De eerste composiet rompsectie voor de eerste composiet commerciële jet

In 2003, toen The Boeing Co. (Chicago, IL, VS) plannen aankondigde voor de ontwikkeling van wat zijn 787 commerciële straalvliegtuig zou worden, werd er veel aandacht aan besteed dat het vliegtuig het eerste zou zijn met een romp, vleugels, staart en andere belangrijke constructies vervaardigd uit koolstofvezelcomposieten, in plaats van het aluminium dat de afgelopen decennia de standaard was geweest. Bijna net zo opmerkelijk was echter het besluit van Boeing om de fabricage van deze grote constructies uit te besteden aan een netwerk van wereldwijde leveranciers die complete subassemblages zouden bouwen, die uiteindelijk allemaal zouden worden samengevoegd in de eindassemblagelijn van Boeing in Everett, WA, VS. De lijst van deze leveranciers, die nu bekend is, omvat Mitsubishi Heavy Industries en Kawasaki Heavy Industries (Tokyo, Japan), Alenia Aeronautica (Napels, Italië) en, met name in de Verenigde Staten, Spirit AeroSystems.

Spirit werd gekozen om de gehele voorste romp van de 787 te vervaardigen - Sectie 41 genaamd - die de cockpit, cockpitwindschermen, twee deuren, negen passagiersramen en alle elektronische apparatuur, cockpitstoelen en bedrading omvat. Met een diameter van 6,2 m en een lengte van 12,8 m is sectie 41 misschien wel de meest complexe rompsectie van het vliegtuig.

Dat Spirit zou worden geselecteerd om 787 constructies te leveren, was geen verrassing. De geschiedenis van het bedrijf gaat terug tot 1927, toen luchtvaartlegende Lloyd Stearman zijn Stearman Aviation Co. verplaatste van Californië naar Wichita. Slechts twee jaar later verwierf Boeing - destijds bekend als de United Aircraft and Transport Corp. - Stearman. De Boeing Wichita-fabriek zou enkele van de meest iconische militaire vliegtuigen in de Amerikaanse geschiedenis gaan produceren, waaronder de B-29 Superfortress , de B-47 Stratojet en de B-52 Stratofortress .

In 2005, tegen de tijd dat Boeing serieus was begonnen met de ontwikkeling van de 787-productie, was de Wichita-campus verkocht door Boeing en omgedoopt tot Spirit AeroSystems. Eric Hein, Senior Director, R&D en ManTech van Spirit, stelt dat het bedrijf – nu met extra vestigingen in de VS (Kansas, Oklahoma en North Carolina) en in Schotland, Frankrijk en Maleisië – de thuisbasis is van 's werelds grootste productie van commerciële vliegtuigen vermogen. Naast de 787 bouwt Spirit grote constructies (meestal metalen) voor Boeing's 737, 747, 767 en 777; de Airbus A320, A350 (ook composiet-intensief) en A380; de Bombardier CSeries; de Mitsubishi MRJ; de Sikorsky CH-53K (helikopter); en de Bell V-280 (tiltrotor). Spirit, zegt Hein, had in 2017 een omzet van 7 miljard dollar en heeft een achterstand van 46 miljard dollar.

Tijdens de groei van het bedrijf is de locatie van Spirit in Wichita het hart van de activiteiten van het bedrijf gebleven. Met 150 gebouwen verspreid over 600 acres, gevuld met 10.700 werknemers, is het een productiestad op zich, druk met vrachtwagens, auto's en shuttles die mensen en goederen over de hele campus vervoeren.

De productie van de voorste romp van de 787 is beperkt tot één heel groot gebouw, aan de rand van de campus. Hier worden alle composietproductie, installatie van interne structuren en systeemintegratie uitgevoerd voordat het eindproduct naar Everett wordt verscheept voor eindmontage.

Monolithische romp

CW De rondleiding door het productiegebied van de 787 wordt geleid door José Sanchez, senior manager van Spirit, 787 operations. Spirit AeroSystems bouwt zijn deel van de 787-romp als een monolithische structuur, waarbij een geautomatiseerd vezel/tape-plaatsingsproces wordt gecombineerd met co-cured stringers om een ​​loop uit één stuk te vormen. (Met name Airbus ontwierp later de vergelijkbare A350 XWB met een romp die bestaat uit koolstofvezelcomposietpanelen, in plaats van een constructie uit één stuk; Spirit fabriceert romppanelen voor de A350 in Kinston, NC, VS, en assembleert ze in Frankrijk.)

Composietmaterialen die worden gebruikt om 787 primaire structuren te vervaardigen, zoals algemeen is gemeld, zijn afkomstig van Toray Industries (Tokyo, Japan) en zijn Torayca 3900-serie koolstofvezelversterkte geharde prepreg met behulp van T800S-vezel met tussenliggende modulus. Prepreg wordt geleverd als UD-tape, splittape (voor automatische plaatsing van vezels/tape) en geweven stoffen.

