Development of TiAl6V4 inserts adapted to the flexibility of CFRP laminates for maximum fatigue strength

Metallic inserts in CFRP components, in combination with add-on parts, establish the connection to the surrounding components and transmit the entire force flow, but are generally not adapted to the flexibility of the CFRP laminate, i.e. "stiff".

In order to prevent the resulting tearing and shearing of the inserts as the main cause of failure of CFRP structural components, the focus of the join!SLMti-cfk project is on R&D to increase the connection strength by optimizing the "structural elastic compliance", i.e. in bionic terms based on the anchoring of shallow-rooted trees, the combination of form, force and material connection:

1) In the state-of-the-art, point-based overloading in the insert environment is prevented by simulation-supported, fine-grained, "root-like" insert pads that are optimally adapted to the force flow and laminate compliance, which can be applied to the CFRP laminate production during fabric production or after autoclaving (SinusPro, HiLiTECH, MCL),

2) whereby the production of these form-fitting pads is carried out using very cost-effective metal 3D printing (Selective Laser Melting) without Support structures are applied directly to metal meshes (DisTech, JR),

3) whose surfaces are actively protected against corrosion (pitting) by thin atmospheric pressure plasma coatings with integrated corrosion inhibitors and also have high wettability for liquid epoxy resin + hardener or, after curing, high-strength chemical bonding for high adhesive strength (material bond) (JR), whereby

4) the entire connection is easily inspected through the integration of structural health monitoring including developed service life prediction models (JKU).

During the project with target TRL 4, the virtual product development process will be co-developed on the basis of 2 demonstrators as a basis for a "digital element kit" for easy future use of the technology, whereby a medium-term technology application is expected gradually through the expected period of approval (EASA and FAA regulations), i.e. already ~1.5 years after project completion, initially in the area of ​​drones and aircraft interior applications (OEM manufacturing for associated partners Schiebel and F/List) and in the long term for structural applications on fuselage and wings. In addition, concepts for repair and life cycle management for the recovery of valuable materials are being evaluated.

[Original text]
"Entwicklung von an die Nachgiebigkeit von CFK-Laminaten angepasste TiAl6V4-Inserts für höchste Ermüdungsfestigkeit"
Metallische Inserts in CFK-Bauteilen stellen in Kombination mit Anbauteilen die Verbindung zu den umgebenden Komponenten her und leiten die gesamten Kraftflüsse weiter, sind aber generell nicht an die Nachgiebigkeit des CFK-Laminate angepasst, d.h. „steif“. 

Um das dadurch bedingte Ausreißen und Abscheren der Inserts als überwiegende Versagensursache von CFK-Strukturbauteilen zu verhindern, steht im Fokus des Projekts join!SLMti-cfk die F&E zur Steigerung der Verbindungsfestigkeit durch Optimierung der „strukturellen elastischen Nachgiebigkeit“, d.h. in bionischer Anlehnung an die Verankerung flachwurzelnder Bäume die Kombination von Form-, Kraft- und Stoffschluss:

1) Im State-of-the-Art auftretende punktuelle Überlastung in der Insert-Umgebung wird durch simulationsunterstützt optimal an Kraftfluss und Laminat-Nachgiebigkeit angepasste, feingliedrige, „Wurzel-ähnliche“ Insert-Pads verhindert, welche bei der Gelege-Herstellung in das bzw. nach Autoklavierung auf das CFK-Laminat-Fertigung appliziert werden können (SinusPro, HiLiTECH, MCL),

2) wobei die Fertigung dieser formschlüssigen Pads durch sehr kosteneffizienten Metall-3D-Druck (Selective Laser Melting) ohne Supportstrukturen direkt auf Metallnetze erfolgt (DisTech, JR),

3) deren Oberflächen vor Korrosion (Lochfraß) aktiv durch dünne Atmosphärendruck-Plasma-Beschichtungen mit integrierten Korrosionsinhibitoren geschützt sind und zusätzlich auch hohe Benetzbarkeit für flüssiges Epoxidharz+Härter bzw. nach Aushärtung hochfeste chemische Bindung für hohe Haftfestigkeit (Stoffschluss) aufweisen (JR), wobei 

4) die gesamte Verbindung durch die Integration von Structural-Health-Monitoring inkl. entwickelten Lebensdauer-Vorhersage-Modellen einfach inspizierbar wird (JKU).

Während des Projekts mit Ziel-TRL 4 wird der virtuelle Produktentwicklungsprozess auf Basis von 2 Demonstratoren als Grundlage für einen „digitalen Elementbaukasten“ zur zukünftig einfachen Technologienutzung mitentwickelt, wodurch eine mittelfristige Technologieanwendung schrittweise durch die erwartete Zeitdauer der Zulassung (EASA- und FAA-Vorschriften) erwartet wird, d.h. bereits ~1.5 Jahre nach Projektabschluss zunächst im Bereich von Drohnen und Flugzeug-Interieur-Anwendungen (OEM-Fertigung für assoziierte Partner Schiebel und F/List) sowie langfristig für Strukturanwendungen an Fuselage und Wings. Zudem werden Konzepte zur Reparatur und des Life-Cycle-Managements zur Rückgewinnung der Wertstoffe evaluiert.