LEAP發動機風扇葉片制造廠
奧爾巴尼工程復合材料編織 LEAP 風扇葉片圖 1. Albany Engineered Composites 與賽峰共同運營三家工廠，為 CFM International 的 LEAP 飛機發動機制造風扇葉片、風扇罩和墊片。圖中所示的葉片是通過樹脂傳遞模塑（RTM）新制造的，位于美國新罕布什爾州奧爾巴尼的羅切斯特工廠，這是該公司最大的機匣和葉片生產工廠。奧爾巴尼/賽峰的其他工廠位于法國和墨西哥
考慮到所有關于在下一代復合材料航空結構中滿足大批量制造要求的挑戰，人們很容易忘記，已經有一些航空復合材料項目需要強大的自動化、工業化和質量水平。
美國新罕布什爾州羅切斯特市的奧爾巴尼工程復合材料公司（AEC）就是這樣，自 2013 年以來，該公司一直在為 CFM International（美國俄亥俄州辛辛那提）制造的 LEAP 飛機發動機的所有變體制造碳纖維復合風扇機匣、風機葉片（圖 1）和墊片，通用電氣（辛辛那提）和賽峰航空發動機公司（法國庫爾庫龍）的合資企業。AEC 是風扇機匣、風扇葉片和風扇葉片墊片的唯一來源制造商。
LEAP 發動機由賽峰為單通道飛機市場共同開發和設計，面向空客、波音和中國商飛制造的飛機，已成為窄體飛機推進的事實標準。LEAP-1A 型號提供 24500-33000 磅的推力，是空客 A320neo系列的兩種發動機選項之一（普惠 GTF 發動機是另一種選項）。
LEAP-1B（23000-28000 磅）是波音737 MAX 飛機的唯一發動機選項。LEAP-1C（27980-30000 磅）是中國商用飛機 C919 的唯一發動機選項。每個 LEAP 發動機都有 18 個碳纖維復合材料風扇葉片（圖 1），在碳纖維復合風扇機匣內旋轉。
賽峰在 2022 年 12 月的資本市場日上表示，LEAP 發動機（所有變體）在全球窄體市場占有 72%的份額，在 A320neo 系列上占有 60%的市場份額。此外，賽峰還報告了 10300 臺 LEAP 發動機的訂單積壓，相當于驚人的 185400 個風扇葉片，使該發動機平臺成為世界上最大的復合風扇葉片消費者。
制造數量的挑戰與質量的挑戰更為復雜。風扇葉片至關重要，是飛機發動機運行的主要結構，原因顯而易見；因此，葉片故障——尤其是葉片脫落的情況——必須是特殊且罕見的。這種制造量和質量的結合在航空復合材料行業是罕見的，但它也是未來的風向標。
2013 年，CW 首次訪問羅切斯特的 AEC 時，該公司剛剛開始LEAP 項目的制造業務。十年后的今天，AEC 的羅徹斯特工廠已全面工業化，可進行高容量、高質量的復合材料制造，這使該公司成為航空航天市場的主要制造商。在我們最近的訪問中，CW親眼目睹了該公司是如何實現這一轉變的。在此過程中吸取的經驗教訓將對整個航空航天復合材料供應鏈具有指導意義。
奧爾巴尼工程復合材料LEAP風扇機匣繞組圖2.奧爾巴尼為 LEAP 發動機制造了三種外殼和葉片變體——一種用于空客（1A），一種用于波音（1B），另一種用于中國商飛（1C）。不同型號的尺寸變化不大，但每個風扇外殼的直徑約為 2 米。圖中所示為在 RTM 之前將編織的扇形外殼預成型件纏繞在心軸上。
三零件，三工廠
了解AEC羅徹斯特工廠的一些情況很重要。首先，這里不僅僅是AEC的所在地。賽峰作為客戶，經營著34.5 萬平方英尺工廠的約三分之一，并直接交付LEAP項目的所有AEC生產的產品。其次，這并不是唯一一家為LEAP項目制造風扇外殼和葉片的AEC/賽峰工廠。還有另外兩個類似但規模較小的設施，一個位于法國商業區（100000平方英尺），另一個位于墨西哥克雷塔羅區 （70000平方英尺）。每個工廠都通過了AS9100認證，三家工廠總共雇傭了大約675名員工。
