Hybride Werkstoffe und Strukturen für f r die Luftfahrt

Transkript

1 Hybride Werkstoffe und Strukturen für f r die Luftfahrt Werkstoff-Kolloquium 2006 Joachim Hausmann,, Frank Kocian, Heinz Voggenreiter DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v.

2 Inhalt Hybride Metall/CFK-Strukturen am Beispiel der Entwicklung einer hybriden Fanschaufel Konzeption und Auslegung Werkstoffprüfung Fertigung Relevanz und Potential für Rumpf- und Auftriebsstrukturen für Luftfahrzeuge Vorarbeiten zu Faser-Metall-Laminaten Zusammenfassung und Ausblick

3 Hybride Fan-Schaufel zwei Design-Konzepte Interdisziplinäre Zusammenarbeit mehrerer DLR-Institute im Projekt NDV 4.5 Institut für Antriebstechnik Institut für Aeroelastik Institut für Werkstoff- Forschung Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung

4 Werkstoff- und Design-Konzepte Faserverstärkte Titanmatrix- Verbundwerkstoffe (TMC) CF-PEEK / Titan Hybrid-Blatt

5 Grundidee der CFK-Hybrid Fanschaufel Ziele: Reduktion des Strukturgewichts Widerstand gegen Erosion und FOD durch metallische Anströmkante Reduktion der Blatt-Rotationsenergie hinsichtlich eines Schaufelverlustes Erhöhte strukturelle Dämpfung Hybride Fanschaufel für NDV 4.5 Konstruktionsgrundsätze: Nutzen der inhärent guten Haftfestigkeit zwischen CF-PEEK und Titan Ausnutzen einer großen Fügefläche, die nicht primär belastet wird, da sie in radialer Ebene liegt.

6 CFK-Hybrid Fanschaufel mit doppelseitiger Fügung Blick auf die Druckseite CF-PEEK Blick auf die Saugseite Fügeflächen Titan

7 AA Modellierung der hybriden Blisk FEM Modell: Blatt: HEXE8, 287 QUAD4, 782 SHELL4 Elemente - 25 Properties Scheibe: HEXE8 Elemente Material : - Ti6/4, CF-PEEK (basierend auf UD-Prepreg) Belastung: - Trägheitskräfte, aerodynamische Druckverteilung, Temperaturlasten

8 Schälspannung in der Fügefläche Nichtlineare Analyse 4.18 [MPa] 2.63 [MPa] Maximum 4.18 MPa Druckseite Saugseite

9 Schubspannung in der Fügefläche Nichtlineare Analyse 23.0 [MPa] 14.2 [MPa] Maximum 23.0 MPa Druckseite Saugseite

10 Herstellung eines Demonstrators Wachskern für Titanfeinguss Titan-Rohling

11 Aufbau der CF-PEEK-Lagen Festlegung des Lagenaufbaus durch FEM-Analyse Definition der Lagenzuschnitte durch CAD Zuschneiden der Einzellagen durch Wasserstrahlschneiden

12 Konsolidierung und Fügung der CFK-Endfahne Lagenaufbau und Titanrohling werden in die Negativform gegeben Einbringen der geschlossenen Form in einen Vakuumsack Konsolidierung und Fügung des Titan- CFK-Interfaces erfolgt in einem Arbeitsschritt

13 Hybrid-Proben für HCF-Versuche Probenfertigung mit einfacher und doppelseitiger Schäftung Anregung mit Eigenfrequenz im 2. Biegemode Vergleich der Dehnungsenergie im Interface zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Steifigkeiten Doppelseitige Schäftung erreicht fast die spezifische Dehnungsenergie von monolithischen Titanproben

14 Ergebnisse der HCF-Versuche mass Spezifische specific Dehnungsenergie strain energy density [J/kg] [J/kg] CFK Titan titanium single lap single lap from individual plies double lap inverted double lap (CFRP clamped) 0 1,00E ,00E ,00E ,00E Lastzyklen cycles

15 Bestimmung der Interface-Scherfestigkeit Double Lap Shear ASTM D APC-2/AS4 APC-2/IM7 Scherfestigkeit Strength [MPa] [MPa] Temperatur Tempertature [ C] [ C]

16 Optimierung der Interface-Eigenschaften Vergleich der Zugfestigkeit einer Ti-PEEK-Verbindung bei unterschiedlichen Oberflächenvorbehandlungen F Zugfestigkeit [MPa] F 0 Mechanisch Oxydiert Mech.+Oxyd. Geschliffen Chemisch Oberflächenvorbehandlung

17 Hybride Fan-Schaufel für NDV - Status Experimentelle Bewertung der Verbindungstechnik und Beurteilung der Belastbarkeit auf Probenniveau ist abgeschlossen Anpassung der FEM-Modellierung auf hybride Strukturen wurde erfolgreich nachgewiesen Demonstration eines werkstoffgerechten Fertigungsverfahrens Tests an der kompletten Struktur sind in Vorbereitung Massenreduktion des Blattes im Bereich von 15% bis 20%

18 Faser-Metall-Laminate als Basis neuer Luftfahrtstrukturen Ziele und Einsatzmöglichkeiten Ziele: Umformbarkeit wie Metalle Schadens- und Impact-Toleranz wie Glare Steifigkeit und Festigkeit wie CFK Hohes Leichtbaupotential Möglicher Hybrid-Werkstoff: Titanfolien mit thermoplastischem CF-PEEK Ti CF-PEEK Ti CF-PEEK Ti

19 Thermoplastisches Titan-CFK-Laminat Umformversuch Lagenaufbau

20 Relevanz der Ergebnisse für Luftfahrtstrukturen Hybride Struktur Übergang zwischen zwei Werkstoffklassen, z.b. CFK-Titan Beispiel: Metallspante auf CFK-Haut Hybrides Werkstoffsystem Vereinigung von zwei Werkstoffklassen zu einem Strukturwerkstoff Beispiel: Faser-Metall-Laminat

21 Potenzielle Einsatzgebiete für Titan-CFK-Laminate Slats Triebwerkseinläufe Flaps Anströmkanten Überall wo Impact-Toleranz zusammen mit struktureller Steifigkeit gefordert sind

22 Forschungsbedarf Interface optimale Anbindung und Oberflächenvorbehandlung Matrixsysteme Herstellung, Eigenschaften, Temperaturbeständigkeit Lagenaufbau Faserorientierung, Verhältnis Ti/CFK Korrosion, Witterung Feuchtigkeit, Wechselwirkung C/Ti Umformung Möglichkeiten, Grenzen Alle Punkte werden durch die Anwendung numerischer und experimenteller Methoden effektiv weiterentwickelt

23 Zusammenfassung und Ausblick Das Titan-CFK-Interface wurde für die NDV-Schaufel entwickelt und untersucht. Die technologische Machbarkeit ist nachgewiesen. Numerische Modellierungstechniken für die Hybrid-Struktur wurden entwickelt. Eine Übertragung der Technologie auf hybride Strukturen und hybride Werkstoffsysteme eröffnet neue Möglichkeiten für Metall-CFK-Mischbauweisen Werkstoffsysteme mit einzigartigen Eigenschaftskombinationen. Numerische und technologische Methoden werden derzeit weiter entwickelt, insbesondere für Faser-Metall-Laminate.

24 Danksagung Herrn Karsten Reifegerste (DLR Stuttgart) für die Herstellung der Titan-CFK-Laminate Herrn Henning Artmann (TU Dresden) für die Arbeiten zum Einfluss Oberflächenvorbehandlung VO-L für die Bereitstellung einer Doktorandenstelle zur weiteren Bearbeitung des Themas

25 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!