La primera sección de fuselaje compuesto para el primer avión comercial compuesto

En 2003, cuando The Boeing Co. (Chicago, IL, EE. UU.) Anunció planes para el desarrollo de lo que se convertiría en su avión comercial 787, se habló mucho del hecho de que el avión sería el primero en presentar un fuselaje, alas, la cola y otras estructuras importantes fabricadas con compuestos de fibra de carbono, en lugar del aluminio que había sido el estándar durante las décadas anteriores. Sin embargo, casi igualmente notable fue la decisión de Boeing de entregar la fabricación de estas estructuras principales a una red de proveedores globales que construirían subconjuntos completos, cada uno de los cuales finalmente se uniría en la línea de ensamblaje final de Boeing en Everett, WA, EE. UU. La lista de estos proveedores, ahora bien conocida, incluye Mitsubishi Heavy Industries y Kawasaki Heavy Industries (Tokio, Japón), Alenia Aeronautica (Nápoles, Italia) y, sobre todo en los Estados Unidos, Spirit AeroSystems.

Spirit fue elegido para fabricar todo el fuselaje delantero del 787, llamado Sección 41, que incluye la cabina, los parabrisas de la cabina, dos puertas, nueve ventanas para pasajeros y toda la aviónica, los asientos y el cableado de la cabina. Con 6.2 m de diámetro y 12.8 m de largo, la Sección 41 es, posiblemente, la más compleja de las secciones del fuselaje del avión.

Que Spirit fuera seleccionado para suministrar 787 estructuras no fue una sorpresa. La historia de la compañía se remonta a 1927, cuando la leyenda de la aviación Lloyd Stearman trasladó su Stearman Aviation Co. de California a Wichita. Solo dos años después, Boeing, que en ese momento se conocía como United Aircraft and Transport Corp., adquirió Stearman. La planta de Boeing Wichita continuaría fabricando algunos de los aviones militares más emblemáticos de la historia de Estados Unidos, incluido el B-29 Superfortress , el B-47 Stratojet y el B-52 Stratofortress .

En 2005, cuando Boeing había comenzado en serio el desarrollo de la fabricación del 787, Boeing había vendido el campus de Wichita y lo había rebautizado como Spirit AeroSystems. Eric Hein, director senior de I + D y ManTech de Spirit, sostiene que la compañía, ahora con ubicaciones adicionales en los EE. UU. (Kansas, Oklahoma y Carolina del Norte), así como en Escocia, Francia y Malasia, es el hogar de la fabricación de aviones comerciales más grande del mundo. capacidad. Además del 787, Spirit construye estructuras importantes (en su mayoría metálicas) para los 737, 747, 767 y 777 de Boeing; el Airbus A320, A350 (también intensivo en compuestos) y A380; el Bombardier CSeries ; el Mitsubishi MRJ ; el Sikorsky CH-53K (helicóptero); y el Bell V-280 (rotor basculante). Spirit, dice Hein, tuvo $ 7 mil millones de ingresos en 2017 y disfruta de una cartera de pedidos de $ 46 mil millones.

A lo largo del crecimiento de la empresa, la ubicación de Spirit en Wichita ha seguido siendo el corazón de las operaciones de la empresa. Con 150 edificios repartidos en 600 acres, llenos de 10,700 empleados, es una ciudad manufacturera en sí misma, ocupada con camiones, automóviles y lanzaderas que transportan personas y bienes por todo el campus.

La fabricación del fuselaje delantero del 787 se limita a un edificio muy grande, cerca del borde del campus. Aquí, toda la fabricación de materiales compuestos, la instalación de estructuras internas y la integración de sistemas se realiza antes de que el producto terminado se envíe a Everett para su ensamblaje final.

Fuselaje monolítico

CW El recorrido por el área de producción del 787 está dirigido por José Sánchez, gerente senior de operaciones de 787 de Spirit. Spirit AeroSystems construye su parte del fuselaje del 787 como una estructura monolítica, combinando un proceso automatizado de colocación de fibra / cinta con largueros curados conjuntamente para formar un barril de una pieza. (En particular, Airbus diseñó más tarde el A350 XWB comparable con un fuselaje que comprende paneles compuestos de fibra de carbono, en lugar de una estructura de una sola pieza; Spirit fabrica paneles de fuselaje para el A350 en Kinston, NC, EE. UU., Y los ensambla en Francia).

