Atendendo ao mundo dos compósitos em Israel e nos EUA

Elbit Systems Ltd. (Haifa) é a maior empreiteira de defesa de Israel, com um faturamento de US $ 3,3 bilhões em 2017 e uma carteira de mais de US $ 7,5 bilhões em 2018. Suas atividades incluem sistemas e estruturas para aeronaves militares e comerciais, veículos terrestres, pátria segurança e uma variedade de sistemas de inteligência, eletrônicos e cibernéticos. De seus 12.500 funcionários, quase 3.000 estão nos EUA, trabalhando com sua subsidiária Elbit Systems of America, que mantém vários locais, incluindo os estados americanos de Utah e New Hampshire e em Ft. Worth, TX, US. E o Elbit Cyclone se expandiu para um site adicional, chamado Ciclone de tecnologias de aero-estrutura (ATC) , próximo ao aeroporto internacional de Tbilisi, Geórgia, construído em parceria com o governo da Geórgia. A construção de uma instalação de 12.000m2, equipada com duas autoclaves e usinagem CNC e capacidade NDI, está concluída. “Estamos trabalhando agora para qualificar este local com os principais OEMs de aeronaves”, disse Jonathan Hulaty, gerente sênior de desenvolvimento de negócios e marketing da Elbit Cyclone.

A subsidiária Elbit Systems Cyclone está sediada no norte de Israel e atua como um centro de projeto e produção de estruturas e montagens metálicas e compostas para aeronaves. A empresa fica no mesmo local, perto de Karmiel, onde a Cyclone foi fundada em 1970, em um único prédio, para fornecer serviços de manutenção, reparo e revisão (MRO) para aeronaves e helicópteros da Força Aérea de Israel. O vento em espiral gerado pelas pás giratórias do helicóptero inspirou o nome original da empresa.

A Cyclone havia estabelecido capacidade de compósitos na década de 1980 e começou a trabalhar para clientes fora de Israel, construindo portas de metal para McDonnell Douglas DC-10 e MD-11 aeronaves widebody e peças para F-15 e F-16 jatos militares, bem como o Gulfstream G-200 jato executivo.

A Elbit adquiriu a Cyclone no final dos anos 1990, investiu na empresa e, em 2010, triplicou de tamanho. Em 2017, a Cyclone havia produzido 11.000 portas de alumínio para aeronaves comerciais 737 da The Boeing Co. (Chicago, IL, EUA), incluindo portas de entrada traseiras, portas da cozinha e portas de carga à frente e à ré. Em seguida, contratou diretamente a Boeing para a produção de conjuntos de piso composto e peças de detalhe para o 787 Dreamliner , e com a Spirit AeroSystems (Wichita, KS, US) para peças de compósitos na seção 41 da fuselagem dessa mesma aeronave. Ela também fornece vigas de passageiros para a variante do Boeing 787-8. A empresa agora é reconhecida como um fornecedor preferencial da Boeing Gold Level, o maior prêmio de fornecedor da Boeing. Cyclone é um dos poucos que o conseguiu e é o primeiro fora dos Estados Unidos.

A empresa também fornece peças para os jatos executivos de longo alcance da Bombardier (Montreal, QC, Canadá) e várias peças para três variantes do F-35 ancorado nos EUA Lightning II . Outros notáveis ​​na longa lista de clientes da Cyclone incluem Lockheed Martin, Sikorsky, GKN Aerospace, Textron, Triumph, Northrop Grumman e Bell Helicopter.

Hulaty, CW’s O anfitrião da turnê, relembra:“No final da década de 1990, tínhamos 400 funcionários. Agora, somos cinco vezes maiores em vendas, com 500 funcionários. Isso é possível graças à nossa ênfase nos processos enxutos. A maior parte do que fazemos é construir para imprimir, o que pode não parecer glorioso, mas é responsável por uma grande parte de nossa indústria ”. Hulaty acrescenta que os requisitos de qualidade, repetibilidade e competitividade, juntamente com o investimento em equipamentos e sistemas de qualidade necessários para atender à produção, tornam esta posição difícil, mas interessante no mercado:“Ser um fornecedor de compósitos aeroespaciais não é para os fracos de coração.”

Longe de desmaiar, a Cyclone viu seu negócio de compósitos ultrapassar sua metalurgia no ano passado para compreender a maior parte de sua produção, com uma divisão de aproximadamente 60/40. Hulaty prevê que o crescimento continuará:“Este ano, provavelmente passaremos para 70% dos compósitos”.