Het 787-rompontwerp bepaalt twee basisbewerkingen voor de fabricage van composieten:het snijden en vormen van stringers en het plaatsen van vezels van de romphuid. De truc is om de stringers te combineren met de vezel-geplaatste huid om een ​​co-cured structuur mogelijk te maken. Daarom hechten Spirit en bij uitbreiding Boeing veel belang aan de processen die worden uitgevoerd bij de eerste stop van de tour:Stringer-fabricage.

Deze sterk geautomatiseerde lijn is voorzien van een Amerikaanse GFM (Chesapeake, VA, VS) snijtafel die de prepreg uit de Torayca 3900-serie in lagen snijdt. Deze worden overgebracht naar een kitting-tafel, waar de lagen handmatig worden gestapeld, geleid door een LAP-laser boven het hoofd (Erlanger, KY, VS) en voorbereid op vorming. Sanchez zegt dat deze stringer-fabricagelijn veel van het intellectuele eigendom belichaamt dat Spirit heeft ontwikkeld voor de productie van Section 41 en een cruciaal onderdeel is van de werking van de faciliteit.

Voorgevormde stringers, wanneer ze van de stringerlijn komen, worden vervolgens door operators overgebracht naar een aangrenzende sectie 41-doorn die de focus zal worden van alle fabricageactiviteiten van composieten, in de toekomst. De doorn, zegt Sanchez, die de vorm en afmetingen van het voorste rompgedeelte draagt, is vervaardigd uit een koolstofvezel/bismaleimide (BMI) composiet en bestaat uit zes segmenten. Elk segment is zijdelings verdeeld over de lengte van de doorn. In het oppervlak van elke doornsectie, die ook over de lengte van het gereedschap loopt, zijn sleuven gefreesd waarin de voorgevormde draagbalken worden geplaatst, met de platte onderkant van de draagbalk naar buiten gericht.

Nadat alle stringers in hun sleuven zijn geplaatst, omwikkelen operators de hele doorn met een verweven draadweefsel (IWWF), gemaakt door Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, VS), dat bescherming biedt tegen blikseminslag voor de hele 787 romp. Deze hele structuur wordt vervolgens omwikkeld met plastic zakfolie. De film houdt de IWWF en de stringers op hun plaats terwijl de doorn via een handmatig geleide voertuig naar het volgende station wordt gereden - geautomatiseerde vezelplaatsing (AFP) - en vervolgens wordt verwijderd voor AFP.

Misschien is er geen proces gekomen dat het gebruik van composieten op de 787 meer symboliseert dan het AFP-systeem dat werd gebruikt om de romphuid te vervaardigen. AFP, zelfs toen het 787-programma begon, werd al vele jaren gebruikt, dus het was niet nieuw voor de productie van composieten. Wat nieuw was bij de 787, was de schaal van de toepassing. Er zijn maar weinig composietconstructies gemaakt met AFP in de buurt van de grootte van zelfs maar één 787-rompsectie.

Toen Spirit 787-productie in Wichita oprichtte, werd AFP uitgevoerd met een machine met 32 ​​korven geleverd door Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, VS). Begin jaren 2000 begon Boeing echter samen te werken met automatiseringsspecialist Electroimpact (Mukilteo, WA, VS) aan de ontwikkeling van een nieuwe AFP-machine met modulaire, verwisselbare koppen. Elke kop zou alle koolstofvezelspoelen bevatten voor een bepaald type bewerking en zou relatief eenvoudig kunnen worden verwisseld, afhankelijk van de vereiste tapebreedte.

Hoewel Spirit nog steeds zijn originele Ingersoll-machine heeft, wordt deze gebruikt in een back-uprol. Dit komt omdat Spirit uiteindelijk twee Electroimpact-machines heeft gekocht om het grootste deel van de huidfabricage van sectie 41 te doen. Sanchez zegt dat de Electroimpact AFP-machines, elk uitgerust met een 16-spoelkop (0,25- en 0,50-inch breed/6,35- en 12,7 mm brede kabels), samenwerken om materiaal op de doorn aan te brengen. De doorn is horizontaal gemonteerd en gedraaid op een spil, terwijl de koppen langs elke kant bewegen en slepen plaatsen, meestal in relatief korte, sterk verboden banen. Bezoekers kunnen in de felle lichten van de plant gemakkelijk de diverse, meerhoekige verzameling slepen zien die al op de doorn is geplaatst.

