NLR brengt composieten vliegtuigen naar grote hoogte

Terwijl Europa zich inspant om de klimaatcrisis onder controle te krijgen, is de EU begonnen met het uitrollen van verschillende programma’s die gericht zijn om de status quo in bijna elk domein te doorbreken, allemaal met als doel duurzamer te zijn en onze ecologische voetafdruk te verkleinen. Voor de lucht- en ruimtevaartindustrie gaat het Clean Sky 2-initiatief met zijn multifunctionele-rompdemonstrator (Multifunctional Fuselage Demonstrator, MFFD) rechtstreeks naar de bron door de constructie van vliegtuigen zelf aanpakken. Het project wil onderzoeken hoe een overgang van traditioneel aluminium naar moderne versterkte composieten niet alleen de structuur verbetert maar ook de emissies aanzienlijk terugdringt.

Met de ambitie om een leidende rol te spelen in het MFFD-programma en het delen van zijn kennis van composietmaterialen is NLR, samen met zijn partners GKN Fokker, de Technische Universiteit Delft en het Duitse Diehl, begonnen aan een eigen project genaamd Stunning. Hier is het doel om aan te tonen en te valideren hoe het gebruik van composieten – meer specifiek: thermoplasten – kan helpen bij het realiseren van de volgende generatie vliegtuigen die dezelfde sterkte en duurzaamheid hebben als staal en aluminium, maar waarbij de totale tijd voor productie- en onderhoudsactiviteiten drastisch is verkort, alsmede het totale gewicht van vliegtuigen en de daarmee samenhangende emissies is teruggebracht.

‘De halve Europese lucht- en ruimtevaartindustrie is betrokken bij het MFFD-project, omdat iedereen zich echt verdiept in de verschillende productietechnieken, allemaal met het oog op duurzaamheid’, zegt Joachim de Kruijk, senior r&d-composieteningenieur bij NLR. ‘Bij dat onderzoek aan verschillende productieopties en materialen denken we dat we het doel van een duurzamere rompstructuur het best kunnen bereiken door de nieuwste generatie thermoplastische materialen te gebruiken. We zien dat een dergelijk materiaal veranderingen in de fabricagebenadering en ontwerptechnieken mogelijk kan maken die kunnen resulteren in veel lichtere vliegtuigen. Dat betekent dat er minder brandstof wordt verbruikt en dat de uitstoot van CO₂ en NO_X lager is – en dat alles met behoud van de sterkte en veiligheid die we verwachten van traditionele aluminium vliegtuigen.’

Wereldprimeur

Verschillende moderne vliegtuigen, zoals de Airbus A350 XWB en de Boeing 787 Dreamliner, gebruiken al composietmaterialen, zogeheten thermoharders, bij de constructie van onderdelen en beugels, en zelfs in de huid van de romp. In het Stunning-project kregen de experts van GKN Fokker en NLR echter de opdracht om zich te richten op de fabricage om hoge productiesnelheden van grote en structurele vliegtuigonderdelen mogelijk te maken.

‘Een van de echte verbeteringen die het gebruik van thermoplasten biedt, is dat dit materiaal tijdens het fabricage- en assemblageproces – in tegenstelling tot thermoharders – meerdere keren kan worden verwarmd om uniformiteit en hechting te garanderen’, legt De Kruijk uit. ‘Binnen Stunning was een van onze doelstellingen om te laten zien hoe de verschillende processen kunnen worden gecombineerd om zowel structurele als niet-structurele componenten te bouwen. Om dit te bereiken, wilden we de hele onderste helft van een romp bouwen om niet alleen inzicht te krijgen in de maakbaarheid van de huid van het vliegtuig, maar ook in de substructuren zoals de verstijvingselementen onder de huid en andere structurele stukken zoals vloerbalken, delen van de cabine en zelfs laaddeuren.’

Met deze ambitieuze doelen in het achterhoofd testten de medewerkers verschillende fabricagetechnieken om de talrijke onderdelen en constructies te bouwen die in een romp moesten worden geïntegreerd. Voor NLR betekende dit het testen van zijn kennis en productiecapaciteiten voor het grootste onderdeel van allemaal, de onderbuik van de rompstructuur. Met behulp van zijn eigen ultramoderne geautomatiseerde vezelplaatsingsmachine slaagde het daarin en bouwde het de onderste helft van de romphuid: één gigantisch stuk, met een lengte van 8,5 meter lang en een diameter van 4 meter – het grootste thermoplastische deel ooit gemaakt in de wereld.

