Boeing Revela Primeira Seção de Fuselagem em Compósito para o 787 Dreamliner

Em 2003, quando a The Boeing Co. (Chicago, IL, EUA) anunciou os planos para o desenvolvimento do que se tornaria seu jato comercial 787, muito se falou sobre o fato de que a aeronave seria a primeira a apresentar fuselagem, asas, cauda e outras estruturas principais fabricadas em compósitos de fibra de carbono, em vez do alumínio padrão das décadas anteriores. Quase tão notável foi a decisão da Boeing de terceirizar a fabricação dessas estruturas para uma rede global de fornecedores que construiriam subconjuntos completos, cada um unido na linha de montagem final em Everett, WA, EUA. A lista de fornecedores, agora bem conhecida, inclui Mitsubishi Heavy Industries e Kawasaki Heavy Industries (Tóquio, Japão), Alenia Aeronautica (Nápoles, Itália) e, nos Estados Unidos, a Spirit AeroSystems.

A Spirit foi escolhida para fabricar toda a fuselagem dianteira do 787 — chamada Seção 41 —, que inclui cockpit, para-brisas, duas portas, nove janelas de passageiros e toda a avionica, assentos do cockpit e fiação. Com 6,2 m de diâmetro e 12,8 m de comprimento, a Seção 41 é, provavelmente, a mais complexa das seções da fuselagem.

A escolha da Spirit não surpreendeu. A história da empresa remonta a 1927, quando o lendário Lloyd Stearman transferiu sua Stearman Aviation Co. da Califórnia para Wichita. Dois anos depois, a Boeing — então United Aircraft and Transport Corp. — adquiriu a Stearman. A fábrica da Boeing em Wichita produziu algumas das aeronaves militares mais icônicas dos EUA, como o B-29 Superfortress, B-47 Stratojet e B-52 Stratofortress.

Em 2005, quando a Boeing iniciou o desenvolvimento de manufatura do 787, o campus de Wichita havia sido vendido e renomeado Spirit AeroSystems. Eric Hein, diretor sênior de P&D e ManTech da Spirit, afirma que a empresa — agora com unidades nos EUA (Kansas, Oklahoma, Carolina do Norte), Escócia, França e Malásia — abriga a maior capacidade de fabricação de aeronaves comerciais do mundo. Além do 787, a Spirit constrói estruturas principais (majoritariamente metálicas) para Boeing 737, 747, 767, 777; Airbus A320, A350 (também intensivo em compósitos) e A380; Bombardier CSeries; Mitsubishi MRJ; Sikorsky CH-53K (helicóptero); e Bell V-280 (tiltrotor). A Spirit registrou receita de US$ 7 bilhões em 2017 e possui um backlog de US$ 46 bilhões.

Fuselagem monolítica

A visita da CW à área de produção do 787 é guiada por José Sanchez, gerente sênior de operações do 787 na Spirit. A Spirit constrói sua parte da fuselagem do 787 como uma estrutura monolítica, combinando um processo automatizado de colocação de fibra/fita com longarinas co-curadas para formar um barril em peça única. (Notavelmente, a Airbus projetou posteriormente o A350 XWB com fuselagem em painéis de compósito de fibra de carbono, em vez de estrutura única; a Spirit fabrica painéis de fuselagem para o A350 em Kinston, NC, EUA, e os monta na França.)

Os materiais compósitos usados nas estruturas primárias do 787, amplamente divulgados, vêm da Toray Industries (Tóquio, Japão) e são pré-impregnados Torayca série 3900 reforçados com fibra de carbono de módulo intermediário T800S. O pré-impregnado é fornecido como fita UD, fita cortada (para colocação automatizada) e tecidos tecidos.

O design da fuselagem do 787 estipula duas operações básicas de fabricação em compósitos: corte e conformação de longarinas e colocação de fibra na pele da fuselagem. O segredo está em combinar as longarinas com a pele com fibra colocada para permitir uma estrutura co-curada. Por isso, Spirit e Boeing dão grande importância aos processos realizados na primeira parada: fabricação de longarinas.

