A primeira seção composta da fuselagem para o primeiro jato comercial composto

Em 2003, quando a The Boeing Co. (Chicago, IL, EUA) anunciou planos para o desenvolvimento do que viria a ser o seu jato comercial 787, muito se comentou sobre o fato de que o avião seria o primeiro a ter fuselagem, asas, cauda e outras estruturas principais fabricadas a partir de compostos de fibra de carbono, em vez do alumínio que tinha sido o padrão nas décadas anteriores. Quase tão notável, no entanto, foi a decisão da Boeing de terceirizar a fabricação dessas estruturas principais para uma rede de fornecedores globais que construiriam subconjuntos completos, cada um dos quais seria finalmente unido na linha de montagem final da Boeing em Everett, WA, EUA. A lista desses fornecedores, agora bem conhecida, inclui Mitsubishi Heavy Industries e Kawasaki Heavy Industries (Tóquio, Japão), Alenia Aeronautica (Nápoles, Itália) e, principalmente nos Estados Unidos, Spirit AeroSystems.

A Spirit foi escolhida para fabricar toda a fuselagem dianteira do 787 - chamada de Seção 41 - que inclui a cabine, pára-brisas da cabine, duas portas, nove janelas de passageiros e todos os aviônicos, assentos da cabine e fiação. Medindo 6,2 m de diâmetro e 12,8 m de comprimento, a Seção 41 é, sem dúvida, a mais complexa das seções da fuselagem do avião.

O fato de a Spirit ser selecionada para fornecer 787 estruturas não foi nenhuma surpresa. A história da empresa remonta a 1927, quando a lenda da aviação Lloyd Stearman transferiu sua Stearman Aviation Co. da Califórnia para Wichita. Apenas dois anos depois, a Boeing - que na época era conhecida como United Aircraft and Transport Corp. - adquiriu a Stearman. A fábrica da Boeing Wichita continuaria a fabricar algumas das aeronaves militares mais icônicas da história americana, incluindo o Superfortress B-29 , o B-47 Stratojet e o Stratofortress B-52 .

Em 2005, quando a Boeing começou a desenvolver a fabricação do 787 para valer, o campus de Wichita foi vendido pela Boeing e renomeado como Spirit AeroSystems. Eric Hein, diretor sênior da Spirit, P&D e ManTech, afirma que a empresa - agora com unidades adicionais nos EUA (Kansas, Oklahoma e Carolina do Norte), bem como na Escócia, França e Malásia - abriga a maior fabricação de aeronaves comerciais do mundo capacidade. Além do 787, a Spirit constrói estruturas principais (principalmente metálicas) para os Boeing 737, 747, 767 e 777; o Airbus A320, A350 (também com uso intensivo de compostos) e A380; o Bombardier CSeries ; o Mitsubishi MRJ ; o Sikorsky CH-53K (helicóptero); e o Bell V-280 (tiltrotor). A Spirit, diz Hein, teve uma receita de US $ 7 bilhões em 2017 e uma carteira de pedidos de US $ 46 bilhões.

Ao longo do crescimento da empresa, a localização da Spirit em Wichita permaneceu o coração das operações da empresa. Com 150 prédios espalhados por 600 acres, ocupados por 10.700 funcionários, é uma cidade industrial, ocupada com caminhões, carros e ônibus transportando pessoas e mercadorias por todo o campus.

A fabricação da fuselagem dianteira do 787 está confinada a um prédio muito grande, próximo aos limites do campus. Aqui, toda a fabricação de compósitos, instalação de estruturas internas e integração de sistemas é realizada antes que o produto acabado seja despachado para Everett para montagem final.

Fuselagem monolítica

CW O tour da área de produção do 787 é liderado por José Sanchez, gerente sênior da Spirit, operações do 787. A Spirit AeroSystems 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 de uma peça. (Notavelmente, a Airbus posteriormente projetou o A350 XWB comparável com uma fuselagem que compreende painéis compostos de fibra de carbono, em vez de uma estrutura de uma peça; a Spirit fabrica painéis da fuselagem para o A350 em Kinston, NC, EUA, e os monta na França.)

