波音787(2007):50%復合材料占比背后的技術突破與生產實踐
787夢想客機是波音公司（華盛頓州西雅圖）和商業航空史上銷售最快的客機，4月份斬獲第567筆訂單。飛機制造商表示，2006年營收較2005年增長15%——僅第四季度就增長26%。2006年，波音在雙通道飛機市場占據73%份額，整體市場份額達61%。
如今幾乎沒有觀察人士懷疑，這一前所未有的成功與該飛機大量采用復合材料的設計密不可分。787夢幻客機的復合材料占比高達50%（與機體重量之比），在同類機型中獨樹一幟。波音公司表示，大幅增加復合材料的使用帶來的優勢遠不止顯而易見的減重/經濟性收益—更高的客艙壓力、更大的舷窗、更低的腐蝕率以及更長的維護周期，才是787設計中的關鍵驅動力，每一項都對航空公司的客戶極具吸引力。
隨著飛機即將進入全面生產階段，CW與波音公司主要復合材料供應商的代表進行了交談，以了解目前使用的先進復合材料、制作工藝和機械的最新情況。
主結構用預浸料
毫無疑問，787復合材料最大的供應商是Toray Industries（東麗）。該公司為787的主結構提供其注冊商標的Torayca 3900系列高韌性碳纖維增強環氧預浸料，包括單向帶-UD（多種寬度）、散紗帶-narrow slit tape （用于纖維鋪放）和機織布形式。3900系列材料大部分將采用中模量T800S碳纖維制成。
據東麗美國子公司Toray Composites (America) Inc.（TCA，華盛頓州塔科馬市）銷售與營銷總監厄爾·本頓（Earl Benton）介紹，取代波音777最初采用的T800H碳纖維的是T800S碳纖維，是碳纖維制造工藝改進的成果。新工藝在不犧牲機械性能或公司滿足波音主結構預浸料嚴格標準BMS8-276能力的前提下，實現了更高生產率和更優供應穩定性。波音公司在2004年之前就為777機型認證了預浸料的基本單向產品形式，早于787項目啟動。
東麗預浸料將用于形成尾翼的主要結構；波音制造公司（西雅圖）將制造垂直尾翼，而阿萊尼亞航空（意大利羅馬）將使用該材料制造水平安定面。在Triumph集團（德克薩斯州阿靈頓），非加壓后機身蒙皮和長桁將采用該預浸料，阿萊尼亞的中機身、川崎重工（KHI，日本岐阜）的中機身前段和后輪艙隔板，以及Spirit AeroSystems（堪薩斯州威奇托）的前機身段同樣會使用該材料。由富士重工業（FHI，日本東京）制造的中翼盒完全采用Torayca預浸料制成。三菱重工業（日本名古屋）將使用該材料制造主翼和翼盒的蒙皮、加強件及翼梁，而KHI負責固定后緣。大韓航空宇航（韓國首爾）負責生產翼梢部件。三菱與FHI均安裝了Fives Liné Machines公司生產的LINEAR ATLAS雙相自動鋪帶機。（法國巴黎），配備兩個機頭，其中一個使用卷繞單向帶，另一個使用預切割材料，可在復雜區域快速鋪設。據報道，三菱的機器是有史以來生產的最大的復合材料機床。與此同時，薩博航空結構公司（瑞典林雪平）將使用Torayca預浸料來制造貨艙門和檢修門。
Latecoere（法國圖盧茲）將制造乘客艙門，幾家較小的供應商將作為一級合作伙伴的分包商制造零部件。所有由Torayca預浸料生產的部件將通過熱壓罐固化。
根據東麗復合材料（美國）公司飛機銷售與營銷經理安德烈·多爾（Andrea Dorr）的說法，實現預浸料鋪疊自動化是生產787的制造關鍵。她指出："自1994年獲得波音777認證以來，東麗與波音始終致力于優化材料形態，以實現自動化加工并提升生產效率。787項目實現經濟可行的關鍵在于，其材料鋪設速率必須遠超傳統手工鋪疊或第一代ATL設備。"波音需要達到一定的生產力水平，才能承諾制造一架復合材料含量如此高的飛機。
