Israels Aerodefense-Eckpfeiler bereit für größere globale Reichweite

Israel Aerospace Industries (IAI) wurde 1953 als Bedek Aviation Co. gegründet, fünf Jahre nach der Gründung des Staates Israel. Damals neben dem Flughafen Lod (heute Ben Gurion International, südöstlich von Tel Aviv) gelegen, begann das Unternehmen mit 70 Mitarbeitern. Mit der Entwicklung Israels hat sich auch IAI weiterentwickelt, das in Technologie und Betrieb einen aktuellen Jahresumsatz von 4 Milliarden US-Dollar, einen Auftragsbestand von 11 Milliarden US-Dollar und mehr als 15.000 Mitarbeiter (6.000 sind Ingenieure) erreicht hat. Es ist der größte Industriekomplex in Israel und weltweit führend in einer Reihe von Verteidigungstechnologien.

Obwohl das Unternehmen für seine Produktionskapazitäten Build-to-Print (BTP)/Build-to-Spec (BTS) anerkannt ist, ist es ein vollständiger OEM für Verteidigung und Luft- und Raumfahrt und kann komplette Flugzeuge entwickeln, die bis zur vollständigen Flugzertifizierung reichen. Ein typisches Beispiel dafür ist, dass IAI die volle Verantwortung für Design und Analyse, Boden- und Flugtests, Herstellung und Montage der G150 trägt und G280 Business Jets für Gulfstream Aerospace Corp. (Savannah, GA, USA). IAI erreichte gemeinsame Zertifizierung des G150 Business Jet mit US-amerikanischen, europäischen und israelischen Luftfahrtbehörden.

Der Verbundwerkstoffbereich von IAI umfasst die Teilefertigung und Baugruppen für Geschäfts- und Verkehrsflugzeuge, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) und Militärflugzeuge. Zu den produzierten Teilen gehören vertikale und horizontale Stabilisatoren, Seitenruder, Flügelstrukturen, Triebwerksgondeln, Bodenträger, Türeinfassungen, strukturelle Schotten, Rippen und Versteifungen, Steuerflächen, Verkleidungen und Radome. Zu seinen Fertigungskapazitäten zählen Prepreg-Handlaminierung und automatisiertes Tape-Layup (ATL), Hot-Drape-Forming, Autoklavieren und Aushärten außerhalb des Autoklaven (OOA), einschließlich Flüssigformverfahren wie Harzinfusion und Harzspritzpressen (RTM) plus aufwendige Verklebung und Montage. Das Unternehmen entwickelt und baut auch seine eigenen Werkzeuge, verfügt über alle wichtigen Qualitätszertifizierungen für Luft- und Raumfahrt und Verbundwerkstoffe und bietet Qualitätssicherung durch umfassende zerstörungsfreie Prüfungen und Inspektionen.

IAI bewirbt sich als One-Stop-Shop und bietet komplette Design- und Analyse-, Engineering-, Prototyping- und Produktionsdienstleistungen sowie das Management komplexer Lieferketten. Sein Campus erstreckt sich über viele Hektar und zahlreiche Gebäude, von denen 17 die Herstellung und Montage im Zusammenhang mit Verbundwerkstoffen beherbergen.

CW Die Tour wurde von IAI Director of Marketing and Business Eitan Shalit, Direktor der F&E-Programme Hary Rosenfeld und Dr. Zev Miller, Manager of Composite Materials and Processes innerhalb der IAI Engineering &Development Group, geleitet. Dem Rundgang ging ein Firmenüberblick in der neuen IAI Aero-assemblies Div. Produktionsgebäude für Verbundwerkstoffe.