Sanchez zou niet onthullen hoe lang het duurt voordat de twee Electroimpact-machines alle vezels voor één romphuid volledig hebben geplaatst, behalve dat het "zeer snel" is. Alle AFP-bewerkingen worden beheerd door drie operators bij de machine. De ene werkt in een controlecabine die uitkijkt op de doorn, terwijl de andere twee de vloer onder en naast de doorn lopen, zaklantaarns in de hand, op zoek naar problematische gaten, rondingen, oneffenheden, rimpels en vuil van vreemde voorwerpen (FOD) op het oppervlak van de pre-pregged slepen. Gebreken moeten worden aangepakt/opgelost voordat de structuur is genezen.

De volgende stop voor sectie 41, volgend op een nieuwe all-over bagging, is de autoclaaf. Spirit Wichita exploiteert twee enorme autoclaven van Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, VS). Het rompgedeelte wordt 's nachts uitgehard, waarna de structuur wordt verwijderd en de zesdelige doorn wordt gedemonteerd en sectie voor sectie door het brede uiteinde van de romp wordt verwijderd.

Afwerking na het proces

Wat volgt voor sectie 41 zijn enkele dagen reizen van station naar station terwijl de hele constructie vordert naar voltooiing. Dit omvat een bezoek aan een MTorres (Torres de Elorz, Spanje) Torresmill 5-assige portaalfrees- en boormachine, die gaten boort voor de rompframes en andere interieurstructuren, evenals deuropeningen, ramen en opening van het voorste landingsgestel. De romp ondergaat ook pulse echo niet-destructieve inspectie (NDI), verfvoorbereiding, schilderen, vensterglasinstallatie, deurinstallatie en alle interieurstructuren / systeeminstallatie. De eerste binnenconstructies die zijn geïnstalleerd, zijn de cirkelvormige frames (metaal en composiet), die aan de draagbalken en de romphuid zijn bevestigd. Tijdens deze processen wordt er gewerkt aan sectie 41 bij elk station kiel omhoog of omlaag, afhankelijk van de betrokken activiteit.

Tijdens CW Tijdens het bezoek van het bedrijf werden ongeveer 30 werkstations bekeken en elk had een sectie 41-structuur in een bepaalde staat van montage, en elke sectie laat Wichita klaar voor onmiddellijke integratie in de Boeing FAL in Everett. Boeing bouwt momenteel 12 787's per maand en streeft naar 14 per maand in 2019 - een ongewoon groot aantal voor een widebody-vliegtuig.

Sanchez merkt op dat Spirit al bijna een decennium aan de fabricage van Sectie 41 heeft gewerkt, hetzij in ontwikkelingsfase, hetzij in daadwerkelijke productie. Alle bugs, knikken en eigenaardigheden die mogelijk bestonden, werden lang geleden geïdentificeerd en uitgewerkt. Volgens hem zal het geen probleem zijn om aan die buildsnelheid van 14 schepensets per maand te voldoen.

R&D van de volgende generatie

Terwijl de rondleiding de Sectie 41-fabriek verlaat, CW wordt naar buiten geleid naar een naburig gebouw voor een ontmoeting met Pierre Harter, directeur, geavanceerd onderzoek bij Spirit. Harter was voorheen ingenieur bij het inmiddels ter ziele gegane Adam Aircraft, gevestigd in Denver, Colorado, en bij Bombardier (Montreal, QC, Canada), en afgestudeerd aan de Wichita State University. Harter leidt CW in wat een onopvallend gebouw met meerdere gangen en meerdere deuren lijkt te zijn, dat niettemin snel onthult als het middelpunt van Spirit's onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen op het gebied van composieten.

Hoe geavanceerd de Sectie 41-productielijn van Spirit ook is, het onbetwistbare feit is dat het gebruikmaakt van composietproductietechnologie die meer dan tien jaar geleden nieuw was. De realiteit van lucht- en ruimtevaartkwalificatie (zowel kosten als tijd) en fabricage dwingt Spirit en soortgelijke leveranciers om al vroeg genoegen te nemen met een fabricagetechnologie voor een vliegtuigconstructie, en zich daar dan voor de duur van het programma aan te houden. De mogelijkheid om apparatuur en materialen te upgraden is daarom vaak beperkt, ongeacht hoe voordelig recentere ontwikkelingen in de fabricagetechnologie van composieten kunnen zijn.

Het is daarom de taak van Harter om nieuwe en opkomende composietmaterialen en -technologieën te evalueren en te bepalen welke waarschijnlijk een thuis zullen vinden in vliegtuigen van de volgende generatie. Met de 787 en de Airbus A350 in productie, is de hele toeleveringsketen voor de commerciële lucht- en ruimtevaart inderdaad druk bezig met het anticiperen op het volgende grote commerciële programma en de leden zorgen er elk voor dat ze de kennis en expertise verwerven die de OEM's van hen nodig hebben.

