Thickness Optimized Parts for Aerospace Structures

In European aircraft construction, parts with a very high machining ratio are used for highly stressed structural components of the fuselage, wings and cabin.
Depending on the complexity of the part, this can be over 90% in order to exploit the full potential of lightweight construction.
Depending on the quality or purity of the materials used, contamination, inclusions, etc. can lead to total failure of the components at different levels of production. Both of these together lead to high use and waste of resources. As an alternative, extruded profiles are sometimes used, but these do not allow any changes in geometry and wall thickness over length.
The aim of the project is to identify and screen technologies and processes and to develop them further in a follow-up project in such a way that components can be manufactured with significantly reduced use of resources and costs, while achieving the highest level of lightweight construction quality through:
- Sheet thickness optimization in the longitudinal and circumferential direction
- Geometry changes in the longitudinal and transverse direction
- Load-appropriate use of different high-strength aluminum alloys in a component (2024 tensile zone, 7xxx compression zone).
To do this, it is necessary:
- to produce sheet thickness-optimized semi-finished products:
o by tailored rolling of flat sheets in the longitudinal and transverse direction
o Tailored rolling in the longitudinal direction of extruded plates with thickness grades in the transverse direction.
- Combination of different aluminum alloys in the longitudinal direction using modern welding processes such as friction stir or laser welding
- 3D roll forming of the thickness-optimized semi-finished product with cross-sectional variations in the longitudinal and transverse directions
- Bending of the 3D roll-formed profiles for use as a crown frame (fuselage internal reinforcements to support the shell and connection position of the cross members).
The combination of these technologies, some of which only exist in their early stages, is unique.
The project findings are intended to lay the foundation for a follow-up project that will enable series production of these components. Both Airbus and Tier 1 suppliers such as Premium Aerotec are very interested in such components.

[Original text]
"Thickness Optimized Parts for Aerospace Structures"
Im europäischen Flugzeugbau werden für hochbelastete Strukturbauteile des Rumpfes, der Flügel und der Kabine Teile mit sehr hohem Zerspanungsanteil eingesetzt.
Dieser kann in Abhängigkeit der Teilekomplexität über 90% betragen um das volle Leichtbaupotential auszuschöpfen.
Abhängig von der Materialqualität bzw. Reinheit der eingesetzten Werkstoffe kommt es durch Verunreinigungen, Einschlüssen etc. jedoch zu Totalausfällen der Bauteile in unterschiedlichen Fertigungstiefen. Beides gemeinsam führt zu hohem Resourceneinsatz und -vergeudung. Als Alternative werden zum Teil extrudierte Profile eingesetzt, die jedoch über Länge keine Geometrie- und Wandstärkenänderungen zulassen.
Zielsetzung des Projektes ist es Technologien und Verfahren zu eruieren, zu screenen und in einem Folgeprojekt derart weiterzuentwickeln, dass Bauteile mit deutlich reduziertem Resourceneinsatz und Kosten gefertigt werden können und dabei höchste Leichtbaugüte durch:
- Blechdickenoptimierung in Längs- und Umfangsrichtung
- Geometrieänderungen in Längs- und Querrichtung
- Belastungsgerechter Einsatz unterschiedlicher hochfester Aluminiumlegierungen in einem Bauteil (2024 Zugzone, 7xxx Druckzone)
erreichen.
Dazu ist es notwendig:
- blechdickenoptimiertes Halbzeug herzustellen:
o durch Tailored Rollen (Walzen) von ebenen Blechen in Längs- und Querrichtung
o Tailored Rollen in Längsrichtung von in Querrichtung dickenabgestuften extrudierten Platten.
- Kombination unterschiedlicher Aluminiumlegierungen in Längsrichtung durch moderne Schweißverfahren wie Reibrühr- oder Laserschweißen
- 3D-Rollformen des dickenoptimierten Halbzeuges mit Querschnittsvariationen in Längs- und Querrichtung 
- Biegen der 3D-rollgeformten Profile für den Einsatz als Crown Frame (Rumpfinnenverstärkungen zu Abstützung der Hülle und Anschlussposition der Querträger).
Die Kombination dieser zum Teil nur im Ansatz vorhandener Technologien ist einzigartig.
Mit den Projekterkenntnissen soll die Basis für ein Folgeprojekt gelegt werden, dass einen Serieneinsatz dieser Bauteile ermöglicht. Sowohl Airbus als auch die Tier 1 Lieferanten wie Premium Aerotec sind an derartigen Komponenten hoch interessiert.