Summary
In the aerospace industry more and more metallic materials are replaced by composite substi-tutes. Airborne Aerospace wants to become a progressive market player in the production of complexly shaped Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP) aircraft structures. Resin Transfer Moulding (RTM) is seen as the outstanding technique to produce such complex CFRP products. Airborne presumes however, that it will not be possible to produce parts at high production rates with the current process set up in the company. In that case it will be necessary to set up a decent series production line and certain choices have to be made; how many mould-sets are necessary? How many workstations? How many employees? This thesis investigates the research question: How to design an RTM series production line for complex CFRP aircraft components? The RTM process is analysed and can be divided into three main process functions: preforming, injecting and finishing. This research zoomed in on the first two process functions and kept finishing out of scope as these finishing steps differ from product to product. In the current state at Airborne there is no series production line because products (mainly beams) are made for testing purposes, resulting in a low demand.
A proper description what makes a product complex is missing in literature. This research defined the following complexity variables: (1) number of sub-preforms, (2) number of ply types defined by the material, type of binder, layers, ply drop-offs, edges, corners, curvature, net-shape and size, (3) gusset fillers, (4) cores and (5) inserts. Analysis, based on practical experience and knowledge from experts within Airborne, Airbus, DLR-ZLP, CTC and NLR, pointed out that draping (function in preforming stage) is affected most if complexity changes. A preliminary model is provided to calculate a complexity factor and create the ability to compare different products. This factor seems to be related to the process time of draping in the preforming stage of the RTM process. Making this draping time predictable based on complexity will be valuable for dimensioning industrialisation processes. More data and further research are needed to investigate this presumption.
The industrialisation to a series production line is analysed for a particular product to keep complexity constant while changing the production rate. The designs are made according a Value Stream Map (VSM) and takts, which are part of the lean philosophy. Analysis on several designs showed that working according high shift models (i.e. 3s15 and 3s21) is not necessary to achieve the desired production rates of 50, 150 and 500 parts/year. Rising costs due to premature mould wear (after 500 instead of 1000 cycles) does not change the chosen financial most attractive designs. A design with a large slack time can however be the reason for making a design financial not attractive.
The used methodology is also applicable if a series production line for products with other complexities needs to be designed. A decent VSM with a detailed determination of the process times makes it possible now to quickly achieve the process times of the main functions. The possible designs have to be made by hand, but the production scenario analysis to calculate the financial most attractive design can subsequently be done automatically.
Summary (in Dutch)
In de luchtvaartindustrie worden steeds meer metalen onderdelen vervangen door composieten. Airborne Aerospace wil een progressieve speler op de markt worden met de productie van com-plexe carbon fiber vliegtuigonderdelen. Resin Transfer Moulding (RTM) is zeer geschikt voor het produceren van zulke complexe Carbon Fibre Reinforced Plastic (CFRP) producten. Airborne verwacht echter dat er met zijn huidige manier van produceren geen hoge productiesnelheden gehaald kunnen worden. In dat geval zal een serie productielijn nodig zijn. Maar hoeveel mal-sets zijn er dan nodig? Hoeveel werkstations? Hoeveel werknemers? Deze thesis gaat in op de onderzoeksvraag: How to design an RTM series production line for complex CFRP aircraft components?
Het RTM proces is geanalyseerd en kan verdeeld worden in drie hoofdfuncties: preformen, in-jecteren en afwerken. Dit onderzoek is ingegaan op de eerste twee functies en heeft afwerken buiten beschouwing gelaten aangezien de invulling hiervan per product verschillend is. Airborne heeft op dit moment geen serie productielijn omdat de producten, voornamelijk balken voor vliegtuigdeuren, voor test-doeleinden worden gemaakt en de vraag dus nog laag is.
In de literatuur is niet beschreven wat een product complex maakt. Dit onderzoek definieert de volgende complexiteitsvariabelen: (1) aantal sub-preforms, (2) aantal ply types welke gedefinieerd worden door het materiaal, type binder, lagen, ply drop-offs, randen, hoeken, krommingen, net-shape en grootte, (3) gusset fillers, (4) cores en (5) inserts. Uit ervaring en kennis van experts van Airborne, Airbus, DLR-ZLP, CTC en NLR blijkt dat de complexiteit van een product het groot-ste effect heeft op draperen (een functie binnen het preformen). Een eergroot-ste model is gemaakt om een complexiteitsfactor te berekenen en verschillende producten te kunnen vergelijken. Het lijkt erop dat er een relatie is tussen deze factor en de procestijd van het draperen. Als deze procestijd te voorspellen is op basis van de complexiteit, zal dat gebruikt kunnen worden tij-dens de industrialisatie van het proces. Meer data en onderzoek zijn nodig om dit verband te onderzoeken.
De industrialisatie naar een serie productielijn is geanalyseerd voor een specifiek onderdeel om de complexiteit constant te houden terwijl de productierate varieert. De ontwerpen zijn op basis van een Value Stream Map (VSM) en takten gemaakt, welke beiden onderdeel zijn van de lean filosofie. Uit dit onderzoek is gebleken dat werken volgens grote ploegendiensten (d.w.z. 3s15 en 3s21 modellen) niet nodig is om de gewenste productiesnelheid van 50, 150 en 500 producten/jaar te halen. Hogere kosten door vroegtijdige slijtage van de mal (na 500 i.p.v. 1000 cycli) verandert de keuze voor de financieel aantrekkelijkste ontwerpen niet. Een ontwerp met een grote slack tijd kan echter wel de oorzaak zijn dat een ontwerp financieel niet aantrekkelijk is.
De aanpak van dit onderzoek is ook toepasbaar als een serie productielijn voor producten met een andere complexiteit ontworpen moet worden. Een goede VSM met een gedetailleerde bepal-ing van de procestijden maakt het mogelijk om snel alle procestijden van de hoofdfuncties te verkrijgen. De mogelijke ontwerpen moeten vervolgens met de hand worden gemaakt, maar de analyse van de productiescenario, om het financieel aantrekkelijkste ontwerp te berekenen, gebeurt automatisch.
