Framtagning av Optimal Infästningsmetod av Skena mot...

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

Anders Gåård

Datum: 2015-05-25

Framtagning av Optimal Infästningsmetod av mot Stag för Engine Product Systems Sweden 2015

i

Förord Detta examensarbete har omfattat 15 högskolepoäng och har utförts på GKN Aerospace Sweden AB i Trollhättan och Jag vill främst tacka min handledare Fredrik Johansson och Kenth Erixon som har vart mycket hjälpsamma och lärt mig oerhört mycket under denna tid. Jag vill även tacka alla på GKN Aerospace Sweden som har hjälp mig någon gång under projektets gång.


ii

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.

Det är tydligt att om integrationen mellan OGV och svets-‐gränssnittet ska bli en industriell lösning, så kommer GAS att behöva investera i utveckling för de metoder som används.

Det bultade Aluminium-‐konceptet är att föredra ur leverantörsbas-‐synpunkt på grund av sin låga tillverkning-‐ och materialkostnad. Trots att kravuppfyllelsen för hållfastheten är tveksam så bör det ändå betraktas som en potentiell ersättning för en del av de OGVer i fläkthuset som inte är tungt belastade.


iii

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.


iv

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 ...................................................................................................................................... 5

2.3 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

3.4 Galvanisk Korrosion ................................................................................................................. 15


v

3.5 Konceptutveckling ................................................................................................................... 16

3.5.1 Design for Manufacturing ..................................................................................................... 16

3.6 Technology readiness Level ..................................................................................................... 18

4. Metod ............................................................................................................................................ 20

4.1 Uppstart ....................................................................................................................................... 20

4.2 Planering ...................................................................................................................................... 21

4.3 Konceptstudie .............................................................................................................................. 21

4.4 Konceptutvärdering ..................................................................................................................... 23

5. Resultat .......................................................................................................................................... 23

5.1 Konceptgenerering ...................................................................................................................... 24

5.2 Konceptstudie .............................................................................................................................. 25

5.3 Konceptutvärdering ..................................................................................................................... 30

5.3.1 Koncept 5.b .............................................................................................................................. 31

5.3.2 Koncept 3.d .............................................................................................................................. 34

6. Diskussion ...................................................................................................................................... 41

6.1 Koncept 5-‐b ................................................................................................................................. 41

6.2 Koncept 3.d ................................................................................................................................. 41

6.3 Framtida arbeten ......................................................................................................................... 42

7. Slutsats .......................................................................................................................................... 43

8. Referenser ..................................................................................................................................... 44

A. Appendix ....................................................................................................................................... 45


1

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


2

Personliga referenser 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.


3

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].


4

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]


5

2.2 Fan Statics 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.


6

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]


7

2.4 Översikt av tidigare arbeten 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. Detta kandidatarbete som utfördes på GAS av tre studenter från Högskolan Väst har legat som grund till det arbete som denna rapport innefattar. Arbetet hade som syfte att undersöka möjligheten att fabricera en OGV i GKN-‐utvecklad tekonologi. Gruppen gjorde dessutom en konceptstudie som innefattade fötterna till OGVn. Arbetet resulterade i tre stycken slutgiltiga koncept som dem bedömdes vara de mest lämpade för fötter. Dessa var endast i Ti, vilket ger en fördelaktig mängd passande fogningsmetoder mellan OGV och fot, men desto högre materialkostnad. Vilket var till användning främst vid studie av metoden för konceptgenerering där gruppens fotkoncept togs fram. Arbetet använde sig av GAS metod för konceptgenerering, på samma sätt skulle konceptgenerering utföras i projektet som denna rapport innefattar.


8

Den design på OGV som detta arbete kommit fram till påverkade nuvarande arbete på så 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.