除了LEAP計劃外，AEC還在美國得克薩斯州的博恩（170000平方英尺）、美國猶他州的鹽湖城（652000平方英尺）和德國的凱澤斯勞滕（550000平方英尺）運營設施。AEC在全球擁有約1800名員工。然而，對于LEAP來說，羅切斯特工廠是其旗艦業務。它還制造了合同中的所有三種復合材料零件，每年的數量與零件尺寸成反比：風扇殼體（1500個）、風扇葉片（10000個）、墊片（30000個）。羅切斯特工廠為一臺LEAP發動機配套供應，包括一個風扇殼、18 個風扇葉片和18個墊片。
羅切斯特工廠也是GE9X發動機3.8米直徑風扇罩的制造地，該風扇罩由通用電氣航空航天公司（辛辛那提）為波音777X制造。GE9X的推力為 105000 磅，是世界上最大、最強大的商用飛機發動機。
然而，這架為其制造的飛機尚未獲得飛行認證，預計要到2025年才能投入使用。此外，商業航空航天行業正在遠離777X所基于的寬體飛機架構。盡管如此，GE9X風扇案例代表了AEC在羅切斯特已經實現的規模和效率。
無論是哪一部分，羅徹斯特工廠的所有制造都圍繞著兩個核心流程進行，該工廠雇傭了約 275 名員工：3D 連續纖維增強材料的定制、高度工程化編織，以及在高度專業化的工具系統中對這些織物進行樹脂轉移成型（RTM-resin transfer molding）。
AEC 將自己描述為 3D 編織復合材料的世界領導者，其吸引力在于其提供的級聯優勢：全厚度增強、多層互鎖預成型件、集成結構、可成型性、近凈形狀預成型、高度自動化和最小浪費。
Brent Stevenson，工程與技術副總裁，強調了3D編織在風扇情況下的好處：“通過3D編織，我們可以提供軸向的連續纖維和徑向的連續纖維。這就是我們技術的獨特之處，再加上你有第三維度的材料將其連接在一起。這三者結合在一起，創造了一種真正獨特的預成型技術。”
CW的訪問重點是了解編織和 RTM 是如何針對高速航空航天制造進行優化的。
奧爾巴尼工程復合材料碳纖維絲束和紗線制備區圖3.奧爾巴尼用于風扇外殼和葉片生產的核心技術之一是3D編織。每臺進行織造的織機都由數千根碳纖維絲束或紗線供給。這里顯示的是碳纖維制備區，在筒子架交付到織機之前，這里的顏色代碼用于表示纖維類型和格式。
風扇機匣
CW在羅徹斯特工廠運營總監Réjean Lavallée的帶領下參觀了該工廠，從LEAP發動機上最大的復合零件開始。LEAP各型號的風扇機匣相似但不完全相同，根據發動機推力的不同，在結構和直徑上略有不同——推力越大，風扇機匣就越大。然而，每種變體的直徑約為2米，寬度為750毫米，重量明顯小于可比的金屬設計，并且每種變體都是按照相同的程序制造的。
第一步，也是 CW 的第一站，是五臺大型織機，生產復雜的碳纖維織物預制件，其寬度與風扇外殼的寬度相匹配。這些是提花織機，用干碳纖維編織而成?？棛C的設計使 AEC 能夠根據需要對織物進行錐形處理，以改變厚度，從而適應風扇機匣結構。
織機由2000多條由多種碳纖維紗線組成的繞線絲束從后部喂入。AEC 編織的復雜性是由多種因素來衡量的，包括預制棒的結構、形狀和長度。一個完整的風扇機匣預制件使用數萬根緯紗纖維，長度約為80英尺。
AEC在過去十年中獲得的大部分制造效率都圍繞著編織過程。Lavallée 表示，現在風扇機匣的編織速度是2013年的四倍。
