IAI: Israels führender Luftverteidigungsanbieter rüstet sich für globale Expansion

Israel Aerospace Industries (IAI) wurde 1953 als Bedek Aviation Co. gegründet, fünf Jahre nach der Staatsgründung Israels. Damals am Lod Airport (heute Ben Gurion International, südöstlich von Tel Aviv) ansässig, begann das Unternehmen mit 70 Mitarbeitern. Mit Israels Entwicklung wuchs auch IAI, fortschreitend in Technologie und Betrieb zu seinem aktuellen Jahresumsatz von 4 Mrd. US$, einem Auftragsbestand von 11 Mrd. US$ und mehr als 15.000 Mitarbeitern (6.000 sind Ingenieure). Es ist der größte Industriekomplex Israels und Weltführer in einer Reihe von Verteidigungstechnologien.

Obwohl das Unternehmen für seine Build-to-Print (BTP)/Build-to-Spec (BTS) Produktionsfähigkeiten bekannt ist, ist es ein vollwertiger Verteidigungs- und Luftfahrt-OEM und kann komplette Flugzeuge entwerfen, bis hin zur vollständigen Flugzertifizierung. Ein Beispiel: IAI hatte die volle Verantwortung für Design und Analyse, Boden- und Flugtests, Fertigung und Montage der G150 und G280 Business Jets für Gulfstream Aerospace Corp. (Savannah, GA, USA). IAI erreichte die gemeinsame Zertifizierung des G150 Business Jets mit US-, europäischen und israelischen Luftfahrtbehörden.

IAIs Verbundstoffoperationen umfassen Teilefertigung und Baugruppen für Business Jets und Verkehrsflugzeuge, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) und Militärflugzeuge. Hergestellte Teile umfassen vertikale und horizontale Stabilisatoren, Ruder, Flügelstrukturen, Triebwerksgondeln, Bodenträger, Türumrandungen, strukturelle Rumpfschotten, Rippen und Versteifungen, Steuerflächen, Verkleidungen und Radome. Zu seinen Fertigungsfähigkeiten zählen Prepreg-Handlaminieren und automatisiertes Bandlegen (ATL), Heißdrappieren, Autoklav- und Out-of-Autoclave-Härtung (OOA) einschließlich Flüssigformprozessen wie Harzinfusion und Harzinjektion (RTM), sowie komplexes Kleben und Montieren. Das Unternehmen entwirft und baut auch eigene Werkzeuge, hält alle wichtigen Luftfahrt- und Verbundstoff-Qualitätszertifizierungen und bietet Qualitätssicherung durch umfassende zerstörungsfreie Prüfung und Inspektion.

IAI positioniert sich als One-Stop-Shop, der komplettes Design und Analyse, Engineering, Prototyping und Produktionsdienstleistungen sowie Management komplexer Lieferketten anbietet. Der Campus erstreckt sich über viele Hektar und zahlreiche Gebäude, 17 davon beherbergen verbundstoffbezogene Fertigung und Montage.

CWs Tour wurde geleitet von IAI Marketing- und Business-Direktor Eitan Shalit, F&E-Programmdirektor Hary Rosenfeld und Dr. Zev Miller, Manager für Verbundstoffmaterialien und -prozesse innerhalb von IAIs Engineering & Development Group. Der Tour ging ein Unternehmensüberblick in IAIs neuem Aero-assemblies Div. Verbundstoffproduktionsgebäude voraus.

Militärflugzeug- und UAV-Operationen

Eines von IAIs Schlüssel-Verbundstoffprogrammen ist die Produktion der kohlenstofffaserverstärkten Bismaleimid-Ober- und Unterhaut für die Außenflügel des F-35 Lightning II Jets. Eine vollständig automatisierte Montagelinie, speziell für dieses Programm gebaut, wurde 2014 eingeweiht (Abb. 1). IAI feierte die Lieferung des 10. Satzes Flügelstrukturen an Lockheed Martin (Bethesda, MD, USA) im Juli 2016 und ist geplant, bis 2034 mehr als 800 Paare zu produzieren.

Die Beziehung des Unternehmens zu Lockheed Martin begann mit dem F-16 Militärflugzeug. IAI fertigte den vertikalen Stabilisator für mehrere F-16-Varianten. Die Hautstrukturen für diesen bruchkritischen Teil werden Build-to-Print gefertigt, mittels handgelegtem, unidirektionalem Kohlenstofffaser-Prepreg und Autoklavhärtung.