9

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 smältpunkt(1668 °C) och medelmåttig elasticitetsmodul (116 GPa). Det finns titanlegeringar som har extremt hög styrka, hög duktilitet och är lättbearbetade. Dessa


10

unika kombinationer av egenskaper tillsammans med korrosionsbeständigheten är 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 De olika svetsmetoderna som är studerade i denna sektion är välkända processer som GAS mer eller mindre har erfarenhet av. Respektive metod beskrivs kortfattat nedan med dess för och nackdelar. En stor nackdel med de material som är tänkt ska fogas i detta arbete är att ingen av svetsmetoderna nedan har möjligheten att framgångsrikt foga Aluminiumlegering till Titanlegering. Problemet med att svetsa dessa är att mycket spröda intermetalliska föreningar bildas. Detta gäller även då koppar, magnesium och stål svetsas till aluminium. Därför kommer dessa metoder endast vara aktuella för de


11

koncept som innefattar enbart en materialtyp. Därför kan de koncept med 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.

Det som främst karakteriserar TIG-‐svetsning är dess goda svetskvalité i en mängd olika material vilket är mycket tack vare skyddsgasen som håller svetsen ren. Metoden lämpar sig bäst för fogning av tunna material vars tjocklek varierar mellan 0.5 mm till 8 mm. Svetsmöjligheten i olika tjocklekar beror främst på vilket material som ska svetsas. Vid svetsning av titan är TIG-‐svetsning den metod som används primärt. I allmänhet kan man säga att TIG-‐svetsning i första hand används vid fogning av titan, rostfria och höglegerade stål, men också vid aluminium och kopparlegeringar. [10][16]


12

3.2.3 Lasersvetsning 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.


13

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 Friktionssvetsning (FSW) är en fogningsprocess som utförs i solitt stadie (metallen smälts aldrig) och använder sig av ett verktyg för att foga samman två ytor. Värme genereras mellan verktyget och materialet genom friktion vilket gör materialet mycket mjuk.


14

Verktyget blandar (deformeras plastiskt) sen ihop de två bitarna av metall på den plats 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]


15

3.3 Hysol EA 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]


16

3.5 Konceptutveckling 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.

DFM är främst inriktat på att optimera utformningen av produkten under hela livscykeln, medan CE fokuserar på utveckling av design, tillverkning och stödprocesser under början av produktutvecklingen.


17

DFM är utvecklat för att underlätta utformningen av produkter optimerade för 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]


18

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.

När man har fått bevis för att tekniken fungerar, avancerar den till TRL 4. Under TRL 4 testas flera olika komponenter av tekniken tillsammans. TRL 5 är en fortsättning på TRL 4 och här körs simuleringar i miljöer som är så realistiska som möjligt. När testning av TRL 5 är klar, kan en teknik avancera till TRL 6. TRL 6-‐tekniken har en fullt fungerande prototyp eller en representativ modell.


19

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]

Figur 9 -‐ NASAs definitioner på TRL-‐nivåer


20

4. Metod 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 Koncept Avslut


21

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

Uppstart

Möten med insaqa

Avgränsa Arbete Få tydligt mål

och syre

WTP av kontor och verkstad

Skärande bearbetning Svetsmetoder

Besök på PTC

Studera H.C projekt

Projektredovisning Granska Rapport

Ta över producerat material


22

efterforskningar togs ett referenskoncept fram. Detta koncept hittades i det föregående 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 ingenjörer på GAS[A][B].

Insamling av Data Konceptgeneringing Konceptval


23

4.4 Konceptutvärdering 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.


24

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


25

5.2 Konceptstudie 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.

Motiveringen till de olika valen kan ses i tabell 2.


26

Tabell 2: Motivering till respektive val under varje kategori[A][B]


27

Tabell 3: Konceptvalsmatris(1/3) [A][B]


28



29



30

5.3 Konceptutvärdering 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

NRC/NRE/Fixtures 331 910 852

Product cost 36 51 48


31

5.3.1 Koncept 5.b 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


32

Operationslistan för detta koncept kan ses nedan i tabell 7. Ställtiden är beräknad i OP-‐tiden.

