Die erste Rumpfsektion aus Verbundwerkstoff für den ersten Verkehrsflugzeug aus Verbundwerkstoff

Als The Boeing Co. (Chicago, IL, USA) 2003 Pläne für die Entwicklung ihres späteren Verkehrsflugzeugs 787 ankündigte, wurde viel darüber gesprochen, dass das Flugzeug das erste sein würde, das einen Rumpf, Flügel, Heck und andere wichtige Strukturen aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen anstelle des Aluminiums, das in den letzten Jahrzehnten der Standard war. Fast ebenso bemerkenswert war jedoch die Entscheidung von Boeing, die Herstellung dieser großen Strukturen an ein Netzwerk globaler Zulieferer auszulagern, die komplette Unterbaugruppen bauen würden, die schließlich an der Endmontagelinie von Boeing in Everett, WA, USA, zusammengefügt würden. Zu diesen mittlerweile bekannten Anbietern zählen Mitsubishi Heavy Industries und Kawasaki Heavy Industries (Tokio, Japan), Alenia Aeronautica (Neapel, Italien) und vor allem in den USA Spirit AeroSystems.

Spirit wurde ausgewählt, um den gesamten vorderen Rumpf der 787 – Abschnitt 41 genannt – herzustellen, der das Cockpit, die Cockpit-Windschutzscheiben, zwei Türen, neun Passagierfenster und die gesamte Avionik, die Cockpit-Sitzplätze und die Verkabelung umfasst. Mit einem Durchmesser von 6,2 m und einer Länge von 12,8 m ist Sektion 41 wohl die komplexeste der Rumpfsektionen des Flugzeugs.

Dass Spirit ausgewählt wurde, um 787 Gebäude zu versorgen, war keine Überraschung. Die Geschichte des Unternehmens reicht bis ins Jahr 1927 zurück, als die Luftfahrtlegende Lloyd Stearman seine Stearman Aviation Co. von Kalifornien nach Wichita verlegte. Nur zwei Jahre später erwarb Boeing – damals noch als United Aircraft and Transport Corp. bekannt – Stearman. Das Boeing-Werk Wichita sollte einige der berühmtesten Militärflugzeuge der amerikanischen Geschichte herstellen, darunter die B-29 Superfortress , die B-47 Stratojet und die B-52 Stratofortress .

Als Boeing 2005 ernsthaft mit der Entwicklung der 787-Fertigung begann, war der Wichita-Campus von Boeing verkauft und in Spirit AeroSystems umbenannt worden. Eric Hein, Senior Director, R&D und ManTech von Spirit, behauptet, dass das Unternehmen – jetzt mit zusätzlichen Standorten in den USA (Kansas, Oklahoma und North Carolina) sowie in Schottland, Frankreich und Malaysia – die Heimat der weltweit größten Herstellung von Verkehrsflugzeugen ist Fähigkeit. Neben der 787 baut Spirit wichtige Strukturen (meist aus Metall) für Boeings 737, 747, 767 und 777; der Airbus A320, A350 (auch Composites-intensiv) und A380; die Bombardier CSerie; der Mitsubishi MRJ; der Sikorsky CH-53K (Hubschrauber); und die Glocke V-280 (Neigungsrotor). Spirit, so Hein, hatte 2017 einen Umsatz von 7 Milliarden US-Dollar und einen Auftragsbestand von 46 Milliarden US-Dollar.

Während des gesamten Wachstums des Unternehmens ist der Standort von Spirit in Wichita das Herzstück der Unternehmenstätigkeit geblieben. Mit 150 Gebäuden auf 600 Hektar verteilt und mit 10.700 Mitarbeitern ist es eine Produktionsstadt für sich, die mit Lastwagen, Autos und Shuttles beschäftigt ist, die Menschen und Güter auf dem gesamten Campus transportieren.

Die Rumpffertigung der 787 ist auf ein sehr großes Gebäude am Rande des Campus beschränkt. Hier werden die gesamte Herstellung von Verbundwerkstoffen, die Installation interner Strukturen und die Systemintegration durchgeführt, bevor das fertige Produkt zur Endmontage an Everett geliefert wird.

Monolithischer Rumpf

CW 's Tour durch den 787-Produktionsbereich wird von José Sanchez, dem Senior Manager von Spirit, 787 Operations, geleitet. Spirit AeroSystems baut seinen Teil des 787-Rumpfs als monolithische Struktur und kombiniert einen automatisierten Faser-/Band-Platzierungsprozess mit gemeinsam ausgehärteten Stringern, um einen einteiligen Lauf zu bilden. (Außerdem entwarf Airbus später die vergleichbare A350 XWB mit einem Rumpf, der aus Kohlefaserverbundplatten statt einer einteiligen Struktur besteht; Spirit fertigt Rumpfplatten für die A350 in Kinston, NC, USA, und montiert sie in Frankreich.)

Verbundmaterialien, die zur Herstellung von 787-Primärstrukturen verwendet werden, stammen, wie weithin berichtet wurde, von Toray Industries (Tokio, Japan) und sind kohlenstofffaserverstärkte gehärtete Prepregs der Serie 3900 von Torayca unter Verwendung von T800S-Fasern mit mittlerem Modul. Prepreg wird als UD-Tape, Slit Tape (für die automatisierte Faser-/Tape-Platzierung) und als Gewebe angeboten.

Das Rumpfdesign der 787 sieht zwei grundlegende Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen vor:das Schneiden und Formen der Stringer und das Platzieren der Rumpfhautfasern. Der Trick besteht darin, die Stringer mit der mit Fasern versehenen Haut zu kombinieren, um eine mitgehärtete Struktur zu ermöglichen. Aus diesem Grund messen Spirit und damit auch Boeing den Prozessen beim ersten Stopp der Tour große Bedeutung bei:der Stringer-Fertigung.

Diese hochautomatisierte Linie verfügt über einen amerikanischen GFM (Chesapeake, VA, US) Schneidetisch, der Prepregs der Torayca 3900-Serie in Lagen schneidet. Diese werden an einen Kitting-Tisch übergeben, wo die Lagen manuell gestapelt, von einem Overhead-LAP-Laser (Erlanger, KY, US) geführt und für die Formgebung vorbereitet werden. Sanchez sagt, dass diese Stringer-Fertigungslinie einen Großteil des geistigen Eigentums von Spirit verkörpert, das für die Herstellung von Section 41 entwickelt wurde, und ein kritischer Bestandteil des Betriebs der Anlage ist.

Vorgeformte Stringer werden, wenn sie von der Stringer-Linie kommen, als nächstes von den Bedienern zu einem benachbarten Abschnitt 41-Dorn transferiert, der in Zukunft der Schwerpunkt aller Verbundwerkstoff-Fertigungsvorgänge werden wird. Der Dorn, sagt Sanchez, der die Form und die Abmessungen der vorderen Rumpfsektion trägt, ist aus einem Kohlefaser-Bismaleinimid (BMI)-Verbundstoff gefertigt und besteht aus sechs Segmenten. Jedes Segment ist seitlich entlang der Dornlänge geteilt. In die Oberfläche jedes Dornabschnitts sind, ebenfalls über die Länge des Werkzeugs verlaufend, Schlitze eingearbeitet, in die die vorgeformten Stringer mit der flachen Unterseite des Stringers nach außen gelegt werden.

Nachdem alle Stringer in ihre Schlitze eingesetzt wurden, umwickeln die Bediener den gesamten Dorn mit einem verflochtenen Drahtgewebe (IWWF), hergestellt von Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, USA), das den gesamten 787 . vor Blitzeinschlägen schützt Rumpf. Diese gesamte Struktur wird dann mit Plastiktütenfolie umwickelt. Die Folie hält den IWWF und die Stringer an Ort und Stelle, während der Dorn über ein manuell geführtes Fahrzeug zur nächsten Station – der automatischen Faserplatzierung (AFP) – gefahren und dann für die AFP entfernt wird.

