Первая секция фюзеляжа из композитных материалов для первого коммерческого реактивного самолета из композитных материалов

В 2003 году, когда компания Boeing Co. (Чикаго, штат Иллинойс, США) объявила о планах разработки того, что должно было стать ее коммерческим авиалайнером 787, много внимания было уделено тому факту, что этот самолет будет первым, у которого будут фюзеляж, крылья и крылья. хвостовая часть и другие основные конструкции изготовлены из композитов из углеродного волокна, а не из алюминия, который был стандартом в течение предыдущих нескольких десятилетий. Однако почти столь же примечательным было решение компании Boeing передать производство этих основных структур на аутсорсинг сети глобальных поставщиков, которые будут строить полные узлы, каждый из которых в конечном итоге будет соединен на линии окончательной сборки Boeing в Эверетте, штат Вашингтон, США. В список этих хорошо известных поставщиков входят Mitsubishi Heavy Industries и Kawasaki Heavy Industries (Токио, Япония), Alenia Aeronautica (Неаполь, Италия) и, особенно в США, Spirit AeroSystems.

Компания Spirit была выбрана для изготовления всей передней части фюзеляжа 787, называемой Section 41, которая включает кабину, ветровые стекла кабины, две двери, девять пассажирских окон и всю авионику, сиденья кабины и электропроводку. Секция 41, имеющая диаметр 6,2 м и длину 12,8 м, является, пожалуй, самой сложной из секций фюзеляжа самолета.

То, что Spirit был выбран для снабжения 787 построек, неудивительно. История компании восходит к 1927 году, когда легенда авиации Ллойд Стирман перевез свою Stearman Aviation Co. из Калифорнии в Уичито. Всего два года спустя компания Boeing, которая в то время называлась United Aircraft and Transport Corp., приобрела Stearman. Завод Boeing Wichita продолжит производство одних из самых знаковых военных самолетов в истории Америки, в том числе B-29 Superfortress . , Б-47 Stratojet и B-52 Stratofortress .

В 2005 году, когда Boeing всерьез приступил к развитию производства 787, кампус в Уичито был продан Boeing и переименован в Spirit AeroSystems. Эрик Хайн, старший директор Spirit, R&D и ManTech, утверждает, что компания - теперь с дополнительными офисами в США (Канзас, Оклахома и Северная Каролина), а также в Шотландии, Франции и Малайзии - является домом для крупнейшего в мире производства коммерческих самолетов. возможность. Помимо 787, Spirit строит основные конструкции (в основном металлические) для самолетов Boeing 737, 747, 767 и 777; Airbus A320, A350 (также требовательных к композитным материалам) и A380; Bombardier CSeries ; Mitsubishi MRJ ; Сикорский СН-53К (вертолет); и Bell V-280 (конвертоплан). По словам Хайна, выручка Spirit в 2017 году составила 7 миллиардов долларов США, а портфель заказов - 46 миллиардов долларов США.

На протяжении всего роста фирмы филиал Spirit в Уичито оставался центром деятельности компании. Со 150 зданиями на 600 акрах, в которых работают 10 700 сотрудников, это промышленный город, занятый грузовиками, автомобилями и шаттлами, доставляющими людей и товары по всему университетскому городку.

Производство носовой части фюзеляжа 787 ограничено одним очень большим зданием на окраине университетского городка. Здесь все производство композитов, установка внутренних структур и системная интеграция выполняются перед отправкой готового продукта в Эверетт для окончательной сборки.

Монолитный фюзеляж

CW Экскурсию по производственному участку 787 проводит Хосе Санчес, старший менеджер подразделения 787 компании Spirit. Spirit AeroSystems строит свою часть фюзеляжа 787 как монолитную конструкцию, комбинируя автоматизированный процесс укладки волокна / ленты с совместным отверждением стрингеров для образования цельного ствола. (Примечательно, что позже Airbus разработал сопоставимый A350 XWB с фюзеляжем, состоящим из композитных панелей из углеродного волокна, а не цельной конструкции; Spirit производит панели фюзеляжа для A350 в Кинстоне, Северная Каролина, США, и собирает их во Франции.)

