Elbit Systems: Soluções em Compósitos de Liderança para Israel e EUA

A Elbit Systems Ltd. (Haifa) é o maior contratante de defesa de Israel, com faturamento de US$ 3,3 bilhões em 2017 e backlog de mais de US$ 7,5 bilhões em 2018. Suas atividades incluem sistemas e estruturas para aeronaves militares e comerciais, veículos terrestres, segurança interna e uma variedade de sistemas de inteligência, eletrônica e cibernéticos. De seus 12.500 funcionários, quase 3.000 estão nos EUA, trabalhando com sua subsidiária Elbit Systems of America, que mantém múltiplas localizações, incluindo nos estados de Utah e New Hampshire e em Ft. Worth, TX, EUA. E a Elbit Cyclone expandiu para um local adicional, chamado Aero-Structure Technologies Cyclone (ATC), perto do aeroporto internacional de Tbilisi, Geórgia, construído em parceria com o governo georgiano. A construção de uma instalação de 12.000 m², equipada com dois autoclaves e capacidade de usinagem CNC e END, está completa. "Estamos trabalhando agora para qualificar esta localização com os principais OEMs de aeronaves", diz Jonathan Hulaty, gerente sênior de desenvolvimento de negócios e marketing da Elbit Cyclone.

A subsidiária Elbit Systems Cyclone está baseada no norte de Israel, e serve como centro de design e produção para estruturas e montagens de aeronaves em metal e compósitos. A empresa está no mesmo local, perto de Karmiel, onde a Cyclone foi estabelecida 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 espiral gerado por pás de helicóptero girando inspirou o nome original da empresa.

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

A Elbit adquiriu a Cyclone no final dos anos 1990, investiu na empresa, e em 2010 ela havia triplicado de tamanho. Em 2017, a Cyclone havia produzido 11.000 portas de alumínio para o 737 comercial da The Boeing Co. (Chicago, IL, EUA), incluindo portas de entrada traseiras, ambas as portas de galley e portas de carga traseiras e dianteiras. Então contratou diretamente com a Boeing para produção de montagens de piso compósitas e peças de detalhe para o 787 Dreamliner, e com a Spirit AeroSystems (Wichita, KS, EUA) para peças compósitas na fuselagem Seção 41 da mesma aeronave. Também fornece vigas de piso de passageiros para a variante Boeing 787-8. A empresa é agora reconhecida como Fornecedor Preferido Nível Ouro da Boeing, o maior prêmio de fornecedor da Boeing. A Cyclone é uma das poucas que o alcançaram e é a primeira fora dos EUA.

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

Hulaty, anfitrião da CW para a visita, recorda: "No final dos anos 1990, tínhamos 400 funcionários. Agora, somos cinco vezes maiores em vendas, com 500 funcionários. Isso é possível graças à nossa ênfase em processos enxutos. A maior parte do que fazemos é construir para impressão, o que pode não soar glorioso, mas responde por grande parte de nossa indústria." Hulaty adiciona que requisitos de qualidade, repetibilidade e competitividade, acoplados ao investimento em equipamentos e sistemas de qualidade necessários para atender à produção, tornam esta uma posição difícil mas interessante no mercado: "Ser um fornecedor Tier aeroespacial de compósitos não é para os fracos de coração."

Longe de desmaiar, a Cyclone viu seu negócio de compósitos ultrapassar sua metalurgia no ano passado, compreendendo a maioria de sua produção, com divisão aproximada de 60/40. Hulaty prevê que o crescimento continuará: "Este ano, provavelmente passaremos para 70% compósitos."

Proficiência em peças

A visita da CW começa na sala de conferências principal do local, onde Hulaty dá uma breve introdução. A produção da Cyclone, explica ele, é dividida cerca de 50/50 entre militar e comercial. Peças compósitas comerciais incluem portas de trem de pouso, peças de nacela, peles, fairings, superfícies de controle e grades de piso estruturais. Compósitos militares incluem peles, portas, tanques externos filamentosos, pilones, superfícies de controle, patins de helicóptero e entradas de motor.