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 KON Kontroll 0,20

Stycktid(h) 0,76

Styckkostnad 0,76


33

Då denna operationslista antar att alla stegs körs ett steg i taget i kronologisk ordning 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]


34

5.3.2 Koncept 3.d 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 17: koncept 3.d


35

Figur 18: Stubbe på fairingsytan

Figur 19: Interfacet på vanen

Figur 19 visar ett förslag för hur designen på vane och LE skulle kunna göras för att få möjlighet att svetsa. Strukturen tas bort ca 10 mm runt om vanen och en radie på ca 2 mm (3mm för ett gjutet koncept) fräses ur från LE och TE. Det är tänkt att svetsen runt stubben och vanen ska göras med TIG och svetsen för LE och TE ska göras med punktsvets eller lasersvets.


36

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

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) 6,33

Kostnad 6,33


37

Tabell 9: Operationslista Fot (Gjutgods)

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 Timkostnad: 1

Satsstorlek(st): 24

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

Stycktid(h) 6,02

Kostnad 6,02


38

Kommentarer till OPERATIONSLISTA: Leading och Trailing edge mot panel[B]

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 TVÄ Processtvätt 0,04 VBH (GLVA) Se kommentar 0,65 TVÄ/ETS 0,08 PROPFL Se kommentar 0,26 PRORAD Se kommentar 0,50 CMM 0,50 KON 0,30

Stycktid(h) 3,40

Kostnad 3,40


39

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.


40

Tabell 12: Operationslista för Fairings[C]

Operationslista: 3.d -‐ Fairings Timkostnad: 1

Satsstorlek(st): 24

Op. Benämning Operationsbeskrivning Op-‐tid(h) FNC Bearbetning 0,05 FNC Bearbetning 0,20 GR Gradning 0,05 TVÄ Hanteringstvätt 0,05 PROPFL Penetrant 0,05 KON Kontroll 0,06 Montering Limning 0,30 KON Kontroll 0,20

Stycktid(h) 0,96

Kostnad för 2 0,96


41

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]

Man kan undra varför man använder sig av TIG-‐svets istället för Lasersvets. Detta är för att TIG-‐svetsen erhöll högre poäng under kategorin ”strategy” jämfört med Laser. Skulle man komma förbi eller ta sig över dem hinder eller problem som finns för att det ska komma upp till nästa nivå skulle lasersvets lika gärna kunna vara aktuellt för denna applikation. Det är alltid bra att ha en alternativ metod som möjlig lösning om man skulle arbeta vidare med detta koncept.


42

Det har legat fokus och gjorts flera efterforskningar på hur möjligheten ser ut att foga aluminium mot titan genom FSW. Det har visat sig att TRL-‐nivån och kvalitén på svetsarna inte uppfyller de krav som finns.[20][21] Trots detta ser man att FSW skulle kunna vara en högaktuell metod i framtiden för GAS när utvecklingen har tagit några steg framåt.

6.3 Framtida arbeten Man bör ha i åtanke att dessa koncept inte är definierade för enbart Ytter-‐ eller innerstag utan det är en allmän lösning. Detta betyder att kostnaderna för respektive infästning kan komma att ändras beroende på hur kraven och designen kommer att se ut. Förmodligen så skulle foten mot ytterstaget bli något billigare då ingen fairing existerar på nuvarande modeller. Dessutom är OGVn bultad utifrån genom fan framen. Så det är möjligt att ingen ytterfot skulle vara nödvändigt över huvud taget om man skulle lyckas bulta i LE och TE. Ytterligare studier skulle kunna göras på detta för att få en mer korrekt produktkostnad.