Onderscheidende factoren

Dit was zeker geen geringe prestatie, omdat het simpelweg nog niet eerder was gedaan. Waar composietmaterialen zoals thermoharders in toenemende mate worden gebruikt in de vliegtuigbouw, zijn grote thermoplastische onderdelen relatief nieuw in het veld, wat ook betekent dat het in verhouding iets duurder kan zijn. Maar volgens De Kruijk klopt dat alleen als je naar de nominale prijs kijkt, want de voordelen wegen ruimschoots op tegen de investering.

‘Omdat ze nieuwer zijn en vanwege hun eigenschappen zijn thermoplasten iets duurder dan thermoharders. Maar er zijn verschillende onderscheidende factoren die het gebruik van dat nieuwe materiaal de moeite waard maken. Thermoplasten zijn bijvoorbeeld lichter dan thermoharders omdat ze taaiere matrixmaterialen zijn en ze zijn beter bestand tegen stootschade, wat belangrijk is’, benadrukt De Kruijk. ‘Buiten dat is het vooral hoe je het materiaal kunt gebruiken in de productie. Om verschillende onderdelen of stukken thermoplast met elkaar te verbinden, hoef je het materiaal alleen maar te verhitten. Dat betekent dat we af zijn van de honderdduizenden klinknagels en andere bevestigingsmiddelen die conventionele vliegtuigen bij elkaar houden. Dat leidt zonder twijfel tot nog grotere gewichtsbesparingen.’

Een ander onderwerp waar NLR onderzoek naar heeft gedaan, is het inspecteren, onderhouden en repareren van vliegtuigen die zijn gemaakt van thermoplasten. Op dit moment is het gebruik van grote composietonderdelen in vliegtuigen enigszins beperkt, wat betekent dat er veel minder gegevens en ervaringen zijn op het gebied van inspectie, onderhoud en herstelbaarheid.

‘We werken aan de ontwikkeling van technologie voor een aantal niet-destructieve inspectietechnieken voor vliegtuigen, zoals thermografie en shearografie, maar die methodes zijn nog niet volwassen. We gebruiken ultrasone inspectie om defecten en problemen op te sporen, maar dat kan een tijdrovend proces zijn’, stelt De Kruijk. ‘De huidige inspectie van en het onderhoud aan conventionele vliegtuigen verlopen echter ook traag. Vanwege de aard van thermoplasten, met de mogelijkheid om opnieuw te worden verwarmd en aan elkaar te worden gelast, zien we dat onderhoud veel sneller kan worden gedaan dan bij traditionele vliegtuigen. Stel je eens voor hoeveel tijd je kunt besparen als je niet elke klinknagel in de hele constructie afzonderlijk met de hand hoeft te controleren.’

Integratie

Vanwege de grootte van de uiteindelijke huid produceerde NLR twee segmenten. Na de voltooiing van het tweede deel van de onderste romphuid is de volgende stap het samenvoegen van de twee 90-graden segmenten tot een 180-graden romphuidsegment. Om dit te doen, is echter een zeer grote autoclaaf nodig die in staat is om de extreem grote stukken zowel te omvatten als te verwarmen. Omdat er in Nederland niet zo’n autoclaaf beschikbaar is, gaan de twee helften naar Duitsland voor integratie. Te midden van de Covid-19-pandemie en reisbeperkingen is deze stap van het project echter meerdere keren vertraagd.

‘Zodra we de hele constructie terug hebben, kunnen we starten met het gedetailleerde niet-destructieve inspectieproces om de kwaliteit van de hele onderste romphuid te verifiëren’, zegt De Kruijk. ‘Daarna verschepen we het naar onze partners bij GKN Fokker, waar de verschillende onderdelen die in het Stunning-project zijn ontwikkeld volledig kunnen worden geassembleerd en geïntegreerd.’

Dit artikel is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met NLR.