De composietenwereld in Israël en de VS dienen

Elbit Systems Ltd. (Haifa) is Israëls grootste defensie-aannemer, met een omzet van 3,3 miljard dollar in 2017 en een orderboek van meer dan 7,5 miljard dollar in 2018. Zijn activiteiten omvatten systemen en structuren voor militaire en commerciële vliegtuigen, landvoertuigen, beveiliging en een verscheidenheid aan inlichtingen-, elektronica- en cybersystemen. Van de 12.500 medewerkers zijn er bijna 3.000 in de VS en werken ze samen met haar dochteronderneming Elbit Systems of America, die meerdere vestigingen heeft, waaronder in de Amerikaanse staten Utah en New Hampshire en in Ft. Worth, Texas, VS. En Elbit Cyclone is uitgebreid naar een extra site, genaamd Aero-Structure Technologies Cyclone (ATC), nabij de internationale luchthaven van Tbilisi, Georgië, gebouwd in samenwerking met de Georgische regering. De bouw van een faciliteit van 12.000 m2, uitgerust met twee autoclaven en CNC-bewerkings- en NDI-capaciteit, is voltooid. "We werken er nu aan om deze locatie te kwalificeren met grote OEM's van vliegtuigen", zegt Jonathan Hulaty, senior manager voor bedrijfsontwikkeling en marketing bij Elbit Cyclone.

De dochteronderneming van Elbit Systems Cyclone is gevestigd in het noorden van Israël en dient als ontwerp- en productiecentrum voor metalen en composiet vliegtuigconstructies en assemblages. Het bedrijf staat op hetzelfde terrein, in de buurt van Karmiel, waar Cyclone in 1970 werd opgericht, in een enkel gebouw, om onderhouds-, reparatie- en revisiediensten (MRO) te verlenen aan vliegtuigen en helikopters van de Israëlische luchtmacht. De spiraalwind die wordt gegenereerd door wervelende helikopterbladen inspireerde de oorspronkelijke bedrijfsnaam.

Cycloon had in de jaren tachtig de capaciteit van composieten ontwikkeld en begon te werken voor klanten buiten Israël door metalen deuren te bouwen voor McDonnell Douglas DC-10 en MD-11 widebody-vliegtuigen en onderdelen voor F-15 en F-16 militaire vliegtuigen en de Gulfstream G-200 zakenvliegtuig.

Elbit verwierf Cyclone eind jaren negentig, investeerde in het bedrijf en in 2010 was het in omvang verdrievoudigd. In 2017 had Cyclone 11.000 aluminium deuren geproduceerd voor de 737 commerciële vliegtuigen van The Boeing Co. (Chicago, IL, VS), inclusief achteringangsdeuren, beide kombuisdeuren en zowel achter- als voorwaartse vrachtdeuren. Vervolgens contracteerde het rechtstreeks met Boeing voor de productie van composietvloerconstructies en detailonderdelen voor de 787 Dreamliner , en met Spirit AeroSystems (Wichita, KS, VS) voor composietonderdelen in rompsectie 41 van datzelfde vliegtuig. Het levert ook vloerbalken voor passagiers voor de Boeing 787-8-variant. Het bedrijf wordt nu erkend als Boeing Gold Level Preferred Supplier, de hoogste leveranciersprijs van Boeing. Cycloon is een van de weinige die dit heeft bereikt en is de eerste buiten de VS.

Het bedrijf levert ook onderdelen voor de langeafstandsjets van Bombardier (Montreal, QC, Canada) en verschillende onderdelen voor drie varianten van de in de VS verankerde F-35 Bliksem II . Andere notabelen op de lange klantenlijst van Cyclone zijn Lockheed Martin, Sikorsky, GKN Aerospace, Textron, Triumph, Northrop Grumman en Bell Helicopter.