Das Unternehmen produzierte auch den vertikalen Stabilisator und das Ruder für den McDonnell Douglas F-15 Jäger, nun von Boeing unterstützt, der Bor/Epoxid-Verbundstoffe nutzt. Für den Sikorsky (Stratford, CT, USA) UH-60 Black Hawk Hubschrauber-Horizontalstabilisator entwickelte IAI ein One-Shot-Kohlenstofffaserverstärktes-Polymer (CFK) Prepreg-Verfahren für den 2 m langen integrierten Verbundstoffkasten. Diese flugkritische Struktur erreichte 20 % Einsparung bei Gewicht und Kosten gegenüber der vorherigen Metallbaugruppe. IAI brachte das Teil vom Design zur Erstauslieferung innerhalb von 9 Monaten 2003 und hat bis heute 1.500 Sätze an seiner RAMTA-Division in Be'er Sheva im Süden produziert.

IAI verfügt über umfangreiche Erfahrung im Design und der Produktion von UAVs, beginnend mit seinem Scout Remotely Piloted Aircraft System (RPAS) 1978. Scout folgten Pioneer, Ranger und Hunter Flugzeuge, alle mit 100 % Verbundstoffstrukturen, gefertigt mit Nasslaminiertes Kohlenstoffgewebe/Epoxid-Haut und Wabenkern. Dies wandelte sich später zu CF-Prepreg und Rohacell Polymethacrylimid (PMI) Schaumkern von Evonik (Essen, Deutschland).

Aktuelle Produktion umfasst den Searcher Mk III, die Bird Eye Flugzeugfamilie, Panther Fixed Wing und Hovermast 100 Vertikalstart- und Landeflugzeuge (VTOL) und die Heron Familie unbemannter Flugzeuge. Die fortschrittlichste Variante, der Heron TP, misst 14 m Länge mit 26 m Spannweite. Er ist ein Medium-Altitude, Long-Endurance (MALE) UAV, fähig, in 13.716 m Höhe 40 Stunden zu fliegen. „Alle unsere UAV-Aerostrukturen sind 100 % Verbundstoff“, merkt Miller an.

Verkehrsflugzeug-Verbundstoffe

IAI ist Tier-1-Lieferant für Verkehrsflugzeug-OEMs und Hauptauftragnehmer für den Gulfstream G280 Business Jet. Es baut das Green Aircraft und fliegt sie zum Gulfstream Completion Center in Dallas, TX, USA. 2009 schrieb CW über IAIs Entwicklung eines RTM-Ruders für den heutigen G280 (siehe „RTM Showcase: One-Piece Rudder“). IAI hatte tatsächlich das Galaxy/Astra Executive Jet entworfen und gebaut, dessen Rechte Gulfstream 2001 erwarb und als G100 und G200 vermarktete. Der G280, das Neueste in dieser Linie, beherbergt zwei bis 10 Passagiere. Seine Außenhaut besteht zu 35 % aus Verbundstoff im Vergleich zu 12 % beim G100.

Der G280 Horizontalstabilisator ist eine autoklavgehärtete integrierte Struktur. Er besteht aus vorgeärteten Stringern, die mit Klebstoff an eine CF/Epoxid-Prepreg-Haut cobonded sind. Der vertikale Stabilisator ist eine hybride Aluminium- und Prepreg-autoklavierte Struktur, während der Auftrieb ein Sandwich-Aufbau ist, mit CF/Epoxid-Prepreg-Häuten und Nomex-Wabenkern. Die Ruderkomponenten werden nun bei NCC (North Coast Composites, Cleveland, OH, USA) gefertigt und in IAIs RAMTA-Division in Be'er Sheva montiert. G280 Flügel-Rumpf-Verkleidungen nutzen ein CF-Preform aus Plain-Weave-Gewebe auf einer Seite und Non-Crimp-Gewebe auf der anderen, wobei die beiden Lagen vernäht sind. Dieses Preform und Rohacell-Schaumkern werden mit Epoxidharz infundiert und mit Vakuumbeutel nur (VBO) in einem Ofen bei 180 °C gehärtet.

Ausgerüstet für erhöhte Produktion

IAI verfügt über sechs Reinräume. Fünf davon (gesamt 3.010 m²) gehören zur Aero-assemblies Div., der Haupt-IAI-Anlage für Verbundstoffteilefertigung und -baugruppen. Obwohl jeder Reinraum für die einzigartigen Produktionsbedürfnisse seiner Kunden spezialisiert ist, sind alle mit fortschrittlichen Laminiertechnologien ausgestattet: entweder mit einer 16-mal-3-m-Kontur-Bandlege-(CTL)-Maschine von Fives Cincinnati (Hebron, KY, USA), einer 15-mal-3-m-Automatik-Bandlege-(ATL)-Maschine von MTorres (Navarra, Spanien) oder, für manuelles Laminieren, einem Laserprojektionssystem, geliefert von Virtek Vision (Waterloo, ON, Kanada).