787合作伙伴從全球多家自動鋪帶機、纖維鋪放機和自動長桁鋪放機供應商中挑選了裝備。“波音和東麗投入了大量資源來開發和鑒定符合787嚴格機械和物理性能要求的材料形式，同時滿足廣泛的加工需求。這些材料形式旨在滿足支持787項目生產速率所需的高鋪放速率。”
幸運的是，東麗無需開發新型預浸料加工裝備，只需擴大現有設備的規模即可滿足產量需求。除了標準單向帶外，還增加并驗證了多種其他產品寬度和形式，包括窄切帶和編織布樣式。其中一種編織布樣式包含交織的導電絲，用作機身最外層以提供雷擊防護。
此外，東麗無需花費太多時間與合作伙伴優化特定組件的固化周期，盡管實心層壓板（如機翼蒙皮和翼梁比機身蒙皮厚得多）在形狀、尺寸和厚度上存在顯著差異。"波音和合作伙伴根據截面和裝備，通過在合作伙伴現場的制造裝備認證來確立加工參數，"多爾報告稱。然而，本頓指出，獲得所有產品形式的認證并非易事。他補充道，實際上自2003年以來，東麗（在美國的公司）的全體工程人員一直全職參與這項工作。
"最大的挑戰之一，"多爾說，"在于管理波音合作伙伴遍布全球的物料需求與物流供應鏈。由于合作伙伴生產周期差異及物流因素，預測各類產品形態的需求與生產計劃的過程變得更為復雜。"
為滿足市場對碳纖維日益增長的需求，東麗大幅提升了碳纖維及預浸料產能。本頓指出，預浸料產能的擴張幾乎完全由787項目驅動，而碳纖維產能的擴張則是為滿足航空航天與非航空航天領域的預期增長需求。
東麗的本頓指出，雖然Tacoma預浸料工廠成立于1992年，旨在為波音777的水平尾翼、垂直尾翼和地板梁提供材料，但目標始終是設定更高的標準。"787項目，至少從東麗的角度來看，一直是我們的目標：制造復合材料的飛機是夢想，"他說。"我們已經從本地供應商轉變為附近的弗雷德里克森（Fredrickson）的兩個波音工廠（777的尾翼在此制造）的供應商，再到一個完整的全球預浸料供應商。"
盡管787的所有東麗預浸料目前都在塔科馬生產，并配對到日本、韓國、意大利、法國、瑞典和北美的零部件制造商，但轉型將包括在歐洲、日本和北美建立預浸料的本地轉送站點。在未來兩年內，預浸料生產將在日本啟動，更靠近富士、三菱和川崎的工廠。
新材料，不同工藝
挑戰不僅源于復合材料使用量的增加和供應商基地的全球化，還因為787采用了多種新材料形式和一些關鍵部件，這些部件采用了非熱壓罐成型工藝。787項目代表了復合材料行業的一次巨大飛躍。這是一種獨特而卓越的飛機制造方法，催生了眾多不同的產品，”材料供應商赫氏（Hexcel，位于加州都柏林）的戴維·巴爾（David Barr）表示。美洲開發項目總監，但他補充道：“這架飛機的規模和范圍給材料供應商和零部件制造商帶來了大量新挑戰。”
NORDAM集團的Interiors and Structures部門（位于俄克拉何馬州塔爾薩市）經過18個月的開發周期后，于2007年2月獲得生產飛機窗框的許可。NORDAM與波音公司共同制定了詳細規范，制作了五種設計構型，并完成了商用客機首個復合材料窗框的資格認證與適航測試。
波音公司先進技術總監阿爾·米勒(Al Miller)表示：“NORDAM稱他們能滿足我們的規格要求，他們確實做到了。這款窗框是真正創新的產品，幫助波音實現了飛機的性能目標。”
