11.1 Ilmailuteollisuus

Lentokoneteollisuudessa komposiittien käytölle on kaksi pääasiallista syytä: rakenteiden keventäminen ja niiden tuotantokustannusten alentaminen. Komposiittirakenteet ovatkin käytön alkuajoista lähtien olleet selvästi vastaavia metallirakenteita kevyempiä. Merkittäviin kustannussäästöihin päästiin vasta myöhemmin materiaalien ja valmistustekniikoiden kehittymisen myötä. Nykyteknologialla komposiittirakenteilla saavutettavat paino- ja kustannussäästöt ovat 15…20 %, kun vertailukohtana on vastaava alumiinista valmistettu rakenne.

Komposiittien ominaisuuksia hyödynnetään lentokonerakenteissa myös muilla tavoin. Komposiittiset pintarakenteet saadaan perinteisiä rakenteita sileämmiksi, jolloin lentokoneen ilmanvastus pienenee. Tätä ominaisuutta on jo vuosikymmeniä hyödynnetty erityisesti purjelentokoneissa. Tutkakuvut ovat esimerkki rakenteesta, jossa hyödynnetään komposiittien säteilyn läpäisevyyttä.

Avaruusteollisuudessa hyödynnetään erityisesti jäykillä hiilikuiduilla saavutettavaa korkeaa ominaisjäykkyyttä. Komposiiteista valmistetaan myös mittastabiileja rakenteita, joiden kriittisiin mittoihin lämpötilamuutokset eivät käytännössä vaikuta.

11.1.1   Käyttökohteet

Komposiittisten lentokonerakenteiden historia alkaa 1930-luvulta, kun lasikuitujen ja epoksien teollinen tuotanto alkoi. Materiaaleista valmistettiin aluksi lentokoneiden sekundäärisiä rakenneosia kuten muotosuojia ja erilaisia luukkuja. Myös tutkakuvut olivat ensimmäisten sovellusten joukossa.

Pienkoneiden kantavia rakenteita alettiin valmistaa komposiiteista jo varhain. Esimerkiksi kaikki suorituskykyiset purjelentokoneet ovat olleet komposiittirakenteisia jo 1970-luvulta alkaen. Tällä hetkellä suurin osa uusista pienkoneista on komposiittirakenteisia.

Sotilaskoneissakin komposiittien käytön yleistyminen oli nopeaa. Aluksi komposiitteja käytettiin pienehköissä rakenneosissa kuten siivekkeissä ja pyrstörakenteissa. Kokonaan komposiittiset siipirakenteet tulivat käyttöön 1970-luvulla. Nykyisissä hävittäjäkoneissa komposiittien osuus rakennepainosta on noin 25…30 %.

Myös nykyaikaiset helikopterit ovat pääosin komposiittirakenteisia. Esimerkiksi NH-90 helikopterissa koko runkorakenne on käytännössä komposiittinen, samoin roottorin lavat.

Matkustajalentokoneissa komposiittirakenteiden prosentuaalinen osuus on kasvanut hitaimmin. Osittaisena syynä tähän on rakenteille asetetut tiukat turvallisuusvaatimukset. Käyttöönottoa on myös vaikeuttanut primäärirakenteiden suuri koko. Ensimmäisiä käyttökohteita olivat muotosuojien ja luukkujen ohella ohjainpinnat. Seuraavassa vaiheessa kehitettiin komposiittiset pyrstörakenteet. Muita pitkään käytössä olleita komposiittisovelluksia ovat moottorisuojat ja potkurin lavat. Uusimpia sovelluksia ovat paineseinät, matkustamon lattiapalkisto sekä siiven ja rungon liitosalueen kantavat rakenteet. Matkustajakoneen komposiittirakenteinen siipi on teknologisesti lähes valmiiksi kehitetty ja käyttöönottovaiheessa.

Maailman suurimmassa matkustajakoneessa, Airbus-yhtiön A380:ssa komposiittien osuus rakennepainosta on jo yli 20 %. Tämän lisäksi suuri osa rungon pintapaneeleista valmistetaan alumiini- ja lasikuitu/epoksi-kerroksista valmistetuista hybridilaminaateista.

11.1.2   Materiaalit

Komposiittisten lentokonerakenteiden lujitemateriaalina on pääsääntöisesti hiilikuitu. Suurin osa rakenteista valmistetaan SM-tyyppisistä kuiduista, joskin IM-tyyppisten kuitujen käyttö on lisääntymässä. Lasi- ja aramidikuituja käytetään lähinnä erikoissovellutuksissa, esimerkiksi tutkakuvuissa ja kevyesti kuormitetuissa muotosuojissa.

Mekaanisen suorituskyvyn maksimoimiseksi lujitteet ovat lentokonerakenteissa aina jatkuvia. Yleisimmät lujitteiden käyttömuodot ovat yhdensuuntaiskerrokset, kudokset ja moniaksiaalilujitteet. Kuitupitoisuus on korkea, tyypillisesti noin 60 t%.

Matriisiaineet ovat pääsääntöisesti sitkistettyjä epokseja. Bismaleimidejä ja muita polyimidejä käytetään jonkin verran rakenteissa, joiden käyttölämpötilat ovat epokseille sallittuja lämpötiloja korkeammat. Epoksit eivät myöskään täytä lentokoneen sisustusrakenteille asetettuja palovaatimuksia. Näissä sovelluksissa matriisina on tavallisesti fenoli tai jokin kehittynyt kestomuovi.

11.1.3   Valmistustekniikat

Komposiittiset lentokoneosat ovat useimmiten levymäisiä tai kotelomaisia rakenteita. Levyosia ja kotelon pintapaneeleja jäykistävät tarvittaessa kaaret ja pituusjäykisteet. Kerroslevyrakenteita käytetään runsaasti pienkoneissa sekä jossain määrin myös sotilas- ja matkustajalentokoneissa. Kerroslevyn ydinaineena on useimmiten kenno. Rakenteet ovat varsin pitkälle integroituja kokonaisuuksia. Liitoksia vähentämällä on pystytty saavuttamaan sekä paino- että kustannussäästöjä.

Ensimmäiset komposiittiset lentokonerakenteet valmistettiin perinteisellä märkälaminointitekniikalla. Prepreg-laminointi ja autoklaavikovetus yleistyivät 1960-luvulla. Sittemmin tämä valmistustapa oli pitkään lentokoneenrakennuksen ”standardimenetelmä”. Viime vuosina sen rinnalle ovat nousseet injektiotekniikat, joiden käyttö yleistyy nopeasti. Prepreg-laminoinnissa käytetään eniten yhdensuuntaisprepregejä, jonkin verran myös kudosprepregejä. Injektiotekniikoissa yleisimmät lujitetuotteet ovat yhdensuuntaiskerrokset, moniaksiaalilujitteet ja kudokset.

Lentokonerakenteita valmistetaan jossain määrin myös muilla menetelmillä. Kuitukelausta käytetään erilaisten säiliöiden ja putkien valmistukseen. Kuitukelauksesta ja automatisoidusta prepreg-laminoinnista kehitettyä kuitulaminointia käytetään myös sekä kertamuovi- että kestomuovipohjaisten osien valmistuksessa. Kestomuoviosia valmistetaan myös lämpömuovaamalla.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *