Boeing enthüllt ersten CFK-Rumpfabschnitt für den 787 Dreamliner

Im Jahr 2003, als die Boeing Co. (Chicago, IL, USA) Pläne für die Entwicklung ihres 787-Verkehrsflugzeugs bekannt gab, stand im Fokus, dass das Flugzeug das erste sein würde, dessen Rumpf, Tragflächen, Leitwerk und andere Hauptstrukturen aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen statt aus Aluminium gefertigt werden – dem Standard der vorangegangenen Jahrzehnte. Fast ebenso bemerkenswert war Boeings Entscheidung, die Fertigung dieser Hauptstrukturen an ein globales Lieferantennetzwerk zu vergeben, das komplette Baugruppen bauen würde, die schließlich in Boeings Endmontagelinie in Everett, WA, USA, zusammengefügt werden. Die Liste dieser Lieferanten, heute wohlbekannt, umfasst Mitsubishi Heavy Industries und Kawasaki Heavy Industries (Tokio, Japan), Alenia Aeronautica (Neapel, Italien) und insbesondere in den USA Spirit AeroSystems.

Spirit wurde ausgewählt, den gesamten vorderen Rumpf des 787 – Section 41 genannt – zu fertigen, der das Cockpit, Cockpit-Fenster, zwei Türen, neun Passagierfenster sowie die gesamte Avionik, Cockpit-Sitze und Verkabelung umfasst. Mit 6,2 m Durchmesser und 12,8 m Länge ist Section 41 vermutlich der komplexeste Rumpfabschnitt des Flugzeugs.

Dass Spirit für die 787-Strukturen ausgewählt wurde, war keine Überraschung. Die Unternehmensgeschichte reicht zurück bis 1927, als der Luftfahrtpionier Lloyd Stearman seine Stearman Aviation Co. von Kalifornien nach Wichita verlegte. Zwei Jahre später übernahm Boeing – damals als United Aircraft and Transport Corp. bekannt – Stearman. Das Boeing-Werk in Wichita produzierte später einige der ikonischsten Militärflugzeuge der US-Geschichte, darunter die B-29 Superfortress, die B-47 Stratojet und die B-52 Stratofortress.

2005, als Boeing die 787-Fertigungsentwicklung ernsthaft begann, war der Wichita-Campus bereits von Boeing verkauft und in Spirit AeroSystems umbenannt worden. Eric Hein, Spirits Senior Director R&D und ManTech, behauptet, das Unternehmen – nun mit zusätzlichen Standorten in den USA (Kansas, Oklahoma, North Carolina) sowie in Schottland, Frankreich und Malaysia – beherberge die weltweit größte kommerzielle Flugzeugfertigungskapazität. Neben dem 787 baut Spirit Hauptstrukturen (meist metallisch) für Boeings 737, 747, 767 und 777; den Airbus A320, A350 (ebenfalls verbundstoffintensiv) und A380; die Bombardier CSeries; die Mitsubishi MRJ; den Sikorsky CH-53K (Hubschrauber); und den Bell V-280 (Kipprotor). Spirit erzielte 2017 einen Umsatz von 7 Mrd. US$ und verfügt über einen Auftragsbestand von 46 Mrd. US$.

Im Laufe des Wachstums blieb Spirits Wichita-Standort das Herz der Unternehmensaktivitäten. Mit 150 Gebäuden auf 600 Hektar, bevölkert von 10.700 Mitarbeitern, ist es eine Fertigungsstadt für sich, belebt von LKWs, Autos und Shuttles, die Menschen und Güter über den Campus transportieren.

Die 787-Vorderrumpf-Fertigung ist auf ein einziges großes Gebäude am Rande des Campus beschränkt. Hier werden alle Verbundstofffertigung, Einbau interner Strukturen und Systemintegration durchgeführt, bevor das fertige Produkt nach Everett zur Endmontage versendet wird.

Monolithischer Rumpf

Die Tour von CW durch den 787-Produktionsbereich wird von José Sanchez, Spirits Senior Manager 787 Operations, geleitet. Spirit AeroSystems baut seinen Teil des 787-Rumpfs als monolithische Struktur, indem ein automatisiertes Faser-/Bandlegeverfahren mit Co-Cured-Stringern kombiniert wird, um ein einteiliges Fass zu formen. (Bemerkenswert: Airbus entwarf später den vergleichbaren A350 XWB mit einem Rumpf aus CFK-Paneelen statt einer einteiligen Struktur; Spirit fertigt Rumpfpaneele für den A350 in Kinston, NC, USA, und montiert sie in Frankreich.)

Die für 787-Hauptstrukturen verwendeten Verbundwerkstoffe stammen, wie weithin berichtet, von Toray Industries (Tokio, Japan) und sind Torayca 3900-Serie Kohlenstofffaser-verstärktes zähes Prepreg mit intermediärem Modul T800S-Faser. Prepreg wird als UD-Band, Schlitzband (für automatisiertes Faser-/Bandlegen) und Gewebe geliefert.