Militärflugzeuge und UAV-Operationen

Eines der wichtigsten Komposit-Programme von IAI ist die Produktion der kohlenstofffaserverstärkten oberen und unteren Hüllen aus Bismaleinimid für die Außenflügel der F-35 Lightning II Jet. Eine eigens für dieses Programm gebaute vollautomatische Montagelinie wurde 2014 eingeweiht (Bild 1). IAI feierte im Juli 2016 die Auslieferung des 10. Schiffssatzes von Flügelstrukturen an Lockheed Martin (Bethesda, MD, USA) und soll bis 2034 mehr als 800 Paare produzieren.

Die Beziehung des Unternehmens zu Lockheed Martin begann mit dem Militärflugzeug F-16. IAI fertigte das Seitenleitwerk für mehrere F-16-Varianten. Die Häute für dieses bruchkritische Teil werden für den Druck hergestellt, wobei handverlegtes, unidirektionales Kohlefaser-Prepreg und Autoklav-Aushärtung verwendet werden.

Das Unternehmen produzierte auch das Seitenleitwerk und das Seitenruder für den McDonnell Douglas F-15-Kampfjet, der jetzt von Boeing unterstützt wird und Bor/Epoxid-Verbundstoffe verwendet. Für den Sikorsky (Stratford, CT, USA) UH-60Black Hawk Hubschrauber-Horizontalstabilisator entwickelte IAI ein One-Shot-Prepreg-Verfahren aus kohlenstofffaserverstärktem Polymer (CFK) für die 2 m lange Integral-Verbundbox. Diese flugkritische Struktur erzielte eine Gewichts- und Kosteneinsparung von 20 % gegenüber der vorherigen Metallbaugruppe. IAI hat die Rolle vom Design bis zur ersten Auslieferung im Jahr 2003 innerhalb von 9 Monaten übernommen und bis heute 1.500 Shipsets in seiner RAMTA-Abteilung in Be’er Sheva im Süden produziert.

IAI verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung und Produktion von UAVs, beginnend mit seinem Scout Remotely Piloted Aircraft System (RPAS) im Jahr 1978. Scout gefolgt vom Pionier , Ranger und Jäger Flugzeuge, alle mit 100 % Verbundstrukturen, hergestellt aus nassgelegtem Carbongewebe/Epoxydhäuten und Wabenkern. Dies wurde später auf CF-Prepreg und Rohacell-Polymethacrylimid (PMI)-Schaumkern von Evonik (Essen, Deutschland) umgestellt.

Die aktuelle Produktion umfasst den Searcher Mk III , das Vogelauge Flugzeugfamilie, Panther Fester Flügel und Hovermast 100 Vertikalstart- und Landeflugzeuge (VTOL) und der Heron Familie unbemannter Flugzeuge. Die fortschrittlichste Variante, die Heron TP , misst 14 m lang und hat eine Flügelspannweite von 26 m. Es ist ein mittelhohes Langstrecken-UAV (MALE), das 40 Stunden lang in einer Höhe von 13.716 m fliegen kann. „Alle unsere UAV-Flugzeugstrukturen bestehen zu 100 % aus Verbundwerkstoffen“, bemerkt Miller.

Verbundwerkstoffe für kommerzielle Flugzeuge

IAI ist ein Tier-1-Lieferant für OEMs von Verkehrsflugzeugen und ein Hauptauftragnehmer für die Gulfstream G280 Business-Jet. Es baut die grünen Flugzeuge und fliegt sie zum Gulfstream Completion Center in Dallas, TX, USA. 2009, CW schrieb über die Entwicklung eines RTM-Ruders durch IAI für die heutige G280 (siehe „RTM-Schaufenster:One-Piece Rudder“). Tatsächlich hatte IAI die Galaxy/Astra . entworfen und gebaut Executive Jet, an dem Gulfstream 2001 die Rechte erwarb und als G100 bezeichnete und G200 , bzw. Die G280 , die neueste dieser Linie, bietet Platz für zwei bis zehn Passagiere. Seine Außenfläche besteht zu 35 % aus Verbundwerkstoff im Vergleich zu 12 % beim G100 .