Proficiência em peças

CW’s o tour começa na sala de conferências principal do local, onde Hulaty dá uma breve introdução. A produção de Cyclone, explica ele, é dividida cerca de 50/50 entre militares e comerciais. As peças compostas comerciais incluem portas do trem de pouso, peças da nacela, películas, carenagens, superfícies de controle e grades estruturais do piso. Os compostos militares incluem películas, portas, tanques externos enrolados em filamentos, postes, superfícies de controle e patrocinadores de helicópteros e tomadas de motor.

Cyclone também projetou a asa externa e a cauda para um veículo aéreo não tripulado de média altitude e longa duração (UAV MASCULINO) que voa em altitudes de 3.048-9.144 m por períodos prolongados (por exemplo, 24 a 48 horas). No entanto, observa Hulaty, a empresa não faz mais muito trabalho com UAV. “Os UAVs são normalmente pequenos, usando layup molhado, o que não é nossa especialidade”, explica ele. Existem UAVs maiores feitos com prepreg, mas Hulaty aponta que eles são normalmente produzidos em quantidades menores ou produzidos internamente pela Boeing, General Atomics e outros grandes OEMs de defesa. “Preferimos uma longa produção em série de peças pré-impregnadas em vez de programas esporádicos.”

As capacidades de peças pré-impregnadas do Cyclone incluem redução de volume a vácuo de múltiplas camadas via formação de cobertura a quente (HDF) e cura em autoclave. A inspeção não destrutiva (NDI) e a usinagem CNC de peças curadas são concluídas no local, e uma especialidade especial é a produção de alta taxa de conjuntos complexos de metal e compostos. A Cyclone concluiu todas as certificações de qualidade e fabricação aeroespacial (por exemplo, AS9100, Nadcap, ISO9001) e desenvolveu recursos em enrolamento de filamento e moldagem por transferência de resina (RTM).

RTM era, na verdade, CW Primeira introdução ao Cyclone. O desenvolvimento da empresa de uma alternativa unificada e totalmente composta para portas de passageiros de metal em aeronaves comerciais foi apresentada no CW de 2013 artigo “Cortando o custo de aeroestruturas compostas integradas.” A tecnologia usou RTM e acessórios compostos geometricamente bloqueados para obter uma estrutura certificável pela FAA com muito poucos fixadores, 30% de economia de peso e 25-35% de redução de custos em comparação com designs compostos de alumínio e “alumínio preto”. A construção bem-sucedida da Cyclone de uma porta composta totalmente sem fixadores, bem como a extensão da tecnologia para superfícies de controle de aeronaves compostas mais leves e de baixo custo, foi descrita por CW em uma atualização de 2016 intitulada “Superfícies de controle e porta da aeronave sem fixadores”. Hulaty conclui suas observações introdutórias apontando para a Porta nº 1 sem fechos, em exibição na sala de conferências. A peça é impressionante, com acabamento de alta qualidade. Em seguida, ele lidera o caminho para fora do prédio.

Configuração e testes simplificados

Hulaty lidera o passeio colina abaixo, depois vira à esquerda na entrada do prédio de produção de compósitos de Cyclone. Várias peças também são mostradas aqui:carenagens de derrapagem da cauda do Boeing 767, um Beechcraft King Air winglet e peças compostas F-35. Depois da entrada, uma sala limpa de acesso restrito para a produção relacionada à defesa permanece fechada à esquerda. À direita, os trabalhadores da sala limpa para as peças do Boeing 787 preparam o pré-impregnado para uma série de peças, de pequenos clipes e pilares a vigas J, I e C complexas, bem como portas de trem de pouso de nariz de várias peças. Prepreg é cortado usando um cortador de tecido automatizado Bullmer Assyst (Wakefield, Reino Unido) e uma máquina de guilhotina para cortar pilhas grossas em qualquer ângulo. O freezer pré-impregnado fica ao lado da sala limpa. Hulaty observa que às vezes as pilhas de prepreg são cortadas, preparadas e colocadas de volta no freezer. Os sistemas de projeção a laser Aligned Vision (Chelmsford, MA, US) localizados em toda a sala limpa auxiliam na colocação das mãos.

