3 Genomförande
4.5 Kompositmaterial
Kompositartiklar blir allt vanligare i den primära strukturen hos civila flygplan (Chouvion, et al., 2011). Komposit är ett unikt material sett till konstruktions- och tillverkningsprocessen, eftersom tillverkningsutrustningen, verktygen, inspektionsutrustningen och processen har en förutbestämd effekt på designen (NASA, 2005). Samtidigt som användningen av kompositmaterial ökar inom flygindustrin blir också konkurrensen mer intensiv. Det är då viktigt att lösa de tillverkningsproblem som berör komposit för att kunna upprätthålla konkurrensnivån. (VISTAGY, 2009) Antalet tillämpningsområden för kompositer ökar snabbt, vilket gör att utvecklingsarbetet inom kompositer också är intensivt. (Verkstäderna , 2010) Implementeringen av nya material och teknologier kräver stegförändringar i flygteknikens tillvägagångssätt när det kommer till konstruktion (Marsden, et al., 2011).
4.5.1 Varför kompositmaterial?
Kompositmaterial ger möjlighet till en stor designfrihet och ett litet behov av underhåll. Det ger även unika möjligheter för konstruktion och tillverkning av produkter med optimal prestanda. Dock är kunskapen om komposit fortfarande relativt listen. (Sjögren, 2012)
Ett vanligt argument för att öka användningen av komposit i flygplansstrukturer är förväntningarna på reducerad kostnad, vikt och komponentantal (Marsden, et al., 2011). En lyckad kompositkonstruktion kan ge bra designflexibilitet, lättare komponenter, förenklade tillverknings- och installationsmetoder, hög korrosionsbeständighet och hög utmattningsstyrka jämfört med vanliga metallstrukturer. Prestandan hos kompositmaterial i flygplansapplikationer är högre än materialstrukturen i såväl stål som aluminium, och komposit kan anpassas specifikt till de önskade designkriterierna. (NASA, 2005) Komposit är ett bra alternativ till stål om man ser till dess styrka och styvhetsegenskaper när man strävar efter att skapa en produkt med låg vikt, vilket är ett av de viktigaste kraven inom flygindustrin (NASA, 2005; Sjögren, 2012).
Det är viktigt att tidigt i tillverkningsprocessen för komposit fastställa materialets önskade egenskaper. Forskningen visar att det är bättre att först se till materialets möjligheter innan konstruktionen fastställs. Under konceptutvecklingen av kompositartiklar bör först alla kritiska designparametrar bestämmas, såsom geometriska begränsningar, för att fastställa den tillåtna designflexibiliteten. Sedan borde även en jämförelse och viktning göras mellan vikt, kostnad och producerbarhet innan det första designkonceptet utvecklas. (NASA, 2005)
Konstruktörerna måste ta hänsyn till kostnaden när de fattar beslut som rör konstruktionen då tillverkningskostnaden bestäms tidigt i utvecklingsprocessen. Ett vanligt sätt att reducera tillverkningskostnaden på är att integrera flera delar till en, kompositmaterial tillåter till stor del detta. Det är dock viktigt att utvärdera kostnaden kopplat till geometrikomplexitet hos komponenten och kapaciteten för komposittillverkning. Konstruktören bör ta hjälp av designmetoder för att kunna välja de tillverkningstekniker som är bäst lämpade för geometri- och strukturkriterierna för den enskilda komponenten. En stor del av kostnaden för tillverkning är kopplad till arbetet med oplanerat underhåll och byte av komponenter, något som ofta inte har tas med i kostnadsberäkningar under
35 konstruktionsfasen. Att använda kompositmaterial till flygplansskrovet kan bidra till stora kostnadsreduktioner eftersom komponenter i komposit ger förbättrat utmattningsmotstånd och skadetoleranser. (Marsden, et al., 2011)
4.5.2 Hur kompositmaterial tillverkas
Komposit är en kombination av två eller flera material med olika egenskaper som sammanfogas för att skapa ett nytt material med specifika egenskaper och önskad form och struktur (NASA, 2005; Verkstäderna , 2010). När en kompositstruktur tillverkas beror tillverkningstekniken på önskemålen som finns om materialets prestanda, formstruktur och produktionstakt. Det är viktigt att se till de önskade egenskaperna för varje komponent och ta hänsyn till vilka aspekter i tillverkningsprocessen som kan komma att påverka komponenten och dess monteringsbarhet. (NASA, 2005; VISTAGY, 2009) Vanligt är att fiber, strån, partiklar eller vävt material bäddas in en matris för att öka styvheten och hållfastheten hos materialet. Huvudmaterialen i matrisen är organiskamaterial, metaller och keramer. Kompositer tillverkas av laminat eller sandwichskikt3. En laminär komposit består av ett antal skikt ovanpå varandra med en typ av lim mellan som binder ihop skikten. Det finns flera känsliga tillverkningsfaktorer som måste kontrolleras vid tillverkning av komposit, bland annat värme och kylning, valstryck, maskinhastighet, bandspänning, härdningstemperatur och härdningstryck. (NASA, 2005) Kompositens egenskaper styrs inte enbart av vilken matris som används utan även valet av armeringstyp, de vill säga vilken utformning och längd fibrerna har. Långa och kontinuerliga fibrer som placerats i en viss riktning ger ett starkt och styvt material längs fiberriktningen men ett ganska svagt material tvärs fiberriktningen. För att undvika att materialet går sönder på grund av oförutsedda laster läggs fibrerna i olika riktningar. Valet av tillverkningsmetod har stor betydelse för vilken armeringstyp som ska användas eftersom olika armeringstyper har olika formbarhet och vävningsförmåga. (Sjögren, 2012) Vanligt förekommande i flygplanskroppar är plastkompositer som armerats med kolfiber, aramidfiber och kol-aramidfiber. Fibrerna binds då i matrismaterialet som kan vara en epoxiharts. (Verkstäderna , 2010)
4.5.3 Problematik
Ett stort problem vid utveckling av artiklar i kompositmaterial till flygplanstrukturer är att det finns ett stort glapp mellan forsknings- och utvecklingsarbetet och implementeringen av nya teknologier i de kommersiella produkterna. Att försöka minska detta glapp är viktigt för att skapa en lyckad övergång mellan nya tekniker från forskningsvärlden till den globala flygplansmarknaden. Många flygplanstillverkare gör det strategiska valet att ingå i demonstratorprogram för olika komponenter för att på så sätt tvingas till att implementera nya tekniker. Det ger en möjlighet att förbättra existerande produkter när det kommer till kostnad, vikt, utförande eller kundaccepterande. (Marsden, et al., 2011)
Några nackdelar kopplat till komposit är bland annat det höga priset, begränsad temperaturtålighet, komplicerat konstruktionsförfarande, långa tillverkningstider samt att det är svårt att återvinna (Sjögren, 2012).