Hulaty, CW's gastheer voor de tour, herinnert zich:“Aan het eind van de jaren negentig hadden we 400 werknemers. Nu zijn we vijf keer zo groot in omzet, met 500 medewerkers. Dit is mogelijk dankzij onze nadruk op lean processen. Het meeste van wat we doen is gebouwd om te printen, wat misschien niet glorieus klinkt, maar het is goed voor een groot deel van onze industrie.” Hulaty voegt eraan toe dat de eisen op het gebied van kwaliteit, herhaalbaarheid en concurrentievermogen, in combinatie met de investeringen in apparatuur en kwaliteitssystemen die nodig zijn om aan de productie te voldoen, dit een moeilijke maar interessante positie op de markt maken:"Een leverancier van lucht- en ruimtevaartcomposieten zijn is niet voor bangeriken."

In plaats van flauw te vallen, zag Cyclone zijn composietactiviteiten vorig jaar voorbij de metaalfabrieken stijgen en het grootste deel van de productie uitmaken, met een verdeling van ongeveer 60/40. Hulaty voorspelt dat de groei zal doorzetten:"Dit jaar gaan we waarschijnlijk over op 70% composieten."

Kennis van onderdelen

CW's tour begint in de hoofdconferentieruimte van de site, waar Hulaty een korte introductie geeft. De productie van Cyclone, legt hij uit, is ongeveer 50/50 verdeeld tussen militair en commercieel. Commerciële composietonderdelen zijn onder meer landingsgesteldeuren, gondelonderdelen, huiden, stroomlijnkappen, stuurvlakken en structurele vloerroosters. Militaire composieten omvatten huiden, deuren, met filament gewikkelde externe tanks, pylonen, stuurvlakken en helikopter-sponsons en motorinlaten.

Cycloon ontwierp ook de buitenste vleugel en staartboom voor een onbemand luchtvaartuig op middelhoge en lange afstand (MALE UAV) dat op een hoogte van 3.048-9.144 m vliegt voor langere (bijvoorbeeld 24- tot 48-uurs) duur. Hulaty merkt echter op dat het bedrijf niet veel UAV-werk meer doet. "UAV's zijn meestal klein en gebruiken natte lay-up, wat niet onze expertise is", legt hij uit. Er zijn grotere UAV's gemaakt met prepreg, maar Hulaty wijst erop dat deze doorgaans in kleinere hoeveelheden worden geproduceerd of in-house worden geproduceerd door Boeing, General Atomics en andere grote defensie-OEM's. "We geven de voorkeur aan lange serieproductie van prepreg-onderdelen versus sporadische programma's."

De capaciteiten van de prepreg-onderdelen van Cyclone omvatten vacuümdebulking van meerdere lay-ups via hot drapeforming (HDF) en autoclaafuitharding. Niet-destructieve inspectie (NDI) en CNC-bewerking van uitgeharde onderdelen wordt ter plaatse voltooid, en een speciale expertise is de hoogwaardige productie van complexe metalen en composietassemblages. Cyclone heeft alle lucht- en ruimtevaartproductie- en kwaliteitscertificeringen voltooid (bijv. AS9100, Nadcap, ISO9001) en heeft capaciteiten ontwikkeld op het gebied van filamentwikkeling en harsoverdrachtsgieten (RTM).

RTM was in feite CW eerste kennismaking met Cyclone. De ontwikkeling door het bedrijf van een samengesteld, volledig composiet alternatief voor metalen passagiersdeuren op commerciële vliegtuigen was te zien in de 2013 CW artikel "De kosten verlagen van geïntegreerde composiet aerostructuren." De technologie maakte gebruik van RTM en geometrisch vergrendelde composietfittingen om een ​​FAA-gecertificeerde structuur te bereiken met zeer weinig bevestigingsmiddelen, 30% gewichtsbesparing en 25-35% kostenreductie in vergelijking met aluminium en "zwart aluminium" composietontwerpen. De succesvolle bouw van Cyclone van een volledig sluitingsvrije composietdeur en de uitbreiding van de technologie naar lichtere, goedkopere composietbesturingsoppervlakken voor vliegtuigen werd beschreven door CW in een update uit 2016 met de titel "Bevestigingsvrije, composiet vliegtuigdeur- en bedieningsoppervlakken." Hulaty besluit zijn inleidende opmerkingen door te wijzen op deur nr. 1 zonder sluiting, die in de vergaderruimte te zien is. Het onderdeel is indrukwekkend, met een hoogwaardige afwerking. Dan leidt hij de weg het gebouw uit.