Композитные материалы, используемые для изготовления 787 первичных структур, как широко сообщалось, поступают от Toray Industries (Токио, Япония) и представляют собой упрочненный препрег Torayca серии 3900, армированный углеродным волокном с использованием волокна с промежуточным модулем упругости T800S. Препрег выпускается в виде ленты UD, ленты с прорезями (для автоматического размещения волокна / ленты) и тканых материалов.

Конструкция фюзеляжа 787 предусматривает две основные операции по изготовлению композитов:вырезание и формование стрингера и размещение волокон обшивки фюзеляжа. Хитрость заключается в том, чтобы объединить стрингеры с обшивкой из волокон, чтобы обеспечить совместное отверждение структуры. По этой причине Spirit и, в более широком смысле, Boeing придают большое значение процессам, выполняемым на первой остановке тура:изготовление стрингеров.

Эта высокоавтоматизированная линия оснащена режущим столом American GFM (Чесапик, Вирджиния, США) для резки препрега Torayca серии 3900 на слои. Они переносятся на стол комплектования, где слои вручную укладываются в стопку, направляются подвесным лазером LAP (Эрлангер, Кентукки, США) и подготавливаются к формованию. Санчес говорит, что эта линия по производству стрингеров воплощает в себе большую часть интеллектуальной собственности Spirit, разработанной для производства по Разделу 41, и является важной частью работы предприятия.

Предварительно сформованные стрингеры, сходящие с линии стрингеров, затем переносятся операторами на соседнюю оправку секции 41, которая в будущем станет центром всех операций по изготовлению композитов. По словам Санчеса, оправка, которая повторяет форму и размеры передней части фюзеляжа, изготовлена ​​из композита углеродное волокно / бисмалеимид (BMI) и состоит из шести сегментов. Каждый сегмент разделен поперек по длине оправки. На поверхности каждой секции оправки, также на всей длине инструмента, вырезаны прорези, в которые помещаются предварительно сформованные стрингеры, причем плоское дно стрингера обращено наружу.

После того, как все стрингеры вставлены в пазы, операторы обматывают всю оправку тканой тканью (IWWF), изготовленной Toray Composites (America) Inc. (Такома, Вашингтон, США), которая обеспечивает защиту от удара молнии для всего 787 фюзеляж. Затем всю эту конструкцию оборачивают полиэтиленовой пленкой для мешков. Пленка удерживает IWWF и стрингеры на месте, пока оправка катится с помощью управляемого вручную транспортного средства к следующей станции - автоматическая укладка волокна (AFP) - а затем удаляется для AFP.

Возможно, ни один процесс еще не символизировал использование композитов на 787-м больше, чем система AFP, использованная для изготовления обшивки фюзеляжа. AFP, даже когда зародилась программа 787, использовалась много лет, так что это не было чем-то новым для производства композитов. Новым в 787 стал масштаб приложения. Немногие композитные конструкции, изготовленные из AFP, приблизились по размеру даже к одной секции фюзеляжа 787.

Когда Spirit наладила производство 787 в Уичито, AFP использовала станок с 32 шпулярниками, поставленный Ingersoll Machine Tools Inc. (Рокфорд, Иллинойс, США). Однако в начале 2000-х годов Boeing начал сотрудничать со специалистом по автоматизации Electroimpact (Мукилтео, Вашингтон, США) над разработкой новой машины AFP, которая будет иметь модульные сменные головки. Каждая головка будет хранить все катушки из углеродного волокна для данного типа операции и может быть относительно легко заменена, в зависимости от требуемой ширины ленты.

Хотя у Spirit до сих пор есть оригинальная машина Ingersoll, она используется как резервная. Это связано с тем, что Spirit в конечном итоге приобрел две машины Electroimpact для изготовления основной части обшивки Раздела 41. Санчес говорит, что машины Electroimpact AFP, каждая из которых оснащена головкой с 16 катушками (жгуты шириной 0,25 и 0,50 дюйма / 6,35 и 12,7 мм), работают вместе для нанесения материала на оправку. Оправка устанавливается горизонтально и вращается на шпинделе, в то время как головки перемещаются вдоль каждой стороны, укладывая буксиры, в основном относительно короткими, сильно ограниченными курсами. Посетители могут легко увидеть в ярком свете завода разнообразную многоугольную коллекцию жгутов, уже размещенных на оправке.

