Boeing Ungkap Bagian Fuselage Komposit Pertama untuk 787 Dreamliner

Pada 2003, ketika The Boeing Co. (Chicago, IL, AS) mengumumkan rencana untuk pengembangan yang akan menjadi jetliner komersial 787nya, banyak yang dibuat dari fakta bahwa pesawat akan menjadi yang pertama yang menampilkan fuselage, sayap, ekor, dan struktur besar lainnya yang terbuat dari komposit serat karbon, bukan aluminium yang telah menjadi standar selama beberapa dekade terakhir. Namun tidak kalah menarik, adalah keputusan Boeing untuk menyerahkan pembuatan struktur besar ini ke jaringan pemasok global yang akan membangun subrakitan lengkap, yang masing-masing akhirnya akan digabungkan di lini montase akhir Boeing di Everett, WA, AS. Daftar pemasok ini, sekarang terkenal, termasuk Mitsubishi Heavy Industries dan Kawasaki Heavy Industries (Tokyo, Jepang), Alenia Aeronautica (Naples, Italia) dan, paling terkenal di Amerika Serikat, Spirit AeroSystems.

Spirit dipilih untuk memproduksi fuselage depan seluruh 787 — yang disebut Section 41 — yang mencakup kokpit, kaca kokpit, dua pintu, sembilan jendela penumpang dan semua avionik, duduk kokpit, dan kabeling. Mengukur 6,2m diameter dan 12,8m panjang, Section 41 adalah, secara anggun, bagian fuselage paling kompleks dari pesawat.

Tidak heran jika Spirit dipilih untuk menyuplai struktur 787. Sejarah perusahaan ini bermula pada 1927, ketika legenda penerbangan Lloyd Stearman memindahkan Stearman Aviation Co. dari California ke Wichita. Hanya dua tahun kemudian, Boeing — yang saat itu dikenal sebagai United Aircraft and Transport Corp. — mengakuisisi Stearman. Pabrik Boeing Wichita kemudian memproduksi beberapa pesawat militer paling ikonik dalam sejarah Amerika, termasuk B-29 Superfortress, B-47 Stratojet dan B-52 Stratofortress.

Pada 2005, pada saat Boeing telah memulai pengembangan manufaktur 787 secara serius, kampus Wichita telah dijual oleh Boeing dan diganti nama menjadi Spirit AeroSystems. Eric Hein, direktur senior Spirit, R&D dan ManTech, berpendirikan bahwa perusahaan — sekarang dengan lokasi tambahan di AS (Kansas, Oklahoma dan Carolina Utara) serta di Skotlandia, Prancis dan Malaysia — adalah tempat kemampuan manufaktur pesawat komersial terbesar di dunia. Selain 787, Spirit membangun struktur besar (utama logam) untuk Boeing 737, 747, 767 dan 777; Airbus A320, A350 (juga intensif komposit) dan A380; Bombardier CSeries; Mitsubishi MRJ; Sikorsky CH-53K (helikopter); dan Bell V-280 (tiltrotor). Spirit, kata Hein, memiliki pendapatan US$7 miliar pada 2017 dan menikmati backlog US$46 miliar.

Selama pertumbuhan perusahaan, lokasi Wichita Spirit telah tetap menjadi jantung operasi perusahaan. Dengan 150 gedung yang meluas 600 ekar, dipenuhi oleh 10.700 karyawan, ini adalah kota manufaktur yang berdiri sendiri, sibuk dengan truk, mobil dan shuttle yang mengantar orang dan barang di seluruh kampus.

Pembuatan fuselage depan 787 terbatas pada satu gedung sangat besar, di tepi kampus. Di sini, semua manufaktur komposit, pemasangan struktur internal, dan integrasi sistem dilakukan sebelum produk akhir dikirim ke Everett untuk montase akhir.

Fuselage monolitik

Tur CW di area produksi 787 dipimpin oleh José Sanchez, manajer senior Spirit, operasi 787. Spirit AeroSystems membangun bagian fuselage 787 mereka sebagai struktur monolitik, menggabungkan proses penempatan serat/pita otomatis dengan stringer co-cured untuk membentuk tabung satu bagian. (Secara menarik, Airbus kemudian mendesain A350 XWB yang setara dengan fuselage yang terdiri dari panel komposit serat karbon, bukan struktur satu bagian; Spirit memproduksi panel fuselage untuk A350 di Kinston, NC, AS, dan mengumpulkan mereka di Prancis.)

Bahan komposit yang digunakan untuk memproduksi struktur primer 787, seperti yang telah dilaporkan luas, berasal dari Toray Industries (Tokyo, Jepang) dan adalah Torayca 3900-series prepreg terjamin serat karbon intermediate modulus T800S. Prepreg disediakan sebagai UD tape, slit tape (untuk penempatan serat/pita otomatis) dan kain woven.

