Boeing представляет первый композитный фюзеляжный сегмент для 787 Dreamliner

В 2003 году, когда The Boeing Co. (Чикаго, IL, США) объявила планы по разработке того, что должно было стать ее 787 коммерческим реактивным лайнером, много шума сделало то, что самолет будет первым, у которого фюзеляж, крылья, хвост и другие основные структуры будут изготовлены из углеродоволокнистых композитов, а не из алюминия, который был стандартом в течение нескольких предыдущих десятилетий. Почти также值得注意的是 решение Boeing передать изготовление этих основных структур сети глобальных поставщиков, которые построят полные подсборки, каждая из которых в конечном счете будет соединена на финальной сборочной линии Boeing в Эверетте, WA, США. Список этих поставщиков, теперь хорошо известный, включает Mitsubishi Heavy Industries и Kawasaki Heavy Industries (Токио, Япония), Alenia Aeronautica (Неаполь, Италия) и, наиболее заметно в США, Spirit AeroSystems.

Spirit была выбрана для производства всего переднего фюзеляжа 787 — называемого Секция 41 — который включает кабину пилотов, ветровые стекла кабины, две двери, девять пассажирских окон и всю авионику, сиденья кабины и проводку. Измеряя 6,2 м в диаметре и 12,8 м в длину, Секция 41, безусловно, самая сложная из фюзеляжных сегментов самолета.

Тот факт, что Spirit была выбрана для поставки 787 структур, не был неожиданностью. История компании восходит к 1927 году, когда авиационная легенда Ллойд Стирман переместил свою Stearman Aviation Co. из Калифорнии в Вичиту. Всего через два года Boeing — которое в то время известно как United Aircraft and Transport Corp. — приобрело Stearman. Завод Boeing в Вичите произвел некоторые из самых знаковых военных самолетов в американской истории, включая B-29 Superfortress, B-47 Stratojet и B-52 Stratofortress.

В 2005 году, к тому времени, когда Boeing начала развитие производства 787 в серьез, Вичитинский кампус был продан Boeing и переименован в Spirit AeroSystems. Эрик Хайн, старший директор Spirit по R&D и ManTech, утверждает, что компания — теперь с дополнительными локациями в США (Канзас, Оклахома и Северная Каролина), а также в Шотландии, Франции и Малайзии — является домом для крупнейшей в мире коммерческой авиационной производственной способности. Помимо 787, Spirit строит основные структуры (в основном металлические) для Boeing 737, 747, 767 и 777; Airbus A320, A350 (также композит-интенсивный) и A380; Bombardier CSeries; Mitsubishi MRJ; Sikorsky CH-53K (вертолет); и Bell V-280 (конвертоплан). Spirit, говорит Хайн, имела 7 млрд долларов выручки в 2017 году и наслаждается 46 млрд долларов бэклога.

На протяжении роста фирмы, Вичитинская локация Spirit оставалась сердцем операций компании. С 150 зданиями, разнесенными на 600 акрах, заполненными 10 700 сотрудниками, это производственный город сам по себе, оживленный грузовиками, машинами и шаттлами, доставляющими людей и товары по кампусу.

Производство переднего фюзеляжа 787 ограничено одним очень большим зданием, недалеко от края кампуса. Здесь выполняется все композитное производство, установка внутренних структур и интеграция систем перед тем, как готовый продукт отправляется в Эверетт для финальной сборки.

Монолитный фюзеляж

CW тур по производственной зоне 787 возглавляется Хосе Санчез, старшим менеджером Spirit по операциям 787. Spirit AeroSystems строит свою часть фюзеляжа 787 как монолитную структуру, комбинируя автоматический процесс укладки волокна/ленты с ко-отвержденными стринжерами для формирования однокускового бочонка. (Заметно, что Airbus позже спроектировал сравнимый A350 XWB с фюзеляжем, состоящим из композитных панелей углеродного волокна, а не однокусковой структуры; Spirit изготавливает фюзеляжные панели для A350 в Кинстоне, NC, США, и собирает их во Франции.)