Gestroomlijnde lay-up en testen

Hulaty leidt de tour een heuvel af en slaat dan linksaf de ingang van Cyclone's composietproductiegebouw in. Verschillende onderdelen worden hier ook tentoongesteld:Boeing 767 staartskid stroomlijnkappen, een Beechcraft King Air winglet en F-35 composiet onderdelen. Voorbij de ingang blijft links een beperkt toegankelijke cleanroom voor defensiegerelateerde productie gesloten. Aan de rechterkant leggen werknemers in de cleanroom voor Boeing 787-onderdelen prepreg voor een reeks onderdelen, van kleine clips en rongen tot complexe J-, I- en C-balken, evenals meerdelige neuslandingsgesteldeuren. Prepreg wordt gesneden met behulp van een Bullmer Assyst (Wakefield, VK) geautomatiseerde stofsnijder en een guillotinemachine voor het snijden van dikke stapels onder elke hoek. De prepreg vriezer grenst aan de cleanroom. Hulaty merkt op dat soms stapels prepreg worden gesneden, gekit en terug in de vriezer worden geplaatst. Aligned Vision (Chelmsford, MA, VS) laserprojectiesystemen die zich in de cleanroom bevinden, helpen bij het leggen van de hand.

Met koolstofvezel versterkte kunststof (CFRP) vloerbalkdelen worden op mannelijke metalen doornen gelegd. Hulaty beschrijft het gestroomlijnde proces:"We leggen eerst de prepreg-stapels op en brengen ze vervolgens op de doorn aan. Dit bespaart een hoop tijd in plaats van stukje bij beetje op de tool toe te passen. De lay-ups worden vervolgens bedekt met een CFRP-caul van ons eigen ontwerp, wat helpt om 100% herhaalbaarheid in de onderdelen te garanderen.

Langs de achterwand van de cleanroom bevindt zich een hot drape-vormmachine, waardoor debulking van vele onderdelen per cyclus mogelijk is. "Ik weet niet hoe je dit soort prepreg-onderdelen met hoge snelheid kunt produceren zonder hot drape-vorming", zegt Hulaty met betrekking tot onderdelen zoals balken en rongen. En toch erkent hij dat deze stap niet het knelpunt is, en ook niet de autoclaaf. "Aan het einde, na uitharding, is het knelpunt om aan het eind te bewerken", stelt hij, en hij legt uit dat het voor lange vloerbalkdelen sneller is om een ​​eenvoudige stapel op te leggen en deze na uitharding te bewerken. "De autoclaaf is niet het probleem, omdat we veel onderdelen kunnen stapelen om in één keer uit te harden", voegt hij eraan toe. "Dus we krijgen eigenlijk een goede productiesnelheid per uithardingscyclus."

In een groot aangrenzend gebied staan ​​vier autoclaven langs de achterwand. "Het is lastig om de juiste maat voor uw autoclaven te krijgen", stelt Hulaty, "omdat u probeert de productiesnelheid in evenwicht te brengen en voldoende onderdelen per cyclus te krijgen, zonder een te groot volume te hebben om op te warmen en af ​​te koelen, wat tijd kost .” De autoclaven met een diameter van 3 m van Cycloon, geleverd door Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, VS), variëren van 5 m en 10 m lang tot de langste, 11 m.

Op een mezzanine boven de autoclaaf bevindt zich een testafdeling voor kwaliteitsborging. Hier hebben testers van Zwick (Ulm, Duitsland) klimaatkamers voor temperatuurwisselingen, die nodig zijn voor het testen van materialen die worden gebruikt op besturingsoppervlakken van vliegtuigen. "Deze voeren temperatuur- en belastingcycli uit, in overeenstemming met OEM-specificaties", zegt Hulaty. "We doen alle testen in-house en kunnen materiaalkwalificaties uitvoeren omdat bijna al onze klanten ons laboratorium hebben bezocht en gekwalificeerd."

