Leading Edge – Strukturbauweisenfür Flügel und Leitwerke

Dr.-Ing. Wolfgang DudenhausenInstitut für Bauweisen- und KonstruktionsforschungAbteilung „Rechnergestützte Bauteilgestaltung“

Vortragender:Dipl.-Ing. Frank KocianStellvertretenderAbteilungsleiter

Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

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Forschungsschwerpunkte Abteilung Rechnergestützte Bauteilgestaltung

Entwurf und Herstellung von Hochleistungsleichtbau-Strukturen

Laminarisierung

Verbindungstechnik

Automobilanwendungen

Triebwerksstrukturen

Hochauftriebskomponenten

Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

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Inhalt der Präsentation

- Überblick über das Vorgehen bei Bauweisen Untersuchungen am Beispiel eines Slats

- Beiträge zur Gewichts- und Kostenabschätzung

- Industriell umsetzbare Fertigungsentwicklung und der Adaption der Widerstandsschweißtechnik für CF-PEEK für Bauteile.

- Herstellung entsprechender Prototypen mit TRL5 (Airbus Definition)

Teil 1: Slat Projekt HighLift

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Außenhaut

Rippenflansche

Rippen

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Generische Struktur für Vorderkanten

Typische Beispiele:

• Flügel• Seitenleitwerk• Höhenleitwerk

Aerodynamische Vorderkanten für Auftriebssysteme

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Untersuchte Versionen eines DLR Slat

Absorber Version• Bauweisenstudien,• mögliche Herstellszenarien, • verfügbare und geeignete Materialien, • Kostenbetrachtung.

Deflector / Splitter Version

• Beide Versionen als CF-Peek-Bauweise bevorzugt

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DLR Slat Version (Absorber)

Bevorzugtes Absorbermaterial

Vorteile des Aluminiumschaums:

• Geringes Gewicht bei hoher Steifigkeit

• Hohe Fähigkeit zur Energieabsorption

• Nicht entflammbar und Klima resistent

• Rezyklierbar und gut formbar

• Keine Anisotropie

Rippe

Oberes Schalenpanel

hinteres Schalenpanel

Vorderer Spant

Faserverbundschale mit lokaler

Verstärkung

Crashabsorber

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Gewichts- und Kostenschätzung für Slat Version (Absorber)

Kosten- und Gewichtabschätzung für den Slat Dimensions ca. 3300 mm x 650 mm

Cost: C - fibre, UD reinforced

No. Part Material Density Thickness Area Weight PEEK PEKK PPS

1 Absorber ALU-foam 0,4 g/cm³ 49500 cm³19800 g 594,00 € 594,00 € 594,00 €

1 Leading edge CF-PEEK 1,6 g/cm³ 5 mm 17200 cm² 13760 g 2.972,30 € 2.062,49 € 942,28 €

1 Upper shell panel CF-PEEK 1,6 g/cm³ 2 mm 16500 cm² 5280 g 1.140,53 € 791,42 € 361,57 €

1 Rear shell panel CF-PEEK 1,6 g/cm³ 2 mm 21200 cm² 6784 g 1.465,41 € 1.016,85 € 464,57 €

1 Front spar CF-PEEK 1,6 g/cm³ 5 mm 10500 cm² 8400 g 1.814,48 € 1.259,08 € 575,23 €

12 Ribs CF-PEEK 1,6 g/cm³ 3 mm 370 cm² 2131 g 460,36 € 319,45 € 145,94 €

2 Ribs in front (outside) CF-PEEK 1,6 g/cm³ 3 mm 180 cm² 173 g 37,33 € 25,90 € 11,83 €

3 Force introduction ribs CF-PEEK 1,6 g/cm³ 10 mm 500 cm² 2400 g 518,42 € 359,74 € 164,35 €

Total weight approx. 58,73 kg

9.002,84 € 6.428,92 € 3.259,79 €

Costs per kg 216,01 € 149,89 € 68,48 €

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Untersuchung möglicher Auftreffwinkel Version (Deflector / Splitter)

CH

0,6 x CH

20,00°

25,00°30,00°

Material Splitter:

10mm CF-PEEK3mm Ti

Rippen:3mm CF-PEEK

Rippenabstand:unter Splitter 100mmüber Splitter keine Rippen

34,82°

24,09°

Optimierung des Konzeptes Deflector/ Splitter durch Untersuchung verschiedener Auftreffwinkel