Композитные материалы, используемые для изготовления первичных структур 787, как широко сообщалось, поступают от Toray Industries (Токио, Япония) и представляют собой препрег Torayca серии 3900 из углеродного волокна с усилением и промежуточным модулем волокна T800S. Препрег предоставляется как UD лента, разрезанная лента (для автоматической укладки волокна/ленты) и тканые ткани.

Дизайн фюзеляжа 787 предписывает две основные композитные операции производства: резку и формовку стринжеров и укладку волокна кожи фюзеляжа. Трюк в комбинировании стринжеров с укладкой волокна кожи для обеспечения ко-отвержденной структуры. Из-за этого Spirit и, по расширению, Boeing придают большое значение процессам, выполняемым на первой остановке тура: производству стринжеров.

Эта высокоавтоматизированная линия имеет американский резальный стол GFM (Чесапик, VA, США), режущий препрег Torayca серии 3900 на слои. Эти слои передаются на киттинговый стол, где они вручную стопкуются, направляемые надголовным лазером LAP Laser (Эрлангер, KY, США), и готовятся к формовке. Санчес говорит, что эта линия производства стринжеров воплощает много интеллектуальной собственности, разработанной Spirit для производства Секции 41, и является критической частью операции объекта.

Преформированные стринжеры, по мере их выхода со стринжерной линии, затем передаются операторами на соседний мандрель Секции 41, который станет фокусом всех композитных операций производства вперед. Мандрель, говорит Санчес, который несет форму и размеры переднего фюзеляжного сегмента, изготовлен из композита углеродного волокна/бисмалеимида (BMI) и состоит из шести сегментов. Каждый сегмент разделен поперечно вдоль длины мандреля. В поверхность каждого мандрельного сегмента, также идущей вдоль инструмента, вырезаны щели, в которые укладываются преформированные стринжеры, с плоским дном стринжера, обращенным наружу.

После того как все стринжеры размещены в своих щелях, операторы перематывают весь мандрель переплетенной проволочной тканью (IWWF), изготовленной Toray Composites (America) Inc. (Такома, WA, США), которая обеспечивает защиту от удара молнии для всего фюзеляжа 787. Вся эта структура затем перематывается полиэтиленовой пленкой. Пленка удерживает IWWF и стринжеры на месте, пока мандрель катится вручную управляемым транспортным средством к следующей станции — автоматической укладке волокна (AFP) — и затем снимается для AFP.

Возможно, ни один процесс не стал символом использования композитов на 787 больше, чем AFP система, используемая для изготовления кожи фюзеляжа. AFP, даже к моменту зарождения программы 787, использовалась много лет, так что она не была новой для композитного производства. Чего было нового с 787, так это масштаб применения. Мало композитных структур, сделанных с AFP, приблизились к размеру даже одного фюзеляжного сегмента 787.

Когда Spirit установила производство 787 в Вичите, AFP выполнялась с 32-крутковой машиной, поставленной Ingersoll Machine Tools Inc. (Рокфорд, IL, США). Однако в начале 2000-х Boeing начала работать со специалистом по автоматизации Electroimpact (Муккилтео, WA, США) над разработкой новой AFP машины, которая бы имела модульные, взаимозаменяемые головы. Каждая голова бы хранила все катушки углеродного волокна для данного типа операции и могла быть относительно легко заменена в зависимости от требуемой ширины ленты.

Хотя Spirit все еще имеет свою оригинальную Ingersoll машину, она используется в резервной роли. Это потому, что Spirit в конечном счете приобрела две машины Electroimpact для выполнения основной работы по укладке кожи Секции 41. Санчес говорит, что AFP машины Electroimpact, каждая оснащенная 16-крутковой головой (ленты шириной 0,25 и 0,50 дюйма / 6,35 и 12,7 мм), работают вместе для нанесения материала на мандрель. Мандрель горизонтально установлен и вращается на шпинделе, пока головы проходят по каждой стороне, укладывая товы, в основном в относительно коротких, строго заданных курсах. Посетители могут легко увидеть в ярких огнях завода разнообразную, многоугольную коллекцию товы, уже уложенных на мандреле.