A Cyclone também projetou a asa externa e cauda para um veículo aéreo não tripulado de média altitude e longa duração (MALE UAV) que voa a altitudes de 3.048-9.144 m por durações estendidas (ex: 24 a 48 horas). No entanto, Hulaty nota que a empresa não faz muito trabalho em UAVs mais. "UAVs são tipicamente pequenos, usando laminação úmida, que não é nossa especialidade", explica. Existem UAVs maiores feitos com pré-impregnado, mas Hulaty aponta que estes são tipicamente produzidos em quantidades menores ou produzidos internamente pela Boeing, General Atomics e outros grandes OEMs de defesa. "Preferimos produção serial longa de peças em pré-impregnado vs. programas esporádicos."

As capacidades de peças em pré-impregnado da Cyclone incluem descompactação a vácuo de múltiplas laminações via conformação a quente (HDF) e cura em autoclave. Inspeção não destrutiva (END) e usinagem CNC de peças curadas são completadas no local, e uma especialidade especial é produção de alta taxa de montagens complexas em metal e compósitos. A Cyclone completou todas as certificações de manufatura e qualidade aeroespacial (ex: AS9100, Nadcap, ISO9001) e desenvolveu capacidades em filamento enrolado e moldagem por transferência de resina (RTM).

O RTM foi, de fato, a primeira introdução da CW à Cyclone. O desenvolvimento da empresa de uma alternativa unitizada, totalmente compósita, para portas de passageiros metálicas em aeronaves comerciais foi destaque no artigo da CW de 2013 "Reduzindo o custo de aeroestruturas compósitas integradas." A tecnologia usava RTM e encaixes compósitos geometricamente travados para alcançar uma estrutura certificável pela FAA com muito poucos fixadores, 30% de economia de peso e redução de custo de 25-35% vs. alumínio e designs compósitos de "alumínio preto". A construção bem-sucedida de uma porta compósita totalmente livre de fixadores pela Cyclone, bem como a extensão da tecnologia para superfícies de controle de aeronaves compósitas de menor peso e custo, foi descrita pela CW em uma atualização de 2016 intitulada "Porta de aeronave compósita livre de fixadores e superfícies de controle." Hulaty conclui suas observações introdutórias apontando a Porta #1 livre de fixadores, em exibição na sala de conferências. A peça é impressionante, com acabamento de alta qualidade. Então ele conduz o caminho para fora do prédio.

Laminação e testes simplificados

Hulaty conduz a visita morro abaixo, então vira à esquerda na entrada do prédio de produção de compósitos da Cyclone. Várias peças são exibidas aqui também: fairings de patim traseiro do Boeing 767, winglet de Beechcraft King Air e peças compósitas do F-35. Passada a entrada, uma sala limpa de acesso restrito para produção relacionada à defesa permanece fechada à esquerda. À direita, trabalhadores na sala limpa para peças do Boeing 787 laminam pré-impregnado para uma variedade de peças, desde pequenos clipes e suportes até vigas complexas J, I e C, bem como portas de trem de pouso dianteiro multi-peças. O pré-impregnado é cortado usando um cortador de tecido automatizado Bullmer Assyst (Wakefield, Reino Unido) e uma máquina guilhotina para corte de pilhas grossas em qualquer ângulo. O freezer de pré-impregnado é adjacente à sala limpa. Hulaty nota que às vezes pilhas de pré-impregnado são cortadas, kitadas e devolvidas ao freezer. Sistemas de projeção a laser Aligned Vision (Chelmsford, MA, EUA) localizados por toda a sala limpa auxiliam a laminação manual.