Desain fuselage 787 menentukan dua operasi manufaktur komposit dasar: pemotongan dan pembentukan stringer serta penempatan serat kulit fuselage. Triknya adalah dalam menggabungkan stringer dengan kulit yang ditempatkan serat untuk memungkinkan struktur co-cured. Karena itu, Spirit dan, dengan ekstensi, Boeing, menanamkan arti yang besar pada proses yang dilakukan di pertama kali pada tur: Pembuatan stringer.

Linir otomatis tinggi ini dilengkapi meja potong American GFM (Chesapeake, VA, AS) yang memotong prepreg Torayca 3900-series menjadi plies. Ini kemudian dipindahkan ke meja kitting, di mana plies ditumpuk secara manual, dipandu oleh LAP Laser (Erlanger, KY, AS) di atas kepala, dan dipersiapkan untuk pembentukan. Sanchez mengatakan bahwa linir pembuatan stringer ini mengesampingkan banyak dari kekayaan intelektual yang dikembangkan Spirit untuk manufaktur Section 41 dan merupakan bagian kritis dari operasi fasilitas.

Stringer yang telah dibentuk sebelumnya, saat keluar dari linir stringer, kemudian dipindahkan oleh operator ke mandrel Section 41 yang berdekatan yang akan menjadi fokus dari semua operasi manufaktur komposit, dari sekarang. Mandrel, kata Sanchez, yang membawa bentuk dan dimensi bagian fuselage depan, terbuat dari komposit serat karbon/bismaleimide (BMI) dan terdiri dari enam segmen. Setiap segmen dibagi secara lateral sepanjang panjang mandrel. Diukur ke dalam permukaan setiap bagian mandrel, juga berjalan sepanjang alat, adalah slot, di mana stringer yang telah dibentuk sebelumnya ditempatkan, dengan dasar datar stringer menghadap ke luar.

Setelah semua stringer ditempatkan di slot mereka, operator menyelimuti seluruh mandrel dengan kain wire interwoven (IWWF), yang dibuat oleh Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, AS), yang menyediakan perlindungan sambaran petir untuk seluruh fuselage 787. Seluruh struktur ini kemudian diselimuti dengan film plastik bagging. Film ini memegang IWWF dan stringer tetap pada tempatnya saat mandrel digulir melalui kendaraan yang dipandu secara manual ke stasiun berikutnya — penempatan serat otomatis (AFP) — dan kemudian dikeluarkan untuk AFP.

Mungkin tidak ada proses yang telah melambangkan penggunaan komposit pada 787 lebih dari sistem AFP yang digunakan untuk memproduksi kulit fuselage. AFP, bahkan saat program 787 dimulai, telah digunakan selama bertahun-tahun, jadi tidak baru dalam manufaktur komposit. Yang baru, dengan 787, adalah skala aplikasi. Hampir tidak ada struktur komposit yang dibuat dengan AFP yang mendekati ukuran bahkan satu bagian fuselage 787.

Saat Spirit mendirikan produksi 787 di Wichita, AFP dilakukan dengan mesin 32-creel yang disuplai oleh Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, AS). Namun, pada awal 2000-an, Boeing mulai bekerja dengan spesialis otomatisasi Electroimpact (Mukilteo, WA, AS) pada pengembangan mesin AFP baru yang akan memiliki kepala modular yang dapat ditukar. Setiap kepala akan menyimpan semua gulungan serat karbon untuk jenis operasi tertentu dan dapat ditukar dengan relatif mudah, tergantung pada lebar pita yang diperlukan.

Meskipun Spirit masih memiliki mesin Ingersoll aslinya, ia digunakan dalam cadangan. Ini karena Spirit akhirnya memperoleh dua mesin Electroimpact untuk melakukan sebagian besar pembuatan kulit Section 41. Sanchez mengatakan mesin AFP Electroimpact, masing-masing dilengkapi dengan kepala 16-spul (0,25- dan 0,50-inc lebar/6,35- dan 12,7-mm lebar tow), bekerja bersama untuk menerapkan bahan pada mandrel. Mandrel dipasang secara horizontal dan diputar pada spindel, sementara kepala melintasi setiap sisi, menempatkan tow, sebagian besar dalam lintasan yang relatif pendek dan sangat ditentukan. Pengunjung dapat dengan mudah melihat, di cahaya terang pabrik, koleksi tow yang beragam dan multi-sudut yang telah ditempatkan pada mandrel.