該框預計將對787的兩個關鍵特性產生重大影響：其新型低密度復合材料保持減重近50%，與傳統的鋁制框相比具有更高的損傷容限。NORDAM已向波音的機身制造合作伙伴Alenia Aeronautica、Kawasaki Heavy Industries、Spirit AeroSystems和Triumph Group交付了首批配對，這些配對將被安裝在機身蒙皮上。
HexMC還指定用于多種其他部件，包括高負荷角板、壓力盤、角片、支架和其他通常由鋁或鈦制成的小型組件。Hexcel承擔了設計、加工、成型和認證這些部件的任務，然后交付給波音的系統供應商。
由Goodrich Corp.（夏洛特，北卡羅來納州）為GE和羅爾斯·羅伊斯發動機生產的發動吊艙，其結構中采用了HexPly 8552/AS4預浸料。整體式和夾層結構通過先進制造技術制成，并集成了多種Hexcel的HexWeb蜂窩芯產品。對于787的GEnx發動機選項，GE透露風扇葉片將采用表現優異的GE90復合材料技術，十多年來無需常規維護且無使用問題。
采用Hexcel新型專利產品Acousti-Cap插入式隔層結構芯材有助于降低發動機噪音。巴爾表示，這項專利待審的Acousti-Cap技術采用一體化插入式端蓋設計，能提供優化的聲學性能。該芯材可熱成型并機加工至最終零件形狀，之后鋪設蒙皮層并一次性固化成型。
非熱壓罐成型的后緣
Hexcel為787的可移動后緣控制面部件提供用于非熱壓罐制造的樹脂和結構性碳纖維織物，該部件包括副翼、襟副翼以及內外側襟翼、7個擾流板和所有整流罩。關鍵產品之一是HexFlow RTM6，這種材料在航空航天工業中廣泛用于復合結構的成型。這些部件由Hawker de Havilland（澳大利亞墨爾本）生產，采用基于12K展向的特殊HexForce織物。
在開發階段，使用該工藝制造了三塊超過30英尺/9.1米長的大型測試"蒙皮"。該公司正在設計工具，進行"可生產性"試驗，測試材料和硬件，實施規劃與生產流程，并完善其供應鏈。
機翼前緣縫翼結構在Spirit AeroSystems Inc.位于俄克拉荷馬州塔爾薩的工廠生產。赫氏提供大型預成型、機械加工和拼接粘合的HexWeb蜂窩子組件，這些子組件可直接放入用于可動前緣結構的粘合工具中。對于這些部件，波音指定使用一種碳纖維預浸料，該預浸料結合了索爾維-Solvay復合材料公司（美國喬治亞州阿爾法利塔）的高溫雙馬來酰亞胺（BMI）樹脂與索爾維碳纖維增強材料。這使得波音公司能夠移除部分絕緣材料—翼除冰系統（高溫來源）已集成至這些組件中。固定前緣結構指定采用Hexcel供應的波音BMS標準傳統玻璃纖維與碳纖維織物增強環氧預浸料組合，固化溫度為250°F/121°C。
在工具方面，巴爾透露赫氏的注冊商標HexTool—一種由碳纖維和高溫BMI樹脂制成的重型航空用預浸料—正被用于制造輕型工具，以生產中小型部件。機身生產(編者注：在撰寫本篇報道時，沃特(Vought)公司在南卡羅來納州北查爾斯頓新建一處制造設施。但波音公司隨后收購了該設施，并將其改建為第二條787總裝線。沃特(Vought)本身于2010年被Triumph集團收購。以下兩段內容與原始報告保持一致。)此外，沃特公司(德克薩斯州達拉斯)宣布，其位于南卡羅來納州北查爾斯頓的787制作設施已于4月交付了首套后機身段的配對組件。這些部分占787機身結構的23%：47段直徑為19英尺，長23英尺（Φ5.8米×7米）；48段直徑為14英尺，長15英尺（Φ4.3米×4.6米）。來自Fives Cincinnati(肯塔基州希伯倫)的自動鋪帶裝備將Toray 3900系列單向碳纖維/環氧樹脂預浸帶鋪設在由聯鎖芯軸制成的大型桶狀可旋轉模具上。桶段在Vought公司長76英尺、直徑30英尺（23.2米×Φ9.1米）的熱壓罐中固化—這是ASC Process Systems（加利福尼亞州西爾馬）建造的全球容積最大的熱壓罐。
