b5-materiales estrategicos.pdf
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Escuela Superior de Ingeniería
Máster Universitario en Ingeniería
Fabricación
Actividades Complementarias
SEMINARIO: Ingeniería de Fabricación Aeronáutica
Materiales Aeronáuticos Estratégicos
E1 – MATERIALES – VISION 2020 Pág 83 - 84
ESTRUCTURAS Materiales
Aleaciones ligeras, bajo coste.
Composites. Salto cualitativo. Nano. Autoreparación, portador de señales, conductividad eléctrica…Biocomposites.
Materiales multifuncionales y soluciones integrales. Montaje Automatizado Soluciones de Componentes Fabricación: Fábrica eficiente. Innovación. Flexibilidad. Medio Ambiente
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Aeronautical Materials
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os
Network – Brain Smart
Self Reliant
Morphing
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os
Bionic Structures Biopolymer membrane
Composites
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os Plane Concept
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os A320
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Center Wing Box & Keel beam
J-Nose
Floor
Beams
for Upper
Deck
Wing Ribs
France Germany UK Spain Non-composite
Rear Pressure
Bulkhead
Belly fairing
Rear fuselage S-19
S-19.1
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os Requirements
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os Qualification
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os Metallic vs. Non Metallic
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os Automation
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os Inspections & Traceability
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os Environment
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Máster Universitario en Ingeniería
Fabricación
Actividades Complementarias
SEMINARIO: Ingeniería de Fabricación Aeronáutica
Materiales Aeronáuticos Estratégicos
E2 – MATERIALES METÁLICOS 1. Aluminio - Litio
Los primeros intentos de desarrollo de este grupo de aleaciones se desarrollaron en
Alemania en los años 20. Se han investigado aleaciones con hasta un 40 % de litio. La
primera aleación comercial con litio apareció en 1924. La composición de esta aleación
(Scleron) fue:
Al Zn Cu Mn Li
Base 12 3.0 0.6 0.1
En 1942, Le Baron comprueba el efecto endurecedor del litio en las aleaciones aluminio-
cobre. Alcoa realiza unas investigaciones a lo largo de los años 50 y comprueba que el
litio mejora el módulo elástico de las aleaciones de aluminio.
En 1957 aparece la aleación X-2020 cuya composición es:
Al Cu Li Mn Cd
Base 4.5 1.1 0.5 0.2
Se desarrolló para aportar una elevada resistencia a compresión y alta rigidez. No
presentaba graves problemas de corrosión pero su tenacidad era baja al ser muy
sensible a la entalla.
En la URSS se llevaron a cabo investigaciones en los años 60. Apareció la aleación
01420 con baja densidad y no muy buena tenacidad de fractura:
Al Mg Li Mn
Base 5 2 0.5
En los años 70 volvió a renacer el interés por las aleaciones aluminio-litio al abrigo de la
necesidad de ahorro energético y de la competencia con los materiales compuestos.
La densidad y el módulo elástico de las aleaciones aluminio-litio
El litio es el metal más ligero. Su densidad es 0.53 g/cm3. El interés de su adición en las
aleaciones de aluminio radica en la reducción de densidad que se consigue.
La fórmula de Peel sirve para cuantificar el efecto de cada uno de los aleantes en la
densidad de la aleación de aluminio (Y en particular, el efecto del litio, el cual está
afectado por el coeficiente 0.079)
Densidad (g/cm3) = 2.71 + 0.024Cu + 0.018Zn + 0.022Mn - 0.079Li - 0.01Mg - 0.004Si
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5.2 Metallic Materials
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os
A380 - Wing Metallic Materials
WING BOX
Upper skin
MOVEABLES
- Spoilers / o-flaps / Ailerons CFRP
- Droop nose / slats skin (2xxx) ribs (7xxx)
- Inner flap skin (2xxx) stringers (7xxx)
OUTER WB
Lower skin
stringers
WING BOX
lower skin WING BOX
Spar / Ribs FIXED L/E
OUTER WB
upper skin
stringers
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os
Fixed Leading Edge:
Thermoplastics
WING BOX
Lower Skin:
Al 2024 HDT/2024A T351
[Al 2027 T351]
Lower Stringers:
Al 2026/2027 T3511
[Al 2027 T3511]
WING BOX
Upper Skin:
Al 7055 T7951
Al 7055/ 7449 HF T7951
[Al 7056 T79x]
Upper Stringers:
Al 7055 /7449 T79511
[Al 7449 T79511]
OUTER WING BOX
Upper Skin: Al 7010 T7651
Upper Stringers: Al 7055 /7449 T79511
[Al 7449 T79511]
Lower Skin: Al 2024 HDT/2024A T351
[Al 2027 T351]
Lower Stringers: Al 2026/2027 T3511
[Al 2027 T3511]
MOVEABLES
Droop nose & Slats: Al 2024 T42 Skin & Ribs – 7040 T7651 Ribs
Spoilers: composite CFRP
Inner Flap: Al 2524 T351 skin & 7349 T762 stringers
Outer Flaps: composite CFRP
Ailerons: composite CFRP
WING BOX
Spars:
Al 7085 T7651-T7652(4) / 7040 T7651
Ribs:
Composite CFRP
Al 7085 T7651
A380 - Wing Metallic Materials m
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s Al - Li
Cockpit floor beams
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Fibre – Metal Laminates [FML] Glare
Al
2024 T3
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os
Nacelles - skins - attachments - attachment ring - forward bulkhead
Pylon - several parts
Landing gear - several parts
Thrust Fittings
Trunion between inner flap and wing
Trailing Edge - Pintle fittings - Flap track 3 bracket
Leading edge FWD pylon brackets
Flap track Roller track
Roller Track
(Tl)
Slat track can SPF/welding
A380 – Titanium Alloys
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Fabricación
Actividades Complementarias
SEMINARIO: Ingeniería de Fabricación Aeronáutica
Materiales Aeronáuticos Estratégicos
E3 – MATERIALES NO METÁLICOS
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Non Metallic, Multifunctional and Hybrid Materials
Luis Rubio – Nov 2011
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os List of Contents
1. Market
2. Aerostructures & Development
3. Fan Cowl Case
4. ACCA
5. OPPORTUNITIES