Os materiais compostos usados ​​para fabricar as estruturas primárias 787, como tem sido amplamente relatado, vêm da Toray Industries (Tóquio, Japão) e são pré-impregnados reforçados com fibra de carbono da série 3900 da Torayca usando fibra T800S de módulo intermediário. Prepreg é fornecido como fita UD, fita cortada (para colocação automática de fibra / fita) e tecidos.

O projeto da fuselagem do 787 estipula duas operações básicas de fabricação de compósitos:corte e conformação de longarinas e colocação de fibras na pele da fuselagem. O truque é combinar as longarinas com a pele colocada em fibra para permitir uma estrutura co-curada. Por isso, a Spirit e, por extensão, a Boeing, atribuem muito significado aos processos realizados na primeira parada do passeio:a fabricação do Stringer.

Esta linha altamente automatizada apresenta uma mesa de corte americana GFM (Chesapeake, VA, US) que corta o pré-impregnado da série Torayca 3900 em camadas. Estes são transferidos para uma mesa de kits, onde as lonas são empilhadas manualmente, guiadas por um laser LAP suspenso (Erlanger, KY, EUA) e preparadas para a conformação. Sanchez diz que esta linha de fabricação de longarina incorpora muito do espírito de propriedade intelectual desenvolvido para a fabricação da Seção 41 e é uma parte crítica da operação da instalação.

Longarinas pré-formadas, à medida que saem da linha da longarina, são transferidas em seguida pelos operadores para um mandril da Seção 41 adjacente que se tornará o foco de todas as operações de fabricação de compósitos daqui para frente. O mandril, diz Sanchez, que tem a forma e as dimensões da seção dianteira da fuselagem, é fabricado a partir de um composto de fibra de carbono / bismaleimida (BMI) e compreende seis segmentos. Cada segmento é dividido lateralmente ao longo do comprimento do mandril. Usinadas na superfície de cada seção do mandril, também percorrendo o comprimento da ferramenta, estão ranhuras, nas quais as longarinas pré-formadas são colocadas, com o fundo plano da longarina voltado para fora.

Depois que todas as longarinas foram colocadas em seus slots, os operadores envolvem todo o mandril com um tecido de arame entrelaçado (IWWF), feito pela Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, EUA), que fornece proteção contra raios para todo o 787 fuselagem. Toda a estrutura é então envolvida com filme plástico de ensacamento. O filme mantém o IWWF e as longarinas no lugar enquanto o mandril é transportado por meio de um veículo guiado manualmente até a próxima estação - colocação automática de fibra (AFP) - e então é removido para o AFP.

Talvez nenhum processo tenha simbolizado o uso de compósitos no 787 mais do que o sistema AFP usado para fabricar a pele da fuselagem. A AFP, mesmo com o início do programa do 787, já era usada há muitos anos, então não era novidade na fabricação de compósitos. A novidade, com o 787, foi a escala do aplicativo. Poucas estruturas compostas feitas com AFP chegaram perto do tamanho de uma seção da fuselagem do 787.

Quando a Spirit estabeleceu a produção do 787 em Wichita, o AFP era feito com uma máquina de gaiola 32 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 que apresentaria cabeçotes modulares intercambiáveis. Cada cabeça armazenaria todas as bobinas de fibra de carbono para um determinado tipo de operação e poderia ser substituída com relativa facilidade, dependendo da largura de fita necessária.

Embora a Spirit ainda tenha sua máquina Ingersoll original, ela é usada como reserva. Isso ocorre porque a Spirit eventualmente adquiriu duas máquinas de eletroimpacto para fazer a maior parte da fabricação de pele da Seção 41. Sanchez diz que as máquinas AFP Electroimpact, cada uma equipada com uma cabeça de 16 carretéis (rebocadores de 0,25 e 0,50 polegadas de largura / 6,35 e 12,7 mm de largura), trabalham juntas para aplicar o material ao mandril. O mandril é montado horizontalmente e girado em um fuso, enquanto as cabeças percorrem ao longo de cada lado, colocando rebocadores, principalmente em cursos relativamente curtos e altamente proibidos. Os visitantes podem ver facilmente, nas luzes brilhantes da planta, a coleção diversificada e multifacetada de reboques que já foram colocados no mandril.