Vielleicht symbolisiert kein Prozess die Verwendung von Verbundwerkstoffen bei der 787 mehr als das AFP-System, das zur Herstellung der Rumpfhaut verwendet wird. AFP wurde schon zu Beginn des 787-Programms über viele Jahre hinweg verwendet, sodass es in der Verbundwerkstoffherstellung nicht neu war. Neu bei der 787 war der Umfang der Anwendung. Nur wenige mit AFP hergestellte Verbundstrukturen haben auch nur annähernd die Größe einer 787-Rumpfsektion erreicht.

Als Spirit die 787-Produktion in Wichita einrichtete, wurde AFP mit einer 32-Creel-Maschine von Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, USA) durchgeführt. Anfang der 2000er Jahre begann Boeing jedoch mit der Zusammenarbeit mit dem Automatisierungsspezialisten Electroimpact (Mukilteo, WA, USA) an der Entwicklung einer neuen AFP-Maschine mit modularen, austauschbaren Köpfen. Jeder Kopf würde alle Kohlefaserspulen für einen bestimmten Betriebstyp aufnehmen und könnten je nach erforderlicher Bandbreite relativ einfach ausgetauscht werden.

Obwohl Spirit noch immer über seine ursprüngliche Ingersoll-Maschine verfügt, wird sie in einer Backup-Rolle verwendet. Dies liegt daran, dass Spirit schließlich zwei Electroimpact-Maschinen erwarb, um den Großteil der Hautherstellung nach Section 41 zu erledigen. Laut Sanchez arbeiten die Electroimpact AFP-Maschinen, die jeweils mit einem 16-Spulenkopf (0,25 und 0,50 Zoll breite/6,35 und 12,7 mm breite Kabel) ausgestattet sind, zusammen, um Material auf den Dorn aufzutragen. Der Dorn ist horizontal montiert und auf einer Spindel gedreht, während die Köpfe an jeder Seite traversieren und Schleppseile platzieren, meist in relativ kurzen, stark eingeschränkten Bahnen. Besucher können im hellen Licht der Anlage leicht die vielfältige, vielwinkelige Sammlung von Kabeln sehen, die bereits auf dem Dorn platziert wurden.

Sanchez wollte nicht verraten, wie lange die beiden Electroimpact-Maschinen brauchen, um alle Fasern für eine Rumpfhaut vollständig zu platzieren, außer zu sagen, dass es "sehr schnell" ist. Der gesamte AFP-Betrieb wird von drei Bedienern an der Maschine verwaltet. Einer arbeitet in einer Kontrollkabine, die den Dorn überblickt, während die anderen beiden mit Taschenlampen in der Hand den Boden unter und neben dem Dorn durchlaufen, um nach problematischen Lücken, Runden, Unebenheiten, Falten und Fremdkörpern (FOD) auf der Oberfläche des Dorns zu suchen vorgefertigte Seile. Mängel müssen behoben/behoben werden, bevor die Struktur geheilt wird.

Nächster Halt für Section 41 ist nach einer weiteren Komplettabsackung der Autoklav. Spirit Wichita betreibt zwei große Autoklaven der Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, USA). Die Rumpfsektion wird über Nacht ausgehärtet, danach wird die Struktur entpackt und der sechsteilige Dorn demontiert und Abschnitt für Abschnitt durch das breite Ende des Rumpfes entfernt.

Nachbearbeitung

Was für Abschnitt 41 folgt, ist eine mehrtägige Reise von Station zu Station, während der gesamte Bau bis zur Fertigstellung voranschreitet. Dazu gehört der Besuch einer MTorres (Torres de Elorz, Spanien) Torresmill 5-Achs-Portalfräs- und Bohrmaschine, die Löcher für die Rumpfspanten und andere Innenstrukturen sowie Türöffnungen, Fenster und vordere Fahrwerksöffnungen bohrt. Der Rumpf durchläuft auch eine zerstörungsfreie Pulsecho-Inspektion (NDI), Lackvorbereitung, Lackierung, Fensterglasmontage, Türmontage und alle Innenkonstruktionen/Systemmontagen. Die ersten eingebauten Innenstrukturen sind die Rundspanten (Metall und Verbund), die an den Stringern und der Rumpfhaut befestigt werden. Während dieser Prozesse wird Abschnitt 41 an jeder Station je nach der betreffenden Aktivität mit Kiel-oben oder Kiel-unten bearbeitet.