Peças de vigas de piso em plástico reforçado com fibra de carbono (PRFC) estão sendo laminadas em mandris metálicos masculinos. Hulaty detalha o processo simplificado: "Laminamos as pilhas de pré-impregnado primeiro e depois as aplicamos ao mandril. Isso economiza muito tempo vs. aplicar peça por peça na ferramenta. As laminações são então cobertas, com um caul de PRFC de nosso próprio design, que ajuda a garantir 100% de repetibilidade nas peças."

Uma máquina de conformação a quente fica ao longo da parede traseira da sala limpa, permitindo descompactação de muitas peças por ciclo. "Não sei como você faz este tipo de produção de peças em pré-impregnado de alta taxa sem conformação a quente", diz Hulaty em referência a peças como vigas e suportes. E ainda, ele reconhece que esta etapa não é o gargalo, nem o autoclave. "A usinagem no final, após a cura, é o gargalo", ele mantém, explicando que para peças de vigas de piso longas, é mais rápido laminar uma pilha simples e usiná-la após a cura. "O autoclave não é o problema porque podemos empilhar muitas peças para curar de uma vez", ele adiciona. "Assim, na verdade, obtemos uma boa taxa de produção por ciclo de cura."

Em uma grande área adjacente, quatro autoclaves ficam ao longo da parede traseira. "Acertar o tamanho dos autoclaves é complicado", argumenta Hulaty, "porque você está tentando equilibrar taxa de produção e obter peças suficientes por ciclo, com não ter volume demasiado grande para aquecer e resfriar, o que leva tempo." Os autoclaves de 3 m de diâmetro da Cyclone fornecidos pela Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, EUA) variam de 5 m e 10 m de comprimento até o mais longo, de 11 m.

Um mezanino acima da baía de autoclaves abriga um departamento de testes de garantia de qualidade. Aqui, testadores Zwick (Ulm, Alemanha) têm câmaras climáticas para ciclagem de temperatura, necessária para testar materiais usados em superfícies de controle de aeronaves. "Estes realizam ciclagem de temperatura e carga, de acordo com especificações 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 PRFC ("noodle") fabricado pela Cyclone, usado em várias construções de vigas em pré-impregnado. "Esta é uma questão muito complexa quando você faz peças onde a aba da viga deve conectar à alma e um noodle é usado para permitir transferência de carga e evitar vazios", explica Hulaty, conduzindo a visita a um segundo laboratório de testes, onde pequenos discos são polidos e colocados em equipamentos de teste Tegramin feitos pela Struers (Ballerup, Dinamarca). "Isso testa a coerência do nosso processo de laminação", ele aponta, enfatizando: "Testamos isso nós mesmos, não para atender a requisitos de clientes, mas para garantir que estamos indo bem com nossos próprios processos, aderindo aos nossos próprios padrões de qualidade."

END e usinagem

A visita então visita uma instalação adjacente, que abriga operações finais de garantia de qualidade (GQ) e usinagem. A área de END de teto alto abriga uma grande máquina de teste de ultrassom de transmissão através (TTU) fornecida pela Matec Instrument Cos. (Northborough, MA, EUA) à esquerda, completa com esguicho de água para acoplar ondas sonoras à superfície da peça. "Um lado do equipamento TTU pode transmitir e receber enquanto o outro é apenas receptor", explica Hulaty. "Com isso, podemos escanear peças médias a grandes, como um fairing de barriga para jato executivo, em meio turno de oito horas." Ele afirma que este é o maior sistema TTU usado em Israel para END, adicionando: "Escaneamos cada peça de compósito que fazemos. Fairings às vezes podem ir para inspeção baseada em estatísticas depois de um tempo, porque são estruturas secundárias, e não críticas de voo, mas ainda preferimos escanear cada um." Em linha com esta preferência, Hulaty nota que a Cyclone emprega dois técnicos de ensaio não destrutivo (END) 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 peças compósitas sejam submersas em tanques de água aqui também, este não é para um sistema de varredura C. Em vez disso, os tanques servem para UT de array faseado, um método muito rápido que fornece maior precisão que varredura C, mas para formas mais simples.