Hintere Schale

Deflektorplatte

Rippe A

Rippe B

Vorderkante

Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

Estimate of weight for slat deflector / splitter Dimensions ca. 3300 mm x 650 mm

Cost: C - fibre, UD reinforced

No. Part Material Density Thickness Area Weight PEEK PEKK PPS

g/cm³ mm cm²

1 Deflector CF-PEEK 1,60 8,00 13200,00 16896 g 3.649,70 € 2.532,54 € 1.157,04 €

1 Extension of deflector CF-PEEK 1,60 5,00 8900,00 7120 g 1.537,99 € 1.067,22 € 487,58 €

1 Leading edge (top part) CF-PEEK 1,60 2,00 29650,00 9488 g 2.049,50 € 1.422,16 € 649,74 €

1 Leading edge (lower part) CF-PEEK 1,60 5,00 4900,00 3920 g 846,76 € 587,57 € 268,44 €

1 Rear shell panel CF-PEEK 1,60 2,00 11000,00 3520 g 760,36 € 527,61 € 241,05 €

10 Ribs Type A CF-PEEK 1,60 3,00 360,00 1728 g 373,27 € 259,01 € 118,33 €

32 Ribs Type B CF-PEEK 1,60 3,00 190,00 2918 g 630,40 € 437,44 € 199,85 €

3 Force introduction ribs CF-PEEK 1,60 10,00 250,00 1200 g 259,21 € 179,87 € 82,18 €

Total weight approx. 46,79 kg 10.107,19 € 7.013,41 € 3.204,21 €

Costs per kg 216,01 € 149,89 € 68,48 €

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Gewichts- und Kostenschätzung für Slat Version (Deflector/Splitter)

Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

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Material und Prozesse

- Bei der Vakuum-Konsolidierungs-Technik (VCT) kann ein Heiztisch oder ein Autoklav verwendet werden.

- Thermoplastische Matrixsysteme können verstärkt werden mit

- Glasfaser und- Kohlenstrofffaser,- PBO Faser (Feuchteabsorption in der Größenordnung von Glas- und

Kohlenstofffaser)- Die Verstärkung kann in Form von UD-Material oder Gewebe sein.

- Die Schweiß- und Klebetechniken sind Stand der Technik bei Airbus, EADS, DLR und Anderen.

Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

Material und ProzesseInformationen zu PBO Fasern (Poly(p-phenylene-2,6-benzoisoxazole))

ZYLON: ist eine Hochleistungsfaser, die von TOYOBO entwickelt wurde.

- Außergewöhnlich hohe Zugfestigkeit und E-Modul

- Auffallend gute Flammbeständigkeit und thermische Stabilität

Energieabsorption: Zugfestigkeit und E-Modul:

Thermische Stabilität und Entflammbarkeit:

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Herstellung thermoplastischer „Bleche“ Vakuumkonsolidierung und Umformung Heißpresstechnik für kurzfaserverstärktes PEEK

in formgebenden und lasttragenden Bereichen

Generisches Slat in thermoplastischer Bauweise (CF/PEEK)

Konsolidierung und Umformung

Bauweisen Konzepte für CF/PEEK

Integrale Bauweisen und Fügung

Schalen und Rippen für optimale Werkstoffausnutzung

Hybridisierung der Bauweise durch Einsatz von kurzfaserverstärktem PEEK und Metall

Integration von Blitzschutz- und Enteisungs-elementen durch angepasste Prozesse

Widerstandsschweißtechnik für Rippen- und Schalenverbindung

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Kombination von Kurz- und Endlosfaser verstärktem Composites

Ausgangsstruktur: Gepresste Sandwichplatte

Kurzfaser verstärktes Material

Endlosfaser verstärktes Material

Alternativ: Lokal aufgepresstes Kurzfasermaterial

Vorsicht: Die Kombination der verwendeten Materialien kann zu sehr hohen Eigenspannungen führen!Generalisierte Rippe nach dem Fräsen

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Entwicklung eines industriell verwendbaren Schweißprozesses

CF-Prepreg als Widerstandselement

VA-Gitter als Widerstand mit GF-PEEK

-700 mm

Große Widerstandsschweißanlage

Entwicklung geeigneter Widerstandsschweiß-elemente als auch der notwendigen Prozess-parameter für Bauteiltaugliche Schweißlängen.