Sanchez tidak akan mengungkapkan berapa lama waktu yang dibutuhkan oleh dua mesin Electroimpact untuk sepenuhnya menempatkan semua serat untuk satu kulit fuselage, kecuali untuk mengatakan bahwa itu "sangat cepat." Semua operasi AFP dielola oleh tiga operator di mesin. Salah satu bekerja di ruang kontrol yang melihat mandrel sementara yang lainnya berjalan di lantai di bawah dan di samping mandrel, dengan lampu senter di tangan, mencari celah yang masalah, tumpang tindih, ketidakteraturan, kerutan, dan kerucut asing (FOD) pada permukaan tow yang telah prepreg. Cacat harus diatasi/diperbaiki sebelum struktur dikurasi.

Langkah berikutnya untuk Section 41, setelah bagging menyeluruh lagi, adalah autoclave. Spirit Wichita mengoperasikan dua autoclave massal Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, AS). Bagian fuselage dikurasi selama malam, setelah itu struktur dibuka dan mandrel enam bagian dibongkar dan dikeluarkan, bagian demi bagian, melalui ujung lebar fuselage.

Penyelesaian pasca-proses

Yang berikutnya untuk Section 41 adalah beberapa hari bepergian dari stasiun ke stasiun saat seluruh struktur maju menuju penyelesaian. Ini termasuk kunjungan ke mesin routing dan bor 5-sumbu gantry MTorres (Torres de Elorz, Spanyol) Torresmill, yang membuat lubang untuk bingkai fuselage dan struktur interior lainnya, serta pembukaan pintu, jendela dan pembukaan landing gear depan. Fuselage juga melalui pemeriksaan non-destruktif pulse echo (NDI), persiapan cat, pengecatan, pemasangan kaca jendela, pemasangan pintu dan pemasangan semua struktur/sistem interior. Struktur interior pertama yang dipasang adalah bingkai lingkaran (logam dan komposit), yang dipasang pada stringer dan kulit fuselage. Selama proses-proses ini, Section 41 dikerjakan di setiap stasiun dengan quilla ke atas atau ke bawah, tergantung pada kegiatan yang terlibat.

Selama kunjungan CW, sekitar 30 workstation dilihat, dan masing-masing memegang struktur Section 41 dalam keadaan montase yang berbeda, dan setiap bagian meninggalkan Wichita siap untuk integrasi segera di Boeing FAL di Everett. Boeing saat ini membangun 12 pesawat 787 setiap bulan, dan berkomitmen untuk 14 per bulan pada 2019 — angka yang luar biasa besar untuk pesawat widebody.

Sanchez mencatat bahwa Spirit telah bekerja pada pembuatan Section 41 — baik secara developmental maupun dalam produksi nyata — selama hampir satu dekade. Setiap bug, kink dan idiosinkrasi yang mungkin ada telah lama diidentifikasi dan diatasi. Memenuhi tingkat pembuatan 14 shipset-per-bulan ini, katanya, tidak akan menjadi masalah.

R&D generasi berikutnya

Saat tur meninggalkan fasilitas manufaktur Section 41, CW dipimpin keluar ke gedung tetangga untuk pertemuan dengan Pierre Harter, direktur, penelitian lanjutan di Spirit. Sebelumnya insinyur di Adam Aircraft yang sudah tidak ada lagi di Denver, CO, AS dan di Bombardier (Montreal, QC, Kanada), dan lulusan Wichita State University, Harter memimpin CW ke dalam sebuah gedung yang tampak sederhana, dengan banyak koridor dan banyak pintu yang segera mengungkapkan dirinya sebagai pusat upaya penelitian dan pengembangan komposit Spirit.

Seberapa canggih lini manufaktur Section 41 Spirit, fakta yang tidak dapat dipungkiri adalah bahwa ia menggunakan teknologi manufaktur komposit yang baru lebih dari satu dekade lalu. Realitas kualifikasi penerbangan (baik biaya maupun waktu) dan manufaktur memaksa Spirit dan pemasok serupa untuk menetapkan pada teknologi manufaktur untuk struktur pesawat pada awalnya, dan kemudian tetap dengannya selama program. Kemampuan untuk meningkatkan peralatan dan bahan, oleh karena itu, sering kali terbatas, seberapa menguntungkan mungkin kemajuan terbaru dalam teknologi pembuatan komposit.

Tugas Harter, oleh karena itu, adalah mengevaluasi bahan dan teknologi komposit baru dan muncul dan menentukan mana yang mungkin menemukan tempat pada pesawat generasi berikutnya. Memang, dengan 787 dan Airbus A350 dalam produksi, seluruh rantai pasokan penerbangan komersial sibuk menantikan program komersial besar berikutnya dan anggotanya masing-masing memastikan bahwa mereka memperoleh pengetahuan dan keahlian yang diperlukan OEM dari mereka.