Det pågår för närvarande projekt inom GKN som arbetar med en metod för att kunna forma en OGV i en viss GKN-‐utvecklad teknologi. Utöver detta finns behovet av att optimera vanen för insvetsning för koncept 3.d. En industriell lösning måste tas fram för att rensa ur och förbereda OGVn för insvetsning och inpassning mot stubben. Dessutom måste designen på svetskonceptet tillåta för inspektion på rotsidan, visuell och penetrant. Ett annat problem som uppstår om svetsning ska ske är att bör det finnas ett hålrum för att få in rotgas i vanen. Detta blir problematiskt då strukturen är insluten i vanen och går ej att komma åt på ett praktiskt sätt. Det finns också frågor om hur OGVn panelen ska värmebehandlas och hur den reagerar på värmebehandling, samt efterföljande borttagning av alpha case med hjälp av etsning.

Storleken på fötterna i detta arbete är anpassat till dem OGVer som används till Complete-‐projektet. Mindre och färre OGVer skulle innebära helt andra krav på fogar och hållfasthet vilket skulle ge helt andra förutsättningar för utformning och producerbarhet.

För att få ett så bra resultat som möjligt skulle mer tid och resurser kunnat ha lagts ned i början på projektet vid konceptgenereringen. Det är fördelaktigt att vara flera personer som kan hjälpas åt att brainstorma fram idéer. Detta gjordes inte fullt så utförligt pga. tidsbrist, så resultatet kan möjlighen ha blivit ett annat om mer tid hade ägnats till detta.

Arbetet hade primärt fokus på själv fogningsmetoden och inte på hållfastheten. Det skulle behövas göras noggranna analyser på hållfasthet för att kunna bedöma om båda dessa koncept är hållbara i en tillämpad miljö.


43

7. Slutsats Detta arbete har resulterat i två möjliga koncept, ett där OGVn och en aluminiumfot bultas ihop, och ett där OGVn och en titanfot svetsas ihop. Titanfoten har dessutom fairings i aluminium för att skära ned på vikt och materialkostnad.

Kostnaden för Titankonceptet uppgick till ca 10 gånger mer än aluminiumkonceptet.

Det framkommer att om integrationen mellan vane och svetsinterfacet ska bli en industriell lösning, så kommer GAS att behöva investera i utveckling för de metoder som används.

Det bultade Aluminiumkonceptet är att föredra ur en produktions -‐ och inköpssynpunkt på grund av låga tillverkning -‐ och materialkostnader. Trots att det är tveksamt om hållfastheten är tillräckligt hög, bör det ändå betraktas som en potentiell ersättning för en del av de OGVer i fläkthuset som inte utsätts för hög belastning.


44

8. Referenser 1. GKN Aerospace, GKN Aerospace Trollhättan, 2015. [Online]. Tillgänglig:

http://www.gkn.com/aboutus/Pages/locations/gkn-‐aerospace-‐Trollhattan.aspx [2015-‐04-‐15]

2. R. Avellán, “GKN Aerospace Fan and Turbine Engine Structures -‐ Enabling Today´s and Tomorrow’s Propulsion”. (2014-‐07-‐26) [Online]. Tillgänglig: http://www.adsfarnborough.co.uk/wp-‐content/uploads/sites/2/2014/07/GKN-‐Aerospace-‐Wednesday.pdf [2015-‐04-‐15]

3. Oscar Linde, ”Jetmotor, hur funkar den?”(2013-‐10-‐08) [Online]. Tillgänglig: http://aerotrainees.se/2013/11/jetmotor-‐hur-‐funkar-‐den/ [2015-‐04-‐15]

4. R. Gustavsson, “Design Study of Advanced Metallic Structural Integrated Fan Outlet Guide Vanes in Civil Jet Engines.”. Master Thesis, Luleå: Luleå University of Technology, 2006

5. European Aluminium Association, “Aluminum – Advantages and Properties of Aluminum” (2013-‐07-‐11) [Online]. Tillgänglig: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=1446 [2015-‐04-‐02]

6. Svenskt Aluminium, “Egenskaper”. [Online]. Tillgänglig: http://www.aluminiumriket.com/sv/egenskaper/egenskaper.php [2015-‐04-‐03]