Conforme a visita passa por prateleiras de peças em vários estágios do processo de GQ, Hulaty aponta ferramentas armazenadas próximo à baía de END. "Projetamos e construímos a maioria de nossas ferramentas internamente, tanto metálicas quanto compósitas, mas alguns clientes preferem fornecer as suas. Também podemos fazer alterações no design da ferramenta para melhorar a produção, claro, apenas com aprovação do cliente."

Através de uma porta e curto corredor, a visita entra nas operações CNC, que abrigam centros de usinagem CNC 5 eixos gêmeos fornecidos pela Breton (Castello di Godego, Itália), empresa originalmente estabelecida na indústria de corte de pedra. "Componentes de máquinas Breton foram construídos com proteção contra poeira de pedra", diz o gerente de engenharia CNC Trevor Hutson. "Assim, funcionam bem com PRFC. Descobrimos que máquinas CNC de marcenaria não eram robustas o suficiente para nossas necessidades de produção."

Hulaty aponta que a temperatura do prédio é mantida a 26 °C ±1 °C. "Cada máquina para se qualquer de seus parâmetros estiver fora de especificação", explica. As máquinas podem lidar com peças até 5 m de comprimento e 2,2 m de largura com 1 m de curso na direção z. Sua precisão volumétrica é citada como 50 mícrons (0,002 polegada).

Uma vez a usinagem completa, uma cabeça de máquina de medição por coordenadas (CMM) é acoplada e realiza CMM na peça para GQ final. Isso é relatado e incluído com a peça através do sistema de controle digital da máquina para economizar tempo de inspeção. "Calibramos a sonda CMM, então fazemos as medições da peça", diz a engenheira CNC Karin Hartman, que, junto com Hutson, funciona como segunda especialista em usinagem CNC da Cyclone. "Isso fornece resultados em tempo real, então podemos lidar com quaisquer problemas antes que migrem para mais de uma peça", Hutson adiciona. "Também economiza tempo, permitindo que qualquer re-usinagem seja feita imediatamente."

Montagem e P&D

Aqui, a visita sai do prédio END/CNC para uma caminhada de volta morro acima passando pelo prédio que abrigava a sala de conferências para uma estrutura adjacente, que acomoda operações de montagem. Hulaty aponta as muitas estações de montagem, que produzem as vigas de piso, viga do convés de voo, viga de alma de cisalhamento e baias de equipamentos eletrônicos (aviónica) para a Seção 41 do 787. Estas, junto com a porta do poço da roda dianteira (NWWD), serão enviadas à Spirit AeroSystems nos EUA, prontas para encaixar na linha de produção daquela empresa para a Seção 41 do 787, a seção dianteira da fuselagem.

Olhando a estação de montagem da alma de cisalhamento em maior detalhe, Hulaty explica que ela suporta o piso de carga da Seção 41, fornecendo suporte transversal através da barriga do avião. A montagem inclui duas vigas longitudinais mais seis suportes, todos montados de cabeça para baixo. Um simples dispositivo rotativo mantém as peças juntas para facilitar a fixação dos suportes.

"Compósitos entram aqui já furados", nota Hulaty. "Apenas metal é furado neste prédio." Metal também é anodizado e pintado no fundo do prédio. Instruções de montagem são exibidas em um monitor de computador em cada estação, usando um sistema pronto. "Mas as instruções são nossas", ele diz. "Modificamos para conversar com os modelos CATIA de cada peça, e 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 por infraestrutura de tela sensível ao toque. Cartões de rota seguem a peça eletronicamente."

Prosseguindo, Hulaty aponta um sistema antimísseis para aeronaves comerciais, chamado C-MUSIC (commercial-multi-spectral infrared counter measure). Foi desenvolvido pela divisão ISTAR da Elbit Systems, e a Cyclone projetou a estrutura do sistema, incluindo allowables gerados internamente. Embora os mecanismos e estrutura interna do sistema sejam metálicos, seu fairing/radome é compósito.