Verktyg
Alla nya kompositmaterial som ska tillverkas kräver olika tillvägagångssätt, det är en utmaning att applicera rätt verktyg och processer. Skärande bearbetning av kompositer skiljer sig markant från att bearbeta metall, dessutom skiljer sig ofta bearbetningsegenskaperna hos olika kompositmaterial.
3
Sandwichskikt – Två tunna skivor sammanbundna av en tjockare kärna i cellplast. (Edshammar, 2007)
36
Bearbetningsegenskaperna för kompositmaterial är under ständig utveckling och efterhand som egenskaperna för kompositmaterial förbättras måste bearbetningstekniken utvecklas. Det är viktigt att det finns rätt verktyg för varje komposit och för de olika komponenternas kvalitetskrav. Borrning är den vanligaste bearbetningsmetoden för komposit samtidigt som det är en stor utmaning. Kompositmaterialet splittras lätt eller delamineras när borren äntrar eller lämnar hålet. (Verkstäderna , 2010)
Automatiserad tillverkning
Det finns många problem kopplat till tillverkning av flygplanskomponenter i komposit som kan lösas eller förbättras genom att använda sig av automatiserad tillverkning. Automatiserad tillverkning skulle innebära att den mänskliga interaktionen med ohärdat kompositmaterial minskar, vilket minskar riskerna för kompositförorening samtidigt som det ökar säkerheten för den anställda. För att kunna införa en automatiserad tillverkningsprocess krävs det att konstruktörer och analytiker samarbetar så att konstruktionen är utvecklad och anpassad för den valda tillverkningsmetoden. Det är viktigt att konstruktörerna har förståelse för tillverkningsprocessen så att de kan ta tillvara på fördelarna med den nya teknologin. En komponent som är konstruerad för manuell montering är kanske inte kostnadseffektiv när den istället tillverkas i en automatiserad process. Genom att utveckla processpecifika produkter kan kostnaden för tillverkning reduceras. (Marsden, et al., 2011)
Problematik kring förväntningarna på reducerad vikt och kostnad
Som nämnts innan har konkurrensen inom flygindustrin ökat vilket medfört ökade krav på bland annat kostnad vid utveckling och tillverkning av delsystem till flygplan. (Kihlman, 2005) Detta är en utmaning vid användning av kompositmaterial eftersom en stor del av tillverkningen av kompositartiklar sker manuellt, vilket gör att tillverkning för stora komplexa komponenter är mycket tidskrävande. Detta leder till att även enkla konstruktioner kan vara kostsamma för tillverkningen på grund av de många arbetstimmar som krävs för att planera arbetet. (Marsden, et al., 2011)
När en metallisk komponent i flygplansstrukturen ändras till en i komposit för att uppnå en lägre vikt måste hänsyn tas till hur detta påverkar andra subsystem i flygplanet. Andra viktiga aspekter som är kopplade till strukturvikten är utmattnings- och konstruktionskriterier. Jämfört med en metall är databasen för testresultat för kompositstrukturer inte lika utvecklad, och det finns en osäkerhet och en spridning i testresultaten. Eftersom industrin går mot en ökad användning av strukturkomponenter gjorda i kompositmaterial kommer detta bidra till utveckling av en djupare kunskapsbas om kompositers egenskaper.(Marsden, et al., 2011)
Gränssnittsproblematik
Vid komponenttillverkning ligger fokus på hög kvalitet och reducerad kostnad. Gränssnittstoleranserna är inte tillräckligt mogna för att kunna leverera pålitliga och kostnadseffektiva lösningar. Det krävs avancerade teknologier för att kontrollera toleranserna för gränssnittet, görs detta ordentligt går det att spara både kostnad och tid i monteringsprocessen. I en tillverkningsprocess som kräver flera steg finns det många toleranser som ska samverka och det är nästan omöjligt att uppnå en perfekt passning mellan gränssnitten. Kompositdelar kan variera med 7- 10 % från den nominella tjockleken och detta leder till problem med glapp i monteringen. När olika komponenter monteras ihop är några delar i kontakt med varandra men det bildas mellanrum mellan andra. För att lösa detta finns det två vanliga metoder. Den första är att deformera komponenten och tvinga den till att passa och skapa full kontakt mellan delarna. Detta kan tyvärr skapa tryck- och dragspänningar i komponenten och eftersom komposit är ett relativt sprött material finns risk för brott i materialet. Det andra sättet är att fylla i mellanrummen med flytande eller fast fogningsmassa. (Chouvion, et al., 2011)
37