7. ALOCA, “Alloy 7075 Plate and Sheet”. [Online]. Tillgänglig: http://www.calm-‐aluminium.com.au/Documents/alloy7075techsheet.pdf [2015-‐04-‐03]

8. Alumatter, ”7075”. [Online]. Tillgängligt: http://aluminium.matter.org.uk/aluselect/01_applications.asp?AlloyID=28 [2015-‐04-‐03]

9. Frank Armao, “Aluminium Workshop: Weldable and unweldable aluminum alloys”. (2011-‐05-‐11) [Online]. Tillgängligt: http://www.thefabricator.com/article/aluminumwelding/weldable-‐and-‐unweldable-‐aluminum-‐alloys [2015-‐04-‐03]

10. M. Severinsson, I. Perstedt & M. Lindström, “Development of a Titanium Outlet Guide Vane”. Bachelor Thesis, Trollhättan: University West, 2015.

11. Total Materia, “Titanium and Its Alloys: Selection of Materials and Applications”. (2005) [Online]. Tillgängligt: http://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&LN=SV&site=ktn&NM=125 [2015-‐04-‐03]

12. American Special Metals, “Titanium Grade 5”. [Online]. Tillgängligt: http://www.americanspecialmetals.com/titaniumgrade5es.html [2015-‐04-‐04]

13. ESAB, “Can I Weld Aluminum to Steel?” (2014-‐03-‐25) [Online]. Tillgängligt: http://www.esabna.com/us/en/education/blog/can-‐i-‐weld-‐aluminum-‐to-‐steel.cfm [2015-‐04-‐04]

14. Hypertherm, ”Understanding the Heat-‐affected Zone”. (2009) [Online]. Tillgängligt: http://www.hypertherm.com/en/media/HAZdefinition.pdf [2015-‐04-‐04]

15. Edmonds Community College,”Welding Introduction”. (2008) [Online]. Tillgängligt: http://materialseducation.org/educators/matedu-‐modules/docs/Welding_Introduction.pdf [2015-‐04-‐05]


45

16. Linde Canada, ”Tungsten Inert Gas(TIG) Welding” [Online]. Tillgängligt: http://www.lindecanada.com/en/processes/welding/tungsten_inert_gas_welding/index.html [2015-‐04-‐05]

17. Maine Welding Company, “Laser Beam Welding (LBW)”. (2008-‐04-‐30) [Online]. Tillgängligt: http://mewelding.com/laser-‐beam-‐welding-‐lbw/ [2015-‐04-‐06]

18. Dr. Dmitri Kopeliovich, ”Resistance Welding (RW). (2012-‐06-‐01) [Online]. Tillgängligt: http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=resistance_welding_rw

19. Total Materia, “The Welding Processes: Resistance Welding”. (2002) [Online]. Tillgängligt: http://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&LN=SV&site=kts&NM=76 [2015-‐04-‐06]

20. ESAB,”Friction Stir Welding”. [Online]. Tillgängligt: http://www.esab.com/global/en/education/processes-‐fsw.cfm [2015-‐04-‐07]

21. M. Aonuma & K. Nakata, “Dissimilar Metal Joining of 2024 and 7075 Aluminium Alloys to Titanium Alloys by Friction Stir Welding”. The Japan Institute of Light Materials, 2011

22. Hysol 23. Göran Sellberg, “Elektrokemi handlar om elektroner som hela tiden är i

rörelse”.(2014-‐06) [Online]. Tillgänglig: http://slideplayer.se/slide/1962535/ [2015-‐04-‐25]

24. Terence Bell,”Galvanic Corrosion”. [Online]. Tillgängligt: http://metals.about.com/od/Corrosion/a/Galvanic-‐Corrosion.htm [2015-‐04-‐20]

25. Rolf Lövgren, ”k onceptgenerering”. (2012) [Online]. Tillgängligt: http://rolflovgren.se/RL-‐MDH/Kurser/KPP306/ [2015-‐04-‐25]

26. Jarfors, Anders E W.(2010). Tillverkningsteknologi. Studentliteratur. 27. David M. Anderson,”Design for manufacurability”.(2014) [Online].