Sanchez não revelou quanto tempo leva para as duas máquinas de eletroimpacto colocarem completamente todas as fibras de uma pele da fuselagem, exceto para dizer que é "muito rápido". Toda a operação AFP é gerenciada por três operadores na máquina. Um trabalha em uma cabine de controle com vista para o mandril, enquanto os outros dois caminham pelo chão sob e ao lado do mandril, lanternas nas mãos, procurando por lacunas problemáticas, voltas, irregularidades, rugas e detritos de objetos estranhos (FOD) na superfície do reboques pré-impregnados. As falhas devem ser tratadas / corrigidas antes que a estrutura seja curada.

A próxima parada para a Seção 41, após outro ensacamento total, é a autoclave. A Spirit Wichita opera duas autoclaves enormes da Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, EUA). A seção da fuselagem é curada durante a noite, após o que a estrutura é desbastada e o mandril de seis partes é desmontado e removido, seção por seção, através da extremidade larga da fuselagem.

Acabamento pós-processo

O que se segue para a Seção 41 são vários dias de viagem de estação em estação, enquanto toda a estrutura avança para a conclusão. Inclui uma visita a uma máquina de perfuração e encaminhamento de pórticos de 5 eixos da MTorres (Torres de Elorz, Espanha) Torresmill, que faz furos para as estruturas da fuselagem e outras estruturas interiores, bem como aberturas de portas, janelas e abertura do trem de pouso dianteiro. A fuselagem também passa por inspeção não destrutiva por eco de pulso (NDI), preparação de pintura, pintura, instalação de vidros de janela, instalação de portas e instalação de todas as estruturas / sistemas internos. As primeiras estruturas interiores instaladas são as armações circulares (metálicas e compostas), que são fixadas às longarinas e à pele da fuselagem. Ao longo desses processos, a Seção 41 é trabalhada em cada estação quilha para cima ou para baixo, dependendo da atividade envolvida.

Durante CW Durante a visita, aproximadamente 30 estações de trabalho foram vistas, e cada uma continha uma estrutura da Seção 41 em algum estado de montagem, e cada seção deixa Wichita pronta para integração imediata no Boeing FAL em Everett. A Boeing atualmente constrói 12 787s por mês, e está comprometida com 14 por mês até 2019 - um número incomumente grande para uma aeronave widebody.

Sanchez observa que a Spirit tem trabalhado na fabricação da Seção 41 - seja no desenvolvimento ou na produção real - por quase uma década. Quaisquer bugs, torções e idiossincrasias que possam ter existido foram identificados e solucionados há muito tempo. Atender a essa taxa de construção de 14 navios por mês, diz ele, não será um problema.

P&D de última geração

Quando o passeio sai da fábrica da Seção 41, CW é conduzido para fora de um prédio vizinho para uma reunião com Pierre Harter, diretor de pesquisa avançada da Spirit. Anteriormente, um engenheiro na extinta Denver, CO, Adam Aircraft dos EUA e na Bombardier (Montreal, QC, Canadá), e graduado pela Wichita State University, Harter lidera o CW no que parece ser um edifício indefinido, com vários corredores e portas que, no entanto, rapidamente se revela ser o centro do esforço de pesquisa e desenvolvimento de compostos da Spirit.

Por mais sofisticada que seja a linha de fabricação Seção 41 da Spirit, o fato indiscutível é que ela usa tecnologia de fabricação de compósitos que era nova há mais de uma década. As realidades da qualificação aeroespacial (tanto custo quanto tempo) e fabricação forçam a Spirit e outros fornecedores semelhantes a se decidirem por uma tecnologia de fabricação para a estrutura de uma aeronave desde o início, e então ficar com ela durante todo o programa. A capacidade de atualizar equipamentos e materiais, portanto, muitas vezes é limitada, independentemente de quão vantajosos possam ser os avanços mais recentes na tecnologia de fabricação de compósitos.