Hij toont microfoto's van een CFRP-straalvuller ("noodle") vervaardigd door Cyclone, gebruikt in verschillende prepreg-balkconstructies. "Dit is een zeer complexe kwestie wanneer je onderdelen maakt waarbij de flens van de balk moet aansluiten op het web en een noedel wordt gebruikt om belastingoverdracht mogelijk te maken en lege ruimten te voorkomen", legt Hulaty uit, terwijl hij de rondleiding naar een tweede testlab leidt, waar kleine schijven worden gepolijst en in Tegramin-testapparatuur van Struers (Ballerup, Denemarken) geplaatst. "Dit test de samenhang van ons lay-upproces", benadrukt hij, "We testen dit zelf, niet om aan de eisen van de klant te voldoen, maar om ervoor te zorgen dat we het goed doen met onze eigen processen, waarbij we vasthouden aan onze eigen kwaliteit normen.”

NDI en bewerking

De rondleiding brengt vervolgens een bezoek aan een aangrenzende faciliteit, waar de definitieve kwaliteitsborging (QA) en machinale bewerkingen zijn ondergebracht. Het NDI-gebied met hoge plafonds herbergt een grote TTU-testmachine (through-transmission ultrasound), geleverd door Matec Instrument Cos. (Northborough, MA, VS) aan de linkerkant, compleet met waterspuit om de geluidsgolven aan het oppervlak van het onderdeel te koppelen. "De ene kant van de TTU-apparatuur kan zenden en ontvangen, terwijl de andere kant alleen een ontvanger is", legt Hulaty uit. “Hiermee kunnen we middelgrote tot grote onderdelen, zoals een buikkuip voor een zakenjet, scannen in een halve shift van acht uur.” Hij beweert dat dit het grootste TTU-systeem is dat in Israël voor NDI wordt gebruikt, en voegt eraan toe:“We scannen elk stuk composiet dat we maken. Stroomlijnkappen kunnen soms na een tijdje naar op statistieken gebaseerde inspecties gaan, omdat het secundaire structuren zijn en niet vluchtkritisch, maar we geven er toch de voorkeur aan om ze allemaal te scannen." In lijn met deze voorkeur merkt Hulaty op dat Cyclone twee Level III niet-destructieve testtechnici (NDT) voor composieten in dienst heeft.

Als u door het laboratorium loopt, ziet u aan de rechterkant een andere geautomatiseerde ultrasone testmachine (UT), deze gemaakt door ScanMaster Systems Ltd. (Rosh-Ha'ayin, Israël). Hoewel composietdelen ook hier in tanks met water worden ondergedompeld, is dit niet voor een C-scan systeem. In plaats daarvan dienen de tanks phased-array UT, een zeer snelle methode die een grotere nauwkeurigheid biedt dan een C-scan, maar voor eenvoudigere vormen.

Terwijl de rondleiding langs rekken met onderdelen gaat in verschillende stadia van het QA-proces, wijst Hulaty op gereedschap dat naast de NDT-ruimte is opgeslagen. “We ontwerpen en bouwen de meeste van onze gereedschappen in eigen huis, zowel metaal als composiet, maar sommige klanten leveren liever hun eigen gereedschap. We kunnen ook wijzigingen aanbrengen in het ontwerp van de tooling om de productie te verbeteren, uiteraard alleen met goedkeuring van de klant.”

Via een deur en een korte gang komt de rondleiding de CNC-bewerkingen binnen, waarin twee 5-assige CNC-bewerkingscentra zijn ondergebracht die zijn geleverd door Breton (Castello di Godego, Italië), een bedrijf dat oorspronkelijk is gevestigd in de steenhouwindustrie. "Bretonse machinecomponenten zijn gebouwd met bescherming tegen steenstof", zegt CNC-engineeringmanager Trevor Hutson. “Ze werken dus goed samen met CFRP. We ontdekten dat houtbewerkings-CNC-machines niet robuust genoeg waren voor onze productiebehoeften.”

Hulaty wijst erop dat de gebouwtemperatuur op 26°C ±1°C wordt gehouden. "Elke machine stopt als een van de parameters buiten de specificaties valt", legt hij uit. De machines kunnen onderdelen aan tot 5 m lang en 2,2 m breed met een verplaatsing van 1 m in de z-richting. Hun volumetrische nauwkeurigheid wordt vermeld als 50 micron (0,002 inch).