Die G280 horizontales Stabilisator ist eine autoklavgehärtete integrale Struktur. Es umfasst vorgehärtete Stringer, die mit Klebstoff an eine CF/Epoxid-Prepreg-Haut gebunden sind. Der vertikale Stabilisator ist eine autoklavierte Hybridstruktur aus Aluminium und Prepreg, während das Höhenruder eine Sandwichkonstruktion mit CF/Epoxy-Prepreg-Häuten und Nomex-Wabenkern ist. Die Ruderkomponenten werden jetzt bei NCC (North Coast Composites, Cleveland, OH, US) hergestellt und in der RAMTA-Abteilung von IAI in Be’er Sheva montiert. G280 Wing-to-Body-Verkleidungen verwenden einen CF-Vorformling aus Leinwandgewebe auf einer Seite und Non-Crimp-Gewebe auf der anderen, wobei die beiden Lagen miteinander vernäht sind. Diese Vorform und der Rohacell-Schaumkern werden mit Epoxidharz infundiert und nur mit Vakuumbeutel (VBO) in einem Ofen bei 180 ° C ausgehärtet.

Ausgestattet für eine gesteigerte Produktion

IAI verfügt über sechs Reinräume. Fünf davon (Gesamtfläche 3.010 m²) gehören zur Abteilung Aero-assemblies, dem wichtigsten IAI-Werk für die Herstellung und Montage von Verbundteilen. Obwohl jeder Reinraum auf die einzigartigen Produktionsanforderungen seiner Kunden spezialisiert ist, sind alle mit fortschrittlichen Layup-Technologien ausgestattet:entweder mit einer 16 x 3 m Contour Tape Layup (CTL)-Maschine von Fives Cincinnati (Hebron, KY, USA), einer 15- by-3m automatische Tape-Layup-(ATL)-Maschine von MTorres (Navarra, Spanien) oder, für manuelles Layup, ein Laserprojektionssystem, geliefert von Virtek Vision (Waterloo, ON, Kanada).

An anderer Stelle in der Einrichtung:

• IAI verfügt über eine Prepreg-Gefrierkapazität von 193 m2. Das Unternehmen hat auch in die Software Total Production Optimization (TPO) von Plataine (Waltham, MA, USA) investiert, um nicht nur das Schneiden und Verschachteln von Prepreg, sondern auch den Materialverbrauch zu optimieren und den Prepreg-Abfall und den Rohstoffverbrauch um 5 % zu reduzieren. Darüber hinaus verfügt die Software über eine automatisierte Produktion, wodurch manuelle Tätigkeiten und das damit verbundene Fehlerrisiko reduziert werden.
• Die Produktionskapazität von IAI ist mit 10 Autoklaven, von denen sieben der Aero-Assemblys Div. und reichen in der Größe von 4,5 m Länge und 2 m Durchmesser bis zur größten mit 14 m Länge und 4,7 m Durchmesser.
• Prepreg-Layups werden vor dem Härten mit einer Heißfolienformmaschine (6,9 x 2,7 x 3,1 m) von Electrotherm Industry (Migdal HaEmek, Israel) entbaucht.
• Für die zerstörungsfreie Prüfung von Verbundteilen verfügt die Abteilung über verschiedene Maschinen und Techniken:vier Maschinen mit Phased-Array-Ultraschallprüfung (UT) mit Eintauchen in Wassertanks, zwei Durchgangs-Ultraschall-(TTU)-Portalmaschinen und zwei 3D-Robotersysteme bieten die Wahl von Weitbereichs-Phased-Array-TTU mit Wasserspritzern, Phased-Array-Pulsecho mit Skin-Bubbler (niedriger Wasserfluss zur Ankopplung an die Teileoberfläche) oder luftgekoppelten Phased-Array-UT.

Die Aero-Baugruppen Div. verfügt außerdem über drei CNC-Maschinen mit einer Größe von 7 x 3,5 m für das Trimmen und Bohren von Verbundteilen und eine gemeinsame KMG-Ausrüstung für die Dimensionsprüfung. Die drei Lackierereien und fünf Montagehallen der Division umfassen eine Gesamtfläche von 2.350 m2.