Los materiales compuestos utilizados para fabricar estructuras primarias 787, como se ha informado ampliamente, provienen de Toray Industries (Tokio, Japón) y son preimpregnados endurecidos reforzados con fibra de carbono de la serie Torayca 3900 que utilizan fibra T800S de módulo intermedio. El preimpregnado se proporciona como cinta UD, cinta de hendidura (para la colocación automatizada de fibra / cinta) y telas tejidas.

El diseño del fuselaje del 787 estipula dos operaciones básicas de fabricación de compuestos:corte y conformado de largueros y colocación de fibras de revestimiento del fuselaje. El truco está en combinar los larguerillos con la piel colocada con fibras para permitir una estructura co-curada. Debido a esto, Spirit y, por extensión, Boeing, otorgan mucha importancia a los procesos realizados en la primera parada del recorrido:fabricación de Stringer.

Esta línea altamente automatizada cuenta con una mesa de corte estadounidense GFM (Chesapeake, VA, EE. UU.) Que corta el preimpregnado Torayca de la serie 3900 en capas. Estos se transfieren a una mesa de preparación, donde las capas se apilan manualmente, se guían por un láser LAP superior (Erlanger, KY, EE. UU.) Y se preparan para la formación. Sánchez dice que esta línea de fabricación de largueros incorpora gran parte de la propiedad intelectual que Spirit desarrolló para la fabricación de la Sección 41 y es una parte fundamental de la operación de la instalación.

Los larguerillos preformados, a medida que salen de la línea de largueros, son luego transferidos por los operadores a un mandril de la Sección 41 adyacente que se convertirá en el foco de todas las operaciones de fabricación de materiales compuestos, en el futuro. El mandril, dice Sánchez, que tiene la forma y las dimensiones de la sección delantera del fuselaje, está fabricado con un compuesto de fibra de carbono / bismaleimida (BMI) y consta de seis segmentos. Cada segmento se divide lateralmente a lo largo del mandril. Mecanizadas en la superficie de cada sección de mandril, también a lo largo de la herramienta, hay ranuras en las que se colocan los larguerillos preformados, con la parte inferior plana del larguero hacia afuera.

Una vez que se han colocado todos los larguerillos en sus ranuras, los operadores envuelven todo el mandril con una tela de alambre entrelazado (IWWF), fabricada por Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, EE. UU.), Que proporciona protección contra rayos para todo el 787 fuselaje. A continuación, toda esta estructura se envuelve con una película de plástico para bolsas. La película mantiene la IWWF y los largueros en su lugar mientras el mandril se lleva con ruedas a través de un vehículo guiado manualmente a la siguiente estación (colocación automática de fibra (AFP)) y luego se retira para AFP.

Quizás ningún proceso ha llegado a simbolizar el uso de compuestos en el 787 más que el sistema AFP utilizado para fabricar la piel del fuselaje. AFP, incluso cuando surgió el programa 787, se había utilizado durante muchos años, por lo que no era nuevo en la fabricación de compuestos. Lo nuevo, con el 787, fue la escala de la aplicación. Pocas estructuras compuestas hechas con AFP se han acercado al tamaño de una sección del fuselaje del 787.

Cuando Spirit estableció la producción de 787 en Wichita, AFP se realizó con una máquina de 32 filetes suministrada por Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, EE. UU.). Sin embargo, a principios de la década de 2000, Boeing comenzó a trabajar con el especialista en automatización Electroimpact (Mukilteo, WA, EE. UU.) En el desarrollo de una nueva máquina AFP que presentaría cabezales modulares intercambiables. Cada cabezal almacenaría todos los carretes de fibra de carbono para un tipo determinado de operación y podría intercambiarse con relativa facilidad, según el ancho de cinta requerido.

Aunque Spirit todavía tiene su máquina Ingersoll original, se usa como respaldo. Esto se debe a que Spirit finalmente adquirió dos máquinas Electroimpact para realizar la mayor parte de la fabricación de la piel de la Sección 41. Sánchez dice que las máquinas Electroimpact AFP, cada una equipada con un cabezal de 16 carretes (remolques de 0,25 y 0,50 pulgadas de ancho / 6,35 y 12,7 mm de ancho), trabajan juntas para aplicar material al mandril. El mandril está montado horizontalmente y girado sobre un eje, mientras que las cabezas se mueven a lo largo de cada lado, colocando remolques, principalmente en recorridos relativamente cortos y altamente prohibidos. Los visitantes pueden ver fácilmente, en las brillantes luces de la planta, la diversa colección de remolques de múltiples ángulos que ya se han colocado en el mandril.

