Nederlandse bedrijven en wetenschappers werken samen.
Vezelversterkte kunststoffen worden steeds meer toegepast in de vleugels en de romp van nieuw ontworpen vliegtuigen. Bij het landingsgestel wordt nog geen gebruik gemaakt van composietmaterialen. Het traditionele ontwerp schrijft namelijk metaal voor. Hier komt verandering in. Een team van Nederlandse bedrijven en wetenschappers is er in geslaagd om een landingsgestel voor helikopters te ontwerpen en te fabriceren dat gemaakt is van lichtgewicht, duurzaam composietmateriaal. De metalen trailing arm van het landingsgestel is vervangen door een vezelversterkt composiet exemplaar dat uit één stuk bestaat.

De NH90 helikopter

SP aerospace & vehicle systems uit Geldrop is één van de bedrijven die zich bezighouden met de ontwikkeling en productie van de NATO NH90-helikopter. Het bedrijf is verantwoordelijk voor het ontwerp, de ontwikkeling en de bouw van landingsgestellen en de tandwielkasten tussen hoofd- en staartrotor. Deze gezamenlijk door Eurocopter (Frankrijk en Duitsland), Agusta (Italië) en Fokker (Nederland) ontwikkelde helikopter kan gebruikt worden als tactische transporthelikopter en voor marinetaken. In deze helikopter worden veel composietmaterialen toegepast, bijvoorbeeld in het casco, de stabilisatoren en de rotorbladen. Prototypes van de helikopter vliegen al sinds 1995 en de eerste productielevering staat gepland voor dit jaar.

Landingsgestel

Het landingsgestel van de NH90 wordt op de traditionele manier vervaardigd uit metaal, met name ultra hoge sterkte staalsoorten (zoals 300M). In het midden van de jaren negentig is SP aerospace and vehicle systems in samenwerking met de afdeling Constructies en Materialen van het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium NLR begonnen met het onderzoeken van de toepassing van geavanceerde composietmaterialen voor dit landingsgestel.
In 1996 zetten beide ondernemingen een ontwikkelingsproject op voor het ontwerpen, bouwen en valideren van een torsieschaar en een trailing arm van koolstofvezelcomposiet op basis van de specificaties van het landingsgestel voor de NH90. Tijdens het project was
SP aerospace and vehicle systems verantwoordelijk voor de ontwerpspecificaties van de conceptonderdelen, de integratie van onderdelen in het landingsgestel en het testen van onderdelen en de kwalificatie. NLR zorgde voor het conceptuele ontwerp van de composietelementen, de ontwikkeling van algemene ontwerpregels voor krachtsinleidingen in composieten, de ontwikkeling en fabricage van de RTM-mallen en de composietonderdelen, en vervolgens het testen van de subonderdelen. Twee extra partners leverden specifieke kennis: Eurocarbon uit Sittard was verantwoordelijk voor de ontwikkeling van een volautomatische overvlechttechniek voor de fabricage van de preforms voor de trailing armen. MSC.Software Benelux uit Gouda verzorgde de eindige-elementenanalyse van de mechanische sterkte van de composietstructuren.

Ontwerp- en analysesoftware voor complexe onderdelen

Om te kunnen garanderen dat het ontwerp van het landingsgestel optimaal was, werden aan de hand van simulaties de maximale toegestane belastingniveaus vastgesteld. Daarnaast moest men bij het ontwerpen rekening houden met een aantal andere factoren, zoals betaalbaarheid en produceerbaarheid, impactscenario’s, maximale bedrijfstemperaturen en bestandig tegen hydraulische vloeistoffen. De onderdelen werden ontworpen bij SP aerospace and vehicle systems met behulp van Pro/Engineer software, terwijl NLR gebruik maakte van CATIA bij het ontwerpen van de RTM-mallen. Op basis van de verschillende eindige- elementencodes, aangeleverd door MSC.Software, koos het team voor gebruik van MSC.Marc voor dit project. MSC.Marc is een algemeen toepasbaar eindige-elementenprogramma dat dagelijks wereldwijd wordt gebruikt door ondernemingen in verschillende industrieën zoals de auto-, ruimtevaart-, elektronica- en biomedische industrie. De keuze voor MSC.Marc was gebaseerd op de niet-lineaire functionaliteiten van het programma op de gebieden van materiaalgedrag (dat wil zeggen materiaalverzwakking) en geometrie, bijvoorbeeld geautomatiseerd 3-D-contact tussen de verschillende gemodelleerde constructieonderdelen. MSC.Marc kan gelaagde composietmaterialen met verschillende vezelrichtingen in iedere laag analyseren. Sommige delen van de trailing arm hebben maximaal 50 lagen versterking, waardoor de analyse moeilijker werd. Om het aantal elementen en het aantal vrijheidgraden in het systeem te beperken, zijn procedures ontwikkeld om de gelaagde composiet als een homogeen maar toch orthotroop materiaal te behandelen. Om deze gehomogeniseerde materiaaleigenschappen af te leiden, werden numerieke testen op een unitcel uitgevoerd - het kleinste blokje materiaal dat nog representatief is voor het gelaagde materiaal. De resultaten van deze experimenten werden vervolgens omgezet in gemiddelde eigenschappen. Er werd een schademodel geïmplementeerd dat beschrijft hoe het materiaal verzwakt als de limietbelasting is overschreden. Bij een breuk in een deel van het ontwerp kan dan worden bepaald of het resulterende materiaal de belastingen naar andere gebieden zal verspreiden. Dit is ook op het gehomogeniseerde materiaal toegepast door de schade te berekenen die door het gehele gelaagde materiaal heen is ontstaan. Het analysedeel van het project werd verdeeld in drie subprojecten: analyse van de torsiekoppeling, van het middendeel van de trailing arm en van de totale trailing arm. Afbeelding 2 toont de resultaten van de eindige-elementenanalyse van het centrale gedeelte van de trailing arm. Afbeelding 3 toont de resultaten van de eindige-elementenanalyse van de gehele trailing arm.