RTM automatisieren

Direkt gegenüber der Aero-Assemblys Div. Die Produktionsstätte für Verbundwerkstoffe ist das Gebäude, in dem das R&D-Labor von IAI für RTM untergebracht ist, einschließlich einer automatisierten Vorformzelle (siehe Mehr erfahren). „Dies wurde ursprünglich für Bell 525 entwickelt Hubschraubersitze“, sagt Rosenfeld, „aber wir könnten uns für andere ähnliche Plattformen anpassen.“ IAI hat die Preforming-Technologie mit Techni-Modul Engineering (Coudes, Frankreich) entwickelt, um das manuelle Auflegen von Prepreg zu ersetzen. Das Sitzdesign, das entwickelt wurde, um die Absturzanforderungen von Hubschraubern zu erfüllen, verwendet eine Kombination von Verstärkungen. Rosenfeld erklärt:„Der Sitz verformt sich beim Aufprall mit dem Boden und muss dann maximalen Beschleunigungsbelastungen standhalten.“ Glasfaser sorgt für die nötige Flexibilität und Schlagzähigkeit, während Kohlefaser für die Festigkeit sorgt.

„Dieser Hubschraubersitz sollte Parität mit der Prepreg-Grundlinie bieten, aber wir können ihn im Hinblick auf Leistung und geringes Gewicht weiter optimieren“, sagt Miller. Die Zelle ist mit einer automatischen Materialzuführungsstation ausgestattet, die eine automatische Schneidemaschine mit Verstärkungen versorgt. Ein Pick-and-Place-Roboter von ABB (Zürich, Schweiz) bewegt dann die trockenen Gewebelagen auf ein Vorformwerkzeug. Es wurden spezielle Greifer entwickelt, die einen Sensor zur Überprüfung der Lagenhaftung beinhalten. Der Roboterarm verfügt auch über Sensoren, um die Position jeder Lage während des Platzierens mittels Laserprojektion zu überprüfen. Eine Kamera validiert die Ausrichtung und Position der Lage im Vergleich zu Standardbildern, die in einer Referenzdatenbank aufgezeichnet wurden.

Ein gegossener Silikonbeutel bietet eine wiederverwendbare Vakuummembran während des sechsmal durchgeführten Debulking. Als nächstes wird der verdichtete Vorformling zu einem Werkzeug transferiert, wo ein Ultraschalltrimmen durchgeführt wird. Es gibt kein Beschneiden, nachdem das Teil geformt wurde. Schließlich wird der zugeschnittene Vorformling in einen Satz aufeinander abgestimmter RTM-Stahlformen gelegt.

Als Harz wird das einkomponentige Prism EP-2400 Toughened Epoxy der Firma Solvay (Brüssel, Belgien) verwendet. Es wird zuerst entgast und dann mit einer von Isojet Equipments (Corbas, Frankreich) gelieferten Anlage injiziert. „Normalerweise verbringt man viel Zeit damit, die Linien und Formen zu reinigen, aber wir haben den Spritzaufbau sehr einfach gehalten, damit wir nur minimale Reinigungsmengen haben“, sagt Rosenfeld. Das Harz wird auf 80 °C erhitzt, um die Viskosität für einen verbesserten Fluss und eine verbesserte Faserbenetzung während des Einspritzens zu verringern. „Das ist vollautomatisiert und mit der Presse synchronisiert“, stellt Rosenfeld fest. Anschließend wird die auf 120 °C vorgeheizte Form geschlossen, Vakuum angelegt und das Harz eingespritzt. Nur Vakuum wird verwendet, um das Harz durch die Vorform zu fließen. Sowohl Temperatur als auch Druck werden im Werkzeug erhöht und erreichen während eines 2-stündigen Formzyklus 180 °C und einen Druck von 6 bar.“ Das Werkzeug wird auf 50°C abgekühlt, geöffnet und das fertige Teil entnommen.

