Framtagning av Optimal
Infästningsmetod av OGV mot Stag
för Engine Product Systems Sweden
Development of optimum method of attachment of OGV to brace for Engine
Product Sweden
Andreas Zakariasson
Avdelningen för Maskin- och Materialteknik
Examensarbete för kandidatexamen inom Maskinteknik 15HP
Fredrik Johansson
Pavel Krakhmalev
Förord
Sammanfattning
GKN Aerospace Sweden (GAS) utvecklar och tillverkar motorkomponenter för både den civila och militära flyg-‐ och rymdindustrin. En av produkterna som GKN tillverkar är en outlet guide vane(OGV), vars funktion är att omdirigera det axiella luftflödet från fläkten. OGVn är den mekaniska länken mellan kärnstrukturen och fläkthuset.
Ett viktigt mål är att minska vikten på motorn samtidigt som dess diameter ökar när motorerna blivit allt större. För att lösa detta krävs ett material med hög hållfasthet i förhållande till vikten. Ett examensarbete som föregår detta har utvecklat ett koncept som innefattar en OGV i en viss GKN-‐utvecklad tekonologi.
Detta examensarbete gjordes för att utveckla ett koncept för den metod som används för att foga OGVn till stagen som ansluter till den inre och yttre kärnan. Detta gjordes genom en konceptstudie som inkluderade konceptgenerering, konceptutvärdering och konceptval. Detta resulterade i två möjliga koncept, ett där OGVn och en aluminium-‐fot monteras med bultning och en där OGVn och en titan-‐fot svetsades samman. Titanfoten hade fairings i aluminium för att spara lite extra vikt och kostnad.
Abstract
GKN Aerospace develops and manufactures engine components for the aerospace industry, both civil and military. One of the products that GKN manufacture is an outlet guide vane (OGV) which function is to redirect the axial airflow from the fan. The OGV is the mechanical connection between the core structure and the fan case.
An important goal is to reduce the weight of the engine at the same time as its diameter increases when the engines grown larger. To solve this, a metal with high strength-‐to-‐weight ratio is needed. A thesis work preliminary to this has developed a concept that includes an OGV in a GKN developed technology.
This bachelor thesis was started to develop a concept for the method used for joining the OGV to the fittings that connect to the inner and outer core. This was done by a concept study that included concept generation, concept valuation and concept selection.
This resulted in two possible concepts, one where the OGV and an aluminum fitting was bolted together, and one where the OGV and a titanium fitting was welded together .The titanium fitting had aluminum fairings to save some extra weight and cost.
It is clear that if the integration between the vane and the weld interface shall become an industrial solution, then GAS will have to invest in development for those methods used. The bolted Aluminum concept is preferred from a supply chain view because of its manufacturing and material cost. Even though its strength requirement fulfillment is questionable, it should still be considered as a potential replacement for some of the OGVs in the fan case that are not highly loaded.
Innehållsförteckning
Förord ... i Sammanfattning ... ii Abstract ... iii Förkortningar ... 1 Personliga referenser ... 2 1. Introduktion ... 3 2. Bakgrund ... 4 2.1 Jetmotorn ... 4 2.2 Fan Statics ... 52.3 Outlet Guide Vanes ... 5
2.4 Översikt av tidigare arbeten ... 7
2.4.1 Compose Projekt ... 7
2.4.2 Complete Projekt ... 7
2.4.3 Kandidatarbete: Development of a Titanium Outlet Guide Vane. ... 7
2.5 Avgränsningar och Antaganden ... 8
3. Teori ... 9
3.1 Material ... 9
3.1.1 Aluminium och Aluminiumlegeringar ... 9
3.1.2 7075 Aluminiumlegering ... 9
3.1.3 Titan och Titanlegeringar ... 9
3.1.4 Ti-‐6Al-‐4V ... 10
3.2 Svetsmetoder ... 10
3.2.1 Heat Affected Zone ... Error! Bookmark not defined. 3.2.2 Tungsten Inert Gas ... Error! Bookmark not defined. 3.2.3 Laser Beam Welding ... Error! Bookmark not defined. 3.2.4 Motståndssvetsning ... 12
3.2.5 Friction Stir Welding ... Error! Bookmark not defined. 3.3 Hysol EA ... 15
3.5.1 Design for Manufacturing ... 16
3.6 Technology readiness Level ... 18
Förkortningar
CE Congruent Engineering DFM Design for Manufacturing FSW Friction Stir Welding GAS GKN Aerospace Sweden HAZ Heat Affected Zone
HPC High Pressure Compressor LE Leading Edge
LBW Laser Beam Welding LPC Low Pressure Compressor OGV Outlet Guide Vane
OMS Operational Management System PTC Produktionstekniskt Centrum RW Resistance Welding
TE Trailing Edge
TRL Technology Readiness Level TIG Tungsten Inert Gas
WTP Walk the Process
A. Fredrik Johansson Senior Manufacturing Engineer, avd. 9982, GKN Aerospace Sweden.
B. Kenth Erixon – Senior Manufacturing Engineer, avd. 9982, GKN Aerospace Sweden. C. Andreas Dahmm – Senior Manufacturing Engineer, avd. 9982, GKN Aerospace
Sweden.
D. Viktor Carlander – Process Verification Leader, avd. 9635, GKN Aerospace Sweden. E. Daniel Axelsson – Process Engineer Forging, avd. 9654, GKN Aerospace Sweden
F. Thomas Kruslind -‐ Senior Process Engineer and Engineering Method Specialist – Castings, avd. 9654, GKN Aerospace Sweden.
1. Introduktion
GKN Aerospace Sweden är en del av den brittiska GKN gruppen. Företaget utvecklar och tillverkar komponenter för både den civila och militära flygindustrin.