其他指標也得到了改進：流程更加穩定和一致，機器利用率更高，廢品率降至 2.5%（并在下降），接觸勞動力顯著減少。這種效率的提高并非微不足道。事實上，AEC 指出，在所有運營中，機器利用率是推動公司提高能力并滿足 LEAP 計劃費率要求的一個指標。“當這成為衡量標準時，”業務發展高級總監 RayRingleb 說，“它改變了一切。”
編織好風扇機匣預成型件后，將其移至卷繞機，放置在心軸上（圖 2）。卷繞器將編織的預成型件包裹在 IML 風扇機匣模具周圍。Lavallée 說：“編織后，預成型件被卷起，然后在張力下展開，同時使用激光對準輔助來確保正確定位到工具中。”
很明顯，即使在這個早期階段，AEC的運營在很大程度上依賴于先進的技術來管理預制件的質量、放置和對齊。史蒂文森說：“你會在整個工廠看到很多過程監控。”。“激光對準、攝像頭、數據板將信息從機器上提取出來，推動卓越的運營，因為生產率需要它。因為正如我們所了解到的，微小的擾動可能會很快失控。我們必須非常小心地管理過程控制。”
奧爾巴尼工程復合材料 LEAP 葉片編織線圖 4. 奧爾巴尼為 LEAP 項目生產的產量最高的產品是風扇葉片。每臺發動機轉動18個葉片，奧爾巴尼積壓了10000多臺發動機的訂單，需要制造185000多個葉片。這里展示的是奧爾巴尼-羅徹斯特工廠的織機，為葉片編織復雜的3D預成型件
Lavallée 表示，AEC 需要幾個小時才能將 80 英尺的預制棒纏繞到工具上。一旦工具完全組裝好，就將其轉移到烤箱中，為RTM 做準備。樹脂由系統通過多個注射器輸送到每個工具。所使用的樹脂體系是增韌環氧樹脂體系。
在解釋注入和固化時，Lavallée 指出，AEC 正在積極尋求技術，盡可能地自動化注入過程，以消除人為因素。“我們真正了解關鍵的工藝參數，”他說。“我們正在系統地完成所有流程，通過添加技術和最大限度地減少觸摸勞動來消除這些參數的任何變化源。”
固化后，對風扇機匣尺寸進行驗證并記錄。史蒂文森說，這對賽峰公司來說尤其重要，如果檢測到異常情況，賽峰公司需要通知。
“以這種速度，如果突然出現哪怕只有萬分之三英寸的打滑，”他說，“賽峰可能需要調整他們的加工，他們需要知道即將發生的情況。然后，要么我們需要糾正，要么賽峰需要調整其加工。這些早期預警信號至關重要。”
鑒于賽峰與 AEC 位于羅切斯特工廠，風扇機匣和所有其他LEAP 產品的交付工作很快完成。賽峰的運營超出了我們的視野，與 AEC 在工廠的空間被一個適度的分區隔開，這證明了兩家公司享有密切的工作關系。
Lavallée 表示，賽峰在收到風扇機匣或葉片時，會進行幾次精加工，為發動機集成做好準備。這些包括加工、鉆孔、噴漆和連接金屬前緣（風扇葉片）。
AEC 與賽峰的關系密切，無論是在工廠內部還是作為商業合作伙伴。市場營銷和業務開發高級副總裁邁克爾·迪爾（MichaelDill）指出，“我們發現賽峰是一個很好的合作伙伴。他們認可我們的專業知識，并讓我們根據自己的需要進行管理。多年來，這是一種很好的工作關系。”AEC 和賽峰在 2021 宣布，他們的發展合作關系已延長至 2046 年。
風扇葉片、墊片
離開風扇機匣，參觀轉向風扇葉片和墊片制造，這是羅切斯特工廠中消耗空間最多的制造作業。在這里，產品尺寸減小，但所有其他材料——材料、編織機、RTM 系統——的體積都大幅增加。
奧爾巴尼工程復合材料 LEAP 風葉 RTM 生產線圖 5. 每個風扇葉片預制件編織完成后，將其轉移到一個匹配的金屬模具中，如圖中前景所示。在模具關閉并轉移到 25 臺 RTM 壓機之一（背景）進行樹脂注射之前，激光投影儀驗證預成型件的正確放置。鋼化環氧樹脂系統與風扇外殼中使用的系統相同