Zukünftige Verbundwerkstoffe voranbringen

Ein angrenzender Raum im RTM-Labor beherbergt Testgeräte, darunter Zweikomponenten-Spritzmaschinen zum Testen neuer RTM-Harze:F&E ist ein wesentlicher Schwerpunkt für IAI. Es hat Erfahrung in mehr als 86 EU-finanzierte Kooperationen mit mehreren Partnern, einschließlich der folgenden:

• Das TANGO-Projekt, das Rumpf-, Flügel- und Mittelflügelkastenstrukturen aus Verbundwerkstoffen demonstrierte. Als Teil von TANGO hat IAI drei große CFK-Flügelrippen mit einer Länge von bis zu 1,7 m entwickelt und hergestellt, die mit einer integrierten Sinuswellenversteifung und Flanschen in einem Schuss aus Non-Crimp-Gewebe und RTM geformt sind.
• CONDICOMP, organisiert für die Entwicklung des Materialzustandsmanagements während der Aushärtung von Verbundwerkstoffen.
• ALCAS, das darauf abzielte, die Herstellungskosten für zusammengesetzte Flugzeugkomponenten zu senken.
• IFATS, gegründet, um die Autonomie von Flugzeugen zu erhöhen.

Drei weitere Programme verdienen besondere Beachtung. Im Rahmen des 8-jährigen MAAXIMUS-Projekts unter der Leitung von Airbus zur Verbesserung von Verbundzellen wurde IAI mit der Untersuchung struktureller Details – einschließlich Lagenabfällen und Stringer-Runouts (typische Abschlüsse bei Produktionsunterbrechungen, wie z Stärke und Gewicht verbessern. Für jedes Detail führte IAI mithilfe von computergestützter Konstruktion und Konstruktion (CAD/CAE) und FEM-Analysen Festigkeitsvorhersagen durch, konstruierte und fertigte relevante Probekörper und verglich dann die Testergebnisse mit den Analysen. Die endgültigen Ergebnisse wurden im Gesamtprogramm verwendet, um Empfehlungen für die zukünftige Konstruktion und Produktion von Flugzeugen zu geben.

Bei LOCOMACHS war IAI eines von 31 Unternehmen, die sich darauf konzentrierten, die zeitaufwändigsten und damit teuersten, aber nicht wertschöpfenden Vorgänge bei der Montage von Composite-Flugzeugzellen, wie z Handhabung. IAI arbeitete mit dem Projektkoordinator SAAB Aeronautics (Linköping, Schweden) und den Partnern GKN Aerospace (Redditch, UK), Turkish Aerospace Industries (Ankara) und dem Netherlands Aerospace Center (NLR, Amsterdam) zusammen, um die Lean Assembled Wing Box (LAWiB) zu bauen (siehe Mehr erfahren) und mehr Integrated Wing Box (MIWiB) Demonstratoren. Es produzierte CF/Epoxid-Stringer unter Verwendung von Non-Crimp-Gewebe (NCF) von SAERTEX (Saerbeck, Deutschland). Diese Stringer wurden mit der NCF-Haut kobondiert. Die resultierenden Teile eliminierten das Unterlegen an der oberen Haut-Holm-Schnittstelle und verringerten die Anzahl der Befestigungselemente, was eine Reduzierung der Arbeitskosten für die Montage um 30 % ermöglichte. Miller sieht eine mögliche Anwendung dieser Konzepte für andere Strukturen, einschließlich kleinerer Flügel und Leitwerke.