Esta linha altamente automatizada conta com uma mesa de corte American GFM (Chesapeake, VA, EUA) que corta o pré-impregnado Torayca série 3900 em camadas. Estas são transferidas para uma mesa de kit, onde as camadas são empilhadas manualmente, guiadas por um laser LAP Laser (Erlanger, KY, EUA) e preparadas para conformação. Sanchez diz que esta linha incorpora grande parte da propriedade intelectual da Spirit para a fabricação da Seção 41 e é parte crítica da operação.

As longarinas pré-formadas são transferidas por operadores para um mandril adjacente da Seção 41, que se torna o foco de todas as operações de fabricação em compósitos. O mandril, explica Sanchez, com a forma e dimensões da seção dianteira da fuselagem, é fabricado em compósito de fibra de carbono/bismaleimida (BMI) e compreende seis segmentos. Cada segmento é dividido lateralmente ao longo do comprimento do mandril. Na superfície de cada seção, usinados ao longo da ferramenta, existem encaixes onde as longarinas pré-formadas são colocadas, com a base plana voltada para fora.

Após a colocação de todas as longarinas, os operadores recobrem todo o mandril com um tecido de fio entrelaçado (IWWF), fabricado pela Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, EUA), que fornece proteção contra raios para toda a fuselagem do 787. Toda a estrutura é então recoberta com filme plástico de ensacamento. O filme mantém o IWWF e as longarinas no lugar enquanto o mandril é movido por veículo guiado manualmente para a próxima estação — colocação automatizada de fibra (AFP) — e então removido para o AFP.

Talvez nenhum processo simbolize mais o uso de compósitos no 787 do que o sistema AFP usado para fabricar a pele da fuselagem. O AFP, mesmo no início do programa 787, já era usado há anos, não sendo novo na manufatura de compósitos. O que era novo, com o 787, era a escala da aplicação. Poucas estruturas compósitas feitas com AFP chegaram perto do tamanho de uma única seção de fuselagem do 787.

Quando a Spirit estabeleceu a produção do 787 em Wichita, o AFP era feito com uma máquina de 32 creels fornecida pela Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, EUA). No entanto, no início dos anos 2000, a Boeing começou a trabalhar com a especialista em automação Electroimpact (Mukilteo, WA, EUA) no desenvolvimento de uma nova máquina AFP com cabeçotes modulares e intercambiáveis. Cada cabeçote armazenaria todos os carretéis de fibra de carbono para um tipo de operação e poderia ser trocado facilmente, dependendo da largura da fita necessária.

Embora a Spirit ainda mantenha sua máquina Ingersoll original, ela atua como reserva. A Spirit acabou adquirindo duas máquinas Electroimpact para fazer a maior parte da fabricação da pele da Seção 41. Sanchez diz que as máquinas Electroimpact AFP, cada uma equipada com cabeçote de 16 carretéis (fitas de 0,25 e 0,50 polegadas / 6,35 e 12,7 mm), trabalham juntas para aplicar material no mandril. O mandril é montado horizontalmente e girado em um fuso, enquanto os cabeçotes percorrem cada lado, colocando as fitas, principalmente em cursos curtos e altamente prescritos. Visitantes podem ver facilmente, nas luzes fortes da fábrica, a diversa coleção multi-angular de fitas já colocadas no mandril.

Sanchez não revela quanto tempo levam as duas máquinas Electroimpact para colocar toda a fibra de uma pele de fuselagem, exceto dizer que é "muito rápido". Toda a operação AFP é gerenciada por três operadores na máquina. Um trabalha em uma cabine de controle que observa o mandril, enquanto os outros dois caminham pelo chão sob e ao lado do mandril, com lanternas, procurando falhas problemáticas, sobreposições, irregularidades, rugas e detritos de objetos estranhos (FOD) na superfície das fitas pré-impregnadas. As falhas devem ser corrigidas antes da cura.