As peças da viga de piso de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) estão sendo colocadas em mandris de metal machos. Hulaty detalha o processo simplificado, “Colocamos as pilhas de prepreg primeiro e depois as aplicamos ao mandril. Isso economiza muito tempo em comparação com a aplicação fragmentada na ferramenta. Os layups são então cobertos, com uma capa de CFRP de nosso próprio projeto, o que ajuda a garantir 100% de repetibilidade nas peças ”.

Uma máquina formadora de cortina a quente fica ao longo da parede posterior da sala limpa, permitindo a redução de volume de muitas peças por ciclo. “Eu não sei como você faz esse tipo de produção de peças pré-impregnadas de alta taxa sem a formação de cortinas a quente”, diz Hulaty em referência a peças como vigas e pilares. E, no entanto, ele reconhece que essa etapa não é o gargalo, nem a autoclave. “A usinagem no final, após a cura, é o gargalo”, afirma ele, explicando que, para peças de viga de piso longas, é mais rápido acondicionar uma pilha simples e usinar após a cura. “A autoclave não é o problema porque podemos empilhar muitas peças para curar de uma só vez”, acrescenta. “Então, nós realmente obtemos uma boa taxa de produção por ciclo de cura.”

Em uma grande área adjacente, quatro autoclaves ficam ao longo da parede posterior. “Conseguir o tamanho certo para suas autoclaves é complicado”, afirma Hulaty, “porque você está tentando equilibrar a taxa de produção e obter peças suficientes por ciclo, sem ter um volume muito grande para aquecer e resfriar, o que leva tempo . ” As autoclaves de 3m de diâmetro da Cyclone fornecidas pela Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, EUA) variam de 5m e 10m de comprimento até a maior, com 11m.

Um mezanino acima da baía da autoclave abriga um departamento de testes de garantia de qualidade. Aqui, os testadores de Zwick (Ulm, Alemanha) têm câmaras climáticas para ciclos de temperatura, necessárias para testar materiais usados ​​em superfícies de controle de aeronaves. “Eles executam ciclos de temperatura e carga, de acordo com as especificações do OEM”, diz Hulaty. “Fazemos todos os testes internamente e podemos realizar qualificações de materiais porque quase todos os nossos clientes visitaram e qualificaram nosso laboratório.”

Ele mostra micrografias de um preenchimento de raio CFRP ("macarrão") fabricado pela Cyclone, usado em várias construções de vigas pré-impregnadas. “Este é um problema muito complexo quando você está fazendo peças onde o flange da viga deve se conectar à rede e um macarrão é usado para permitir a transferência de carga e evitar vazios”, explica Hulaty, conduzindo o tour para um segundo laboratório de teste, onde pequenos discos são polidos e colocados no equipamento de teste Tegramin fabricado pela Struers (Ballerup, Dinamarca). “Isso testa a coerência do nosso processo de layup”, ressalta ele, enfatizando, “Nós mesmos testamos isso, não para atender aos requisitos do cliente, mas sim para ter certeza de que estamos indo bem com nossos próprios processos, aderindo à nossa própria qualidade padrões."

NDI e usinagem

O próximo tour visita uma instalação adjacente, que abriga a garantia de qualidade final (QA) e as operações de usinagem. A área NDI de teto alto abriga uma grande máquina de teste de ultrassom por transmissão (TTU) fornecida pela Matec Instrument Cos. (Northborough, MA, EUA) à esquerda, completa com squirter de água para acoplar as ondas sonoras à superfície da peça. “Um lado do equipamento TTU pode transmitir e receber, enquanto o outro é apenas um receptor”, explica Hulaty. “Com isso, podemos digitalizar peças de médio a grande porte, como a carenagem da barriga de um jato executivo, em meia jornada de oito horas.” Ele afirma que este é o maior sistema TTU usado em Israel para a NDI, acrescentando:“Nós digitalizamos cada peça do composto que fazemos. As carenagens às vezes podem passar por inspeção com base em estatísticas depois de um tempo, porque são estruturas secundárias e não são críticas para o voo, mas ainda preferimos fazer a varredura de todas ”. Em linha com essa preferência, Hulaty observa que a Cyclone emprega dois técnicos de ensaios não destrutivos (NDT) Nível III para compósitos.

Continuando pelo laboratório, à direita está outra máquina de teste ultrassônico automatizado (UT), esta feita pela ScanMaster Systems Ltd. (Rosh-Ha’ayin, Israel). Embora as peças compostas também estejam submersas em tanques de água, isso não é para um sistema C-scan. Em vez disso, os tanques servem UT phased array, um método muito rápido que fornece maior precisão do que um C-scan, mas para formatos mais simples.