Während CW 's Besuch wurden ungefähr 30 Arbeitsplätze besichtigt, und jeder enthielt eine Sektions-41-Struktur in einem bestimmten Montagezustand, und jede Sektion hinterlässt Wichita für die sofortige Integration in die Boeing FAL in Everett. Boeing baut derzeit jeden Monat 12 787, bis 2019 sollen 14 pro Monat gebaut werden – eine ungewöhnlich hohe Zahl für ein Großraumflugzeug.

Sanchez stellt fest, dass Spirit seit fast einem Jahrzehnt an der Herstellung von Abschnitt 41 arbeitet – entweder in der Entwicklung oder in der tatsächlichen Produktion. Eventuell vorhandene Fehler, Knicke und Eigenheiten wurden schon vor langer Zeit identifiziert und behoben. Er sagt, dass es kein Problem sein wird, diese Baurate von 14 Schiffssätzen pro Monat zu erreichen.

F&E der nächsten Generation

Wenn die Tour die Produktionsstätte von Section 41 verlässt, CW wird zu einem Treffen mit Pierre Harter, Direktor, Advanced Research bei Spirit, nach draußen in ein benachbartes Gebäude geführt. Zuvor war Harter Ingenieur bei dem inzwischen aufgelösten Denver, CO, bei Adam Aircraft mit Sitz in den USA und bei Bombardier (Montreal, QC, Kanada) und Absolvent der Wichita State University. Er leitet CW in ein scheinbar unscheinbares Gebäude mit mehreren Gängen und Türen, das sich dennoch schnell als Zentrum der Forschungs- und Entwicklungsbemühungen von Spirit für Verbundwerkstoffe entpuppt.

So ausgereift die Section 41-Fertigungslinie von Spirit auch ist, die unbestreitbare Tatsache ist, dass sie eine Technologie zur Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet, die vor mehr als einem Jahrzehnt neu war. Die Realitäten der Luft- und Raumfahrtqualifizierung (sowohl Kosten als auch Zeit) und der Fertigung zwingen Spirit und ähnliche Zulieferer, sich frühzeitig auf eine Fertigungstechnologie für eine Flugzeugstruktur zu einigen und dann für die Dauer des Programms daran festzuhalten. Die Möglichkeit, Geräte und Materialien aufzurüsten, ist daher oft begrenzt, unabhängig davon, wie vorteilhaft neuere Fortschritte in der Technologie der Verbundwerkstoffherstellung sein könnten.

Harters Aufgabe ist es daher, neue und aufkommende Verbundwerkstoffe und -technologien zu bewerten und festzustellen, welche wahrscheinlich in Flugzeugen der nächsten Generation Platz finden. Während die 787 und der Airbus A350 in Produktion sind, ist die gesamte Lieferkette der kommerziellen Luft- und Raumfahrt damit beschäftigt, das nächste große kommerzielle Programm vorwegzunehmen, und alle Mitglieder stellen sicher, dass sie das Wissen und die Expertise erwerben, die die OEMs von ihnen benötigen.

Konventionelle Weisheit besagt, dass das nächste offiziell angekündigte Programm Boeings einstöckiges, zweistrahliges New Middle-Market Airplane (NMA oder 797) sein wird, das die 757 effektiv ersetzen würde. Dieses Flugzeug wird voraussichtlich um 2025 auf den Markt kommen es wird sicherlich Verbundwerkstoffe verwenden, die Fragen vor dem R&D-Team von Spirit lauten wie viel? Wo? Und welche Art? Da noch niemand die Antworten kennt, evaluieren Harter und sein Team alle Optionen. So ist die Fülle an Materialien, Geräten und Projekten in der Entwicklung bei Spirit derzeit schwindelerregend. „Wir arbeiten an verschiedenen Projekten“, sagt Harter. „Außerhalb des Autoklaven, schnelles RTM, Thermoplaste, innovative Werkzeuge, Inline-Inspektion, Faserlenkung. Wir wollen auf alles vorbereitet sein, was die OEMs brauchen.“