En stor utmaning i produktutveckling inom flygindustrin är att ta fram höghållfasta och kostnadseffektiva produkter med låg vikt. GAS har antagit denna utmaning,
bland annat genom att investera i egen forskning kring lätta och höghållfasta
material. Genom att ha kundernas behov i beaktning, utvecklar företaget nya
komponenter för att möta framtidens krav.
En av de komponenter som GAS arbetar mycket med att förbättra är outlet guide vanes(OGV) som sitter bakom fläkten i jetmotorer(mer om detta i sektion 2.3). Om företaget lyckas skulle det ge flera av deras produkter bättre kostnadseffektivitet och lägre vikt. Dessutom har man sett att befintliga OGV-‐lösningar kommer att få svårt att uppfylla den tekniska kravbilden i framtiden, då bland annat motorns diameter blir större och större. För att behålla konkurrenskraften är det viktigt för GKN Aerospace att kunna tillhandahålla flera alternativa konstruktionslösningar.
I ett föregående kandidatarbete undersöktes möjligheten till att integrera GKN-‐ utvecklad tekonologi i titan i en OGV, för att minska dess vikt. Metoden för infästningen av OGV mot inner-‐ och ytterstag är en nyckeldel med avseende på kvalitet, kostnad och hur väl metoden passar in i företagets nuvarande industriella struktur.
Detta kandidatarbete har som mål att ta fram ett koncept för infästningsmetod av OGV mot fot för det redan framtagna konceptet för en OGV i titan. Konceptet ska vara konkurrenskraftigt mot dagens och framtidens alternativ.[1][2].
2. Bakgrund
Denna avdelning innefattar information om jetmotorn och dess delar, kort genomgång av tidigare arbeten som är aktuella samt avgränsningar och antaganden som gjorts för att få arbetet klart i tid.
2.1 Jetmotorn
En jetmotor är väsentligen en gasturbin. En fläkt belägen i den främre delen av en lågtryckskompressor(LPC) drar in luft i motorn. En del av den inkommande luften kommer in i LPCn och resten går runt kärnan i motorn och strömmar genom fläkten. Högtryckskompressorn(HPC) och LPCn komprimerar det inkommande luftflödet som därefter skickas in i förbränningskammaren. Luften i förbränningskammaren blandas med bränsle och en förbränning äger rum. Förbränningstrycket i en jetmotor är ungefär 20-‐40 bar, jämfört med typiska trycknivåer av ca 10-‐15 bar i stationära gasturbiner. Efter att ha lämnat förbränningskammaren går den uppvärmda gasen in i en högtrycksturbin och sedan en lågtrycksturbin, där en gasexpansion inträffar och en dragkraft alstras. Den dragkraften tvingar motorn att röra sig framåt. Lågtrycksturbinen driver också den fläkt som suger in luft i motorn. En illustration på hur luftflödet strömmar genom motorn kan ses i figur 1. [3]
Figur 1: Schematisk bild av en jetmotor[3]
Fan Statics omfattar den yttre ringen, kärnstrukturen, outlet guided vanes(OGV), och den mekaniska anslutningen till andra viktiga komponenter. Fan statics sitter generellt mellan LPC och HPC.
Fan Statics är en så kallad "kall struktur" eftersom drifttemperaturen anses vara tämligen låg jämfört de delar nedströms om förbränningskammaren. Denna struktur är en statiskt bärande komponent. Detta är ett av skälen fan statics vanligtvis är tillverkade av material som titan och aluminium. En bild på vart i motorn fan statics sitter illustreras nedan i figur 2 [4]
Figur 2: BIld som visar viktiga komponenter av motorn
2.3 Outlet Guide Vanes
Luften som passerar genom fläkten kommer ha en spiralliknande rörelse som kommer ut från fläkten i ca 35 graders vinkel. Därför används aerodynamiskt formade OGVer(figur 3) för att rikta flödet så att det får en rak ström i axialled för att få ut maximal dragkraft av motorn. OGVer är den mekaniska länken mellan den yttre ringen och kärnstrukturen i en motor vilket gör att ett visst antal OGVer i en motor måste vara bärande för stora laster. Det finns många olika konfigurationer på utformningen och på bladantal beroende på vilka laster som skall bäras och vilken vinkel man vill att luftflödet ska gå i.
Figur 3: Outlet Guided Vane[4]
Vid infästningen av OGVn mot innerstag finns det en så kallad ”fairing” eller flödesyta som sitter ovanför bultningen mot innerstag för att behålla så god aerodynamik som möjligt. Foten innefattar fairingen och infästningen mot OGVn respektive inner/ytterstag. [4]
Flera arbeten har gjorts tidigare som innefattar nya koncept på OGVer. De arbeten som studerats och använts är examensarbeten som har gjorts i samarbete med GAS och arbeten som har gjorts av företaget själva. Dessa arbeten innefattar OGVer i olika material såsom titan och komposit. De arbeten som varit mest användbara har vart dem som innefattat viss fokus på fötter och dess fogningsmetod.
2.4.1 Compose Projekt
Projektet var en konceptstudie till infästningarna för OGVer för GEnx som gjorts internt på GAS. Detta projekt har studerats med huvudsyfte att få förståelse och insyn i hur konceptutvärdering fungerar. Det gavs tillgång till projektets team site och därmed projektets konceptbok. Konceptboken var till stor hjälp i konceptutvärderings-‐fasen gav inspiration och idéer till alternativa möjligheter att utveckla och designa infästningarna för OGVn.
2.4.2 Complete Projekt
Detta utvecklingsprojekt har pågått internt på GKN i ett par år och utreder möjligheten att ha en OGV i komposit med fokus på hur infästningarna mot OGVn och innerringen för att klara av de krav som ställs. Ett besök på Produktionstekniskt centrum(PTC) gjordes dessutom för att inspektera den kompletta Fan Framen som tillverkats och innehöll enbart OGVer i komposit. Detta projekt gav input och tillförde mycket fakta om laster och krav som verkar på OGVerna. Trots att dessa är i komposit kunde vissa jämförelser göras och flera misstag kunde undvikas.