VA-Gitter als Widerstand mit PEEK Matrix

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Widerstandsschweißung als Basis für die Fügung

• Umsetzung auf die real gekrümmte Vorderkanten-geometrie

• Eine Druckunabhängigkeit ist wichtig für das Schweißen steifer Unterstrukturen.

• Im Gegensatz zu Material-fügungen zwischen Endlosfaser verstärkten Materialien, können Formtoleranzen durch das Kurzfasermaterial kompensiert werden.

Plastische Deformation der Kurzfaser als Toleranzelement

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Fertigung und Beschuss eines generischen, thermoplastischen Slat (Airbus Deutschland GmbH) mit einem 4lbs Vogel bei 205 m/sec.

• Thermoplastische Struktur• Nutzung von Schweißverfahren• Rippen mit T-Flansch• Integriertes Anti-Icing System

Umgesetzte Slatversion für Vogelschlagtest

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Inhalt der Präsentation

- Überblick über das Vorgehen bei Bauweisen Untersuchungen am Beispiel der Vorderkante für ein laminares Leitwerk.

- Beiträge zur Ausprägung der Hybriden Laminarhaltung

- Herstelltechnik der Bohrungen

- Fertigungstechnik für die Nasenstruktur

- Herstellung entsprechender Prototypen

Teil 2: Laminare Leitwerksvorderkante Projekt LamAir

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Motivation

- Ziele Vision 2020- Emissionsreduktion - Weiterführung vorangegangener Forschungsaktivitäten- Hybrid Laminar Flow Control (HLFC) für zivile Luftfahrt nutzbar machen - DNW Large Lowspeed Facility (LLF) – 1:1 Windkanalversuche am

A320 Seitenleitwerk im Jahr 2014)

DLR Flugzeuge als Testträger zur Erprobung der Laminarhaltung

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Bauweisen – Einführung und Anforderung

Seitenleitwerk A320

Perforation

-Lochdurchmesser 50µm

-Lochabstand 500µm

ps, s, Ts

ws

pc, c, Tcwc

pd, d, TdIntegrierte Absaugpumpe

-Air

A320 Fin: Suction System Pressures and Velocities at VD

L/E Box 2, 1 Suction Duct, Pump On, 0° Yaw Angle

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

-0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

Surface Co-ordinate s/l

Pres

sure

[Pa]

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Suct

ion

Velo

city

[m/s

]

p surfp chamberp pipetotal pressurestatic pressuresuction velocity

H=16134ftMa=0.78=0°

Section:DV2Suc.Charac.D1

cq=0.00021

System data of L/E box 2Suction power 4,45 kW Pump power 10,0 kWTotal mass flow: 0,62 kg/s k /

0,3%spacing

standard porosity

Max hole speed: 41 m/s

cq,left=0.00011

cq,right=0.00011

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Bauweisenkonzepte

ALTTADoppelschalenkonzept

- Perforierte Außenhaut- Stege als Absaugkammer-

begrenzung- Innenschale mit Drossel-

öffnungen- Voll-Metallbauweise

BK-BauweisenSplitterkonzept

Außenhaut

SplitterAbsaugkammern

- Perforierte Außenhaut- Splitter als Impact-Schutz für

SLW-Holm- Hybrid FVK-Metall-Bauweisen

SLW-Holm SLW-Holm

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BK-MiOSMonolithic Outer Skin

AußenhautSplitter

Absaugkammern

BK-Bauweisenkonzepte

- Dickwandige Metall-Außenhaut- Absaugkammerung- Innenschale mit Drossel-

öffnungen

BK-HiOSHybrid Outer Skin

BK-THiOSTailored Hybrid Outer Skin

Außenhaut

Stege

Poröse Stützschicht

AußenhautSplitter

Absaugkammern

- Mehrlagig aufgebaute Außenhaut- Absaugkammerung- Innenschale mit Drossel-

öffnungen

Poröse Stütz-schichtStruktur-anbindung

Außenhaut

Außenhaut

Anbindung Außenhaut-Splitter

Splitter

- Mehrlagig aufgebaute Außenhaut- Absaugverteilung in Außenhaut

integriert- Keine Absaugkammerung

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A320 Fin: Suction System Pressures and Velocities at VDL/E Box 2, 1 Suction Duct, Pump On, 0° Yaw Angle

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

-0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20

Surface Co-ordinate s/l

Pres

sure

[Pa]

