Bagian badan pesawat komposit pertama untuk jet komersial komposit pertama

Pada tahun 2003, ketika The Boeing Co. (Chicago, IL, AS) mengumumkan rencana untuk pengembangan apa yang akan menjadi pesawat jet komersial 787, banyak yang dibuat dari fakta bahwa pesawat itu akan menjadi yang pertama memiliki badan pesawat, sayap, ekor dan struktur utama lainnya dibuat dari komposit serat karbon, bukan aluminium yang telah menjadi standar selama beberapa dekade sebelumnya. Namun, yang hampir sama menonjolnya adalah keputusan Boeing untuk mengembangkan fabrikasi struktur utama ini ke jaringan pemasok global yang akan membangun sub-rakitan lengkap, yang masing-masing pada akhirnya akan bergabung di jalur perakitan 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, terutama di Amerika Serikat, Spirit AeroSystems.

Spirit dipilih untuk memproduksi seluruh pesawat depan 787 — disebut Bagian 41 — yang meliputi kokpit, kaca depan kokpit, dua pintu, sembilan jendela penumpang dan semua avionik, tempat duduk kokpit, dan kabel. Dengan diameter 6,2 m dan panjang 12,8 m, Bagian 41 bisa dibilang merupakan bagian badan pesawat yang paling kompleks.

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

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

Sepanjang pertumbuhan perusahaan, lokasi Wichita Spirit tetap menjadi jantung operasi perusahaan. Dengan 150 bangunan yang tersebar di 600 hektar, diisi dengan 10.700 karyawan, ini adalah kota manufaktur tersendiri, sibuk dengan truk, mobil, dan angkutan yang mengantarkan orang dan barang ke seluruh kampus.

Manufaktur pesawat 787 depan terbatas pada satu bangunan yang sangat besar, di dekat tepi kampus. Di sini, semua manufaktur komposit, instalasi struktur internal, dan integrasi sistem dilakukan sebelum produk jadi dikirim ke Everett untuk perakitan akhir.

Badan monolitik

CW Tur ke area produksi 787 dipimpin oleh José Sanchez, manajer senior Spirit, 787 operasi. Spirit AeroSystems membangun bagiannya dari badan pesawat 787 sebagai struktur monolitik, menggabungkan proses penempatan serat/pita otomatis dengan stringer yang diawetkan bersama untuk membentuk laras satu bagian. (Khususnya, Airbus kemudian merancang A350 XWB yang sebanding dengan badan pesawat yang terdiri dari panel komposit serat karbon, bukan struktur satu bagian; Spirit membuat panel badan pesawat untuk A350 di Kinston, NC, AS, dan merakitnya di Prancis.)

Material komposit yang digunakan untuk membuat 787 struktur primer, seperti yang telah dilaporkan secara luas, berasal dari Toray Industries (Tokyo, Jepang) dan merupakan prepreg yang diperkuat serat karbon seri Torayca 3900 yang diperkuat dengan menggunakan serat T800S modulus menengah. Prepreg disediakan sebagai pita UD, pita celah (untuk penempatan serat/pita otomatis) dan kain tenun.

Desain badan pesawat 787 menetapkan dua operasi fabrikasi komposit dasar:Pemotongan dan pembentukan stringer dan penempatan serat kulit badan pesawat. Triknya adalah menggabungkan stringer dengan kulit yang ditempatkan serat untuk memungkinkan struktur yang diawetkan bersama. Karena itu, Spirit dan, lebih lanjut, Boeing, sangat mementingkan proses yang dilakukan pada pemberhentian pertama tur:Pembuatan stringer.

Garis yang sangat otomatis ini dilengkapi dengan meja potong GFM Amerika (Chesapeake, VA, US) yang memotong prepreg Torayca 3900-series menjadi lapisan. Ini dipindahkan ke meja kitting, di mana lapisan ditumpuk secara manual, dipandu oleh Laser LAP overhead (Erlanger, KY, US), dan disiapkan untuk dibentuk. Sanchez mengatakan lini fabrikasi stringer ini mewujudkan banyak kekayaan intelektual yang dikembangkan Spirit untuk pembuatan Bagian 41 dan merupakan bagian penting dari operasi fasilitas.