Das 787-Rumpfdesign sieht zwei grundlegende Verbundstoff-Fertigungsoperationen vor: Stringer-Zuschnitt und -Formen sowie Rumpfhaut-Faserablage. Der Trick liegt darin, die Stringer mit der fasergelegten Haut zu kombinieren, um eine co-gecurte Struktur zu ermöglichen. Deshalb messen Spirit und damit Boeing den Prozessen am ersten Tourstopp große Bedeutung bei: der Stringer-Fertigung.

Diese hochautomatisierte Linie verfügt über einen American GFM (Chesapeake, VA, USA) Schneidetisch, der Torayca 3900-Serie Prepreg in Lagen schneidet. Diese werden zu einem Kittiertisch transportiert, wo Lagen manuell gestapelt, geführt von einem Überkopf-LAP-Laser (Erlanger, KY, USA), und für das Formen vorbereitet werden. Sanchez sagt, diese Stringer-Fertigungslinie verkörpere einen großen Teil des geistigen Eigentums, das Spirit für die Section-41-Fertigung entwickelt habe, und sei ein kritischer Teil des Anlagenbetriebs.

Vorgeformte Stringer, wie sie von der Stringer-Linie kommen, werden als Nächstes von Bedienern zu einem angrenzenden Section-41-Dorn transferiert, der zum Fokus aller Verbundstoff-Fertigungsoperationen wird. Der Dorn, so Sanchez, der die Form und Abmessungen des Vorderrumpfabschnitts trägt, ist aus einem Kohlenstofffaser/Bismaleimid (BMI)-Verbundwerkstoff gefertigt und besteht aus sechs Segmenten. Jedes Segment ist entlang der Dornlänge lateral geteilt. In die Oberfläche jedes Dornabschnitts sind entlang der Werkzeuglänge Schlitze gefräst, in die die vorgeformten Stringer mit der flachen Unterseite nach außen eingelegt werden.

Nachdem alle Stringer in ihren Schlitzen platziert sind, überwickeln Bediener den gesamten Dorn mit einem verwobenen Drahtgewebe (IWWF), hergestellt von Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, USA), das Blitzschutz für den gesamten 787-Rumpf bietet. Diese gesamte Struktur wird dann mit Folie überwickelt. Die Folie hält IWWF und Stringer an Ort und Stelle, während der Dorn per manuell geführtem Fahrzeug zur nächsten Station – automatisiertes Faserlegen (AFP) – gefahren und dort für AFP entfernt wird.

Vielleicht symbolisiert kein Prozess die Verbundstoffnutzung am 787 mehr als das AFP-System zur Fertigung der Rumpfhaut. AFP wurde schon viele Jahre vor dem 787-Programm eingesetzt, war also nicht neu in der Verbundstofffertigung. Neu war beim 787 der Anwendungsmaßstab. Wenige mit AFP gefertigte Verbundstoffstrukturen kamen auch nur annähernd an die Größe auch nur eines 787-Rumpfabschnitts heran.

Als Spirit die 787-Produktion in Wichita aufnahm, wurde AFP mit einer 32-Kreel-Maschine von Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, USA) durchgeführt. Anfang der 2000er Jahre begann Boeing jedoch mit dem Automatisierungsspezialisten Electroimpact (Mukilteo, WA, USA) an der Entwicklung einer neuen AFP-Maschine zu arbeiten, die modulare, austauschbare Köpfe aufweist. Jeder Kopf speichert alle Kohlenstofffaserspulen für eine bestimmte Operation und kann relativ einfach je nach benötigter Bandbreite ausgetauscht werden.

Obwohl Spirit seine ursprüngliche Ingersoll-Maschine noch hat, dient sie als Backup. Denn Spirit erwarb schließlich zwei Electroimpact-Maschinen für den Großteil der Section-41-Hautfertigung. Sanchez sagt, die Electroimpact-AFP-Maschinen, jeweils ausgestattet mit einem 16-Spulen-Kopf (0,25- und 0,50-Zoll-breite/6,35- und 12,7-mm-Bänder), arbeiten zusammen, um Material auf den Dorn aufzubringen. Der Dorn ist horizontal montiert und wird auf einer Spindel gedreht, während die Köpfe an jeder Seite entlangfahren und Bänder in relativ kurzen, streng vorgeschriebenen Bahnen ablegen. Besucher können im hellen Licht der Halle die vielfältige, mehrwinklige Ansammlung bereits abgelegter Bänder auf dem Dorn deutlich sehen.