2.4.3 Kandidatarbete: Development of a Titanium Outlet Guide Vane.
sätt att ett givet interface fanns för respektive ändar på OGVn, som då i sin tur innebar att en viktig parameter nu var identifierad.
2.5 Avgränsningar och Antaganden
Detta arbete kommer primärt att fokusera på själva fogningsmetoderna som finns tillgängliga för interfacet fot mot OGV. Hållfastheten kommer att tas i beaktning, men inga analyser kommer att göras.
Infästningarna mellan fot och inner/ytter-‐ring(se figur 3) kommer inte att tittas på, utan designen på dessa är redan bestämd.
De koncept för infästning som fås fram kommer inte att vara anpassat för inner-‐ eller yttersida, utan kommer att innebära en allmän design för fötterna.
Koncepten ska innefatta en fairingsyta.
Timkostnaden för bearbetning och fabricering kommer att antas vara densamma som för det föregående projektet. Detta för att kunna ge en rättvis jämförelse mellan projektens resultat.
3. Teori
Nedan är en teoridel som kopplar till utförandet av projektet och ger en bakgrund och förståelse till projektets begrepp och metoder. Primärt fokuserar teoridelen på olika fogningsmetoder och de material som används. Teoridelen täcker också en generell förklaring av tekniska begrepp som används på GAS.
3.1 Material
Det finns ett stort antal material att välja att använda för denna applikation men dem som bedömts som mest lämpade att undersöka är Aluminium och Titan. Detta pga, GAS långa erfarenhet av att arbete i Titan, och Aluminiums låga densitet och pris.
3.1.1 Aluminium och Aluminiumlegeringar
Aluminium är en lättviktsmetall med god korrosionsbeständighet som kan stärkas genom olika legeringar. Det går även att stärka genom värmebehandlingar och kallbearbetning. [5][A]
Till dess fördelar hör först och främst dess låga densitet(2700 kg/m3) jämfört med stål (7900 kg/m3), goda korrosionsbeständighet och goda bearbetbarhet. Den mekaniska hållfastheten kan bli förbättrad genom kallbearbetning och legeringsämnen. Till dem huvudsakliga legeringsämnena hör Koppar(Cu), Magnesium(Mg), Kisel(Si) och Zink(Zn). [6]
3.1.2 7075 Aluminiumlegering
Aluminium 7075 har varit den självklara 7XXX aluminiumlegeringen som används i flygindustrin sedan den var introducerad 1943. Legeringen används med fördel i flygindustrin eftersom den har en kombination av hög styrka, medel seghet, medel korrosionsbeständighet och låg densitet.
Det som kännetecknar just 7XXX-‐serien är att den använder Zink som primärt legeringsämne. Detta innebär att det blir en starkare och bättre hållfast legering jämfört med de andra serierna. En nackdel är att på grund av Zink så sjunker även korrosionsbeständigheten en aning jämfört med dem andra serierna. Den mest lämpade metoden för att fogning av 7075 Al anses vara antingen nitar, skruvar eller någon form av limning. 7075 Al anses inte vara svetsbar på grund av att varmsprickor och inre spänningar (som kan leda till korrosion) uppstår. [7][8][9]
3.1.3 Titan och Titanlegeringar
Titan och titanlegeringar är relativt nya ingenjörsmaterial som innehar flera anmärkningsvärda egenskaper. Ren titan har relativt låg densitet(4707 kg/m3), hög
anledningen varför titan har blivit framstående och eftertraktat i flyg-‐ och rymdindustrin. Titanlegeringar reagerar med syre och väte vid temperaturer som går över 480 °C. Resultatet av denna reaktion är en hård, spröd yta som kallas alfa case. Detta påverkar de mekaniska egenskaperna negativt. Om materialet är menat att utsättas för höga krafter så bör det efterbearbetas så att alfa case kan avlägsnas.
Titanlegeringar är uppdelade i 4 olika grupper som är baserade på materialets struktur, dessa är:
• Alpha Alloys • Near-‐Alpha Alloys • Alpha-‐Beta Alloys • Beta Alloys
Alpha alloys innehåller så kallade Beta stabiliserare såsom aluminium. Beta alloys innehåller beta stabiliserare som t.ex. vanadin och alpha-‐beta alloys innehåller lite av båda. Stabiliserarna väljer man beroende på vilka egenskaper man vill att slutprodukten ska ha. Väljer man t.ex. alpha så har dem en lägre densitet än vad beta har som istället har högre styrka. [10][11]
3.1.4 Ti-‐6Al-‐4V
Den mest använda titanlegeringen inom industrin är Ti-‐6AL-‐4V alpha-‐beta-‐legering, även känt som Titan 6-‐4. Legeringen använder sig av aluminium som alpha-‐stabiliserare och vanadin som beta-‐stabiliserare. Legeringen är anmärkningsvärt starkare än rent titan på samma gång som den benhåller den ursprungliga styvheten och värmeutvidgningen. Då man kan värmebehandla legeringen gör det att dess egenskaper går att styra. Därför är den lämplig för en mängd olika applikationer. En primär och viktig applikation för denna legering är inom rymd-‐ och flygindustrin där hög hållfasthet, bra termiska egenskaper och låg densitet är ett viktigt att klara av dem höga krav som ställs på dessa konstruktioner. [12]
3.2 Svetsmetoder
som innefattar 2 olika materialtyper uteslutas från konceptstudien. [13]
3.2.1 Värmepåverkad Zon
Den värmepåverkade zonen (HAZ) är det område av metallen som inte genomgått smältning och har haft sin mikrostruktur och egenskaper ändrade genom svetsning eller andra värmeintensiva skäroperationer. Värmen från svetsningen orsakar denna förändring från svetsgränssnittet till en viss sträcka ut i basmetallen(se figur 4). Omfattningen och storleken på hållfasthetsförändringarna beror främst på grundmaterialet, tillsatsmaterialet, och koncentrationen av värmetillförsel från svetsprocessen.