Stringer yang telah dibentuk sebelumnya, saat keluar dari jalur stringer, selanjutnya ditransfer oleh operator ke mandrel Section 41 yang berdekatan yang akan menjadi fokus dari semua operasi fabrikasi komposit, ke depannya. Mandrel, kata Sanchez, yang memiliki bentuk dan dimensi bagian depan badan pesawat, dibuat dari komposit serat karbon/bismaleimide (BMI) dan terdiri dari enam segmen. Setiap segmen dibagi secara lateral sepanjang mandrel. Mesin pada permukaan setiap bagian mandrel, juga menjalankan panjang pahat, adalah slot, di mana stringer yang telah dibentuk sebelumnya ditempatkan, dengan dasar datar stringer menghadap ke luar.

Setelah semua stringer ditempatkan di slotnya, operator membungkus seluruh mandrel dengan kain kawat terjalin (IWWF), dibuat oleh Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, US), yang memberikan perlindungan sambaran petir untuk seluruh 787 badan pesawat. Seluruh struktur ini kemudian dibungkus dengan film kantong plastik. Film menahan IWWF dan stringer di tempatnya saat mandrel didorong melalui kendaraan yang dipandu secara manual ke stasiun berikutnya — penempatan serat otomatis (AFP) — dan kemudian dilepas untuk AFP.

Mungkin tidak ada proses yang melambangkan penggunaan komposit pada 787 lebih dari sistem AFP yang digunakan untuk membuat kulit badan pesawat. AFP, bahkan ketika program 787 muncul, telah digunakan selama bertahun-tahun, jadi itu bukan hal baru dalam pembuatan komposit. Apa yang baru, dengan 787, adalah skala aplikasi. Beberapa struktur komposit yang dibuat dengan AFP telah mendekati ukuran bahkan satu bagian badan pesawat 787.

Ketika Spirit memulai produksi 787 di Wichita, AFP selesai dengan mesin 32-creel yang dipasok oleh Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, US). Namun, pada awal 2000-an, Boeing mulai bekerja dengan spesialis otomasi Electroimpact (Mukilteo, WA, AS) dalam pengembangan mesin AFP baru yang akan menampilkan kepala modular yang dapat dipertukarkan. Setiap kepala akan menyimpan semua gulungan serat karbon untuk jenis operasi tertentu dan dapat dengan mudah diganti, tergantung pada lebar pita yang diperlukan.

Meskipun Spirit masih memiliki mesin Ingersoll aslinya, mesin ini digunakan sebagai peran cadangan. Ini karena Spirit akhirnya memperoleh dua mesin Electroimpact untuk melakukan sebagian besar fabrikasi kulit Bagian 41. Sanchez mengatakan mesin Electroimpact AFP, masing-masing dilengkapi dengan kepala spul 16 (derek dengan lebar 0,25 dan 0,50 inci/6,35- dan lebar 12,7 mm), bekerja sama untuk menerapkan material ke mandrel. Mandrel dipasang secara horizontal dan diputar pada poros, sementara kepala melintang di setiap sisi, menempatkan penarik, sebagian besar dalam jalur yang relatif pendek dan sangat terlarang. Pengunjung dapat dengan mudah melihat, dalam cahaya terang tanaman, beragam koleksi derek multi-sudut yang telah ditempatkan di mandrel.

Sanchez tidak akan mengungkapkan berapa lama waktu yang dibutuhkan kedua mesin Electroimpact untuk sepenuhnya menempatkan semua serat untuk satu kulit badan pesawat, kecuali untuk mengatakan bahwa itu "sangat cepat." Semua operasi AFP dikelola oleh tiga operator di mesin tersebut. Satu bekerja di bilik kontrol yang menghadap ke mandrel sementara dua lainnya berjalan di lantai di bawah dan di samping mandrel, senter di tangan, mencari celah bermasalah, lap, ketidakrataan, kerutan dan puing-puing benda asing (FOD) di permukaan derek yang telah ditentukan sebelumnya. Cacat harus diatasi/diperbaiki sebelum struktur diperbaiki.