Sanchez verriet nicht, wie lange die beiden Electroimpact-Maschinen benötigen, um alle Fasern für eine Rumpfhaut komplett abzulegen, außer dass es „sehr schnell“ sei. Der gesamte AFP-Betrieb wird von drei Bedienern an der Maschine gesteuert. Einer arbeitet in einer Kontrollkabine mit Blick auf den Dorn, die anderen zwei laufen mit Taschenlampen unter und neben dem Dorn, suchen nach problematischen Lücken, Überlappungen, Unebenheiten, Falten und Fremdkörpern (FOD) auf der Oberfläche der präimprägnierten Bänder. Fehler müssen behoben werden, bevor die Struktur gehärtet wird.

Nächste Station für Section 41 nach erneutem Rundum-Beuteln ist der Autoklav. Spirit Wichita betreibt zwei massive Autoklaven von Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, USA). Der Rumpfabschnitt wird über Nacht gehärtet, wonach die Struktur entbeutelt und der sechsteilige Dorn abgebaut und segmentweise durch das breite Ende des Rumpfs entfernt wird.

Nachbearbeitung und Endausbau

Es folgen mehrere Tage des Transports von Station zu Station, während die gesamte Struktur zur Fertigstellung voranschreitet. Dazu gehört ein Besuch an einer MTorres (Torres de Elorz, Spanien) Torresmill 5-Achs-Portal-Fräs- und Bohrmaschine, die Bohrungen für Rumpfspanten und andere Innenstrukturen sowie Türöffnungen, Fenster und Bugfahrwerksöffnung durchführt. Der Rumpf durchläuft auch Puls-Echo-Zerstörungsfreie Prüfung (NDI), Lackiervorbereitung, Lackierung, Fenstereinbau, Türeinbau und Einbau aller Innenstrukturen/Systeme. Die ersten eingebauten Innenstrukturen sind die kreisförmigen Spanten (metallisch und Verbundstoff), die an den Stringern und der Rumpfhaut befestigt werden. Während dieser Prozesse wird Section 41 an jeder Station kieloben oder kielunten bearbeitet, je nach Tätigkeit.

Während CWs Besuch waren ca. 30 Arbeitsstationen zu sehen, jede mit einer Section-41-Struktur in irgendeinem Montagestadium, und jede Sektion verlässt Wichita bereit für sofortige Integration in Boeings FAL in Everett. Boeing baut derzeit 12 787 pro Monat und ist verpflichtet, bis 2019 14 pro Monat zu erreichen – eine ungewöhnlich hohe Zahl für ein Großraumflugzeug.

Sanchez merkt an, Spirit arbeite seit fast einem Jahrzehnt an der Section-41-Fertigung – sei es entwicklungsbegleitend oder in tatsächlicher Produktion. Alle Fehler, Knicke und Eigenheiten, die es gegeben habe, seien längst identifiziert und behoben worden. Die Erreichung der Baugeschwindigkeit von 14 Rümpfen pro Monat sei kein Problem.

Forschung & Entwicklung der nächsten Generation

Als die Tour die Section-41-Fertigungshalle verlässt, wird CW nach draußen zu einem Nachbargebäude geführt für ein Treffen mit Pierre Harter, Director Advanced Research bei Spirit. Zuvor Ingenieur bei der mittlerweile geschlossenen Adam Aircraft in Denver, CO, USA, und bei Bombardier (Montreal, QC, Kanada), sowie Absolvent der Wichita State University, führt Harter CW in ein unscheinbares, mehrflügliges, türreiches Gebäude, das sich schnell als Zentrum von Spirits Verbundstoff-Forschung und -Entwicklung entpuppt.

So fortgeschritten Spirits Section-41-Fertigungslinie auch ist, die unbestreitbare Tatsache ist, dass sie Verbundstoff-Fertigungstechnologie nutzt, die vor mehr als einem Jahrzehnt neu war. Die Realitäten der Luftfahrtqualifizierung (sowohl Kosten als auch Zeit) und der Fertigung zwingen Spirit und ähnliche Zulieferer, sich früh auf eine Fertigungstechnologie für eine Flugzeugstruktur festzulegen und diese für die Programmdauer beizubehalten. Die Möglichkeit, Ausrüstung und Materialien zu aktualisieren, ist daher oft begrenzt, unabhängig davon, wie vorteilhaft neuere Fortschritte in der Verbundstofffertigungstechnologie sein mögen.

Harters Aufgabe ist es daher, neue und aufkommende Verbundwerkstoffe und -technologien zu bewerten und zu bestimmen, welche wahrscheinlich in der nächsten Flugzeuggeneration Anwendung finden. Mit dem 787 und dem Airbus A350 in Produktion ist die gesamte kommerzielle Luftfahrt-Lieferkette damit beschäftigt, das nächste große kommerzielle Programm vorherzusehen, und jedes Mitglied stellt sicher, dass es das Wissen und die Expertise erwirbt, die die OEMs von ihnen benötigen.