Sánchez no reveló cuánto tiempo les toma a las dos máquinas Electroimpact colocar completamente toda la fibra para una piel del fuselaje, excepto para decir que es "muy rápido". Toda la operación de AFP es administrada por tres operadores en la máquina. Uno trabaja en una cabina de control que da al mandril mientras que los otros dos caminan por el piso debajo y al lado del mandril, linternas en mano, buscando espacios problemáticos, vueltas, desniveles, arrugas y desechos de objetos extraños (FOD) en la superficie del Remolques preimpregnados. Las fallas deben abordarse / corregirse antes de que se cure la estructura.

La siguiente parada para la Sección 41, después de otro ensacado completo, es el autoclave. Spirit Wichita opera dos autoclaves masivos de Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, EE. UU.). La sección del fuselaje se cura durante la noche, después de lo cual la estructura se desensambla y el mandril de seis partes se desmonta y retira, sección por sección, a través del extremo ancho del fuselaje.

Finalización posterior al proceso

Lo que sigue para la Sección 41 son varios días de viaje de una estación a otra a medida que la estructura completa avanza hacia su finalización. Esto incluye una visita a una máquina de enrutamiento y perforación de pórtico de 5 ejes MTorres (Torres de Elorz, España) Torresmill, que perfora agujeros para los marcos del fuselaje y otras estructuras interiores, así como aberturas de puertas, ventanas y apertura del tren de aterrizaje delantero. El fuselaje también pasa por una inspección no destructiva por eco de pulso (NDI), preparación de pintura, pintura, instalación de vidrio de ventana, instalación de puerta y toda la instalación de estructuras / sistemas interiores. Las primeras estructuras interiores instaladas son los marcos circulares (metálicos y compuestos), que se fijan a los largueros y al revestimiento del fuselaje. A lo largo de estos procesos, se trabaja en la Sección 41 en cada estación, quilla arriba o quilla abajo, dependiendo de la actividad involucrada.

Durante CW Durante la visita, se vieron aproximadamente 30 estaciones de trabajo, y cada una tenía una estructura de la Sección 41 en algún estado de ensamblaje, y cada sección deja a Wichita lista para la integración inmediata en el Boeing FAL en Everett. Actualmente, Boeing fabrica 12 787 cada mes, y se ha comprometido a fabricar 14 por mes para 2019, una cantidad inusualmente grande para un avión de fuselaje ancho.

Sánchez señala que Spirit ha estado trabajando en la fabricación de la Sección 41, ya sea en desarrollo o en producción real, durante casi una década. Cualquier error, torcedura e idiosincrasia que pudiera haber existido se identificó y resolvió hace mucho tiempo. Cumplir con esa tasa de construcción de 14 conjuntos de envíos por mes, dice, no será un problema.

I + D de próxima generación

Cuando el recorrido sale de las instalaciones de fabricación de la Sección 41, CW es conducido al exterior a un edificio vecino para una reunión con Pierre Harter, director de investigación avanzada en Spirit. Anteriormente, ingeniero en la ahora extinta Adam Aircraft de Denver, CO, con sede en EE. UU. Y en Bombardier (Montreal, QC, Canadá), y graduado de la Universidad Estatal de Wichita, Harter dirige CW en lo que parece ser un edificio anodino, con múltiples pasillos y múltiples puertas que, sin embargo, rápidamente se revela como el centro de los esfuerzos de investigación y desarrollo de materiales compuestos de Spirit.

Tan sofisticada como es la línea de fabricación de la Sección 41 de Spirit, el hecho indiscutible es que utiliza tecnología de fabricación de compuestos que era nueva hace más de una década. Las realidades de la calificación aeroespacial (tanto en costo como en tiempo) y de fabricación obligan a Spirit y a los proveedores similares a decidirse por una tecnología de fabricación para la estructura de una aeronave desde el principio, y luego seguir con ella durante la duración del programa. La capacidad de actualizar equipos y materiales, por lo tanto, a menudo es limitada, independientemente de cuán ventajosos puedan ser los avances más recientes en la tecnología de fabricación de compuestos.

El trabajo de Harter, por lo tanto, es evaluar materiales y tecnologías compuestos nuevos y emergentes y determinar cuáles tienen probabilidades de encontrar un hogar en los aviones de próxima generación. De hecho, con el 787 y el Airbus A350 en producción, toda la cadena de suministro aeroespacial comercial está ocupada anticipando el próximo gran programa comercial y cada uno de sus miembros se asegura de adquirir el conocimiento y la experiencia que los OEM necesitan de ellos.