Conforme o tour passa pelos racks de peças em vários estágios do processo de controle de qualidade, Hulaty aponta as ferramentas armazenadas próximo ao compartimento NDT. “Nós projetamos e construímos a maioria de nossas ferramentas internamente, tanto metálicas quanto compostas, mas alguns clientes preferem fornecer as suas próprias. Também podemos fazer alterações no projeto das ferramentas para melhorar a produção, é claro, apenas com a aprovação do cliente. ”

Por uma porta e um corredor curto, o tour entra nas operações CNC, que abrigam centros de usinagem CNC de 5 eixos fornecidos pela Breton (Castello di Godego, Itália), uma empresa originalmente estabelecida na indústria de lapidação. “Os componentes das máquinas bretãs foram construídos com proteção contra pó de pedra”, diz o gerente de engenharia da CNC Trevor Hutson. “Assim, eles funcionam bem com CFRP. Descobrimos que as máquinas CNC para trabalhar madeira não eram robustas o suficiente para nossas necessidades de produção ”.

Hulaty destaca que a temperatura do prédio é mantida em 26 ° C ± 1 ° C. “Cada máquina irá parar se algum de seus parâmetros estiver fora das especificações”, explica ele. As máquinas podem manusear peças de até 5 m de comprimento e 2,2 m de largura com 1 m de deslocamento na direção z. Sua precisão volumétrica é citada como 50 mícrons (0,002 polegadas).

Uma vez que a usinagem é concluída, um cabeçote da máquina de medição por coordenadas (CMM) é ligado e executa o CMM na peça para o QA final. Isso é relatado e incluído com a peça por meio do sistema de controle digital da máquina para economizar tempo de inspeção. “Calibramos a sonda CMM e, em seguida, fazemos as medições da peça”, diz a engenheira CNC Karin Hartman, que, ao lado de Hutson, atua como o segundo especialista em usinagem CNC da Cyclone. “Isso fornece resultados em tempo real, para que possamos lidar com quaisquer problemas antes de migrá-los para mais de uma parte”, acrescenta Hutson. “Isso também economiza tempo, permitindo que qualquer reusinagem seja feita imediatamente.”

Montagem e P&D

Aqui, o passeio sai do prédio NDT / CNC para uma caminhada de volta pela colina, passando pelo prédio que abrigava a sala de conferências e uma estrutura adjacente, que acomoda as operações de montagem. Hulaty aponta as muitas estações de montagem, que produzem as vigas do piso, viga da cabine de comando, viga da alma de cisalhamento e baia de equipamento eletrônico (aviônica) para a Seção 41 do 787. Estes, junto com a porta do poço da roda do nariz (NWWD), serão enviados para Spirit AeroSystems nos EUA, pronto para entrar na linha de produção dessa empresa para o 787 Seção 41, a seção dianteira da fuselagem.

Olhando para a estação de montagem da teia de cisalhamento em mais detalhes, Hulaty explica que ela suporta o piso de carga da Seção 41, fornecendo suporte transversal ao longo da barriga do avião. A montagem inclui duas vigas longitudinais mais seis pilares, todos montados de cabeça para baixo. Um gabarito rotativo simples mantém as peças juntas para facilitar a fixação das colunas.

“Os compósitos entram aqui já perfurados”, observa Hulaty. “Apenas metal é perfurado neste edifício.” O metal também é anodizado e pintado na parte de trás do prédio. As instruções de montagem são exibidas em um monitor de computador em cada estação, usando um sistema pronto para uso. “Mas as instruções são nossas”, diz ele. “Modificamos para conversar com os modelos CATIA para cada peça e, em seguida, nosso departamento de engenharia criou as instruções de montagem.” Ele explica que a cor vermelha indica uma mudança ou erro cometido no passado. “É um ambiente quase sem papel, habilitado pela infraestrutura de tela de toque. Os cartões de rota seguem a peça eletronicamente. ”

Seguindo em frente, Hulaty aponta um sistema anti-míssil para aeronaves comerciais, chamado C-MUSIC (contador infravermelho multi-espectral comercial). Foi desenvolvido pela divisão ISTAR da Elbit Systems, e Cyclone projetou a estrutura do sistema, incluindo as permissões geradas internamente. Embora os mecanismos do sistema e a estrutura interna sejam metálicos, sua carenagem / cúpula é composta.