我們首先看到的是織造作業的原材料準備區（圖 3）。它的特點是多個帶有顏色編碼的筒子架，可容納各種形式的碳纖維，從單根絲束到多根捻成紗線的絲束。每個筒子架上的顏色向操作員發出纖維類型和格式的信號；這些顏色反過來又與織機上的顏色相關，向操作員發出應該使用和不應該使用筒子架的信號。
事實證明，顏色是AEC制造戰略的重要組成部分，有助于操作員輕松快速地將材料與設備相匹配。史蒂文森提醒我們，羅切斯特使用的流程和程序并不局限于羅切斯特。墨西哥和法國的工廠也必須遵守這些規定。
Lavallée 說：“挑戰在于在三種不同文化中的三個工廠中生產產品。”。“這真的讓我們明白了需要做些什么來標準化操作，這樣我們就可以在三個不同的地方按照相同的規格制造相同的零件。使用顏色是實現這一點的一種方法。”
經過材料準備，我們進入了一個令人印象深刻的長而寬的織機陣列（圖 4）。這些織機中的絕大多數都用于編織扇形葉片預制件；一臺織機生產間隔件預成型件。這里的每臺扇葉織機都由超過3500絲束的碳纖維供給，每臺預成型件需要數千根緯紗。
與風扇機匣織機一樣，織造程序旨在生產具有高度特定形狀和結構的風扇葉片預成型件，以滿足應用的設計要求。一個顯著的區別是，風扇葉片的設計特點是根部較厚，向兩個方向逐漸變細，形成相對較薄的葉尖。編織過程必須適應這種錐形，以獲得接近凈形狀的預成型件。
Lavallée 表示，一臺織機可以在 24 小時內編織出多個葉片預制件。此外，與風扇機匣織機類似，風扇葉片織機的效率在過去十年中有所提高，使 AEC 的產量增加了一倍以上。
Lavallée 表示，這里和風扇機匣區域的每臺織機都配備了各種自動化工具，旨在提供過程中的質量檢查。這包括自動視覺檢測技術，用于尋找斷裂的纖維和斷裂的絲束，Lavallée 指出，這在定義上沒有問題。
史蒂文森進一步闡述了這一觀點：“這個（檢查）過程已經變得非常穩定，因此我們很少被迫進行返工。更多的時候，我們會看到隨著時間的推移，過程會逐漸偏離，我們會糾正。”
一個扇形葉片預成型件從織機上呈現出一個非常密集、接近凈形狀的葉片狀 3D 結構。預成型件非常厚，并且在根部完全是3D 的，然后在厚度上向邊緣和尖端逐漸減小。此外，預成型件不是完全的碳纖維；還有其他纖維被戰略性地集成，以提供工藝和性能優勢。
Lavallée 說，在這一點上，預成型件上有一些多余的材料。目前，這是通過自動和手動修剪過程去除的。修整后，將預成型件平躺輸送到制造過程的下一步，即 RTM。
RTM 區域包括注入單元工作站，這些注入工作站被組織成兩個平行的行（圖 5）。在這里，預成型件被手動放置到匹配的金屬模具的母模中（見前景，圖 5）。頭頂激光系統引導手動預成型件放置和定位。
圖 6. 在羅切斯特的奧爾巴尼工廠，運營總監Réjean Lavallée（左）與即將上任的運營總監Matt Chapman 站在一起。他們站在那里，手里拿著兩片 LEAP 風扇葉片，這兩片葉片剛剛從RTM壓機中出來，很快將被交付給賽峰公司，賽峰公司與奧爾巴尼一起運營該工廠。賽峰的操作是在背景中白色分區的另一側執行的。
接下來，將模具轉移到干燥過程中。史蒂文森說，這是去除纖維中殘留的水分所必需的，這些水分會導致預制件變硬。正是在這種情況下，模具被關閉并手動轉移到預成型過程中。
然后，它進入注射單元，將與風扇外殼中使用的相同的增韌環氧樹脂基體注入到預成型件中。固化后，對刀片進行修剪以去除毛刺，將其裝載到推車上并轉移到賽峰公司（圖 6）。
