LEAP发动机风扇叶片制造厂
奥尔巴尼工程复合材料编织 LEAP 风扇叶片图 1. Albany Engineered Composites 与赛峰共同运营三家工厂，为 CFM International 的 LEAP 飞机发动机制造风扇叶片、风扇罩和垫片。图中所示的叶片是通过树脂传递模塑（RTM）新制造的，位于美国新罕布什尔州奥尔巴尼的罗切斯特工厂，这是该公司最大的机匣和叶片生产工厂。奥尔巴尼/赛峰的其他工厂位于法国和墨西哥
考虑到所有关于在下一代复合材料航空结构中满足大批量制造要求的挑战，人们很容易忘记，已经有一些航空复合材料项目需要强大的自动化、工业化和质量水平。
美国新罕布什尔州罗切斯特市的奥尔巴尼工程复合材料公司（AEC）就是这样，自 2013 年以来，该公司一直在为 CFM International（美国俄亥俄州辛辛那提）制造的 LEAP 飞机发动机的所有变体制造碳纤维复合风扇机匣、风机叶片（图 1）和垫片，通用电气（辛辛那提）和赛峰航空发动机公司（法国库尔库龙）的合资企业。AEC 是风扇机匣、风扇叶片和风扇叶片垫片的唯一来源制造商。
LEAP 发动机由赛峰为单通道飞机市场共同开发和设计，面向空客、波音和中国商飞制造的飞机，已成为窄体飞机推进的事实标准。LEAP-1A 型号提供 24500-33000 磅的推力，是空客 A320neo系列的两种发动机选项之一（普惠 GTF 发动机是另一种选项）。
LEAP-1B（23000-28000 磅）是波音737 MAX 飞机的唯一发动机选项。LEAP-1C（27980-30000 磅）是中国商用飞机 C919 的唯一发动机选项。每个 LEAP 发动机都有 18 个碳纤维复合材料风扇叶片（图 1），在碳纤维复合风扇机匣内旋转。
赛峰在 2022 年 12 月的资本市场日上表示，LEAP 发动机（所有变体）在全球窄体市场占有 72%的份额，在 A320neo 系列上占有 60%的市场份额。此外，赛峰还报告了 10300 台 LEAP 发动机的订单积压，相当于惊人的 185400 个风扇叶片，使该发动机平台成为世界上最大的复合风扇叶片消费者。
制造数量的挑战与质量的挑战更为复杂。风扇叶片至关重要，是飞机发动机运行的主要结构，原因显而易见；因此，叶片故障——尤其是叶片脱落的情况——必须是特殊且罕见的。这种制造量和质量的结合在航空复合材料行业是罕见的，但它也是未来的风向标。
2013 年，CW 首次访问罗切斯特的 AEC 时，该公司刚刚开始LEAP 项目的制造业务。十年后的今天，AEC 的罗彻斯特工厂已全面工业化，可进行高容量、高质量的复合材料制造，这使该公司成为航空航天市场的主要制造商。在我们最近的访问中，CW亲眼目睹了该公司是如何实现这一转变的。在此过程中吸取的经验教训将对整个航空航天复合材料供应链具有指导意义。
奥尔巴尼工程复合材料LEAP风扇机匣绕组图2.奥尔巴尼为 LEAP 发动机制造了三种外壳和叶片变体——一种用于空客（1A），一种用于波音（1B），另一种用于中国商飞（1C）。不同型号的尺寸变化不大，但每个风扇外壳的直径约为 2 米。图中所示为在 RTM 之前将编织的扇形外壳预成型件缠绕在心轴上。
三零件，三工厂
了解AEC罗彻斯特工厂的一些情况很重要。首先，这里不仅仅是AEC的所在地。赛峰作为客户，经营着34.5 万平方英尺工厂的约三分之一，并直接交付LEAP项目的所有AEC生产的产品。其次，这并不是唯一一家为LEAP项目制造风扇外壳和叶片的AEC/赛峰工厂。还有另外两个类似但规模较小的设施，一个位于法国商业区（100000平方英尺），另一个位于墨西哥克雷塔罗区 （70000平方英尺）。每个工厂都通过了AS9100认证，三家工厂总共雇佣了大约675名员工。
