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Bauweisen- und Technologieentwicklung für fortschrittliche Metallrumpf-Strukturen

26. Juni 2012 R&T Fuselage Structure/Broden

Presented by Günter Broden, Airbus

Bauweisen-Kolloquium 2012, DLR Suttgart, 26. Juni 2012

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Bauweisen- und Technologieentwicklung für fortschrittliche Metallrumpf-Strukturen Übersicht • Metallrumpf R&T bei Airbus

• Ein Rückblick • Gegenwart und Zukunft

• Einordnen von Lösungen • Anforderungen/Zeitschiene/WBS • Entwicklungsschwerpunkte/Technologieströme

• Komponenten Architektur und Integration • Al-Werkstoffe • Fertigungsprozesse und Komponentenfertigung • Komponente-Montage/FAL

• Kosten- und Gewichtstrends • Zusammenfassung und Ausblick


Metallrumpf R&T bei Airbus Ein Rückblick



Metallrumpf R&T bei Airbus Ein Rückblick


Integralrumpf, Schweißtechnologien

Validierung (Barrel entsp. Airbus LR)

Geklebte Strukturen

Fortschrittlicher kosteneffizienter Metallrumpf

Integralkonzepte und Schalen, Rumpfnase

Verbesserte genietete Strukturen


Metallrumpf R&T bei Airbus Bisherige Verwertungen


Laserstrahlschweißen von Haut und Stringer

• A318 • A380 • A340-600

FML

Neue Al-Werkstoffe: 6xxx (AlSiCu), 7xxx (AlZn)

• A380

• A380 • A340-600


Metallrumpf R&T bei Airbus Gegenwart und Zukunft • Zeitweise Unterbrechung der Einführung und Nutzung von R&T

Metallrumpf-Ergebnissen für Airbus Flugzeuge durch die Entscheidung für einen Composite Rumpf der A350XWB

• Noch nicht umgesetzte Konzepte & Potentiale => Aufsetzpunkt für das LuFo Projekt MERGE in 2005: Integration der Technologiebausteine Metallrumpf • Architektur & Integration • Werkstoffe • Prozesse • Fertigung und Montage

• Verwertungsperspektiven • Derivate (spin-offs) • Zukünftige Airbus Flugzeuge

• Robuste „Baseline“ Technologien • „Radikal neue“ Lösungen


2011 2012 2014 2016 2018 2020

NP2015 (Derivative Products 2013-18)

NP2020 (Incremental approach)

NP2025 (Disruptive approach)

R&T Baseline ConceptOpportunity Concepts

R&T Baseline Concept + Opportunities

+ Opport.

Notional Products NP„Metallic Fuselage“

R&T Baseline C.


Metallrumpf R&T bei Airbus Einordnen von Lösungen


Advanced Metallic Fuselage

Low cost

Medium cost/weight/

risk

Low weight

Baseline

Opportunities

Baseline

Opportunities

Baseline

Opportunities

Zielgerichtete Entwicklung

• Entwickeln und Bewerten von geschlossenen Lösungen für die Komponente Rumpf.

• Eine Betrachtung von Einzel-Technologien ist nicht ausreichend.

• Eine geschlossene Lösung kann auch eine (widerspruchsfreie) Kombination von SoA und neuen Technologien sein.


Metallrumpf R&T bei Airbus Entwicklungsziele und Technologiefelder


Architecture Teilefertigung

MCA FAL Operations

End of Life

Entwicklungsziele

Gewichtsre-duzierung, Leistungsfähig-keit, Design to Cost

Reduzierung Materialkosten und Fertigungs-kosten

Reduzierung Montage-Workload Reduzierung Durchlaufzeit

Reduzierung Montage-Workload Reduzierung Durchlaufzeit

In-Service “Korrosionsfrei” “Ermüdungsfrei” “Robust”

“Grünes Flugzeug” Geringe Recycling Kosten

Technologie-felder

Neue Werkstoffe Innovative Bauweisen

Kosteneffiziente Fertigung und Bauweisen

Bauweisen für schnelle Montagekon-zepte

Bauweisen für schnelle Montagekon-zepte

Der “Carefree” Rumpf

Demontage und Recycling Technologien


Metallrumpf R&T bei Airbus Technologieströme

R&T Fuselage Structure/Broden 26. Juni 2012

Technologieströme •CEAMF AlMgSc (Schale/Haut-Stringer-Spant) •CEAMF AlLi SSF(Schale/Haut-Stringer-Spant) •CEAMF MCA/FAL Konzepte •CEAMF SSF (Schale/Haut-Stringer-Spant) Spin-off

Multidisziplinärer Ansatz- Engineering to Operations

•Extended Perimeter (DSS) •Radikal neue Konzepte •CEAMF FML SSF(Schale/Haut-Stringer-Spant) • Integral Konzepte für Rumpfnasen-Komponenten

•Schalenkonzepte und für die Rumpfnase

CEAMF=Cost Efficient Advance Metallic Fuselage


Metallrumpf R&T bei Airbus Rumpfschalenarchitektur Rumpfschalen • Robuste Baseline

• Haut-Stringer-Spant Architektur • Neue Zulassungskriterien (LDC) • Dünne Wandstärken • Gewichtsreduzierung • Robustes In-Service Verhalten • Kosteneffiziente und robuste Fertigung