(Struct + Prot + Mat + Mfg Proc)
6. Gallery
7. Debate
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1. MARKET m
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• Future scenario for Military Transport Aircraft:
– Low rate ( 100 a/c)
– Larger Size / Medium Size
– High Tech vs. Low Cost
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2. Future – AEROSTRUCTURES development
materials design
process
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os DEVELOPMENT WAY
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os Multispar wing box (atl & cocuring)
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Year 1 Year 2
1 2 3 Feasibility
Trials
Torsion box
design
Tooling
Manufacturing
&
Inspection
Fuel tank test
Repair
Feasibility
Development
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• 1:1 scale demonstrator (segment of span)
• Flat skins
• Development of tooling, process & inspection concepts
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os 3. Example: FAN COWL
INLET FAN
COWL
REVERSA
INLET FAN
COWL
REVERSA
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os Case: FAN COWL > stiffeners
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Case: Fan Cowl – New & Future Concept
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4. ACCA
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5.1 LARGE STRUCTURES (Opportunities)
fuselage wing & empennage
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os ALCAS
ALCAS – fuselage shell manufacturing
Centro Bahía de Cádiz – Spain – EADS CASA
26/01/2011Prepared by: Luis Rubio
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• Electromagnetic & Lightning strike • Impact (Low & High energy)
5.2 Protections (Opp.)
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os 5.3 Materials (Opp)
Impact
Armour light materials
High Temperature
Nanomaterials
Out of Autoclave
In-situ Consolidation
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Need of Multifunctional Materials Manufacturing
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os NANO
• resin
• precursor
• prepreg
present
future
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5.4 Future Manufacturing Processes & Industrialization
• In-situ consolidation
• Out of Autoclave
• Thermoplastic Composites
Thermoplastic Composites
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os Manufacturing Processes
Lay -up
Stiffener forming
assembly
autoclave
Milling Trimming
inspection
Reparto por Operaciones
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OoA Automated Integrated processes
Preparation Bagging Inspection Demoulding
Trimming
Layup
Compaction Curing
Preparation Demoulding
Trimming
Layup, Compaction
Curing
Inspection
Standard process
Alternative process under development
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os OoA
• Out Of Autoclave
• VBO (Vacuum Bagging Only)
– Secondary Structures Fairing,
– Primary Structures Fuselage, Empennage, Wing
• Target:
– Low Void Content
– Autoclave Quality (Mechanical Properties)
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s OoA - Drawbacks
• Long Cure Cycles
• Compatibility with adhesives
• Surface Quality of Sandwich Parts
• Automation
• Materials Allowable Data: Time & Money
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os OoA - Advantages
• Lower p & T (vs. 200 F, 250 F, 350 F) (120 C, 180 C)
• Large Composite Structures
– Tooling: Simple & Cost Effective
– Less tooling / part mismatches (Lower T)
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os
OOA will become more predominant,” predicts Cytec’s Mark Ostermeier, but he warns that the aerospace industry will remain conservative.
“Bombardier’s LearJet has taken a major step by pursuing an all-composite OOA fuselage,” he observes,
“but most manufacturers of large commercial structures will probably wait and see.”
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os Ultrasonic Compaction
Principle
Mechanical vibration applied on the
laminate heat generation
Process parameters:
horn pressure
vibration amplitude
lay up speed
horn angle
Benefits
In-situ online debulking (voids elimination)
Net thickness material, surface homogeneity
Lightweight devices and flexible use: versatility (ATL, FP, FW)
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os Thermoplastics
METALOTECNIA Y MATERIALES INGENIERIA
Materiales Compuestos
05 - Materiales Compuestos Termoplásticos
Nesting / Trimming
Thermoplastic Composites
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os Thermoplastics
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os eBeam
e-
Ionization of monomers
crosslinking reaction
In-situ layer-by-layer curing
Fast curing
Polyaddition (chain polymerization)
Two main categories of monomers: acrylate
(radical) or epoxy (cationic)
Features of the facility
Low energy accelerator 200 keV – 3,2 mA
Energy depth penetration of 1-2 carbon
prepreg layers
Auto-control of the distance between the gun
and the laminate
Lead shielding of the room
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os Dry Fibre
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5. Gallery
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6. Debate • Trend: ¿Composite or Metal?
• Fuselage closed or open transversal sections
• New Materials
• Creative Design based on Engineering
• Development Cost & Lead Time reduction
• Weight vs. Industrialization / rate
• Design & Manufacturing walking together
• Automation
• Manufacturing Process reliability
• Efficient Inspections
• Technology: Opportunities and Threats (Emergent Countries)
• Present & Future ????????????????????
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Present:
• Large elements in composite materials
• Automated processes
• Know how to develop and certify new composite structures
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Future:
• Reduction in development time
• New materials and industrial processes to meet military transport A/C requirements
• Towards Out of Autoclave -> In situ Consolidation
• Thermoplastic structures