Figur 4: Illustration av en svets med dess HAZ
Det är fördelaktigt att ha en så liten HAZ som möjligt för att undvika för stora förändringar i materialegenskaperna såsom försprödning och försvagning.
Olika svetsmetoder ger olika stor HAZ, Laserstråle-‐svets t.ex. ger en mycket koncentrerad svetsstråle och därmed begränsad mängd värme, vilket resulterar i en liten HAZ. [14][15]
3.2.2 Gasolvolframsvetsning
Tungsten Inert Gas eller gasolvolframsvetsning, mer känt som TIG-‐svetsning använder värmen som alstras av en elektrisk båge som uppstår mellan en wolframelektrod med hög smältpunkt och arbetstycket för att smälta metall i fogområdet till ett smältbad. Svetsbågen och smältpölen är skyddad av en skyddsgas, oftast argon eller helium, för att förhindra oönskade kemiska reaktioner. Vilket är extra viktigt då man svetsar i titan eftersom avsaknaden av gasen gör att α-‐case uppstår. När man svetsar i titan är det därför vanligt att ha en rotgas eftersom titan gärna reagerar med sin omgivning.
Lasersvetsning (LBW) genomförs med en energität laserstråle som fokuseras på en liten yta vilket resulterar i smala, djupa svetsar, hög svetshastighet och en minimal HAZ. Svetsmetoden används primärt i industrier med stora produktionsserier som t.ex. bilindustrin.
Laserstrålen fokuseras med hjälp av ett antal speglar och linser som är några tiondels mm tjocka. Detta resulterar i en koncentrerad stråle som direkt smälter de material som skal fogas samman.
LBW kan klassas som en relativt snabb process, upp till 8 gånger snabbare svetshastighet än för TIG-‐svetsning. [10][17]
3.2.4 Motståndssvetsning
I motståndssvetsning eller resistance welding(RW), är metaller fogade utan tillsatsmaterial genom att sätta press och elektrisk ström till området som ska svetsas. Mängden värme beror på det elektriska motståndet vid svetsområdet. Detta är en viktig faktor i denna svetsprocess. På grund av den låga värme-‐ och strömledningsförmåga som titan har så lämpar det sig bättre att svetsa i än t.ex. aluminium och kolstål.
Fördelarna med motståndssvetsning är den höga svetshastigheten, dess förmåga att automatiseras, och att den passar bra för stora serier. Dessutom så krävs inget tillsatsmaterial eller rotgas vilket gör det till en ren process. Däremot är utrustningen dyr och svetsfogarna är inte riktigt lika hållfasta som dem för t.ex. TIG-‐svets.
Det finns många olika sorter av RW. De 2 metoderna som primärt används på GAS är sömsvets och punktsvets, se figur 5.
Figur 5 -‐ Punktsvets(vänster) och Sömsvets(höger)[18]
Punktsvets
Punktsvetsning är en process, där två eller flera överlappande plåtar fogas ihop av punktsvetsar. Metoden använder spetsiga kopparelektroder som leder elektrisk ström. Elektronerna applicerar också det tryck som krävs för bildandet av en stark svets. Diameter av svetspunkten är i intervallet 3-‐12 mm.
Punktsvetsning används ofta i bilindustrin för sammanfogning av fordonskarossdelar.
Sömsvets
Sömsvetsning är en process för kontinuerlig sammanfogning av överlappande plåtar genom att skicka spänning mellan två roterande elektrodhjul (som ersatt kopparelektroderna) som sammanfogar plåtarna. Värmen som genereras av den elektriska strömmen som flyter genom kontaktområdet och trycket som åstadkommes av hjulen är tillräcklig för att producera en hållfast svets.
Sömsvets är en ren process med hög hastighet som används när det krävs en kontinuerlig och tät svets (bränsletankar, trummor). [18][19]
3.2.5 Friktionssvets
där fogen skall vara, på samma gång som verktyget sammanfogar materialen med hjälp av högt mekaniskt tryck. Denna metod används främst på aluminium, icke-‐härdbara aluminiumlegeringar samt på detaljer som inte måste värmebehandlas efter processen. Det finns många fördelar med denna process. Främst så undviks användandet av rotgas och tillsatsmaterial vilket gör att det många gånger kan bli lättare att genomföra processen utan utsug för gas och matning av tillsatsmaterial. Det går att svetsa tjocklekar från 1.6 till 3,0 mm utan att porositeter och inre håligheter uppkommer.
Det har gjorts ett antal studier om att foga ihop titanlegeringar mot aluminiumlegeringar med FSW. Resultaten av dessa har vart relativt lika då brottgränser har mätts upp till omkring 100-‐300 Mpa. [20][21]
Hysol hör till epoxibaserade material vars egenskaper inkluderar höga tryckhållfastheter. Annledningen till att man använder Hysol är för eliminera luckor mellan material som ska fogas eller hållas tätt. Denna metod är utmärkt för kompositer då dem inte lämpar sig för slipning och andra fogningsmetoder som vanligen används inom metalltillverkning
På GAS används Hysol EA 9394. GAS har många års erfarenhet med detta tvåkomponents-‐lim och använder det främst som tätning. Det används också i Complete-‐ projektet för att hålla aluminiumfoten på plats runt komposit-‐OGVn. [22][D]
3.4 Galvanisk Korrosion
När två olika metaller är i kontakt i en korrosiv miljö kommer en av de metallerna utsättas för korrosion medan den andra metallen förblir skyddad. Om metallerna ligger nära varandra i serien för ädelhet (figur 6) så kommer inte den galvaniska effekten vara så stor. Man kan generellt säga att desto större skillnad det är i elekropotential hos de båda metallerna, desto snabbare utsätts den oädlare metallen för korrosion.