3月，Alenia Aeronautica（意大利羅馬）從其位于意大利Grottagie的新復合材料制造廠向Global Aeronautica(Alenia與Vought在南卡羅來納州查爾斯頓的合資企業)發運了首批787復合材料機身中段44和46。Global Aeronautica將負責多個機身段的組裝工作。44段長約28英尺/8.5米，46段長約33英尺/10米。Alenia采用了Ingersoll Machine Tools Inc.(伊利諾伊州羅克福德)最新一代纖維鋪放裝備。該公司還從其意大利福賈(Foggia)工廠提供水平尾翼部件。
機頭前鼻段直徑為21英尺，長42英尺（Φ6.2米×12.8米）。首件生產品采用波音自動化系統集團（BASG，密蘇里州圣路易斯市）研發的AUSS XVII（第十七代自動超聲波掃描系統）成功完成無損檢測(NDI- Nondestructive inspection)?；谌_發品積累的經驗，后續測試證實該部件結構完整性符合標準。Spirit公司的787副總裁兼總經理約翰·皮拉(John Pilla)表示："我們在研發部門完成的概念驗證非常成功，為生產首個787機頭前鼻段機身奠定了重要基礎。"
索爾維(Solvay)的SurfaceMaster 905表面處理膜應用于所有機身段，以減少噴漆前模壓后處理(填坑和打磨)。索爾維(Solvay)的高溫BMI復合材料被選為實現41段機身筒體聯鎖芯模的關鍵材料。BMI工裝比傳統因瓦合金更輕，成本可能更低，且與金屬相比能提供更快的加熱和冷卻速率。
VARTM’的球面框(后壓力艙壁)
球面框得益于專有的索爾維(Solvay)樹脂灌注系統。與傳統預浸料相比，該工藝降低了模具的資本支出和重復材料成本。據報道，這種增韌復合材料具有頂級的火焰/煙霧/毒性性能，與傳統樹脂灌注相比，可在減輕重量的同時消除防火屏障。
起落架支撐
奧爾巴尼復合材料工程公司（Albany Engineered Composites 位于新罕布什爾州羅切斯特市）正在為梅西耶-道蒂公司（位于法國韋利濟）提供的787起落架結構制造碳纖維預成型件。這些預成型件被供應給梅西耶-道蒂的關聯公司埃爾塞勒（位于法國勒阿弗爾），在那里通過樹脂傳遞模塑（RTM）工藝注入環氧樹脂。
據奧爾巴尼銷售、業務發展和項目總監約翰·陶列洛(John Tauriello)介紹，這種纖維是赫氏公司的IM-7型號，AEC采用Jacquard三維編織工藝來制造凈形預成型件，纖維體積含量在55%至60%之間，其中部分纖維沿z方向排列，以實現層間互鎖功能并提升損傷容限。
漣漪效應與轉折點
波音787的供應商并非該機型背后努力的唯一受益者。"擁有一款碳纖維含量達到這一水平的商用飛機，為克服產能波動提供了契機—這一直是碳纖維行業多年來的難題，"東麗的多爾表示，"隨著產能全面提升，較小幅度的波動將不會造成太大影響。"
更重要的是，隨著空客即將將其A380投入全面生產，航空航天級碳纖維期待已久的大規模市場現已穩固形成。行業供應商私下認為，我們正見證復合材料行業期盼已久的變革性事件。
原文，《Boeing 787 Update》 2007.51