La sabiduría convencional dice que el próximo programa anunciado formalmente será el New Middle-Market Airplane (NMA, o 797) de pasillo único y bimotor de Boeing, que reemplazaría efectivamente al 757. Se espera que este avión ingrese al mercado alrededor de 2025. Aunque sin duda utilizará materiales compuestos, las preguntas que tiene ante sí el equipo de I + D de Spirit son ¿cuánto? ¿Donde? ¿Y de que tipo? Nadie conoce las respuestas todavía, por lo que Harter y su equipo están evaluando todas las opciones. Así, la variedad de materiales, equipos y proyectos en desarrollo en Spirit es vertiginosa actualmente. "Estamos trabajando en una variedad de proyectos", dice Harter. “Fuera de autoclave, RTM rápido, termoplásticos, herramientas innovadoras, inspección en línea, dirección de fibra. Queremos estar preparados para todo lo que necesiten los OEM ".

La pieza central del laboratorio de compuestos Spirit Wichita es una máquina AFP Electroimpact de 16 carretes (0,125, 0,25, 0,5 pulgadas), que según Harter se utiliza para realizar estudios comerciales sobre el uso de la inspección automatizada en línea, así como para una variedad de otras actividades, incluida la creación de prototipos. El objetivo del sistema de inspección automatizado, dice Harter, es eliminar el trabajo laborioso y que consume mucho tiempo que hemos presenciado anteriormente en el recorrido, observando a los técnicos de AFP, con linternas, buscando vueltas, espacios, arrugas y FOD problemáticos.

Spirit, dice Harter, está evaluando un sistema LASERVISION de Aligned Vision (Chelmsford, MA, EE. UU.), Que está obligando a Spirit a repensar lo que es y no es un verdadero defecto, "y repensar cómo caracterizamos los defectos". Dice que el sistema podría estar en funcionamiento en la planta de producción a finales de este año.

Más allá del sistema de AFP, Spirit tiene una variedad de otros proyectos en proceso en varios niveles de preparación tecnológica (TRL). Estos incluyen lo siguiente:

• Una herramienta de polímero con memoria de forma (TRL 6),
• Una sección de larguero hecha con HiTape (fibra seca) de Hexcel (Stamford, CT, EE. UU.) con RTM (TRL 6),
• Un larguero infundido con sensores integrados para el control del proceso in situ, curado con la ayuda de un autoclave o un horno (TRL 4),
• Un marco hecho con AFP dirigido y formación de cortinas en caliente (TRL 6),
• Y herramientas impresas en 3D fabricadas en la máquina de fabricación aditiva de área grande (BAAM) de la Universidad Estatal de Wichita, suministrada por Cincinnati Inc. (Harrison, OH, EE. UU.).

Otras áreas de investigación, dice Harter, incluyen preformas cosidas, AFP / ATL robótico e innovación de cabezales AFP. Este último surgió de un desafío de finales de 2016 en Spirit para duplicar las tasas de despido de AFP en dos años. Harter dice que él y sus asociados han descubierto, en un esfuerzo por cumplir con este desafío, que "una vez que se optimizan los procesos robóticos, se topa con los límites de la tecnología de cabezales / máquinas", lo que significa que el factor limitante de la velocidad de AFP se convierte en la eficiencia de dispensación de los cables de fibra. . Spirit está trabajando con Electroimpact y proveedores de materiales en tecnologías diseñadas para aumentar el rendimiento total.

La última parada de la gira Spirit Wichita son las pruebas de materiales y componentes. No es sorprendente que Spirit tenga una capacidad sólida aquí, incluidas 15 máquinas de prueba mecánicas (capacidad de 11 a 50 kip) suministradas por MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, EE. UU.), Cámaras de pruebas ambientales, capacidad de galgas extensométricas, sistemas de metrología y alta bahía espacio para pruebas de componentes a gran escala:las estructuras de las alas y los inversores de empuje estuvieron bajo tensión activa durante CW visita.

A medida que el recorrido llega a su fin, se intercambian despedidas y el enorme campus de Wichita de Spirit AeroSystems se retira en CW's Partiendo, es fácil, dadas las considerables capacidades de los compuestos de Spirit, preguntarse cómo será la próxima década para este importante fabricante de aeronáuticos. En el mundo aeroespacial global, su conjunto de capacidades es, posiblemente, sin igual. Spirit AeroSystems, al parecer, está preparado para lo que sea que nos depare el futuro.