“Todas as companhias aéreas israelenses devem estar equipadas com isso”, diz ele. “É um sistema autônomo montado na barriga do avião por meio de um kit plug-and-play. Projetado para neutralizar mísseis direcionadores de calor, lançados no ombro e portáteis pelo homem, um laser é disparado contra o míssil que se aproxima se este sistema for ativado. ” Implantado pela primeira vez em um Boeing 737 em 2013, Hulaty diz que os sistemas C-MUSIC têm milhares de horas operacionais em aeronaves comerciais e foram testados no Embraer 170 e 190 bem como a maioria das plataformas comerciais Boeing e vários modelos da Airbus (Toulouse, França).

Do outro lado da rua, no laboratório de P&D, o corredor de entrada exibe uma variedade de peças, incluindo algumas feitas de titânio impresso em 3D. CW descobre que este último resultou das atividades de um consórcio israelense liderado pelo chefe de P&D da Elbit-Cyclone, Lior Zilberman. O objetivo do consórcio era avançar a tecnologia de manufatura aditiva para a produção de aeroestruturas. “Também estamos interessados ​​em seu potencial para aumentar nossa capacidade de montagem”, diz Hulaty. Os usos adicionais podem incluir peças para programas de atualização de helicópteros, que ele observa são notoriamente pequenas execuções (por exemplo, cinco helicópteros), "portanto, ferramentas não são uma opção acessível." Outras peças na vitrine de P&D incluem uma hélice marítima feita com RTM e um winglet desenvolvido com um cliente para substituir um conjunto em favo de mel de duas peças por uma peça simples e integrada.

O desenvolvimento de estruturas compostas unificadas se tornou um dos pontos fortes do Cyclone. O winglet usa pré-impregnado de carbono / epóxi monolítico processado em autoclave (OOA) para reduzir o peso, o custo e o tempo de execução. As mesmas vantagens são obtidas em uma superfície de controle integrada e sem fixadores, feita em um processo RTM de uma única vez. Zilberman também liderou a empresa no desenvolvimento de estruturas multifuncionais com captação de energia incorporada, capacidade de transformação de forma e monitoramento de integridade estrutural / sistemas NDI em asas rotativas e fixas, bem como asas rotativas e fixas compostas auto-adaptáveis.

O laboratório de P&D compreende uma sala de corte, uma sala de usinagem e uma sala de desenvolvimento de RTM. Este último contém uma prensa de 360 ​​toneladas da Lauffer Pressen (Horb am Neckar, Alemanha) com um sistema de potência de 700 kW para aquecer moldes para peças de até 2 por 2 m. Cyclone trabalhou com a Polymer G (Halutza, Israel) para desenvolver o sistema de injeção de resina para a porta do passageiro sem prendedores e tecnologia de superfície de controle integrada. Existe também um grande forno para pré-aquecimento dos moldes RTM e / ou pós-cura das peças em resina epóxi.

Investimento na produção futura

Quando a viagem termina, Hulaty observa que a produção e montagem de alta taxa requerem investimento. Durante o tour, vimos exemplos disso nos laboratórios de teste da Cyclone e na capacidade do NDI, bem como sua abordagem de usinagem. A empresa também implementou o software Total Production Optimization (TPO) da Plataine (Waltham, MA, EUA), usado para obter economia de material de dois dígitos em suas operações de corte pré-impregnado. A TPO substituiu o corte e aninhamento sequencial anterior de prepreg por um sistema digital automatizado que otimiza os ninhos de corte em várias peças usando os mesmos materiais. Esse sistema também ajudou a melhorar o rendimento da fabricação e a reduzir o tempo necessário para o corte, bem como a configuração da máquina.

“Nossos clientes confiam em nós para fornecer peças de alta qualidade, mas também devemos buscar constantemente maneiras de gerenciar custos e permitir taxas de produção aumentadas”, diz Hulaty. Elbit Cyclone continua em busca de novas oportunidades e vê um futuro brilhante, embora cheio de desafios. “Temos uma estratégia firme, que está se mostrando comprovada pelo crescimento da empresa”, afirma Hulaty. “Dito isso, nossa estratégia está em constante evolução, adaptando-se às mudanças do mercado.” A impressão que perdura é de uma confiança pragmática baseada no conhecimento e na experiência, uma empresa que continuará a cumprir seu papel de converter a promessa de tecnologia avançada em produção confiável de compósitos aeroespaciais.