Bauweisen- und Technologieentwicklung für fortschrittliche Metallrumpf-Strukturen

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Jesko Buchholz
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1 Bauweisen-Kolloquium 2012, DLR Suttgart, Bauweisen- und Technologieentwicklung für fortschrittliche Metallrumpf-Strukturen Presented by Günter Broden, Airbus

2 Bauweisen- und Technologieentwicklung für fortschrittliche Metallrumpf-Strukturen Übersicht 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 Page 2

3 Ein Rückblick Page 3

4 Ein Rückblick Integralrumpf, Schweißtechnologien Fortschrittlicher kosteneffizienter Metallrumpf Validierung (Barrel entsp. Airbus LR) Geklebte Strukturen Verbesserte genietete Strukturen Integralkonzepte und Schalen, Rumpfnase Page 4

5 Bisherige Verwertungen Laserstrahlschweißen von Haut und Stringer A318 A380 A Neue Al-Werkstoffe: 6xxx (AlSiCu), 7xxx (AlZn) A380 A FML A380 Page 5

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

6 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 Notional Products NP Metallic Fuselage NP2015 (Derivative Products ) NP2020 (Incremental approach) NP2025 (Disruptive approach) R&T Baseline Concept Opportunity Concepts R&T Baseline C. + Opport. R&T Baseline Concept + Opportunities Page 6

Einordnen von Lösungen Zielgerichtete Entwicklung Entwickeln und Bewerten

Eine Betrachtung von Einzel-Technologien ist nicht ausreichend.

cost/weight/ risk Opportunities Baseline Eine geschlossene Lösung kann

7 Einordnen von Lösungen Zielgerichtete Entwicklung Entwickeln und Bewerten von geschlossenen Lösungen für die Komponente Rumpf. Eine Betrachtung von Einzel-Technologien ist nicht ausreichend. Low cost Opportunities Baseline Advanced Metallic Fuselage Medium cost/weight/ risk Opportunities Baseline Eine geschlossene Lösung kann auch eine (widerspruchsfreie) Kombination von SoA und neuen Technologien sein. Low weight Baseline Opportunities Page 7

Entwicklungsziele und Technologiefelder Architecture Teilefertigung MCA FAL Operations End of Life Entwicklungs ziele Gewichtsreduzierung, Leistungsfähigkeit, Design to Cost Reduzierung

8 Entwicklungsziele und Technologiefelder Architecture Teilefertigung MCA FAL Operations End of Life Entwicklungs ziele Gewichtsreduzierung, Leistungsfähigkeit, Design to Cost Reduzierung Materialkosten und Fertigungskosten Reduzierung Montage- Workload Reduzierung Durchlaufzeit Reduzierung Montage- Workload Reduzierung Durchlaufzeit In-Service Korrosionsfrei Ermüdungsfrei Robust Grünes Flugzeug Geringe Recycling Kosten Technologiefelder Neue Werkstoffe Innovative Bauweisen Kosteneffiziente Fertigung und Bauweisen Bauweisen für schnelle Montagekonzepte Bauweisen für schnelle Montagekonzepte Der Carefree Rumpf Demontage und Recycling Technologien Page 8

9 Technologieströme Multidisziplinärer Ansatz- Engineering to Operations 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 Extended Perimeter (DSS) Radikal neue Konzepte CEAMF FML SSF(Schale/Haut-Stringer-Spant) Integral Konzepte für Rumpfnasen- Komponenten Schalenkonzepte und für die Rumpfnase Page 9 CEAMF=Cost Efficient Advance Metallic Fuselage

Rumpfschalenarchitektur Rumpfschalen Robuste Baseline

Dünne Wandstärken Gewichtsreduzierung Robustes In-Service

Rumpfschalen Prägen das Rumpfkonzept Größter Gewichtsanteil

Erweiterter Perimeter Türumgebungen Alain Tropis presentation on

10 Rumpfschalenarchitektur Rumpfschalen Robuste Baseline Haut-Stringer-Spant Architektur Neue Zulassungskriterien (LDC) Dünne Wandstärken Gewichtsreduzierung Robustes In-Service Verhalten Kosteneffiziente und robuste Fertigung Fokus auf Rumpfschalen Prägen das Rumpfkonzept Größter Gewichtsanteil Größter Kostenanteil Alain Tropis presentation on AMD 2011 Erweiterter Perimeter Türumgebungen Alain Tropis presentation on AMD 2011 Radikale Konzepte Rumpfquerschnitt Verbesserter Versteifungstopologie Page 10 LDC= Large Damage Capability

Fortschrittliche Al-Werkstoffe Auswahlkriterien Eigenschaften Dichte Preis Werkstofftypen AlLi Legierungen AlCuLi Kennwerte Halbzeugformen Robuste Prozesse Halbzeuge: Bleche, Strangpressprofile,

(AlCuMg) Tensile Strength Ftu, 2198T851 (3,2-6mm) (AlCuLi) LT [%] 160 140 Yield Strength Density [%] - 6 120 Fty, LT [%] - 4-2 100 0 80 60 Fatigue stress E Modulus [%] (AFI), T-L [%] Fracture Fatigue