• Erweiterter Perimeter

• Türumgebungen

• „Radikale“ Konzepte • Rumpfquerschnitt • Verbesserter Versteifungstopologie


Alain Tropis´presentationon AMD 2011

Alain Tropis´presentation on AMD 2011

LDC= Large Damage Capability

Fokus auf Rumpfschalen •Prägen das Rumpfkonzept •Größter Gewichtsanteil •Größter Kostenanteil


Metallrumpf R&T bei Airbus Fortschrittliche Al-Werkstoffe Auswahlkriterien

• Eigenschaften • Dichte • Preis

• Werkstofftypen • AlLi Legierungen

• AlCuLi • Halbzeuge: Bleche, Strangpressprofile, Platten

• AlMgLi • AlMgSc Legierungen

• Schmelzmetallurgisch hergestellt • Halbzeug: Bleche

• RSP (erhöhter Sc-Gehalt möglich) • FML (Fibre Metal Laminates)


Kennwerte Halbzeugformen Robuste Prozesse

Bilder: Aleris

RSP= Rapid Solidification Process

60

80

100

120

140

160

Tensile Strength Ftu,

LT [%]

Yield Strength Fty, LT [%]

Fatigue stress (AFI), T-L [%]

Fatigue Crack Growth,

T-L [%]

Fracture Toughness

[%](R curve), T-L

E Modulus [%]

Density [%]

Baseline 2524 (AlCuMg)2524T351 (AlCuMg)

2198T851 (3,2-6mm) (AlCuLi)

0-2

- 4- 6

* Stress at 10E5 cycles**∆K at 1E-2 mm/cyle ** *R curve: Keff at ∆a=40mm

60

80

100

120

140

160

Tensile Strength Ftu,

LT [%]

Yield Strength Fty, LT [%]

Fatigue stress (AFI), T-L [%]

Fatigue Crack Growth,

T-L [%]

Fracture Toughness

[%](R curve), T-L

E Modulus [%]

Density [%]

Baseline 2524 (AlCuMg) 2524T351 (AlCuMg)

Ko8542H116 (AlMgSc)

0-2

- 4- 6

* Stress at 10E5 cycles**∆K at 1E-2 mm/cyle ** *R curve: Keff at ∆a=40mm


Metallrumpf R&T bei Airbus Fertigungsprozesse und Komponentenfertigung

• Umformen

• Relaxationsumformen von AlMgSc-Hautfeldern

• Streckziehen von AlCuLi • Beplankung • Spante

• Fügen • Laserstrahlschweißen Haut-Stringer • Reibrührschweißen (Haut-Haut) in der

Schalenfertigung • Kleben von Haut-Stringer und Haut-Doppler


Prozessentwicklung und Industrialisierung •Neue Werkstoffe

•Aktuelle Umweltregularien


Metallrumpf R&T bei Airbus MCA/FAL-Konzepte/Bauweisen • Großkomponenten-Montage (MCA)

• Längsnähte => FSW Technologie • Spantkupplung => effizientere

Nietechniken • Pre-FAL

• Umfangsnähte => FSW Technologie • Stringerkupplung => effizientere

Nietechniken, reduzierte Anzahl

• FAL • Umfangsnaht => Zugbolzenverbindung,

FSW • Stringerkupplung =>effizientere

Nietechniken, reduzierte Anzahl


FAL= Final Assembly Line MCA= Major Component Assembly


Kosten-Gewichtstrends Perimeter: Rumpfschalen des „Typischen Rumpfes“


Gewicht [Kg]

Kosten (RC [€])

Metallrumpf SA 1990´ Techno 1990´ Requirements & Certification Rules

Metallrumpf SA 1990´ Techno New Requirements & Certification Rules

Metallrumpf SA New Techno: AlMgSc Concept New Requirements & Certification Rules

Metallrumpf SA New Techno: AlLi Concept New Requirements & Certification Rules

Requirements & Certification Rules z.B.: •Large Damage Capability •Insp. Intervals •Design Service Goal •Delta p Druckrumpf •…..

Kostentreiber der neuen Konzepte.: •Architektur zu Erfüllung von New Requirements & Certification Rules •Materialkosten •Effizientere Fertigungsverfahren

• LBW • FSW • Umformen • Automatisierung • Großkomponenten-Montage

…..

Perimeter: Rumpfschalen des „Typischen Rumpfes“

SA=Single Aisle


Metallrumpf R&T bei Airbus Zusammenfassung und Ausblick


TRL1 Basic Concept

TRL2 Preliminary assessment

TRL3 Feasibility

demonstration

TRL4 Key feature

demonstration

TRL5 Sub component near

industrial environment

TRL6 Full scale in

industrial environment

Performance Value & Risk Engineering Manufacturing Operational

Technologiereife fortschrittlicher Metallrumpfkonzepte (Kategorie „Robuste Baseline“ für ein neues Kurz- und Mittelstreckenflugzeug entsprechend der fünf Kriterienfelder

Rumpfschalen AlMgSc Konzept

Rumpfschalen AlLi Konzept

Neue Montagekozepte in

MCA und FAL

Radikal neue Konzepte



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Entwicklung von ganzheitlichen Lösungen für zukünftige kosteneffiziente Metallrümpfe

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Metallrumpf R&T bei Airbus

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