Pemberhentian berikutnya untuk Bagian 41, setelah pengantongan menyeluruh lainnya, adalah autoklaf. Spirit Wichita mengoperasikan dua otoklaf Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, AS) yang besar. Bagian badan pesawat dirawat semalaman, setelah itu struktur dibongkar dan mandrel enam bagian dibongkar dan dilepas, bagian demi bagian, melalui ujung lebar badan pesawat.

Penyelesaian pasca-proses

Selanjutnya untuk Bagian 41 adalah beberapa hari perjalanan dari stasiun ke stasiun saat seluruh struktur berjalan menuju penyelesaian. Ini termasuk kunjungan ke mesin bor dan perutean gantry 5 sumbu Torresmill (Torres de Elorz, Spanyol), yang mengebor lubang untuk rangka badan pesawat dan struktur interior lainnya, serta bukaan pintu, jendela, dan bukaan roda pendarat depan. Badan pesawat juga melewati pemeriksaan pulse echo nondestructive (NDI), persiapan cat, pengecatan, pemasangan kaca jendela, pemasangan pintu dan semua pemasangan struktur/sistem interior. Struktur interior pertama yang dipasang adalah rangka melingkar (logam dan komposit), yang dipasang pada stringer dan kulit badan pesawat. Sepanjang proses ini, Bagian 41 dikerjakan di setiap stasiun keel up atau keel down, tergantung pada aktivitas yang terlibat.

Selama CW Kunjungan tersebut, sekitar 30 stasiun kerja dilihat, dan masing-masing memiliki struktur Bagian 41 di beberapa negara bagian perakitan, dan setiap bagian membuat Wichita siap untuk integrasi langsung di Boeing FAL di Everett. Boeing saat ini membangun 12.787 unit setiap bulan, dan berkomitmen untuk memproduksi 14 unit per bulan pada tahun 2019 — jumlah yang luar biasa besar untuk pesawat berbadan lebar.

Sanchez mencatat bahwa Spirit telah mengerjakan pembuatan Bagian 41 — baik dalam tahap pengembangan atau dalam produksi aktual — selama hampir satu dekade. Setiap bug, kekusutan, dan keanehan yang mungkin ada telah lama diidentifikasi dan diselesaikan. Memenuhi tingkat pembangunan 14 kapal per bulan, katanya, tidak akan menjadi masalah.

R&D generasi berikutnya

Saat tur meninggalkan fasilitas manufaktur Section 41, CW dibawa keluar ke gedung tetangga untuk bertemu dengan Pierre Harter, direktur, penelitian lanjutan di Spirit. Sebelumnya seorang insinyur di Denver, CO, Adam Aircraft yang berbasis di AS dan di Bombardier (Montreal, QC, Kanada), dan lulusan Wichita State University, Harter memimpin CW ke dalam apa yang tampak sebagai bangunan multi-lorong, multi-pintu yang tidak mencolok, namun dengan cepat mengungkapkan dirinya sebagai pusat upaya penelitian dan pengembangan komposit Spirit.

Secanggih lini manufaktur Spirit's Section 41, fakta yang tak terbantahkan adalah bahwa ia menggunakan teknologi manufaktur komposit yang baru lebih dari satu dekade lalu. Realitas kualifikasi kedirgantaraan (baik biaya dan waktu) dan kekuatan manufaktur Spirit dan pemasok sejenis untuk menetapkan teknologi manufaktur untuk struktur pesawat sejak awal, dan kemudian tetap menggunakannya selama program. Oleh karena itu, kemampuan untuk meningkatkan peralatan dan material sering kali terbatas, terlepas dari seberapa menguntungkan kemajuan terbaru dalam teknologi fabrikasi komposit.

Oleh karena itu, tugas Harter adalah mengevaluasi material dan teknologi komposit baru dan yang baru muncul, serta menentukan mana yang mungkin cocok untuk pesawat generasi berikutnya. Memang, dengan produksi 787 dan Airbus A350, seluruh rantai pasokan kedirgantaraan komersial sibuk mengantisipasi program komersial besar berikutnya dan masing-masing anggotanya memastikan bahwa mereka memperoleh pengetahuan dan keahlian yang dibutuhkan OEM dari mereka.