Zodra de bewerking is voltooid, wordt een kop van een coördinatenmeetmachine (CMM) ingeschakeld en voert deze CMM uit op het onderdeel voor de definitieve QA. Dit wordt gerapporteerd en bij het onderdeel gevoegd via het digitale besturingssysteem van de machine om inspectietijd te besparen. "We kalibreren de CMM-taster en vervolgens nemen we de onderdeelmetingen", zegt CNC-ingenieur Karin Hartman, die naast Hutson fungeert als Cyclone's tweede CNC-bewerkingsexpert. "Dit levert realtime resultaten op, zodat we eventuele problemen kunnen oplossen voordat we ze naar meer dan één onderdeel migreren", voegt Hutson toe. "Het bespaart ook tijd, waardoor eventuele nabewerkingen meteen kunnen worden uitgevoerd."

Montage en R&D

Hier verlaat de rondleiding het NDT/CNC-gebouw voor een wandeling terug de heuvel op, langs het gebouw waarin de vergaderruimte was gevestigd, naar een aangrenzend gebouw, dat plaats biedt aan montagewerkzaamheden. Hulaty wijst op de vele assemblagestations, die de vloerbalken, de cockpitbalk, de afschuifbalkbalk en de ruimte voor elektronische apparatuur (avionics) produceren voor de 787's Section 41. Deze zullen, samen met de neuswieldeur (NWWD), worden verzonden naar Spirit AeroSystems in de VS, klaar om in de productielijn van dat bedrijf te komen voor de 787 Section 41, het voorste rompgedeelte.

Hulaty kijkt in meer detail naar het assemblagestation voor de afschuiving en legt uit dat het de laadvloer van Section 41 ondersteunt en dwarse ondersteuning biedt over de buik van het vliegtuig. Het geheel omvat twee langsliggers plus zes rongen, allemaal ondersteboven gemonteerd. Een eenvoudige roterende mal houdt de onderdelen bij elkaar om de bevestiging van de rongen te vergemakkelijken.

"Composieten komen hier al geboord binnen", merkt Hulaty op. “In dit gebouw wordt alleen metaal geboord.” Metaal is ook aan de achterkant van het gebouw geanodiseerd en geverfd. Montage-instructies worden weergegeven op een computerscherm op elk station, met behulp van een kant-en-klaar systeem. "Maar de instructies zijn van ons", zegt hij. "We hebben het aangepast om met de CATIA-modellen voor elk onderdeel te praten, en vervolgens heeft onze engineeringafdeling de montage-instructies gemaakt." Hij legt uit dat de kleur rood een wijziging of fout in het verleden aangeeft. “Het is een bijna papierloze omgeving, mogelijk gemaakt door een touchscreen-infrastructuur. Routekaarten volgen het onderdeel elektronisch.”

Verderop wijst Hulaty op een antiraketsysteem voor commerciële vliegtuigen, C-MUSIC genaamd (commerciële multispectrale infrarood-tegenmaatregel). Het is ontwikkeld door de ISTAR-divisie van Elbit Systems en Cyclone ontwierp de structuur van het systeem, inclusief in-house gegenereerde toegestane rechten. Hoewel de systeemmechanismen en de binnenstructuur van metaal zijn, is de kuip/radome van composiet.

"Alle Israëlische luchtvaartmaatschappijen moeten hiermee zijn uitgerust", zegt hij. “Het is een autonoom systeem dat via een plug-and-play kit op de buik van het vliegtuig wordt gemonteerd. Ontworpen om draagbare, op de schouder gelanceerde, hittezoekende raketten tegen te gaan, wordt een laser op de inkomende raket geschoten als dit systeem wordt geactiveerd. Voor het eerst ingezet op een Boeing 737 in 2013, zegt Hulaty dat C-MUSIC-systemen duizenden operationele uren hebben op commerciële vliegtuigen en zijn getest op de Embraer 170 en 190 evenals de meeste commerciële platforms van Boeing en verschillende Airbus-modellen (Toulouse, Frankrijk).