"Todas as companhias aéreas israelenses devem ser equipadas com isso", ele diz. "É um sistema autônomo montado na barriga do avião via kit plug-and-play. Projetado para contrarrestar mísseis portáteis, lançados do ombro, guiados por calor, um laser é disparado contra o míssil se este sistema é ativado." Implantado pela primeira vez em um Boeing 737 em 2013, Hulaty diz que sistemas C-MUSIC têm milhares de horas operacionais em aeronaves comerciais e foram testados no Embraer 170 e 190 assim como na maioria das plataformas comerciais Boeing e vários modelos 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. A CW aprende que o 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 tecnologia de manufatura aditiva para produção de aeroestruturas. "Também estamos interessados em seu potencial para aumentar nossas capacidades de montagem", diz Hulaty. Usos adicionais podem incluir peças para programas de atualização de helicópteros, que ele nota são notoriamente pequenas séries (ex: cinco helicópteros), "então ferramentar não é uma opção acessível." Outras peças na vitrine de P&D incluem uma hélice marinha feita com RTM e um winglet desenvolvido com um cliente para substituir uma montagem de favo de mel de duas peças por uma peça simples e integrada.

Desenvolver estruturas compósitas unitizadas tornou-se uma das forças da Cyclone. O winglet usa pré-impregnado carbono/epóxi monolítico processado fora de autoclave (OOA) para reduzir peso, custo e prazo. As mesmas vantagens são alcançadas em uma superfície de controle integrada, livre de fixadores, feita em processo RTM de uma etapa. Zilberman também liderou a empresa no desenvolvimento de estruturas multifuncionais com captação de energia embutida, capacidade de mudança de forma e sistemas de monitoramento de saúde estrutural/END em asas rotativas e fixas, bem como asas rotativas e fixas auto-adaptativas.

O laboratório de P&D compreende uma sala de corte, sala de usinagem e sala de desenvolvimento RTM. Esta última contém uma prensa de 360 toneladas da Lauffer Pressen (Horb am Neckar, Alemanha) com sistema de potência de 700 kW para aquecer moldes para peças até 2 por 2 m. A Cyclone trabalhou com a Polymer G (Halutza, Israel) para desenvolver o sistema de injeção de resina para a tecnologia integrada de porta de passageiro livre de fixadores e superfície de controle. Também há um grande forno para pré-aquecer moldes RTM e/ou pós-curar peças de resina epóxi.

Investimento em produção futura

Conforme a visita conclui, Hulaty nota que produção de alta taxa e montagem requerem investimento. Através da visita, vimos exemplos disso nos laboratórios de teste e capacidade de END da Cyclone, bem como em sua abordagem à usinagem. A empresa também implementou o software Total Production Optimization (TPO) da Plataine (Waltham, MA, EUA), usado para alcançar economia de material de dois dígitos em suas operações de corte de pré-impregnado. O TPO substituiu o corte e encaixe sequencial anterior de pré-impregnado por um sistema digital automatizado que otimiza ninhos de corte através de múltiplas peças usando os mesmos materiais. Este sistema também ajudou a melhorar o rendimento de manufatura e reduzir tempo necessário para corte e configuração de máquina.

"Somos confiados por nossos clientes para entregar peças de alta qualidade, mas também devemos constantemente buscar formas de gerenciar custo e permitir taxas de produção aumentadas", diz Hulaty. A Elbit Cyclone continua a buscar novas oportunidades e vê um futuro brilhante, embora cheio de desafios. "Temos uma estratégia firme, que está se provando, como visto pelo crescimento da empresa", diz Hulaty. "Dito isso, nossa estratégia está em constante evolução, adaptando-se a mudanças de mercado." A impressão que permanece é uma confiança pragmática baseada em conhecimento e experiência, uma empresa que continuará a cumprir seu papel de converter a promessa de tecnologia avançada em produção confiável de compósitos aeroespaciais.