Próxima parada para a Seção 41, após outro ensacamento completo, é o autoclave. A Spirit Wichita opera dois autoclaves maciços da Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, EUA). A seção da fuselagem é curada durante a noite, após a qual a estrutura é desembalada e o mandril de seis partes é desmontado e removido, seção por seção, pela extremidade larga da fuselagem.

Acabamento pós-processo

O que segue para a Seção 41 são vários dias movendo-se de estação em estação enquanto a estrutura progride para a conclusão. Isso inclui visita a uma máquina de roteamento e furação de pórtico 5 eixos MTorres (Torres de Elorz, Espanha), que fura furos para os quadros da fuselagem e outras estruturas internas, além de aberturas de portas, janelas e trem de pouso dianteiro. A fuselagem também passa por inspeção não destrutiva por ultrassom de eco de pulso, preparação para pintura, pintura, instalação de vidros das janelas, instalação de portas e instalação de todas as estruturas/sistemas internos. As primeiras estruturas internas instaladas são os quadros circulares (metálicos e compósitos), fixados às longarinas e à pele da fuselagem. Ao longo desses processos, a Seção 41 é trabalhada em cada estação com a quilha para cima ou para baixo, dependendo da atividade.

Durante a visita da CW, aproximadamente 30 estações de trabalho foram observadas, cada uma com uma estrutura da Seção 41 em algum estado de montagem, e cada seção deixa Wichita pronta para integração imediata na linha de montagem final (FAL) da Boeing em Everett. A Boeing atualmente produz 12 787s por mês, comprometendo-se com 14 por mês até 2019 — um número incomumente alto para uma aeronave widebody.

Sanchez observa que a Spirit trabalha na fabricação da Seção 41 — seja em desenvolvimento ou produção real — há quase uma década. Quaisquer bugs, problemas e idiossincrasias foram identificados e resolvidos há muito tempo. Atender à taxa de 14 conjuntos por mês, diz ele, não será um problema.

P&D de próxima geração

Ao deixar a instalação de fabricação da Seção 41, a CW é levada a um prédio vizinho para uma reunião com Pierre Harter, diretor de pesquisa avançada na Spirit. Ex-engenheiro da extinta Adam Aircraft (Denver, CO, EUA) e da Bombardier (Montreal, QC, Canadá), e graduado pela Wichita State University, Harter conduz a CW a um prédio aparentemente comum, de múltiplos corredores e portas, que rapidamente se revela o centro dos esforços de P&D em compósitos da Spirit.

Por mais sofisticada que seja a linha de fabricação da Seção 41, o fato inegável é que ela usa tecnologia de manufatura de compósitos que era nova há mais de uma década. As realidades da qualificação aeroespacial (tanto custo quanto tempo) e da manufatura forçam a Spirit e fornecedores semelhantes a definir uma tecnologia de fabricação para uma estrutura de aeronave cedo e mantê-la durante todo o programa. A capacidade de atualizar equipamentos e materiais, portanto, é frequentemente limitada, independentemente de quão vantajosos possam ser avanços mais recentes em tecnologia de fabricação de compósitos.

O trabalho de Harter é avaliar novos materiais e tecnologias de compósitos emergentes e determinar quais provavelmente encontrarão lugar em aeronaves de próxima geração. De fato, com o 787 e o Airbus A350 em produção, toda a cadeia de suprimentos aeroespacial comercial está ocupada antecipando o próximo grande programa comercial e seus membros garantem que adquiram o conhecimento e a expertise que os OEMs precisam.