O trabalho de Harter, portanto, é avaliar novos e emergentes materiais compostos e tecnologias e determinar quais têm probabilidade de encontrar um lar 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 cada um de seus membros se certifica de adquirir o conhecimento e a experiência de que os OEMs precisam.

A sabedoria convencional diz que o próximo programa formalmente anunciado será o New Middle-Market Airplane de corredor único e bimotor (NMA, ou 797) da Boeing, que substituirá efetivamente o 757. Espera-se que este avião entre no mercado por volta de 2025. Embora certamente usará compostos, as perguntas antes da equipe de P&D da Spirit são quanto? Onde? E de que tipo? Ninguém sabe as respostas ainda, então Harter e sua equipe estão avaliando todas as opções. Assim, a gama de materiais, equipamentos e projetos em desenvolvimento na Spirit é atualmente estonteante. “Estamos trabalhando em uma variedade de projetos”, diz Harter. “Fora da autoclave, RTM rápido, termoplásticos, ferramentas inovadoras, inspeção em linha, direcionamento de fibra. Queremos estar prontos para qualquer necessidade dos OEMs. ”

A peça central do laboratório de compósitos da Spirit Wichita é uma máquina AFP Electroimpact de 16 carretéis (rebocadores de 0,125, 0,25, 0,5 polegadas), que Harter diz ser usada para conduzir estudos comerciais sobre o uso de inspeção automatizada em linha, bem como para uma variedade de outras atividades, incluindo prototipagem. O objetivo do sistema de inspeção automatizado, diz Harter, é eliminar o trabalho demorado e trabalhoso que testemunhamos no início do passeio, observando os técnicos da AFP com lanternas, procurando voltas problemáticas, lacunas, rugas e FOD.

O Spirit, diz Harter, está avaliando um sistema LASERVISION da Aligned Vision (Chelmsford, MA, US), que está forçando o Spirit a repensar o que é e o que não é um defeito verdadeiro, “e a repensar como caracterizamos os defeitos”. Ele diz que o sistema pode 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 andamento em vários níveis de prontidão tecnológica (TRL). Isso inclui o seguinte:

• Uma ferramenta de polímero com memória de forma (TRL 6),
• Uma seção de longarina feita com Hexcel’s (Stamford, CT, US) HiTape (fibra seca) usando RTM (TRL 6),
• Uma longarina infundida com sensores embutidos para controle de processo in-situ, curada com o auxílio de uma autoclave ou um forno (TRL 4),
• Uma estrutura feita com AFP direcionado e formação de cortina 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 da cabeça AFP. Este último surgiu de um desafio do final de 2016 na Spirit de dobrar as taxas de demissão da AFP em dois anos. Harter diz que ele e seus associados descobriram, nos esforços para enfrentar este desafio, que "uma vez que os processos robóticos são otimizados, você atinge os limites da tecnologia do cabeçote / máquina", o que significa que o fator limitante da velocidade do AFP torna-se a eficiência da distribuição do reboque de fibra . A Spirit está trabalhando com fornecedores de material e eletroimpacto em tecnologias projetadas para aumentar o rendimento total.

A parada final na excursão Spirit Wichita é o teste de materiais e componentes. Não surpreendentemente, o Spirit tem capacidade robusta aqui, incluindo 15 máquinas de teste mecânico (capacidade de 11-50 kip) fornecidas pela MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, EUA), câmaras de testes ambientais, capacidade de medidor de tensão, sistemas de metrologia e alta baía espaço para teste de componentes em escala real - estruturas de asas e reversores de empuxo estavam sob tensão ativa durante CW's Visita.

Conforme o passeio chega ao fim, despedidas são trocadas e o enorme campus de Wichita da Spirit AeroSystems recua em CW’s partida, é fácil, dadas as consideráveis ​​capacidades de compósitos da Spirit, imaginar como será a próxima década para este grande fabricante de aviões. No mundo aeroespacial global, seu conjunto de capacidades é, indiscutivelmente, sem igual. A Spirit AeroSystems, ao que parece, está preparada para tudo o que o futuro reserva.