Aan de overkant in het R&D-lab toont de entreehal een verscheidenheid aan onderdelen, waaronder enkele gemaakt van 3D-geprint titanium. CW verneemt dat dit laatste het gevolg is van de activiteiten van een Israëlisch consortium onder leiding van Elbit-Cyclone, hoofd R&D Lior Zilberman. Het doel van het consortium was om de additieve fabricagetechnologie voor de productie van aerostructuren te bevorderen. "We zijn ook geïnteresseerd in het potentieel om onze assemblagemogelijkheden te vergroten", zegt Hulaty. Extra toepassingen kunnen onderdelen zijn voor upgradeprogramma's voor helikopters, waarvan hij merkt dat het notoir kleine runs zijn (bijvoorbeeld vijf helikopters), "dus het uitrusten is geen betaalbare optie." Andere onderdelen in de R&D-vitrine zijn een scheepsschroef gemaakt met RTM en een winglet die samen met een klant is ontwikkeld om een ​​tweedelige honingraatconstructie te vervangen door een eenvoudig, geïntegreerd onderdeel.

Het ontwikkelen van samengestelde composietstructuren is een van de sterke punten van Cyclone geworden. De winglet maakt gebruik van monolithische koolstof/epoxy prepreg verwerkt uit autoclaaf (OOA) om gewicht, kosten en doorlooptijd te verminderen. Dezelfde voordelen worden bereikt in een geïntegreerd stuuroppervlak zonder bevestigingsmiddelen, gemaakt in een one-shot RTM-proces. Zilberman heeft het bedrijf ook geleid bij de ontwikkeling van multifunctionele structuren met ingebedde energiewinning, vormveranderend vermogen en structurele gezondheidsmonitoring/NDI-systemen in roterende en vaste vleugels, evenals zelfaanpassende samengestelde roterende en vaste vleugels.

Het R&D-lab omvat een snijruimte, bewerkingsruimte en RTM-ontwikkelruimte. De laatste bevat een 360-tons pers van Lauffer Pressen (Horb am Neckar, Duitsland) met een 700 kW-vermogenssysteem voor het verwarmen van matrijzen voor onderdelen tot 2 bij 2 m. Cyclone werkte samen met Polymer G (Halutza, Israël) om het harsinjectiesysteem te ontwikkelen voor de geïntegreerde, bevestigingsvrije passagiersdeur- en bedieningsoppervlaktechnologie. Er is ook een grote oven voor het voorverwarmen van de RTM-mallen en/of het naharden van de epoxyharsdelen.

Investering in toekomstige productie

Aan het einde van de tour merkt Hulaty op dat hoge productie en assemblage investeringen vereisen. Tijdens de rondleiding hebben we hiervan voorbeelden gezien in Cyclone's testlaboratoria en NDI-mogelijkheden, evenals in de benadering van bewerking. Het bedrijf implementeerde ook Plataine's (Waltham, MA, VS) Total Production Optimization (TPO)-software, die wordt gebruikt om dubbelcijferige materiaalbesparingen te realiseren bij de prepreg-snijbewerkingen. TPO verving het eerdere opeenvolgende snijden en nesten van prepreg door een geautomatiseerd, digitaal systeem dat het snijden van nesten over meerdere onderdelen optimaliseert met dezelfde materialen. Dit systeem heeft ook geholpen om het productierendement te verbeteren en de tijd die nodig is voor het snijden en het instellen van de machine te verminderen.

"Onze klanten vertrouwen erop dat we onderdelen van hoge kwaliteit leveren, maar we moeten ook voortdurend kijken naar manieren om de kosten te beheersen en hogere productiesnelheden mogelijk te maken", zegt Hulaty. Elbit Cyclone blijft zoeken naar nieuwe kansen en ziet een mooie toekomst, zij het vol uitdagingen. "We hebben een stevige strategie, die zichzelf bewijst, zoals blijkt uit de groei van het bedrijf", zegt Hulaty. "Dat gezegd hebbende, onze strategie evolueert voortdurend en past zich aan aan veranderingen in de markt." De indruk die blijft hangen is een pragmatisch vertrouwen gebaseerd op kennis en ervaring, een bedrijf dat zijn rol zal blijven vervullen om de belofte van geavanceerde technologie om te zetten in een betrouwbare productie van lucht- en ruimtevaartcomposieten.