Derzeit übernimmt IAI die Führung in zwei verbundwerkstoffintensiven Clean Sky 2-Projekten:OPTICOMS (Optimized Composite Structures for Small Aircraft) und ECOTECH umweltfreundliche innovative Flugzeugzelle. Als Koordinator arbeitet IAI mit dem OPTICOMS-Team zusammen, zu dem Piaggio Aircraft (Genua, Italien), Coriolis Composites (Quéven, Frankreich), DANOBAT (Elgoibar, Spanien) und TechniModul Engineering gehören, um die Automatisierung in kleinvolumigen Verbundstrukturen zur Reduzierung zu demonstrieren Kosten. Der 7 m lange Flügeldemonstrator von Piaggio Aircraft verfügt über eine integrierte Holm-/Haut-Konstruktion, die in einem Schuss hergestellt wird. Um den kostengünstigsten Herstellungsprozess zu ermitteln, werden verschiedene Technologien bewertet. Ein neuartiges Verfahren ist das Final Pressure Transfer Molding (FPTM). Entwickelt von TechniModul Engineering, dem Partner von IAI für seine automatisierte RTM-Zelle, injiziert das FPTM-Verfahren Luft oder Gas in eine geschlossene Kavität, um einen Druck von bis zu 10 bar auszuüben, während duroplastisches Prepreg in aufeinander abgestimmten beheizten Formen ausgehärtet wird. Die resultierenden OOA-Teile sind Berichten zufolge auf Augenhöhe mit autoklavgehärtetem Prepreg, jedoch ohne dass zusätzliches Harz injiziert werden muss, wie beim Same Qualified Resin Transfer Moulding (SQRTM)-Prozess (siehe „SQRTM ermöglicht Net-Shape-Teile“).

Für ECOTECH leitet IAI zusammen mit Invent (Braunshweig, Deutschland) ein 12-köpfiges Konsortium mit der Aufgabe, neue Materialien, Verfahren und Recyclingtechnologien zu entwickeln, um den ökologischen Fußabdruck der Flugzeugproduktion zu reduzieren. Im Rahmen des vorangegangenen Eco-Design-Projekts half IAI bei der Auswahl und Entwicklung von Technologien zur Reduzierung von Gewicht, Kosten, Energieverbrauch, Emissionen, Gefahrstoffen und Abfall, die 2017 an drei Demonstratoren validiert wurden und eine Gewichtsreduzierung von 10-20 % erreichten und potenzielle Reduzierung der globalen Erwärmung um mehr als 50 % im Vergleich zur gegenwärtigen Praxis. In der Endphase der ECOTECH wird die Weiterentwicklung neuartiger Werkstoffe und Verfahrenstechnologien bei der Herstellung von vier Demonstratoren – Thermoplaste, Duroplaste, Metalle und Biomaterialien – validiert. Diese Demonstratoren sowie die von OPTICOMS werden in den Clean Sky 2 Airframe Integrated Technology Demonstrator (ITD) integriert, der von Dassault Aviation (Biarritz, Frankreich), Airbus DS (Madrid, Spanien) und SAAB geleitet wird (siehe „Thermoplastische Verbunddemonstratoren — EU-Roadmap für zukünftige Flugzeugzellen“).

Das Unternehmen erforscht auch die additive Fertigung, die Überwachung des strukturellen Zustands und das Morphing von Flügeln und baut seine Position im Bereich des Elektroantriebs aus – was es als die nächste Ära der Luftfahrt sieht.

All dies verheißt Gutes für die Zukunft von IAI. „Wir verfügen über eine einzigartige Kombination aus jahrzehntelanger Produktionserfahrung, der Fähigkeit zur Entwicklung und Implementierung fortschrittlicher Verbundwerkstofftechnologien und einer langjährigen Beziehung sowohl zur US-amerikanischen als auch zur europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie“, sagt Shalit. „Die kommerziellen und militärischen Luft- und Raumfahrtmärkte sind zunehmend wettbewerbsintensiv und Verbundwerkstoffe sind eine Schlüsselkompetenz. IAI wird weiterhin Lösungen anbieten und dazu beitragen, die Bedürfnisse unserer Partner für zukünftiges Wachstum zu erfüllen.“