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Suct

ion

Velo

city

[m/s

]

p surfp chamberp pipetotal pressurestatic pressuresuction velocity

H=16134ftMa=0.78=0°

Section:DV2Suc.Charac.D1

cq=0.00021

System data of L/E box 2Suction power 4,45 kW Pump power 10,0 kWTotal mass flow: 0,62 kg/s k /

0,3%spacing

standard porosity

Max hole speed: 41 m/s

cq,left=0.00011

cq,right=0.00011

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- Anpassen der Außenhaut an geforderten Druckverlust- Keine konstruktive Kammeraufteilung notwendig

BK-THiOS Fertigungskonzept

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Fertigungsversuche Außenhaut

Oberfläche: Metallfolie 0,1mm; Mikroperforation (Ø 50µm)

Hinterstruktur: Metallgewebe

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Fertigungsversuche Außenhaut

Oberflächenanalyse mittels Interferometrie

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Fertigungsverfahren Mikroperforation

- Monolithische Außenhaut mit materialabhängiger Wandstärke von 0,6 - 0,8mm Aspektverhältnis der Bohrungen 1:12 – 1:16

- Hybrid-Außenhaut mit deutlich reduziertem Aspektverhältnis (bis 1:2)

- Grundsätzlich in Frage kommende Technologien:- Laserbohren (Einzelstrahlbohren, Perkussionsbohren)- Elektronenstrahlbohren- Fein-Ätzen

- Bearbeitungsdauer entscheidend (1 Loch pro Sekunde 46 Tage/m²)

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Fertigungsverfahren Mikroperforation

Laserbohren - sehr hohe Lochqualität erreichbar- hohe Repetitionsraten (bis zu 100Hz)- großes Aspektverhältnis realisierbar (max. 1:20)

Laser-gebohrtes Edelstahlblech (0,6mm)

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Fertigungsverfahren Mikroperforation

Elektronenstrahlbohren

- sehr große Repetitionsraten realisierbar (200Hz)

- hohes Aspektverhältnis möglich (max. 1:20)

Elektronenstrahl-gebohrtes Edelstahlblech (0,6mm)

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Fertigungsverfahren Mikroperforation

Fein-Ätzen- sehr hohe Lochqualität (Rundheit, Zylindrizität)- große Anzahl an Löchern gleichzeitig herstellbar- begrenztes Aspektverhältnis (max. 1:1,5)

Geätzte Edelstahlfolie (0,06mm)

Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

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Ergebnisse und Ausblick für LamAir

Neuartige Bauweisen führen zu:• Trennung der Anforderungen aus Aerodynamik, Struktur und

Fertigungstechnik• Verbessertem Verhalten bei Vogelschlag• Verbesserten und vereinfachten Fertigungsmöglichkeiten• Möglichkeit zum Einsatz von modernen Werkstoffen und

Werkstoffkombinationen Grundsätzliche Fertigbarkeit der Bauweisen nachgewiesen

Fortführen der Fertigungsversuche mit variierenden Stützschichten Verbesserung der Oberflächenqualität Machbarkeitsnachweis für große Strukturen Fertigung eines 1:1 Demonstrators für Windkanalversuche

Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

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Warum BK für neue Luftfahrtstrukturen Entwicklung neuer Bauweisen:

• Vom Design bis zum Prototyp aus einer Hand• Verwendung moderner, homogener oder hybrider Werkstoffe • Systemischer Ansatz mit interdisziplinären Lösungen• Fertigungs- und Fügetechniken auf Bauteilniveau

Einbeziehung der Zulassungsaspekte

Strukturtest statisch, dynamisch, Beschuss und HVI mit 1:1 Bauteilen

Aspekte der Produktionstechnik werden berücksichtigt

Zerstörungsfreie Prüfmethoden und Dokumentation während der Fertigung

Möglichkeit des Einbeziehens anderer Institute im DLR für spezielle Fragestellungen

Flugerprobung am DLR-Airbus möglich.

Dr.-Ing. Wolfgang Dudenhausen

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt

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Pfaffenwaldring 38 – 40

70569 Stuttgart

Dr.-Ing. W. Dudenhausen

+49 (0)711 / 6862 - 433

Dipl.-Ing. Matthias Horn

+49 (0)711 / 6862 - 754

W. Dudenhausen, F. Kocian, R. Keck, M. Horn, T. Hetzel, R. Steinheber

et. Al.