Conventionele wijsheid zegt dat het volgende formeel aangekondigde programma Boeing's eengangig, tweemotorig New Middle-Market Airplane (NMA, of 797) zal zijn, dat de 757 effectief zou vervangen. Dit vliegtuig zal naar verwachting ergens rond 2025 op de markt komen. Hoewel het zal zeker composieten gebruiken, de vragen voor het R&D-team van Spirit zijn hoeveel? Waar? En wat voor soort? Niemand weet de antwoorden nog, dus Harter en zijn team evalueren alle opties. Zo is het scala aan materialen, apparatuur en projecten in ontwikkeling bij Spirit momenteel duizelingwekkend. “We werken aan verschillende projecten”, zegt Harter. “Out-of-autoclaaf, snelle RTM, thermoplasten, innovatieve tooling, inline inspectie, fiber steering. We willen klaar zijn voor alles wat de OEM's nodig hebben.”

Het middelpunt van het Spirit Wichita-composietlab is een 16-spoel (0,125-, 0,25-, 0,5-inch slepen) Electroimpact AFP-machine, die volgens Harter wordt gebruikt om handelsstudies uit te voeren over het gebruik van inline geautomatiseerde inspectie, evenals voor een verscheidenheid aan andere activiteiten, waaronder prototyping. Het doel van het geautomatiseerde inspectiesysteem, zegt Harter, is om het tijdrovende, arbeidsintensieve werk dat we eerder op de tour hebben gezien, te elimineren, kijkend naar AFP-technici, met zaklampen, op zoek naar problematische ronden, gaten, rimpels en FOD.

Spirit, zegt Harter, evalueert een LASERVISION-systeem van Aligned Vision (Chelmsford, MA, VS), dat Spirit dwingt te heroverwegen wat wel en niet een echt defect is, "en te heroverwegen hoe we defecten karakteriseren." Hij zegt dat het systeem tegen het einde van dit jaar in gebruik kan worden genomen op de productievloer.

Naast het AFP-systeem heeft Spirit een aantal andere projecten in de maak op verschillende niveaus van technologische paraatheid (TRL). Deze omvatten het volgende:

• Een polymeer gereedschap met vormgeheugen (TRL 6),
• Een spar-sectie gemaakt met Hexcel's (Stamford, CT, VS) HiTape (droge vezel) met behulp van RTM (TRL 6),
• Een doordrenkte spar met ingebouwde sensoren voor in-situ procescontrole, uitgehard met behulp van een autoclaaf of een oven (TRL 4),
• Een frame gemaakt met gestuurde AFP en warm laken (TRL 6),
• En 3D-geprint gereedschap vervaardigd op de Big Area Additive Manufacturing (BAAM)-machine van de Wichita State University, geleverd door Cincinnati Inc. (Harrison, OH, VS).

Andere onderzoeksgebieden, zegt Harter, zijn onder meer gestikte preforms, robotische AFP/ATL en AFP-kopinnovatie. Dit laatste is voortgekomen uit een uitdaging van eind 2016 bij Spirit om de AFP-lay-outpercentages binnen twee jaar te verdubbelen. Harter zegt dat hij en zijn medewerkers bij hun inspanningen om deze uitdaging aan te gaan hebben ontdekt dat "wanneer de robotprocessen zijn geoptimaliseerd, je tegen de grenzen van de head/machine-technologie aanloopt", wat betekent dat de beperkende factor van de AFP-snelheid de efficiëntie van de afgifte van vezelkabels wordt. . Spirit werkt samen met Electroimpact en materiaalleveranciers aan technologieën die zijn ontworpen om de totale doorvoer te vergroten.

De laatste stop op de Spirit Wichita-tour is het testen van materiaal en componenten. Het is niet verrassend dat Spirit hier robuuste capaciteiten heeft, waaronder 15 mechanische testmachines (11-50 kipcapaciteit) geleverd door MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, VS), omgevingstestkamers, rekstrookjes, metrologische systemen en hoogbouw ruimte voor het testen van componenten op volledige schaal - vleugelconstructies en stuwkrachtomkeerders stonden onder actieve stress tijdens CW's bezoek.

Als de tour ten einde loopt, wordt afscheid genomen en trekt de enorme Wichita-campus van Spirit AeroSystems zich terug in CW's vertrek, is het, gezien de aanzienlijke mogelijkheden van Spirit op het gebied van composieten, gemakkelijk om je af te vragen hoe het volgende decennium eruit zal zien voor deze grote vliegtuigfabrikant. In de mondiale lucht- en ruimtevaartwereld is het scala aan mogelijkheden aantoonbaar ongeëvenaard. Het lijkt erop dat Spirit AeroSystems klaar is voor alles wat de toekomst in petto heeft.