Andernorts in der Anlage:

• IAI verfügt über Prepreg-Gefrierschrank-Lagerkapazitäten von 193 m². Das Unternehmen hat auch in Plataines (Waltham, MA, USA) Total Production Optimization (TPO) Software investiert, um nicht nur das Schneiden und Nesting von Prepreg zu optimieren, sondern auch Materialverbrauch, wodurch Prepreg-Abfall und Rohmaterialverbrauch um 5 % reduziert werden. Zusätzlich hat die Software die Produktion automatisiert, manuelle Aufgaben und das damit verbundene Fehlerrisiko reduziert.
• IAIs Produktionskapazität ist signifikant, mit 10 Autoklaven, sieben davon gehören zur Aero-assemblies Div. und reichen von 4,5 m Länge und 2 m Durchmesser bis zum größten mit 14 m Länge und 4,7 m Durchmesser.
• Prepreg-Laminate werden vor dem Härten mit einer Heißdrappiermaschine (6,9 mal 2,7 mal 3,1 m) von Electrotherm Industry (Migdal HaEmek, Israel) entbulkt.
• Für die zerstörungsfreie Inspektion von Verbundstoffteilen verfügt die Division über verschiedene Maschinen und Techniken: vier Maschinen mit Wassertank-Eintauch-Phased-Array-Ultraschallprüfung (UT), zwei Durchschall-Ultraschall-(TTU)-Portalmaschinen und zwei 3D-Robotersysteme mit der Wahl von Wide-Area-Phased-Array-TTU mit Wasserspritzern, Phased-Array-Puls-Echo mit Hautblasen (geringer Wasserfluss zum Koppeln an Teileoberfläche) oder luftgekoppeltem Phased-Array-UT.

Die Aero-assemblies Div. verfügt auch über drei CNC-Maschinen, bis zu 7 mal 3,5 m, für Verbundstoffteile-Trimm und Bohren und geteilte CMM-Ausrüstung für Dimensionsinspektion. Die drei Lackierereien und fünf Montagehallen der Division decken eine Gesamtfläche von 2.350 m² ab.

RTM automatisieren

Direkt gegenüber der Aero-assemblies Div. Verbundstoffproduktionsanlage befindet sich das Gebäude, das IAIs F&E-Labor für RTM beherbergt, einschließlich einer automatisierten Preforming-Zelle (siehe Learn More). „Dies wurde ursprünglich für Bell 525 Hubschraubersitze entwickelt“, sagt Rosenfeld, „aber wir könnten es für andere ähnliche Plattformen anpassen.“ IAI entwickelte die Preforming-Technologie mit Techni-Modul Engineering (Coudes, Frankreich) zum Ersatz von Handlaminieren von Prepreg. Das Sitzdesign, entwickelt zur Erfüllung von Hubschrauber-Crash-Anforderungen, nutzt eine Kombination von Verstärkungen. Rosenfeld erklärt: „Der Sitz verformt sich mit dem Boden beim Aufprall und muss dann maximale Beschleunigungslasten aushalten.“ Glasfaser liefert die nötige Flexibilität und Schlagfestigkeit, während Kohlenstofffaser die Festigkeit liefert.

„Dieser Hubschraubersitz zielte auf Parität mit der Prepreg-Baseline ab, aber wir können ihn weiter für Leistung und Leichtbau optimieren“, sagt Miller. Die Zelle ist mit einer automatisierten Materialzuführstation ausgestattet, die Verstärkungen zu einer automatisierten Schneidemaschine liefert. Ein Pick-and-Place-Roboter von ABB (Zürich, Schweiz) bewegt dann die trockenen Gewebelagen auf ein Preforming-Werkzeug. Spezielle Greifer wurden entwickelt, die einen Sensor enthalten, um zu prüfen, ob die Lage angebracht ist. Der Roboterarm hat auch Sensoren, um die Position jeder Lage beim Platzieren mittels Laserprojektion zu überprüfen. Eine Kamera validiert die Orientierung und Position der Lage vs. Standardbilder in einer Referenzdatenbank.