當我們離開RTM區域時，我們通過了AEC用于創建 LEAP產品配方的自動樹脂裝載系統。Lavallée 指出，1A和1B風扇葉片以及1A和1B墊片所需的樹脂組合略有不同。Lavallée 表示：
“通過流程這一階段的自動化來改進流程仍然是 AEC 的重點改進領域。”
展望未來
與世界各地的每一家企業一樣，AEC 也不能免受新冠肺炎疫情的影響，但 AEC 總裁 Greg Harwell 表示，該公司利用疫情導致的暫停對其戰略和方向進行了強有力的內部評估。“我們重新創造了自己，”他說。
這種重新評估有助于AEC將更多的精力轉向國防應用，從而使該市場和商業航空航天之間的份額幾乎相等。它還幫助該公司看到了非編織技術的機會，如自動鋪帶、自動絲鋪設、編織、細絲纏繞甚至手工鋪層。
而且，與航空航天供應鏈的其他部分一樣，AEC 正在等待波音或空客宣布一個新的商用飛機平臺。這迫使 AEC（和其他公司）采取雙管齊下的增長戰略——在宣布下一個平臺時，為波音和空客提供高質量、高性價比的復合材料制造服務，并將當前的技術優勢用于新業務。
迪爾表示，鑒于AEC圍繞LEAP計劃建立的效率和技術，AEC 處于強勁的增長地位。“由于有限的新平臺即將推出，AEC的表現使我們能夠在外賣領域發揮作用，幫助關鍵客戶有效地消除問題供應商。”
奧爾巴尼工程復合材料編織碳纖維復合材料垂直尾翼配件圖 8. 奧爾巴尼渴望將其在 3D 編織和 RTM 方面的專業知識運用到其他航空航天和國防機會中，這些機會將受益于該公司為 LEAP 結構開發的工業化、自動化和過程控制。一個例子是為一位未透露姓名的客戶制造的垂直尾翼裝配演示器
AEC最近獲得的一個新獎項是洛克希德·馬丁公司西科斯基公司CH-53K King Stallion 重型直升機的Aft過渡裝配部分。AEC將建造一個10萬平方英尺的新設施，為該應用程序制造 150個復合材料零件。
該公司還建立了一個開發工程項目，重點關注從設計和結構分析到鑒定和低速率生產的應用技術和工藝開發。在AEC中，其功能包括手工疊層、編織、纏繞細絲、壓縮成型、灌注、3D打印、RTM、熱壓罐和CNC工藝。
AEC 也在追求設計專業知識的創新，以支持廣泛的航空結構應用。為此，該公司專門專注于3D編織復合材料，開發了名為3D Composite Studio 的設計軟件，該軟件可以與現成的CAD系統集成，以增加編織編程功能。該軟件還可用于進行性能和工藝建模，以評估纖維的三維性能，以及虛擬測試和模擬。
所有這些對AEC意味著什么？Harwell 表示，該公司的目標是到 2026 年成為母公司奧爾巴尼國際12億美元預計收入的50%，并完全有機地推動增長。無機生長呢？Harwell 表示，AEC一直在尋找增加專業知識和能力的機會，但必須具有高度的針對性。目前，他喜歡AEC所開辟的利基市場，專注于技術、過程控制、工業化和效率。
“這就是我們的獨特之處，”Harwell 說。“正是技術和卓越運營的結合推動了你在AEC看到的結果。我們能夠從一致的質量和可靠性中得出的指標已經成為我們的一個重要優勢。”
以羅切斯特工廠為例，最終的推動者是數量，這已經成為公司的游戲規則改變者。Harwell 表示，“管理數量的關鍵演變是將這些機會工業化并繼續成為行業基準的能力。”
注：原文見，《Plant tour: Albany Engineered Composites, Rochester, N.H.,U.S.》 2023.1.30