Die gängige Meinung besagt, das nächste offiziell angekündigte Programm wird Boeings ein-gängiges, zweimotoriges New Middle-Market Airplane (NMA, oder 797) sein, das die 757 effektiv ersetzen würde. Dieses Flugzeug wird voraussichtlich um 2025 in den Markt eintreten. Obwohl es sicher Verbundstoffe nutzen wird, lauten die Fragen vor Spirits F&E-Team: Wie viel? Wo? Und welche Art? Niemand kennt die Antworten yet, daher bewerten Harter und sein Team alle Optionen. So ist die Vielfalt der in Entwicklung befindlichen Materialien, Ausrüstungen und Projekte bei Spirit derzeit schwindelerregend. „Wir arbeiten an einer Vielzahl von Projekten“, sagt Harter. „Out-of-Autoclave, schnelles RTM, Thermoplaste, innovatives Werkzeug, Inline-Inspektion, Fasersteuerung. Wir wollen bereit sein für das, was die OEMs brauchen.“

Das Herzstück des Spirit-Wichita-Verbundstofflabors ist eine 16-Spulen- (0,125-, 0,25-, 0,5-Zoll-Bänder) Electroimpact-AFP-Maschine, die Harter zufolge für Trade Studies zum Einsatz von Inline-automatisierter Inspektion sowie für diverse andere Aktivitäten, einschließlich Prototyping, genutzt wird. Ziel des automatisierten Inspektionssystems, so Harter, ist es, die zeitaufwändige, mühsame Arbeit zu eliminieren, die wir früher auf der Tour beobachteten, als AFP-Techniker mit Taschenlampen nach problematischen Überlappungen, Lücken, Falten und FOD suchten.

Spirit, so Harter, evaluiert ein LASERVISION-System von Aligned Vision (Chelmsford, MA, USA), das Spirit zwingt, neu zu überdenken, was ein echter Defekt ist und was nicht, „und neu zu überdenken, wie wir Defekte charakterisieren.“ Er sagt, das System könnte bis Ende dieses Jahres auf der Produktionsfläche im Einsatz sein.

Jenseits des AFP-Systems hat Spirit diverse weitere Projekte in Arbeit auf verschiedenen Technologiereifegraden (TRL). Dazu gehören:

• Ein Formgedächtnis-Polymer-Werkzeug (TRL 6),
• Ein Holmabschnitt aus Hexcels (Stamford, CT, USA) HiTape (trockenes Faser) mittels RTM (TRL 6),
• Ein infundierter Holm mit eingebetteten Sensoren für In-situ-Prozesskontrolle, gehärtet mit Autoklav oder Ofen (TRL 4),
• Ein Spant aus gesteuertem AFP und Heißdrappieren (TRL 6),
• Und 3D-gedrucktes Werkzeug, gefertigt auf Wichita State Universitys Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Maschine, geliefert von Cincinnati Inc. (Harrison, OH, USA).

Weitere Forschungsbereiche, so Harter, umfassen genähte Preforms, robotergestütztes AFP/ATL und AFP-Kopf-Innovation. Letztere entstand aus einer Ende-2016-Herausforderung bei Spirit, die AFP-Ablegeraten innerhalb von zwei Jahren zu verdoppeln. Harter sagt, er und seine Mitarbeiter hätten bei Bemühungen, dieser Herausforderung zu begegnen, festgestellt, dass „einmal die robotergestützten Prozesse optimiert sind, man an die Grenzen der Kopf-/Maschinentechnologie stößt“, was bedeutet, dass der limitierende Faktor der AFP-Geschwindigkeit die Effizienz der Faserbandzufuhr wird. Spirit arbeitet mit Electroimpact und Materiallieferanten an Technologien zur Erhöhung des Gesamtdurchsatzes.

Der letzte Stopp der Spirit-Wichita-Tour ist Material- und Komponententest. Unerwartet verfügt Spirit hier über robuste Kapazitäten, darunter 15 mechanische Prüfmaschinen (11-50 kip Kapazität) von MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, USA), Umwelttestkammern, Dehnmessstreifen-Fähigkeit, Metrologiesysteme und Hochhalle für Vollskalen-Komponententests – Flügelstrukturen und Schubumkehrer waren während CWs Besuch unter aktiver Belastung.

Als die Tour zu Ende geht, Verabschiedungen ausgetauscht werden und Spirits gewaltiger Wichita-Campus bei CWs Abfahrt schwindet, ist es angesichts Spirits beträchtlicher Verbundstoffkapazitäten leicht, sich zu fragen, wie das nächste Jahrzehnt für diesen großen Luftfahrtfertiger aussehen wird. In der globalen Luftfahrtwelt ist seine Fähigkeitssuite wohl ohnegleichen. Spirit AeroSystems scheint für das gerüstet, was die Zukunft bereithält.