Ein gegossener Silikonbeutel bietet eine wiederverwendbare Vakuummembran während des Debulkings, das sechsmal durchgeführt wird. Als Nächstes wird der kompaktierte Preform zu einem Werkzeug transferiert, wo ultraschallgestütztes Trimmen durchgeführt wird. Es gibt kein Trimmen nach dem Formen. Schließlich wird der getrimmte Preform in ein Satz passender Stahl-RTM-Formen gelegt.

Das verwendete Harz ist das einkomponentige Prism EP-2400 zähe Epoxid von Solvay (Brüssel, Belgien). Es wird zunächst entgast und dann mit einer von Isojet Equipments (Corbas, Frankreich) gelieferten Einheit injiziert. „Normalerweise verbringt man viel Zeit mit Reinigen der Leitungen und Formen, aber wir haben die Injektionsaufstellung sehr einfach gehalten, damit wir minimal zu reinigen haben“, sagt Rosenfeld. Das Harz wird auf 80 °C erhitzt, um die Viskosität für verbesserten Fluss und Faserbenetzung während der Injektion zu reduzieren. „Dies ist vollständig automatisiert und mit der Presse synchronisiert“, merkt Rosenfeld an. Die Form, auf 120 °C vorgeheizt, wird dann geschlossen, Vakuum angelegt und das Harz injiziert. Nur Vakuum wird verwendet, um das Harz durch den Preform zu drücken. Beide Temperatur und Druck werden in der Form erhöht, erreichen 180 °C und einen Druck von 6 bar während eines 2-stündigen Formzyklus. Die Form wird auf 50 °C abgekühlt, geöffnet und das fertige Teil entnommen.

Zukünftige Verbundstoffe vorantreiben

Ein angrenzender Raum im RTM-Labor beherbergt Testausrüstung, einschließlich Zweikomponenten-Injektionsmaschinen zum Testen neuer RTM-Harze: F&E ist ein signifikanter Fokus für IAI. Es hat Erfahrung in mehr als 86 EU-geförderten Multi-Partner-Kollaborationen, einschließlich:

• Das TANGO-Projekt, das Verbundstoff-Rumpf, Flügel und Mittelkastenstrukturen demonstrierte. Als Teil von TANGO entwarf und fertigte IAI drei große CFK-Flügelrippen, bis zu 1,7 m Länge, mit integralen Sinuswellen-Versteifungen und Flanschen, in einem Schuss geformt, mit Non-Crimp-Gewebe und RTM.
• CONDICOMP, organisiert zur Entwicklung von Materialzustandsmanagement während Verbundstoffhärtungsprozessen.
• ALCAS, das darauf abzielte, Verbundstoff-Flugzeugkomponenten-Fertigungskosten zu reduzieren.
• IFATS, etabliert zur Erhöhung der Flugzeugautonomie.

Drei weitere Programme verdienen besondere Beachtung. Innerhalb des 8-jährigen MAAXIMUS-Projekts, geleitet von Airbus zur Verbesserung von Verbundstoff-Rumpfzellen, war IAI damit beauftragt, strukturelle Details zu untersuchen – einschließlich Lagenabwürfe und Stringer-Ausläufe (Enden typisch an Produktionsunterbrechungen wie den Hauptrumpf-Umfangsverbindungen) – und Optionen zur Verbesserung von Festigkeit und Gewicht zu untersuchen. Für jedes Detail führte IAI Festigkeitsvorhersagen durch, mittels Computer-Aided Design und Engineering (CAD/CAE) und FEM-Analyse, entwarf und fertigte relevante Testspecimen und verglich Testergebnisse mit Analysen. Endergebnisse wurden im Gesamtprogramm verwendet, um Empfehlungen für zukünftiges Flugzeugdesign und -produktion zu unterstützen.

In LOCOMACHS war IAI eines von 31 Unternehmen, fokussiert auf signifikante Reduzierung oder Eliminierung der zeitaufwändigsten und damit teuersten, aber nicht wertschöpfenden Operationen in der Verbundstoff-Rumpfzellenmontage, wie temporäre Montage zur Spaltprüfung, Beilagen, Demontage und Werkzeughandling. IAI arbeitete mit Projektkoordinator SAAB Aeronautics (Linköping, Schweden) und Partnern GKN Aerospace (Redditch, UK), Turkish Aerospace Industries (Ankara) und Netherlands Aerospace Centre (NLR, Amsterdam) am Bau des Lean Assembled Wing Box (LAWiB) (siehe Learn More) und More Integrated Wing Box (MIWiB) Demonstratoren. Es fertigte CF/Epoxid-Stringer mit Non-Crimp-Gewebe (NCF) von SAERTEX (Saerbeck, Deutschland). Diese Stringer wurden an die NCF-Haut cobonded. Die resultierenden Teile eliminierten Beilagen an der Oberhaut-Spar-Schnittstelle und reduzierten die Befestigeranzahl für 30 % Einsparung bei Montagearbeitskosten. Miller sieht Potenzial für diese Konzepte an anderen Strukturen, einschließlich kleinerer Flügel und Leitwerke.