Санчес не раскрыл, сколько времени занимает у двух машин Electroimpact полная укладка всего волокна для одной кожи фюзеляжа, кроме как сказать, что это «очень быстро». Вся AFP операция управляется тремя операторами на машине. Один работает в контрольной будке, смотрящей на мандрель, в то время как другие двое ходят по полу под и рядом с мандрелем, фонариками в руках, ищут проблемные зазоры, накладки, неровности, морщины и иностранный объектный мусор (FOD) на поверхности препрег товы. Дефекты должны быть устранены/исправлены перед тем, как структура будет отвердета.

Следующая остановка для Секции 41, после еще одного полного мешкования, — автоклав. Spirit Вичита эксплуатирует два огромных автоклава Thermal Equipment Corp. (TEC, Ранчо Домингес, CA, США). Фюзеляжный сегмент отвердевает за ночь, после чего структура размешковывается и шестичастный мандрель разбирается и удаляется секция за секцией через широкий конец фюзеляжа.

Пост-обработка и финиш

Затем для Секции 41 следует несколько дней перемещения от станции к станции по мере того, как вся структура продвигается к завершению. Это включает посещение 5-осевого портально-фразерного и сверлильного станка MTorres (Торрес де Элорс, Испания), который сверлит отверстия для фюзеляжных рамы и других внутренних структур, а также дверные проемы, окна и отверстие передней шасси. Фюзеляж также проходит импульсно-эхо неразрушающий контроль (НДТ), подготовку к покраске, покраску, установку стекла окон, установку дверей и установку всех внутренних структур/систем. Первыми устанавливаются круговые рамы (металлические и композитные), которые крепятся к стринжерам и коже фюзеляжа. На протяжении этих процессов Секция 41 работает на каждой станции килем вверх или килем вниз в зависимости от задействованной активности.

Во время визита CW было просмотрено примерно 30 рабочих станций, и каждая держала структуру Секции 41 в каком-то состоянии сборки, и каждая секция покидает Вичиту готовой для немедленной интеграции на ФАЛ Boeing в Эверетте. В настоящее время Boeing строит 12 787 в месяц и обязана к 14 в месяц к 2019 году — необычно большое число для широкофюзеляжного самолета.

Санчес отмечает, что Spirit работает над изготовлением Секции 41 — либо разработчески, либо в реальном производстве — уже почти десять лет. Любые баги, извилины и идеосинкразии, которые могли существовать, давно были выявлены и проработаны. Выполнение темпа 14 комплектов в месяц, говорит он, не будет проблемой.

R&D следующего поколения

По мере того как тур покидает производственное объект Секции 41, CW ведет наружу к соседнему зданию для встречи с Пьером Хартером, директором передовых исследований в Spirit. Ранее инженер в ныне несуществующей Adam Aircraft из Денвера, CO, США, и в Bombardier (Монреаль, QC, Канада), и выпускник Вичитинского государственного университета, Хартер ведет CW в то, что кажется необычным, многокоридорным, многодверным зданием, которое тем не менее быстро раскрывает себя как центр усилий Spirit по R&D композитов.

Так сложно, как производственная линия Spirit Секции 41, неоспоримый факт в том, что она использует композитную производственную технологию, которая была новой более десятилетия назад. Реальности авиационной квалификации (как затраты, так и время) и производства заставляют Spirit и подобных поставщиков определиться с производственной технологией для авиационной структуры рано, а затем придерживаться ее на протяжении программы. Способность обновлять оборудование и материалы, следовательно, часто ограничена, независимо от того, насколько преимущественными могут быть более недавние достижения в технологиях композитного производства.

Работа Хартера, следовательно, — оценивать новые и الناشшие композитные материалы и технологии и определять, какие из них, вероятно, найдут место на самолетах следующего поколения. Действительно, с 787 и Airbus A350 в производстве, вся коммерческая аэрокосмическая цепочка поставок занята предвидением следующей крупной коммерческой программы, и ее члены каждый убеждаются, что они приобретают знания и экспертизу, которые ОЕМы от них нуждаются.