Productie met RTM

De trailing arm is gemaakt met behulp van ‘Resin Transfer Moulding’ (RTM). RTM is een gesloten mal productiemethode voor vezelversterkte kunststoffen. Met deze methode kan een complexe vorm gemaakt worden in één enkele productiestap. Bovendien is de reproduceerbaarheid en nauwkeurigheid van dit productieproces, door de beschikbaarheid van nieuwe generaties RTM harsen en vezelversterkingen, vergelijkbaar met de autoclaaf productiemethode die tot nu toe voornamelijk wordt gebruikt binnen de vliegtuigindustrie. Preforms voor de torsiescharen en de beslagplaten van de trailing arm werden geleverd door C. Cramer & Co. Uit Heek-Nienborg, Duitsland. De preform voor het centrale deel van de trailing arm van composietmateriaal wordt als volgt gemaakt: eerst worden twee koolstof/epoxy prepreg buizen gemaakt die aan een kern worden gelijmd die bestaat uit een metaallegering met een laag smeltpunt. Eurocarbon overvlecht dit geheel vervolgens triaxiaal met behulp van T300-12K koolstofvezel van SOFICAR, een divisie van Toray Carbon Fibers. Ongeveer 60 procent van de vezels wordt in de ± 45° richting gelegd en 40 procent in de lengterichting. In het ontwerp varieert de uiteindelijke wanddikte van 15 tot 30 mm bij meer dan 55 procent vezelvolume. De toegepaste vlechter is een computergestuurde overbraider met 96 spoelen (voor de circa 45 graden lagen) en 48 stengeldraden (de vezels die in de lengterichting van de trailing arm lopen), die onderdelen met een doorsnede van wel 600 mm en een lengte van 7 m kan verwerken.
Voordat de RTM-mallen gevuld worden, worden de preforms van de trailing arm en de beslagplaten geassembleerd. Na het sluiten wordt de mal verwarmd en wordt een epoxyhars onder druk geïnjecteerd. Na twee tot drie uur uitharden in de mal wordt de trailing arm van composietmateriaal verwijderd en in een oven geplaatst, waarbij de legeringkern uitsmelt. De legering kan bij de volgende trailing arm opnieuw worden gebruikt.
De enige vereiste machinebewerking is het afsnijden van de uiteinden van de trailing arm, het frezen van de randen van de beslagplaten en het boren van gaten in de beslagplaten.
Het totaalgewicht van de gehele trailing arm met alle accessoires, zoals bronzen bussen en stalen wielas, bedraagt ongeveer 22 kg; ruim 20 procent lichter dan het oorspronkelijke stalen onderdeel. Afbeelding 4 laat de volledig geassembleerde trailing arm zien.

Ontwerpresultaten

Door inzet van een team aan Nederlandse bedrijven en wetenschappers, heeft SP aerospace & vehicle systems onderdelen van het landingsgestel van composietmateriaal kunnen fabriceren met betere prestaties, een lager gewicht en tegen gelijke of lagere kosten dan vergelijkbare metalen onderdelen. Virtual prototyping software heeft daarbij de mogelijkheid geboden om computermodellen te genereren van de componenten, om vervolgens het gedrag hiervan te simuleren, analyseren en optimaliseren voordat er ook maar één prototype wordt gebouwd. Vooral in de luchtvaart is het te duur om door middel van trail and error prototypes te ontwikkelen. Met behulp van simulaties kan men ervoor zorgen dat het eerste definitieve exemplaar meteen goed is en voldoet aan alle wettelijke regels en normen.

Coöperating Companies

National Aerospace Laboratory P.O.Box 153 NL-8300 AD Emmeloord Tel. +31 527 248604 Fax. +31 527 248210	MSC.Software Benelux B.V. Groningenweg 6 NL-2803 PV Gouda Tel. +31 182 543 700 Fax. +31 182 543 707	Eurocarbon B.V. Advanced Braiding and Weaving Technology P.O.Box 725 NL-6130 AS Sittard Tel. +31 46 45 17 280 Fax. +31 46 45 16 185	SP aerospace and vehicle systems P.O.Box 436 NL-5660 AK Geldrop Tel. +31 40 28 09 233 Fax. +31 40 28 09 149