Tillgänglig:http://www.design4manufacturability.com/DFM_article.htm [2015-‐05-‐03] 28. NASA, “Technology Readiness Level”. (2012-‐10) [Online]. Tillgängligt:

http://www.nasa.gov/content/technology-‐readiness-‐level/#.VVnm-‐vntlBc [2015-‐05-‐04]


46

Appendix

Tabell 13: GKNs TRL-‐nivåer [A]

TRL1 Basic Principle observed and reported. - Basic scientific research that can be turned into an application or a concept under a research and development program is considered

TRL2 Technology concept or application formulated. - An idea is proposed for the practical application of current research, but there are no experimental proofs or studies to support the idea. - An initial assessment of the targeted requirements of the technology is undertaken.

TRL3

Concept or application proven through analysis and experimentation. - Active research and development begins, including analytical laboratory-based studies to validate the initial idea, providing an initial "proof of concept". - Technology requirements refined, together with a definition of the TRL at which the compliance to each requirement shall be investigated.

TRL4

Basic prototype validated in laboratory environment. - Basic examples of the proposed technology are built and put together for testing to offer an initial vote of confidence for continued development. - Investigations are initiated to understand the significance of, the variations within the operation envelope, the processing variance, or the effect of applying the technology to a range of products.

TRL5

Basic prototype validated in relevant environment. - More realistic versions of the proposed technology are tested in real-world or near real-world conditions, which includes initial integration at some level with other operational systems. - Further testing is conducted to understand the significance of any variation, on the technologies ability to meet the product requirements.

TRL6

System or subsystem model or prototype demonstrated in a relevant environment. - A near final version of the technology in which additional design changes are likely is tested in real-life conditions. - The technology is sufficiently mature that it can be incorporated into new products. - Hardware made in a Lab based environment.

TRL7

System prototype demonstrated in a relevant environment. - The final prototype of the technology that is as close to the operational version as possible at this stage is tested in real-life conditions. - Means of compliance with all product specific requirements is specified. - Capability to produce Prototype components in a production relevant environment.

TRL8 Actual system completed and qualified for operation through test and demonstration. - The technology is thoroughly tested and no further major development of the technology is required. Its operation as intended is demonstrated without significant design problems.

TRL9 Actual system proven through successful operation. - The final operational version of the technology is thoroughly demonstrated through normal operations, with only minor problems needing to be fixed.


47

Tabell 14: Uppskattade dimensioner för koncepten.

Beskrivning(Ti) Mått(mm)

Beskrivning(Al) Mått(mm) LE 60

LE 60

TE 60

TE 60 Fairings bredd 120

Fairings bredd 120

Fairings djup 450

Fairings djup 450 Fairings-‐Tjocklek 2

Fairings-‐Tjocklek 2

Panel-‐längd 215

Vane-‐Djup 340 Panel-‐bredd 10

Fäste höjd 30

Vane Djup 340

Total höjd 32 "uppstickande stubbe"-‐höjd 25

Total bredd 120

Fäste-‐höjd 30

Total djup 340 Total höjd 60

Total Volym(cm^3) 1306

Total bredd 120 Total djup 450 Total Volym(cm^3) 8208

Tabell 14: Materialkostnader[A][E]

Ämne Densitet(g/cc) Vikt(kg) Pris/kg Totalt Pris Al(120mm plate) 2,81 3,67 8,82 32,35

Ti(4-‐5” bar)(smide) 4,45 -‐ 36,37 710 Ti(gjutgods) 4,45 -‐ -‐ 900 Inconell 718 8,19 -‐ 30,42 2000(smide)

Date post:	16-Jul-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times