Конвенциональная мудрость говорит, что следующая официально объявленная программа будет Boeing'овским однопроходным, двухдвигательным New Middle-Market Airplane (NMA, или 797), который эффективно заменит 757. Ожидается, что этот самолет выйдет на рынок примерно в 2025 году. Хотя он определенно будет использовать композиты, вопросы перед R&D командой Spirit: сколько? Где? И какого типа? Никто не знает ответы еще, поэтому Хартер и его команда оценивают все варианты. Таким образом, массив материалов, оборудования и проектов в разработке у Spirit сейчас головокружителен. «Мы работаем над множеством проектов», — говорит Хартер. «Out-of-autoclave, быстрый RTM, термопластики, инновационный инструментарий, инлайн инспекция, стекловолоконное стекловолокно. Мы хотим быть готовыми к тому, что ОЕМы потребуют».

Центральным элементом композитной лаборатории Spirit Вичиты является 16-крутковая (0,125-, 0,25-, 0,5-дюймовые товы) AFP машина Electroimpact, которая, по словам Хартера, используется для проведения торговых исследований по использованию инлайн автоматического контроля, а также для множества других активностей, включая прототипирование. Цель автоматической системы контроля, говорит Хартер, — устранить времязатратную, трудоемкую работу, которую мы видели ранее на туре, наблюдая за AFP техниками, с фонариками, ищущими проблемные накладки, зазоры, морщины и FOD.

Spirit, говорит Хартер, оценивает систему LASERVISION от Aligned Vision (Челмсфорд, MA, США), которая заставляет Spirit переосмыслить, что является и что не является истинным дефектом, «и переосмыслить, как мы характеризуем дефекты». Он говорит, что система может быть в операции на производственном полу к концу этого года.

Помимо AFP системы, Spirit имеет множество других проектов в работе на различных уровнях технологической готовности (TRL). К ним относятся:

• Инструмент из полимера с эффектом памяти формы (TRL 6),
• Спарный сегмент, сделанный с HiTape Hexcel (Стамфорд, CT, США) (сухое волокно) с использованием RTM (TRL 6),
• Инфузионный спар со встроенными датчиками для in-situ контроля процесса, отвердеваемый с помощью автоклава или печи (TRL 4),
• Рама, сделанная с управляемой AFP и горячим драпированием (TRL 6),
• И 3D-печатный инструментарий, изготовленный на машине Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Вичитинского государственного университета, поставленной Cincinnati Inc. (Харрисон, OH, США).

Другие области исследований, говорит Хартер, включают сшитые преформы, роботизированную AFP/ATL и инновации головы AFP. Последняя выросла из вызова в конце 2016 года в Spirit удвоить скорости укладки AFP в течение двух лет. Хартер говорит, что он и его ассоциированные обнаружили, в усилиях выполнить этот вызов, что «как только роботизированные процессы оптимизированы, вы сталкиваетесь с пределами технологии головы/машины», означая, что ограничивающим фактором скорости AFP становится эффективность дозирования волокнистого тока. Spirit работает с Electroimpact и поставщиками материалов над технологиями, предназначенными для увеличения общего пропускного способа.

Финальная остановка на туре Spirit Вичиты — материал и компонентное тестирование. Неудивительно, что Spirit имеет надежную способность здесь, включая 15 механических испытательных машин (способность 11–50 кип) от MTS Systems Corp. (Иден-Прейри, MN, США), экологические камеры тестирования, способность тензометрии, метрологические системы и высокий бай для полноразмерного компонентного тестирования — крыльевые структуры и реверсивные тяги были под активным стрессом во время визита CW.

По мере того как тур подходит к концу, прощаются и массивный Вичитинский кампус Spirit AeroSystems отдаляется при отъезде CW, легко, учитывая значительные композитные способности Spirit, задаться вопросом, как будет выглядеть следующее десятилетие для этого крупного аэропроизводителя. В глобальном аэрокосмическом мире его набор способностей, безусловно, беспримерен. Spirit AeroSystems, кажется, готова к чему угодно, что будущее имеет в запасе.