Pandangan konvensional mengatakan program yang resmi diumumkan berikutnya akan menjadi Boeing New Middle-Market Airplane (NMA, atau 797) satu gang, dua mesin, yang secara efektif akan menggantikan 757. pesawat ini diharapkan akan memasuki pasar sekitar tahun 2025. Meskipun tentu akan menggunakan komposit, pertanyaan yang dihadapi tim R&D Spirit adalah berapa banyak? Di mana? Dan jenis apa? Tidak seorang pun mengetahui jawabannya lagi, jadi Harter dan timnya mengevaluasi semua opsi. Oleh karena itu, susunan bahan, peralatan dan proyek yang sedang dikembangkan di Spirit saat ini sangat mengagumkan. "Kami sedang bekerja pada berbagai proyek," kata Harter. "Out-of-autoclave, fast RTM, thermoplastics, tooling inovatif, inspeksi inline, fiber steering. Kami ingin siap untuk apa pun yang diperlukan OEM."

Titik pusat laboratorium komposit Spirit Wichita adalah mesin AFP Electroimpact 16-spul (0,125-, 0,25-, 0,5-inc tow), yang menurut Harter digunakan untuk melakukan studi perdagangan tentang penggunaan inspeksi otomatis inline, serta untuk berbagai kegiatan lain, termasuk prototyping. Tujuan sistem inspeksi otomatis, kata Harter, adalah untuk menghilangkan pekerjaan yang memakan waktu dan melelahkan yang telah kita saksikan sebelumnya pada tur, melihat teknisi AFP, dengan lampu senter, mencari tumpang tindih, celah, kerutan dan FOD yang masalah.

Spirit, kata Harter, mengevaluasi sistem LASERVISION dari Aligned Vision (Chelmsford, MA, AS), yang memaksa Spirit untuk memikirkan ulang apa yang merupakan dan bukan cacat yang sebenarnya, "dan untuk memikirkan ulang bagaimana kami mengkarakterisasi cacat." Dia mengatakan sistem ini dapat beroperasi di lantai produksi pada akhir tahun ini.

Di luar sistem AFP, Spirit memiliki berbagai proyek lain yang sedang dikerjakan pada berbagai tingkat kesiapan teknologi (TRL). Ini termasuk yang berikut:

• Alat polimer memori bentuk (TRL 6),
• Bagian spar yang dibuat dengan HiTape Hexcel (Stamford, CT, AS) (serat kering) menggunakan RTM (TRL 6),
• Spar yang diinfus dengan sensor yang ditanam untuk kontrol proses in-situ, dikurasi dengan bantuan autoclave atau oven (TRL 4),
• Bingkai yang dibuat dengan AFP yang diarahkan dan forming hot drape (TRL 6),
• Dan tooling cetak 3D yang diproduksi pada mesin Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Wichita State University, yang disuplai oleh Cincinnati Inc. (Harrison, OH, AS).

Area penelitian lain, kata Harter, termasuk preformjahit, AFP/ATL robotik, dan inovasi kepala AFP. Yang terakhir tumbuh dari tantangan akhir 2016 di Spirit untuk menggandakan laju penurunan AFP dalam dua tahun. Harter mengatakan dia dan rekan-rekannya telah menemukan, dalam upaya untuk memenuhi tantangan ini, bahwa "setelah proses robotik dioptimalkan, Anda bertemu dengan batas teknologi kepala/mesin," yang berarti faktor pembatas dari kecepatan AFP menjadi efisiensi dispensasi tow serat. Spirit bekerja sama dengan Electroimpact dan pemasok bahan pada teknologi yang dirancang untuk meningkatkan throughput total.

Pemberhentian akhir pada tur Spirit Wichita adalah pengujian bahan dan komponen. Tidak heran, Spirit memiliki kemampuan yang kuat di sini, termasuk 15 mesin pengujian mekanis (kemampuan 11-50 kip) yang disuplai oleh MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, AS), kamera pengujian lingkungan, kemampuan strain gauge, sistem metrologi dan ruang high-bay untuk pengujian komponen skala penuh — struktur sayap dan thrust reverser sedang dalam stres aktif selama kunjungan CW.

Saat tur berakhir, salam perpisahan ditukarkan dan kampus massal Spirit AeroSystems Wichita memundur saat CW berpergian, mudah, mengingat kemampuan komposit yang besar Spirit, untuk bertanya bagaimana dekade berikutnya akan terlihat untuk produsen penerbangan besar ini. Di dunia penerbangan global, serangkaian kemampuannya adalah, secara anggun, tidak memiliki lawan. Spirit AeroSystems, tampaknya, siap untuk apa pun yang akan datang di masa depan.