsku obradu posebnim alatima. Kao to je ranije reeno mapinska obrada najee uzrokuje cepanje i delaminaciju slojeva kompozita u zoni mainske obrade. Kompozitni materijali, kao anizotropni materijali, se pri mainskoj obradi relativno dobro ponaaju kada slojevi kompozitnog platna zaklapaju ugao od 90

0 u odnosu na rezni alat. Svaki drugi sloj

kompozita koji ima razliit ugao u odnosu na rezni alat pokazuje znake cepanja ili delaminacije. Poslednja iskustva u obradi kompozitnih delova su pokazala da se umesto rezanjem bolji rezultati pokazuju kontrolisanim lomom slojeva kompozita. Kontrolisani lom se moe izvesti korienjem postupka seenja vodenim mlazom (waterjet cutting) kome je dodat abraziv u vidu dodatih mikroskopskih estica minerala dragog kamena granata, /5/. Skorija iskustva pokazuju da se korienjem mlaza prenika 1mm i pritiskom 4000 bara postie 75 puta bre seenje kompozita nego korienjem reznog alata prenika 10mm koji se obre brzinom od 15000 obrtaja u minuti. Pri tom se ne stvara temperatura koja bi dovela do

topljenja matrice, nema mikroskopskih pukotina na slojevima kompozita ili delaminacije slojeva.

Firma Flow je izradila estoosni obradni centar za obradu kompozitnih delova na bazi vodenog mlaza sa abrazivom koja se danas upotrebljava u firmi Mitsubishi za seenje velikih kompozitnih delova aviona Boeing 787, kao to su oplate krila, oplate krme pravca, ramenjaa krila i repova, oplate trupa i napadne ivice krila, itd. Obradni centar ima radni sto duine 36m i irine 9m koji ima fleksibilni sistem za prilagoavanje obradne glave sa vodenim mlazom i raunarski kontrolisane aktuatore, sve u cilju da se sklop obratka i obradne glave odri stabilnim.

Slika 14. Flow obradni centar sa glavom za seenje kompozita vodenim mlazom i abrazivom sa radnim

stolom duine 36 metara /5/

ZAKLJUAK

Nesporna je uloga koju savremeni kompozitni materijali imaju u savremenom vazduho-plovstvu. Njihovom primenom vazduhoplovi su postali bezbedniji, bri, moda skuplji za izradu ali jevtiniji u eksploataciji, itd. Strana iskustva pokazuju da je neophodna automatizacija procesa izrade ako se eli dobiti jevtinija a kvalitetnija kompozitna struktura. Primena kompozitnih materijala na borbenim avionima u budunosti zavisie od osvajanja i usvajanja novih tehnologija proizvodnje kompozita i njihove primene na novim konstrukcijama, kao i smanjenja vremena izrade velikih kompozitnih sklopova i cene korienja novih materijala primenom novih metoda proizvodnje. Istovre- meno, sadanje i nove generacije projektanata nuno e se prilagoditi filozofiji projektovanja kompozitnih vazduhoplovnih struktura.

Daljim razvojem u oblasti automatizacije i robotizacije proizvodnje kompozitnih delova i sklopova neminovno e se primena kompozitnih struktura sa vazduhoplovstva rairiti i na druge grane, kao to su automobilska industrija, brodogradnja i drugo.



LITERATURA /1/ Birch S., Aerospace proves its metal, SAE

International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 40-43, June 2008.

/2/ Costlow T., Composite designs benefit from blending, SAE International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 16-19, June 2009.

/3/ Costlow T., Light material brings heavy challenges, SAE International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 36-39, January/February 2008.

/4/ Gardner R., Automation in composite manufacturing, SAE International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 26-28, June 2009.

/5/ Michael M., Precision Cutting, Aviation Week & Space Technology, Page 50-51, September 7, 2009.

/6/ Morey B., The edge on cutting aerospace composites, SAE International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 10-15, August 2009.

/7/ Ott J., Cloth and Glue, Aviation Week & Space Technology, Page 44, January 19, 2009.

/8/ Perrett B., Keeping Secrets, Aviation Week & Space Technology, Page 39-40, February 9, 2009.

/9/ Rosenberg B., Composites come clean, SAE International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 32-35, October 2008.

/10/ Rosenberg B., Carbon fiber gets bigger footprint, SAE International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 28-31, April 2008.

/11/ Sampath K., Wang-Yang Ni, Kennametal makes the cut on composites, SAE International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 7-9, March 2009.

/12/ Whinnem E., Lipczynsky G., Eriksson I., Orbital drilling goes mainstream for the

Dreamliner, SAE International, Aerospace engineering & Manufacturing, page 7-9, March 2009.

/13/ Dassault Systemes, CATIA V5.R17, Composite material tutorial.

MODERN COMPOSITE MATERIALS IN DESIGN AND PRODUCTION OF AIRCRAFT STRUCTURES

Composite materials have been used in aircraft industry for many years. There are many undisputable advantages of composite materials in comparison to metallic aircraft structures, such as better strength to weight ratio, less maintenance time during exploitation, extended aircraft service life, less structural part count, less number of fastenings, better corrosion and fatigue performance, etc. The short overview of composite materials usage in military and civilian aircraft industry is presented in this paper. The modern technology attainments in design, production and mechanical processing of composite materials are shown. New achievements in automated laying up processes, such as multy-head machines, layer markings and quality control are presented. The Resin Transfer Molding RTM method with a gain to eliminate prepregs and huge refrigerators in composite structure production is also shown. Manufacturer endeavours to substitute expensive autoclaves with cheaper thermal ovens for resin polimerisation are highlighted. New breakthroughs in classical and orbital drilling of composite materials are presented.

Keywords: aircrafts, composite materials, design, production, processing Rad poslat na recenziju: 23.11.2009. godine

Rad spreman za objavu: 08.12.2009. godine

Documents

Savremeni Kompozitni Materijali u Vazduhoplovstvu