Figur 6: Spänningsserien -‐ ädla och oädla metaller[23]
Kontaktytan mellan de olika metallerna är också relevant för att fastställa vilken metall som utsätts för accelererad korrosion.
För att undvika bimetallkorrosion finns det flera åtgärder man kan ta till. • Välja material som ligger nära varandra i ädelhet.
• Isolera metaller när det är praktiskt möjligt.
• Belägg det mindre ädla materialet med skyddande skikt. Denna metod används på GAS.
• Använd så kallade offeranoder. Offeranod är en bit oädel metall som fästs på en metallyta för att skydda från korrosion. Offeranoden korroderar då istället för den ädlare metallen.
[24]
Det grundläggande med en utvecklingsprocess är att alla stegen och beslut som tas ska sträva mot att uppfylla kundens och andra intressenters behov. Det är därför viktigt att identifiera alla dessa för att samla in så mycket data som möjligt om detta. Denna insamlade information ska sen fungera som en bas för beslut och strategier inom projektet.
Med den information som erhållits, kan kundernas krav och behov identifieras och organiseras. Några eller alla av behoven kan viktas genom relativ betydelse. När kundens behov och krav identifieras, måste de översättas till önskade produktspecifikationer. När kravspecifikationer och produktspecifikationer har skapats kan nästa fas inledas, konceptgenereringen.
Konceptgenereringsprocessen anses vara billig, vilket är ett starkt argument för att lägga mycket resurser i denna fas för att säkerställa att inga viktiga koncept undgår att tas fram. En viktig riktlinje som används vid konceptgenerering är att mängd leder till kvalitet. Detta minimerar därför risken att identifiera nya, bättre koncept senare i utvecklingsprocessen.
Ett hjälpmedel som används inom konceptutveckling är konceptmatriser där man med hjälp av poängsättning och viktning får fram de mest lämpade koncepten för det aktuella projektet. Syftet med denna fas är att utvärdera de koncept som tagits fram med avseende på kravlistan (baserat på kundens behov). Det är viktigt att basera alla beslut på fakta när man väljer koncept för ytterligare utvärdering.
Exempel på aspekter som sen måste beaktas utformandet av en ny produkt är montering, underhåll, kvalitet och miljöeffekter. Detta kommer att tas upp mer i nästa sektion. [25][10]
3.5.1 Design for Manufacturing
För att säkerställa att utvecklade produkter har låg kostnad, hög kvalitet och kortast möjliga ledtider är det viktigt att ta hänsyn till tillverkningen så tidigt som möjligt i produktutvecklingsprocess.
Det finns metoder som utvecklats för detta ändamål, t.ex. congruent engineering (CE) och Design for manufacturing (DFM). Genom att integrera metoderna i designfasen kan produktutvecklingstider kortas, utvecklingskostnader minimeras och övergången i produktion underlättas.
tillverkning, montering, testning, inköp av nödvändig utrustning och transport. Metodiken används för att säkerställa hög leveranssäkerhet och att produktens funktionalitet inte äventyras på grund av dålig producerbarhet.
Det finns flera fördelar med att använda sig av CE. Dessa fördelar kan vara ökad kundnöjdhet, förbättrad kvalitet, minskad produktkostnad, minskad tid för produktutveckling och minskad tid till marknaden.
CE innebär en stor investering i designens första fas med bred kompetens för att eliminera fel tidigt i processen vilket innebär att de fel som uppstår i detta steg kostar mindre än senare steg. (se figur 7)
Figur 7: Produktkostnad i de olika stegen av utvecklingen[26]
Det innebär dessutom att det arbetas kontinuerligt med flera parallellt. Att göra stegen parallellt med kommunikation mellan personalen innebär även en kortare time to market-‐tid vilket visas i figur 8. [26][27][10]
Figur 8: Reducerad Time to market-‐tid med CE[26]
3.6 Technology readiness Level
Technology readiness level (TRL) enligt NASAs definition är en typ av mätsystem som används för att bedöma mognadsnivån för en viss teknik. Varje teknikprojekt bedöms efter parametrarna för varje teknisk nivå och tilldelas sedan ett TRL-‐betyg baserat på projektens utveckling och mognadsgrad. Det finns nio TRL-‐nivåer. TRL 1 är lägst och TRL 9 är den högsta.
När en teknik är på TRL 1 innebär det att vetenskaplig forskning börjar och dessa resultat översätts till framtida forskning och utveckling. TRL 2 inträffar när de grundläggande principerna har studerats och praktiska tillämpningar kan göras på de första resultaten. TRL 2-‐tekniken är mycket spekulativ, eftersom det finns mycket lite bevis för att tekniken fungerar.
När aktiv forskning och även design börjar, är en teknik uppgraderad till TRL 3. Generellt krävs både analytiska och laboratoriska undersökningar på denna nivå för att se om en teknik är funktionsduglig och redo för att gå vidare att utveckla processen.
TRL 7-‐tekniken kräver att arbetsmodellen eller prototyp demonstreras i en verklig produktionsmiljö. TRL 8-‐tekniken har testats och ”inspekterats” och den är redo för implementering i en redan befintlig teknik. När en teknik har applicerats och använts utan problem kan det kallas TRL 9. TRL 9 innebär också att ingen planerad utveckling av tekniken ska ske. Om tekniken ska undergå mer utveckling nedgraderas den till tidigare TRL-‐nivåer.