Das Herzstück des Verbundwerkstofflabors von Spirit Wichita ist eine Elektroimpact-AFP-Maschine mit 16 Spulen (0,125, 0,25, 0,5 Zoll), die laut Harter für die Durchführung von Handelsstudien zum Einsatz der automatisierten Inline-Inspektion sowie für eine Vielzahl anderer Aktivitäten, einschließlich Prototyping. Das Ziel des automatisierten Inspektionssystems, so Harter, ist es, die zeitaufwändige und mühsame Arbeit zu beseitigen, die wir zuvor auf der Tour erlebt haben, indem wir AFP-Techniker mit Taschenlampen auf der Suche nach problematischen Runden, Lücken, Falten und FOD beobachten.

Spirit, sagt Harter, evaluiere ein LASERVISION-System von Aligned Vision (Chelmsford, MA, USA), das Spirit dazu zwingt, zu überdenken, was ein echter Defekt ist und was nicht, „und zu überdenken, wie wir Defekte charakterisieren“. Er sagt, dass das System Ende dieses Jahres in der Produktion in Betrieb sein könnte.

Über das AFP-System hinaus hat Spirit eine Vielzahl anderer Projekte auf verschiedenen Ebenen der technologischen Reife (TRL) in Arbeit. Dazu gehören die folgenden:

• Ein Polymerwerkzeug mit Formgedächtnis (TRL 6),
• Ein Holmabschnitt hergestellt mit Hexcels (Stamford, CT, US) HiTape (Trockenfaser) unter Verwendung von RTM (TRL 6),
• Ein infundierter Holm mit eingebetteten Sensoren für die In-situ-Prozesskontrolle, der entweder mit Hilfe eines Autoklaven oder eines Ofens (TRL 4) ausgehärtet wird
• Ein Rahmen aus gelenktem AFP und Hot-Drape-Forming (TRL 6),
• Und 3D-gedruckte Werkzeuge, hergestellt auf der Big Area Additive Manufacturing (BAAM)-Maschine der Wichita State University, geliefert von Cincinnati Inc. (Harrison, OH, USA).

Andere Forschungsgebiete, sagt Harter, umfassen genähte Preforms, Roboter-AFP/ATL und AFP-Kopf-Innovation. Letzteres ist aus einer Herausforderung von Ende 2016 bei Spirit hervorgegangen, die AFP-Layout-Raten innerhalb von zwei Jahren zu verdoppeln. Harter sagt, dass er und seine Mitarbeiter bei der Bewältigung dieser Herausforderung festgestellt haben, dass „sobald die Roboterprozesse optimiert sind, man an die Grenzen der Kopf-/Maschinentechnologie stößt“, was bedeutet, dass der limitierende Faktor der AFP-Geschwindigkeit die Effizienz der Faserkabelabgabe wird . Spirit arbeitet mit Electroimpact und Materiallieferanten an Technologien zur Steigerung des Gesamtdurchsatzes.

Die letzte Station der Spirit Wichita Tour sind Material- und Komponententests. Es überrascht nicht, dass Spirit hier über robuste Fähigkeiten verfügt, darunter 15 mechanische Prüfmaschinen (11-50 kip-Fähigkeit) von MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, USA), Umweltprüfkammern, Dehnungsmessstreifen, Messsysteme und Hochregale Raum für umfassende Komponententests – Flügelstrukturen und Schubumkehrer standen während CWs unter aktiver Belastung besuchen.

Als die Tour zu Ende geht, werden Abschiede ausgetauscht und der riesige Wichita-Campus von Spirit AeroSystems tritt bei CW . zurück Angesichts der beachtlichen Fähigkeiten von Spirit im Bereich Verbundwerkstoffe ist es leicht, sich zu fragen, wie das nächste Jahrzehnt für diesen großen Luftfahrthersteller aussehen wird. In der globalen Luft- und Raumfahrtwelt ist seine Palette an Fähigkeiten wohl unübertroffen. Spirit AeroSystems scheint für alles, was die Zukunft bereithält, gewappnet zu sein.