Aktuell übernimmt IAI die Führung in zwei verbundstoffintensiven Clean Sky 2 Projekten: OPTICOMS (Optimized Composite Structures for Small Aircraft) und ECOTECH umweltfreundliche innovative Luftfahrzeugzelle. Als Koordinator arbeitet IAI mit dem OPTICOMS-Team, das Piaggio Aircraft (Genua, Italien), Coriolis Composites (Quévén, Frankreich), DANOBAT (Elgoibar, Spanien) und TechniModul Engineering umfasst – um Automatisierung in Kleinserien-Verbundstoffstrukturen zur Kostensenkung zu demonstrieren. Der 7 m lange Piaggio Aircraft Flügel-Demonstrator verfügt über eine integrale Spar/Haut-Konstruktion, in einem Schuss produziert. Verschiedene Technologien werden bewertet, um den kosteneffektivsten Fertigungsprozess zu bestimmen. Eine neuartige Methode ist Final Pressure Transfer Molding (FPTM). Entwickelt von TechniModul Engineering, IAIs Partner für seine automatisierte RTM-Zelle, injiziert der FPTM-Prozess Luft oder Gas in einen geschlossenen Hohlraum, um bis zu 10 bar Druck aufzubringen, während thermisches Prepreg in beheizten Gegenformen gehärtet wird. Die resultierenden OOA-Teile sind angeblich auf Augenhöhe mit autoklavgehärtetem Prepreg, aber ohne die Injektion zusätzlichen Harzes, wie im Same Qualified Resin Transfer Molding (SQRTM) Prozess (siehe „SQRTM enables net-shape parts“).

Für ECOTECH arbeitet IAI zusammen mit Invent (Braunschweig, Deutschland) an einem 12-Mitglieder-Konsortium, das neue Materialien, Prozesse und Recyclingtechnologien entwickelt, um den ökologischen Fußabdruck der Flugzeugproduktion zu reduzieren. Als Teil des vorherigen Eco-Design-Projekts half IAI bei der Auswahl und Entwicklung von Technologien zur Reduzierung von Gewicht, Kosten, Energieverbrauch, Emissionen, gefährlichen Materialien und Abfall, die 2017 an drei Demonstratoren validiert wurden, mit 10-20 % Gewichtsreduktion und potenzieller Reduzierung der globalen Erwärmung um mehr als 50 % im Vergleich zur aktuellen Praxis. In der finalen Phase von ECOTECH werden weitere Entwicklungen in neuartigen Materialien und Prozesstechnologien an der Fertigung von vier Demonstratoren validiert – Thermoplaste, Duroplaste, Metalle und Biomaterialien. Diese Demonstratoren, plus jene von OPTICOMS, werden im Clean Sky 2 Airframe Integrated Technology Demonstrator (ITD) integriert, geleitet von Dassault Aviation (Biarritz, Frankreich), Airbus DS (Madrid, Spanien) und SAAB (siehe „Thermoplastic composite demonstrators — EU roadmap for future airframes“).

Das Unternehmen erforscht auch additive Fertigung, strukturelle Gesundheitsüberwachung und morphende Flügel sowie die Etablierung seiner Position in elektrischem Antrieb – was es als nächstes Zeitalter der Luftfahrt sieht.

All dies verheißt Gutes für IAIs Zukunft. „Wir haben eine einzigartige Kombination aus jahrzehntelanger Produktionserfahrung, Fähigkeit, fortschrittliche Verbundstofftechnologie zu entwickeln und umzusetzen, und langjähriger Beziehung zu sowohl US- als auch europäischer Luftfahrtindustrie“, sagt Shalit. „Die kommerziellen und militärischen Luftfahrtmärkte sind zunehmend wettbewerbsintensiv, und Verbundstoffe sind eine Schlüsselkompetenz. IAI wird weiterhin Lösungen bereitstellen und helfen, die Bedürfnisse unserer Partner für zukünftiges Wachstum zu erfüllen.“