Korta definitioner för varje TRL-‐nivå kan ses i figur 9.
GKN Aerospace centralt har tagit fram en egen metod, denna kan ses i appendix A, baserat på NASAS system för att utveckla fram nya metoder på ett strukturerat sätt. [28][A]
För att ett projekt ska kunna uppfylla sitt syfte och mål bör en tydlig men översiktlig plan göras där projektets olika steg delas upp i faser. Detta projekt delades upp i sex olika faser. Uppstart, planering, konceptstudie, konceptanalys, framtaget koncept och avslut, se figur 10.
Figur 10: Projektets olika faser
4.1 Uppstart
I första fasen av projektet var syftet att få kunskap av området för att sätta sig in i hur arbetet lämpligast bör inledas. Detta gjordes genom ett antal ”walk the process”-‐ turer(WTP) på GAS verkstäder och kontor vilket gav viktig lärdom om vilka processer och resurser som GAS erbjuder och hur dem arbetar. Ett besök gjordes på Produktionstekniskt Centrum(PTC) som gav insikt i hur GAS arbetar med utveckling av svetsmetoder.
Uppstarten innebar även träffar med personal på GAS som har kunnande om projektets innehåll och förutsättningar som var givna. En genomgående studie av det föregående projektet gjordes också för få kunskaper om dess utfall men också om vilka förutsättningar och utvecklingsmöjligheter som fanns. Tillsammans med dessa personer och kunskapen om föregående projekt gjordes inramningar och avgränsningar för att projektet skulle vara genomförbart på den tid som befogats på företaget. En tydligare beskrivning över vad som ingick i denna fas syns i figur 11
Uppstart Planering
Koncetpstudie Konceptanalys
Framtaget
Figur 11: Visuell beskrivning av Uppstart-‐fasen
4.2 Planering
Microsoft Project användes för att göra en enkel projektplanering. Projektet delades upp i mer detaljerade ”händelser” som i sin tur fick en uppskattad tid för. Projektplanen hölls kontinuerligt uppdaterad med nya datum och tider för att se hur projektet låg till tidsmässigt. Ett uppdaterat schema för projektplaneringen gjordes veckovis. För att uppskatta tiden som de olika händelserna skulle äga rum konsulterades projektets handledare[A]. Ett exempel på projektplaneringen kan ses i figur 12.
Figur 12: Preliminär Projektplanering
4.3 Konceptstudie
Konceptstudien var uppdelad i tre separata aktiviteter. Insamling av data, konceptgenerering och konceptval. Första fasen innebar studera det aktuella området och samla så mycket kunskap och information som möjligt. Information om diverse krav och begränsningar som gäller för projektet. Med hjälp av dessa undersökningar och
kandidatarbetet och bedömdes som en lämplig infästning.
Detta referenskoncept användes sedan som grund för nästa fas som innebar konceptgenerering. Med hjälp av de idéerna som uppkommit vid påläsnings-‐fasen så brainstormades det fram koncept som skulle kunna vara lösningar på problemet. Alla koncept som genererades skrevs ned, även de koncept som misstänktes inte skulle vara aktuella. Koncepten sorterade som huvudkoncept och delkoncept för att få ordning och struktur senare i konceptstudien. Sista steget i denna fas innebar att en analys gjordes mellan alla de framtagna koncepten och referenskonceptet tillsammans med två erfarna ingenjörer varav en expert inom svetsteknik[A][B].
De framtagna koncepten viktades mot referenskonceptet och fick ett betyg på en skala från ”sämre än”, ”samma som” och ”bättre än” på flera olika kategorier. De olika kategorier delades upp i två grupper där den ena innehöll de kategorier som inriktade mest på hållfasthet och den andra gruppen innehöll kategorier med fokus på produktion. På så vis kunde man se vilken del som konceptet föll på primärt.
Därefter fortsatte arbetet med de koncept som erhållit högst poäng med avseende på referenskonceptet. En illustration på konceptstudiens steg syns i figur 13.
Figur 13: Konceptstudie
De koncepten som erhöll högst poäng granskades därefter mer i detalj. En standardmall från GAS Operational Managment System(OMS) användes för att försäkra att konceptval gjordes enligt GAS egna riktlinjer och metoder. I detta första konceptval användes inte ett referenskoncept, utan alla koncepten bedömdes var för sig.
Koncepten blev nu betygsatta med en av tre olika grader, 1 för ”okänt eller under målet”, 3 för ”enligt målet” och 9 för ”över målet”. Alla de olika kategorierna gavs en relativ viktning även denna gång för att de mest signifikanta kategorierna skulle få störst utslag på resultatet. Vid varje betygskategori gjordes en motivering för att stödja det val som gjorts. Bedömningen av de kvarvarande koncepten gjordes med hjälp av två erfarna
De två koncept som efter konceptstudien var klassade som de två ”vinnande” koncepten granskades närmare och utvärderades genom studier. En operationslista gjordes med hjälp av 3 erfarna ingenjörer på GAS[A][B][C] för respektive koncept. Operationslistan visar vilka processer som krävs för att färdigställa produkten. Operationslistan ger en uppskattning om hur lång tid produkten tar att producera och en uppskattning på vad priset för produktion hamnar på. Som tidigare nämnt användes samma timkostnad i produktion som för projektet för Zenith. En operationslista för montering av TE och LE mot vanen gjordes också för att få en uppfattning om kostnaden, men ingår inte i den totala kostnaden då det ligger utanför projektets område.