Санчес не стал раскрывать, сколько времени требуется двум машинам Electroimpact, чтобы полностью разместить все волокна в одной обшивке фюзеляжа, за исключением того, что это «очень быстро». Все операции AFP управляются тремя операторами на машине. Один работает в кабине управления, которая выходит на оправку, в то время как двое других ходят по полу под оправкой и рядом с ней с фонариками в руках, ища проблемные зазоры, перехлесты, неровности, морщины и посторонние предметы (FOD) на поверхности оправки. предварительно подготовленные буксиры. Перед отверждением конструкции необходимо устранить / устранить недостатки.

Следующая остановка секции 41, после очередной сплошной упаковки в мешки, - автоклав. Spirit Wichita управляет двумя огромными автоклавами Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, US). Секция фюзеляжа вулканизируется в течение ночи, после чего конструкция очищается, оправка из шести частей разбирается и снимается секция за секцией через широкий конец фюзеляжа.

Последующая обработка

Для Раздела 41 следует несколько дней путешествия от станции к станции по мере того, как вся конструкция приближается к завершению. Это включает посещение 5-осевой портальной фрезерно-сверлильной машины MTorres (Торрес-де-Элорц, Испания) Torresmill, которая просверливает отверстия для каркаса фюзеляжа и других внутренних конструкций, а также дверных проемов, окон и проемов передних шасси. Фюзеляж также проходит импульсный неразрушающий контроль (NDI), подготовку к окраске, окраску, установку оконных стекол, установку дверей и установку всех внутренних конструкций / систем. Первыми устанавливаемыми внутренними конструкциями являются круглые шпангоуты (металлические и композитные), которые крепятся к стрингерам и обшивке фюзеляжа. На протяжении всех этих процессов, Раздел 41 работает на каждой станции киль вверх или вниз, в зависимости от выполняемой деятельности.

Во время CW Во время визита было осмотрено около 30 рабочих станций, каждая из которых имела структуру Секции 41 в некотором состоянии сборки, и каждая секция покидала Уичито, готовую к немедленной интеграции в Boeing FAL в Эверетте. В настоящее время Boeing производит 12 787 самолетов в месяц, а к 2019 году планирует вывести 14 самолетов в месяц - необычно большое количество для широкофюзеляжных самолетов.

Санчес отмечает, что Spirit работал над созданием Section 41 - либо в процессе разработки, либо в реальном производстве - в течение почти десяти лет. Любые ошибки, перегибы и идиосинкразии, которые могли существовать, были давно выявлены и устранены. По его словам, уложиться в 14 комплектов в месяц не составит труда.

Исследования и разработки нового поколения

Когда тур покидает производственный объект Section 41, CW выводится в соседнее здание для встречи с Пьером Хартером, директором отдела перспективных исследований Spirit. Ранее он работал инженером в ныне несуществующем Денвере, штат Колорадо, в американской компании Adam Aircraft и в Bombardier (Монреаль, Квебек, Канада), а также выпускником Университета штата Уичито, Хартер возглавляет CW в невзрачное здание с несколькими коридорами и дверьми, которое, тем не менее, быстро оказывается центром исследований и разработок композитов Spirit.

Какой бы сложной ни была производственная линия Spirit Section 41, бесспорным фактом является то, что она использует технологию производства композитов, которая была новой более десяти лет назад. Реалии аэрокосмической квалификации (как стоимость, так и время) и производство вынуждают Spirit и подобных поставщиков на раннем этапе выбрать технологию производства конструкции самолета, а затем придерживаться ее на протяжении всей программы. Поэтому возможность обновления оборудования и материалов часто ограничена, независимо от того, насколько выгодными могут быть последние достижения в технологии изготовления композитов.

Таким образом, работа Хартера состоит в том, чтобы оценить новые и появляющиеся композитные материалы и технологии и определить, какие из них, вероятно, найдут применение в самолетах следующего поколения. Действительно, с производством самолетов 787 и Airbus A350 вся цепочка поставок для коммерческой авиакосмической отрасли занята ожиданием следующей крупной коммерческой программы, и каждый из ее участников следит за тем, чтобы получить от них знания и опыт, необходимые OEM-производителям.