11 Fortschrittliche Al-Werkstoffe Auswahlkriterien Eigenschaften Dichte Preis Werkstofftypen AlLi Legierungen AlCuLi Kennwerte Halbzeugformen Robuste Prozesse Halbzeuge: Bleche, Strangpressprofile, Platten AlMgLi AlMgSc Legierungen Schmelzmetallurgisch hergestellt Halbzeug: Bleche RSP (erhöhter Sc-Gehalt möglich) FML (Fibre Metal Laminates) Bilder: Aleris Baseline 2524 (AlCuMg) 2524T351 (AlCuMg) Tensile Strength Ftu, 2198T851 (3,2-6mm) (AlCuLi) LT [%] Yield Strength Density [%] Fty, LT [%] Fatigue stress E Modulus [%] (AFI), T-L [%] Fracture Fatigue Toughness Crack Growth, [%] T-L [%] (R curve), T-L * Stress at 10E5 cycles ** K at 1E-2 mm/cyle ** *R curve: Keff at a=40mm Baseline 2524 (AlCuMg) 2524T351 (AlCuMg) Tensile Ko8542H116 (AlMgSc) Strength Ftu, LT [%] Yield Strength Density [%] Fty, LT [%] Fatigue stress E Modulus [%] (AFI), T-L [%] Fracture Fatigue Toughness Crack Growth, [%] T-L [%] (R curve), T-L * Stress at 10E5 cycles ** K at 1E-2 mm/cyle ** *R curve: Keff at a=40mm Page 11 RSP= Rapid Solidification Process

12 Fertigungsprozesse und Komponentenfertigung Prozessentwicklung und Industrialisierung Neue Werkstoffe Aktuelle Umweltregularien 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 Page 12

MCA/FAL-Konzepte/Bauweisen Großkomponenten-Montage

=> effizientere Nietechniken Pre-FAL Umfangsnähte

effizientere Nietechniken, reduzierte Anzahl FAL

Stringerkupplung =>effizientere Nietechniken,

13 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 Page 13 FAL= Final Assembly Line MCA= Major Component Assembly

Kosten-Gewichtstrends Perimeter: Rumpfschalen des Typischen

. Metallrumpf SA 1990 Techno New Requirements & Certification

Rules Materialkosten Effizientere Fertigungsverfahren LBW FSW

. Kosten (RC [ ]) Metallrumpf SA 1990 Techno 1990 Requirements &

14 Kosten-Gewichtstrends Perimeter: Rumpfschalen des Typischen Rumpfes Requirements & Certification Rules z.b.: Large Damage Capability Insp. Intervals Design Service Goal Delta p Druckrumpf.. Metallrumpf SA 1990 Techno New Requirements & Certification Rules Gewicht [Kg] Perimeter: Rumpfschalen des Typischen Rumpfes Kostentreiber der neuen Konzepte.: Architektur zu Erfüllung von New Requirements & Certification Rules Materialkosten Effizientere Fertigungsverfahren LBW FSW Umformen Automatisierung Großkomponenten-Montage.. Kosten (RC [ ]) Metallrumpf SA 1990 Techno 1990 Requirements & Certification Rules Metallrumpf SA New Techno: AlMgSc Concept New Requirements & Certification Rules Metallrumpf SA New Techno: AlLi Concept New Requirements & Certification Rules Page 14 SA=Single Aisle

15 Zusammenfassung und Ausblick Technologiereife fortschrittlicher Metallrumpfkonzepte (Kategorie Robuste Baseline für ein neues Kurz- und Mittelstreckenflugzeug entsprechend der fünf Kriterienfelder Performance Engineering Operational Manufacturing Value & Risk TRL1 TRL2 TRL3 TRL4 TRL5 TRL6 Basic Concept Preliminary assessment Feasibility demonstration Key feature demonstration Sub component near industrial environment Full scale in industrial environment Radikal neue Konzepte Rumpfschalen AlMgSc Konzept Neue Montagekozepte in MCA und FAL Rumpfschalen AlLi Konzept Page 15

Entwicklung von ganzheitlichen Lösungen für zukünftige kosteneffiziente Metallrümpfe Vielen Dank für die Aufmerksamkeit This document and all information

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16 Entwicklung von ganzheitlichen Lösungen für zukünftige kosteneffiziente Metallrümpfe Vielen Dank für die Aufmerksamkeit This document and all information contained herein is the sole property of AIRBUS Operations GmbH. No intellectual property rights are granted by the delivery of this document or the disclosure of its content. This document shall not be reproduced or disclosed to a third party without the express written consent of AIRBUS Operations GmbH. This document and its content shall not be used for any purpose other than that for which it is supplied. The statements made herein do not constitute an offer. They are based on the mentioned assumptions and are expressed in good faith. Where the supporting grounds for these statements are not shown, AIRBUS Operations GmbH will be pleased to explain the basis thereof. AIRBUS, its logo, A300, A310, A318, A319, A320, A321, A330, A340, A350, A380, A400M are registered trademarks. Page 16

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