Utöver en operationslista gjordes en kort beräkning om materialkostnaden för de båda koncepten. Antaganden gjordes att dimensionerna på OGVn skulle vara sånär ekvivalent med OGVn från Complete-‐projektet för att kunna göra en rättvis jämförelse utifall det skulle vara önskvärt (dock saknar Complete-‐projektet en fairingsyta). En tabell med diverse dimensioner går att se i tabell 13 i appendix. För att bedöma materialkostnaden i Titan för ett smitt koncept konsulterades en processingenjör.[E] För att bedöma materialkostnaden för ett gjutet koncept konsulterades även här en ingenjör.[F]
En sammanställning av kostnaderna från Zentih gjordes för att skapa sig en uppfattning om det totala priset för en komplett OGV.
För ett koncept gjordes en kort analys för att undersöka om det fanns möjlighet att effektivisera och optimera produktionen av konceptet. Ett flödesschema på detta gjordes med hjälp av en erfaren ingenjör på GAS.[C].
Operationslistan som användes var en mall som laddades ned från GAS OMS som används som standard vid utveckling av nya och existerande produkter.
5. Resultat
Nedan presenteras de resultat som fåtts fram utifrån vad som gjordes enligt metod. Resultaten följer alla faser hela vägen från konceptgenereringen till det slutgiltiga konceptvalet.
5.1 Konceptgenerering
Vid konceptgenereringen var syftet att ta fram så många olika koncept som möjligt. Dessa koncept kan ses kortfattad nedan (figur 14)
Koncept 9 applicerades på alla de koncepten som innehöll Titan för att minimera materialkostnaden.
Figur 14: Konceptkombinationer
Resultatet av den första bedömningen samt en kort motivering till varför vissa inte gick vidare med kan ses i tabell 1.
Tabell 1: Första konceptbedömningen[A][B]
De koncepten som gick vidare till nästa fas bedömdes enligt tabell 3, 4 och 5 nedan. Där går det även att se vilken poäng de respektive koncepten erhöll.
Tabell 2: Motivering till respektive val under varje kategori[A][B]
Nedan följer en kort beskrivning av varje koncept samt en sammanfattning av varje konceptkostnad.
Materialkostnaderna för båda koncepten och för ett liknande koncept i inconell 718 kan ses i tabell 14 i appendix.
Den totala sammanställda kostnaden för båda koncepten kan ses i tabell 6 nedan.
Tabell 6: Produktkostnader
Koncept 5.b Koncept 3.d
(smide) Koncept 3.d (gjutgods) kommentar
Material price (T-‐14) 0,18 3,94 5
Value add cost 0,76 (T-‐7) 11,84 (T-‐8,11,12) 7,54 (T-‐9,11,12)
Scrap (%) 1,5 1,5 1,5
Vane + LE/TE [10] 28,87 28,87 28,87
Svetsning av TE+LE (T-‐10) 6,02 6,02 6,02
Förberedande för
infästning vane mot fot. 0,28 0,55 0,55
Koncept 5.b bygger på en hel fot som har bearbetats ur en stång av aluminium. LE och TE är gängade för att sedan skruvas underifrån foten upp i LE och TE. Fairingsytan är även den i aluminium. En illustration över koncept 5.b kan ses i figur 15 nedan.
Figur 15: Koncept 5.b
Tabell 7: Operationslista Koncept 5.b [C] Operationslista 5.b Timkostnad: 1 Satsstorlek(st): 24
Op. Benämning Operationsbeskrivning Op-‐tid(h)
FNC1 Bearbetning 0,05 FNC2 Bearbetning 0,20 GR Gradning 0,05 KON Funktionsfixtur 0,05 TVÄ Hanteringstvätt 0,05 PROPFL Penetrant 0,06
Montering Bulta fast i OGV 0,10
gjordes en enkel analys på hur en del denna process skulle kunna effektiviseras och samköras med flera steg på en gång. Under bearbetningens gång finns tid för att göra många andra steg som gör att processens totala tid nästan halveras. Se figur 16.
Figur 16: Exempel på hur det går att optimera en del av tillverkningen av aluminiumkonceptet.[C]
Detta är ett helsvetsat koncept som bygger på en fot i Titan med 2 fairingsytor i Aluminium för att minimera vikt och materialkostnad. Fairingsytorna fogas dit med lim och beläggs med epoxy för att undvika korrosion. En illustration över koncept 3.d syns nedan i figur 17. Konceptet är grafiskt lika som koncept 5.b, men skiljer sig på så sätt att det är en stubbe på fairingsytan som sticker upp för att ge åtkomst till svets. Bild på stubben kan ses i figur 18. Bild på vanens interface kan ses i figur 19.
Figur 18: Stubbe på fairingsytan
Figur 19: Interfacet på vanen
Operationslistorna för detta koncepts respektive delar kan ses nedan i tabell 8, tabell 9, tabell 10, tabell 11 och tabell 12. Ställtiden är beräknad i OP-‐tiden.
Tabell 8: Operationslista: Ti-‐fot för smide [B]
OPERATIONSLISTA: Ti-‐Fot (Smide) Timkostnad: 1
Satsstorlek(st): 24
Op.
Benämning Operationsbeskrivning Op-‐tid(h)
FNC
Anta 800m/min för Al, 40m/min för Ti. Tiderna är
därför multiplicerade med 20 jämfört med Al. 5,10
OPERATIONSLISTA VANE Ti-‐Fot (gjutgods) Timkostnad: 1
Satsstorlek(st): 24
Op.