A sabedoria convencional diz que o próximo programa formalmente anunciado será o Novo Avião de Mercado Médio (NMA, ou 797) da Boeing, monomotor de corredor único, que substituiria o 757. Espera-se que este avião entre no mercado por volta de 2025. Embora certamente use compósitos, as questões para a equipe de P&D da Spirit são: quanto? Onde? E que tipo? Ninguém sabe as respostas ainda, então Harter e sua equipe avaliam todas as opções. Assim, a variedade de materiais, equipamentos e projetos em desenvolvimento na Spirit é atualmente vertiginosa. "Estamos trabalhando em uma variedade de projetos", diz Harter. "Fora de autoclave, RTM rápido, termoplásticos, ferramentas inovadoras, inspeção em linha, direcionamento de fibra. Queremos estar prontos para o que os OEMs precisarem."

O centro do laboratório de compósitos da Spirit em Wichita é uma máquina AFP Electroimpact de 16 carretéis (fitas de 0,125, 0,25, 0,5 polegadas), que Harter diz ser usada para realizar estudos de trade-off sobre o uso de inspeção automatizada em linha, bem como para diversas outras atividades, incluindo prototipagem. O objetivo do sistema de inspeção automatizada, diz Harter, é eliminar o trabalho demorado e laborioso que testemunhamos antes na visita, com técnicos de AFP usando lanternas para procurar sobreposições, falhas, rugas e FOD problemáticos.

A Spirit, diz Harter, está avaliando um sistema LASERVISION da Aligned Vision (Chelmsford, MA, EUA), que está forçando a Spirit a repensar o que é e o que não é um defeito verdadeiro, "e a repensar como caracterizamos defeitos." Ele diz que o sistema poderia estar em operação no chão de fábrica até o final deste ano.

Além do sistema AFP, a Spirit tem uma variedade de outros projetos em vários níveis de prontidão tecnológica (TRL). Estes incluem:

• Ferramenta de polímero com memória de forma (TRL 6),
• Seção de longarina feita com HiTape da Hexcel (Stamford, CT, EUA) (fibra seca) usando RTM (TRL 6),
• Longarina infundida com sensores embutidos para controle de processo in-situ, curada com auxílio de autoclave ou forno (TRL 4),
• Quadro feito com AFP com direcionamento de fibra e conformação a quente (TRL 6),
• E ferramentas impressas em 3D fabricadas na máquina Big Area Additive Manufacturing (BAAM) da Wichita State University, fornecida pela Cincinnati Inc. (Harrison, OH, EUA).

Outras áreas de pesquisa, diz Harter, incluem pré-formas costuradas, AFP/ATL robótico e inovação em cabeçotes AFP. Esta última surgiu de um desafio no final de 2016 na Spirit para dobrar as taxas de deposição de AFP em dois anos. Harter diz que ele e seus associados descobriram, nos esforços para atender a esse desafio, que "uma vez otimizados os processos robóticos, você esbarra nos limites da tecnologia de cabeçote/máquina", significando que o fator limitante da velocidade do AFP torna-se a eficiência de dispensação de fitas de fibra. A Spirit está trabalhando com a Electroimpact e fornecedores de materiais em tecnologias projetadas para aumentar a vazão total.

A parada final na visita à Spirit Wichita é teste de materiais e componentes. Não surpreendentemente, a Spirit tem capacidade robusta aqui, incluindo 15 máquinas de teste mecânico (capacidade 11-50 kip) fornecidas pela MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, EUA), câmaras de teste ambiental, capacidade de extensômetros, sistemas de metrologia e espaço de alto pé-direito para testes de componentes em escala real — estruturas de asa e reversores de empuxo estavam sob teste de estresse ativo durante a visita da CW.

Quando a visita termina, despedidas são trocadas e o enorme campus da Spirit AeroSystems em Wichita se afasta na partida da CW, é fácil, dadas as consideráveis capacidades de compósitos da Spirit, imaginar como será a próxima década para este grande aero-fabricante. No mundo aeroespacial global, seu conjunto de capacidades é, arguivelmente, sem igual. A Spirit AeroSystems, parece, está preparada para o que o futuro reservar.