Kebijaksanaan konvensional mengatakan program yang diumumkan secara resmi berikutnya adalah Boeing's single-aisle, twin-engine New Middle-Market Airplane (NMA, atau 797), yang secara efektif akan menggantikan 757. Pesawat ini diharapkan memasuki pasar sekitar tahun 2025. Meskipun pasti akan menggunakan komposit, pertanyaan di depan tim R&D Spirit adalah berapa? Di mana? Dan jenis apa? Belum ada yang tahu jawabannya, jadi Harter dan timnya sedang mengevaluasi semua opsi. Dengan demikian, susunan material, peralatan, dan proyek yang sedang dikembangkan di Spirit saat ini memusingkan. “Kami sedang mengerjakan berbagai proyek,” kata Harter. “Di luar autoklaf, RTM cepat, termoplastik, perkakas inovatif, inspeksi inline, kemudi serat. Kami ingin siap untuk apa pun yang dibutuhkan OEM.”

Inti dari lab komposit Spirit Wichita adalah mesin AFP Electroimpact AFP 16-spool (0,125-, 0,25-, 0,5-inci), yang menurut Harter digunakan untuk melakukan studi perdagangan tentang penggunaan inspeksi otomatis inline, serta untuk berbagai kegiatan lainnya, termasuk pembuatan prototipe. Tujuan dari sistem inspeksi otomatis, kata Harter, adalah untuk menghilangkan pekerjaan yang memakan waktu dan melelahkan yang telah kita saksikan sebelumnya di tur, mengawasi teknisi AFP, dengan senter, mencari lap bermasalah, celah, kerutan, dan FOD.

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

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

• Alat polimer memori bentuk (TRL 6),
• Bagian spar dibuat dengan HiTape Hexcel (Stamford, CT, US) (serat kering) menggunakan RTM (TRL 6),
• Spar infus dengan sensor tertanam untuk kontrol proses in-situ, diawetkan dengan bantuan autoklaf atau oven (TRL 4),
• Bingkai yang dibuat dengan steered AFP dan hot drape forming (TRL 6),
• Dan perkakas cetak 3D yang diproduksi di mesin Big Area Additive Manufacturing (BAAM) Wichita State University, dipasok oleh Cincinnati Inc. (Harrison, OH, US).

Bidang penelitian lain, kata Harter, termasuk preform yang dijahit, AFP/ATL robotik, dan inovasi kepala AFP. Yang terakhir telah berkembang dari tantangan akhir 2016 di Spirit untuk menggandakan tingkat laydown AFP dalam waktu dua tahun. Harter mengatakan dia dan rekan-rekannya telah menemukan, dalam upaya untuk memenuhi tantangan ini, bahwa "setelah proses robotik dioptimalkan, Anda mengalami batas teknologi kepala/mesin," yang berarti bahwa faktor pembatas kecepatan AFP menjadi efisiensi dispensasi derek serat . Spirit bekerja sama dengan Electroimpact dan pemasok material pada teknologi yang dirancang untuk meningkatkan total keluaran.

Pemberhentian terakhir dalam tur Spirit Wichita adalah pengujian material dan komponen. Tidak mengherankan, Spirit memiliki kemampuan yang kuat di sini, termasuk 15 mesin pengujian mekanis (kemampuan 11-50 kip) yang dipasok oleh MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, AS), ruang pengujian lingkungan, kemampuan pengukur regangan, sistem metrologi, dan teluk tinggi ruang untuk pengujian komponen skala penuh — struktur sayap dan pembalik daya dorong berada di bawah tekanan aktif selama CW kunjungi.

Saat tur berakhir, perpisahan dilakukan dan kampus Wichita Spirit AeroSystems yang besar surut di CW's keberangkatan, mudah, mengingat kemampuan komposit besar Spirit, bertanya-tanya bagaimana dekade berikutnya akan mencari aeromanufacturer besar ini. Di dunia kedirgantaraan global, rangkaian kemampuannya, bisa dibilang, tidak ada bandingannya. Spirit AeroSystems, tampaknya, siap untuk apa pun yang ada di masa depan.