Benämning Operationsbeskrivning Op-‐tid(h)
FNC
Skärlängd 2500mm, 3skär, 30m/min, faktor 1.7,
0,1mm/tand, 4 tänder dia 12mm för Ti. 0,80
FNC 0,10 FNC 0,10 TVÄ Tvätt 0,03 GR Gradning 0,20 TVÄ Hanteringstvätt 0,04 PROPFL Penetrant 0,26 CMM Mätmaskin 0,20 KON Kontroll 0,30 Stycktid(h) 2,03 Kostnad 2,03
Tabell 10: Operationslista: Leading och Trailing edge mot panel [B]
OPERATIONSLISTA: Leading och Trailing edge mot vane Satsstorlek(st): 24 Timkostnad: 1
Op. Benämning Operationsbeskrivning/kommentar Op-‐tid(h)
EDM Gnista ur honeycomb (se kommentar) 4,04
GR Grada ur honeycomb (se kommentar Op 100) 0,30
TVÄ Processtvätt 0,04
PROPFL 0,26
Sömsvets Processprov, montering, svetsning och kontroll (fram/bakkant mot vane) 0,24
PROPFL Endast visuell kontroll bör kravställas dvs. utgår! 0,00
VBH Ingen VBH bör kravställas map. Restspänningsnivån dvs. utgår! 0,00
FNC Alternativ slipning i ändarna mot ytter/inner -stag. Endast 1-sidig bearbetning krävs. 0,20
GR Bör utvecklas och integreras i op.800. 0,20
Riktning Endast i begränsat område map. svetsinterfacet mot ytter/inner -stag 0,20
TVÄ Processtvätt 0,04
KON Endast giljotin mätning av profil och klock -mätning av "width" samt pappersjobb 0,50
Denna operation bör utföras på panelen före 3D-‐fomning. Bör utföras på samtliga svetsinterface dvs. 4st (Leading/Traling edge samt Ytter/inner -‐stag).
Utveckling av en automatiserad gradning/slipning metod bör initieras för att kunna utföra detta robust och på ett kostnadseffektivt sätt vid en ev. industrialisering.
Tiden som är antagen här är baserat på EDM med koppling till tidigare X-‐jobb på en "ren" 2D-‐geometri men är troligen inte teknisk utförbar när panelen är 3D-‐formad. EDM-‐metoden var också vald som "quick and dirty" dvs. ej grundligt utvärderad som optimal lösning då tiden för att utveckla gradning/slipning alt. valsfräsning inkl. utvärdering av metodval inte fanns. Det fanns också en utrustningsbegränsning (A-‐teknik) då maxlängd på panel var 250mm. Det är inte utrett om det finns utrustningar som klarar upp till 300mmx700mm (vane dimension) alternativ panel 1500mmx2500mm som skulle vara aktuellt på denna applikation.
Förutsättning framkant resp bakkant:
Bearbetade med steg för passform mot panel för sömsvetsning alternativt lasersvetsning samt "pockets" för utformning av svetsinterfacet mot ytter/inner – stag.
Tabell 11: Operationslista: Insvetsning av ytter/inner -‐fötter mot vane (ingår ej i totala kostnaden) [B]
OPERATIONSLISTA: Insvetsning av ytter/inner fötter mot Vane Timkostnad: 1
Satsstorlek(st): 24
Op.
Benämning Operationsbeskrivning Op-‐tid(h)
TVÄ Processtvätt 0,06
SVTIG Rengöring "wipe rest", montering, häftning, svetsning och visuell svets kontroll 1,00
Kommentarer för OPERATIONSLISTA: Insvetsning av ytter/inner fötter mot Vane[B] VBH(GLVA):
1. Renbränning 5,5 h måste utföras inför varje ungskörning alternativt varannan körning om endast titan körs/körts i ugnen. Antar varannan dvs. 2,5h.
2. Vakuumprov (läckagetest) 5,0h måste köras inför varje körning. 3. GLAV ca 8,0h.
PROPFL: Krav och utformning av tillgänglighet till rotsidan bör utredas.
PROPAD: Antagen stycktid 0,5h är inte förankrat med MT-‐ansvarig. Digitalröntgen bör
beaktas vid en ev. industrialisering.
Utred även om röntgen kan utgå alternativt zonas dvs. reduceras.
Operationslista: 3.d -‐ Fairings Timkostnad: 1
Satsstorlek(st): 24
Op. Benämning Operationsbeskrivning Op-‐tid(h)
6. Diskussion
Nedan följer diskussion kring de båda koncepten, men också om vissa bitar som skulle behöva studeras närmare på för att kunna optimera producerbarheten och kostnaden för koncepten.
6.1 Koncept 5-‐b
Detta koncept var den självklara vinnaren sett till kostnad och producerbarhet. Det som kan hindra detta koncept från att bli vidareutvecklat är dess förhållandevis låga hållfasthet.[6] Det man skulle kunna göra för dem OGVer som är lastbärande i fan casen, är att fabricera den helt i Titan, medan man byter ut så många andra OGVer som möjligt till den lättare och billigare med Aluminiumfot.[6] Detta skulle minska både vikt och kostnader avsevärt.
Den stora fördelen med att använda sig av aluminium är den låga kostnaden för material och bearbetning jämfört med titan. Risken är också förhållandevis låg med avseende på processer som används. I aluminium krävs inte efterbearbetning såsom penetrant, värmebehandling, röntgen, etsning för borttagning av alpha case och visuell inspektion av svetsens rotsida som används så fort man svetsar i Titan.[11] Skulle något gå fel i processen med en aluminiumdetalj är det många gånger bara att kassera och göra en ny pga. den låga kostnaden. En titandetalj däremot vill man så långt som möjligt reparera vilket kan ta tid och kräva en del resurser.
6.2 Koncept 3.d
Detta koncept fick en ansenligt högre kostnad och sämre producerbarhet. Detta beror främst på att titan tar längre tid att bearbeta än aluminium. Materialpriset på titan ligger långt högre än aluminium vilket också påverkar den totala kostnaden.[10] Den enda optimeringen gjord på detta koncept är dess fairings som är i aluminium, istället för titan vilket såklart skär ned på både kostnad och vikt avsevärt.
Det som talar för detta koncept är dess goda hållfasthet och livslängd och att det passar in i företagets strategi att fabricera mera.[12]