Принято считать, что следующей официально объявленной программой будет узкофюзеляжный двухмоторный New Middle-Market Airplane (NMA, или 797) от Boeing, который фактически заменит 757. Ожидается, что этот самолет выйдет на рынок примерно в 2025 году. он, безусловно, будет использовать композиты, сколько вопросов перед командой Spirit R&D? Где? А какой? Пока никто не знает ответов, поэтому Хартер и его команда оценивают все варианты. Таким образом, количество материалов, оборудования и проектов, разрабатываемых в Spirit, в настоящее время просто головокружительно. «Мы работаем над множеством проектов, - говорит Хартер. «Вне автоклава, быстрая RTM, термопласты, инновационные инструменты, поточная инспекция, управление волокном. Мы хотим быть готовы ко всему, что нужно OEM-производителям ».

Центральным элементом лаборатории композитов Spirit Wichita является установка Electroimpact AFP с 16 катушками (0,125, 0,25, 0,5 дюйма), которая, по словам Хартера, используется для проведения торговых исследований по использованию встроенного автоматизированного контроля, а также для множество других видов деятельности, включая создание прототипов. По словам Хартера, цель автоматизированной системы инспекции состоит в том, чтобы избавиться от трудоемкой и трудоемкой работы, которую мы наблюдали ранее во время экскурсии, наблюдения за техническими специалистами AFP с фонариками в поисках проблемных кругов, зазоров, складок и FOD. P>

По словам Хартера, Spirit оценивает систему LASERVISION от Aligned Vision (Челмсфорд, Массачусетс, США), которая заставляет Spirit переосмыслить, что является истинным дефектом, а что нет, «и переосмыслить то, как мы характеризуем дефекты». Он говорит, что система может быть запущена в производственном цехе к концу этого года.

Помимо системы AFP, Spirit ведет работу над множеством других проектов на разных уровнях технологической готовности (TRL). К ним относятся следующие:

• Полимерный инструмент с памятью формы (TRL 6),
• Секция лонжерона, изготовленная из HiTape Hexcel (Стэмфорд, Коннектикут, США) (сухое волокно) с использованием RTM (TRL 6),
• Пропитанный лонжерон со встроенными датчиками для контроля процесса на месте, отвержденный с помощью автоклава или печи (TRL 4),
• Рама, изготовленная с помощью управляемого AFP и горячего формирования драпировки (TRL 6),
• И инструменты, напечатанные на 3D-принтере, изготовленные на машине Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Университета штата Уичито, поставленной Cincinnati Inc. (Харрисон, Огайо, США).

По словам Хартера, к другим областям исследований относятся сшитые преформы, роботизированные AFP / ATL и инновации в головках AFP. Последнее стало результатом задачи Spirit в конце 2016 года удвоить количество простоев AFP в течение двух лет. Хартер говорит, что, пытаясь решить эту задачу, он и его коллеги обнаружили, что «после оптимизации роботизированных процессов вы сталкиваетесь с ограничениями технологии головки / машины», а это означает, что ограничивающим фактором скорости AFP становится эффективность распределения жгутов волокна. . Spirit работает с Electroimpact и поставщиками материалов над технологиями, предназначенными для увеличения общей производительности.

Последняя остановка в туре Spirit Wichita - тестирование материалов и компонентов. Неудивительно, что Spirit обладает надежными возможностями, включая 15 машин для механических испытаний (вместимость 11-50 тысяч фунтов), поставляемых MTS Systems Corp. (Иден-Прери, Миннесота, США), камеры для испытаний на воздействие окружающей среды, возможности тензодатчиков, метрологические системы и высокопрочные камеры. место для полномасштабных испытаний компонентов - конструкции крыла и реверсоры тяги находились под активным напряжением во время CW посетить.

По мере того, как тур подходит к концу, мы прощаемся, и огромный кампус Spirit AeroSystems в Уичито отступает на CW’s . Учитывая значительные возможности Spirit в области композитных материалов, легко задаться вопросом, как будет выглядеть в следующем десятилетии этот крупный производитель авиационной продукции. В глобальном аэрокосмическом мире его набор возможностей, пожалуй, не имеет себе равных. Похоже, что Spirit AeroSystems готова к тому, что готовит будущее.