除了LEAP计划外，AEC还在美国得克萨斯州的博恩（170000平方英尺）、美国犹他州的盐湖城（652000平方英尺）和德国的凯泽斯劳滕（550000平方英尺）运营设施。AEC在全球拥有约1800名员工。然而，对于LEAP来说，罗切斯特工厂是其旗舰业务。它还制造了合同中的所有三种复合材料零件，每年的数量与零件尺寸成反比：风扇壳体（1500个）、风扇叶片（10000个）、垫片（30000个）。罗切斯特工厂为一台LEAP发动机配套供应，包括一个风扇壳、18 个风扇叶片和18个垫片。
罗切斯特工厂也是GE9X发动机3.8米直径风扇罩的制造地，该风扇罩由通用电气航空航天公司（辛辛那提）为波音777X制造。GE9X的推力为 105000 磅，是世界上最大、最强大的商用飞机发动机。
然而，这架为其制造的飞机尚未获得飞行认证，预计要到2025年才能投入使用。此外，商业航空航天行业正在远离777X所基于的宽体飞机架构。尽管如此，GE9X风扇案例代表了AEC在罗切斯特已经实现的规模和效率。
无论是哪一部分，罗彻斯特工厂的所有制造都围绕着两个核心流程进行，该工厂雇佣了约 275 名员工：3D 连续纤维增强材料的定制、高度工程化编织，以及在高度专业化的工具系统中对这些织物进行树脂转移成型（RTM-resin transfer molding）。
AEC 将自己描述为 3D 编织复合材料的世界领导者，其吸引力在于其提供的级联优势：全厚度增强、多层互锁预成型件、集成结构、可成型性、近净形状预成型、高度自动化和最小浪费。
Brent Stevenson，工程与技术副总裁，强调了3D编织在风扇情况下的好处：“通过3D编织，我们可以提供轴向的连续纤维和径向的连续纤维。这就是我们技术的独特之处，再加上你有第三维度的材料将其连接在一起。这三者结合在一起，创造了一种真正独特的预成型技术。”
CW的访问重点是了解编织和 RTM 是如何针对高速航空航天制造进行优化的。
奥尔巴尼工程复合材料碳纤维丝束和纱线制备区图3.奥尔巴尼用于风扇外壳和叶片生产的核心技术之一是3D编织。每台进行织造的织机都由数千根碳纤维丝束或纱线供给。这里显示的是碳纤维制备区，在筒子架交付到织机之前，这里的颜色代码用于表示纤维类型和格式。
风扇机匣
CW在罗彻斯特工厂运营总监Réjean Lavallée的带领下参观了该工厂，从LEAP发动机上最大的复合零件开始。LEAP各型号的风扇机匣相似但不完全相同，根据发动机推力的不同，在结构和直径上略有不同——推力越大，风扇机匣就越大。然而，每种变体的直径约为2米，宽度为750毫米，重量明显小于可比的金属设计，并且每种变体都是按照相同的程序制造的。
第一步，也是 CW 的第一站，是五台大型织机，生产复杂的碳纤维织物预制件，其宽度与风扇外壳的宽度相匹配。这些是提花织机，用干碳纤维编织而成。织机的设计使 AEC 能够根据需要对织物进行锥形处理，以改变厚度，从而适应风扇机匣结构。
织机由2000多条由多种碳纤维纱线组成的绕线丝束从后部喂入。AEC 编织的复杂性是由多种因素来衡量的，包括预制棒的结构、形状和长度。一个完整的风扇机匣预制件使用数万根纬纱纤维，长度约为80英尺。
AEC在过去十年中获得的大部分制造效率都围绕着编织过程。Lavallée 表示，现在风扇机匣的编织速度是2013年的四倍。
其他指标也得到了改进：流程更加稳定和一致，机器利用率更高，废品率降至 2.5%（并在下降），接触劳动力显著减少。这种效率的提高并非微不足道。事实上，AEC 指出，在所有运营中，机器利用率是推动公司提高能力并满足 LEAP 计划费率要求的一个指标。“当这成为衡量标准时，”业务发展高级总监 RayRingleb 说，“它改变了一切。”
编织好风扇机匣预成型件后，将其移至卷绕机，放置在心轴上（图 2）。卷绕器将编织的预成型件包裹在 IML 风扇机匣模具周围。Lavallée 说：“编织后，预成型件被卷起，然后在张力下展开，同时使用激光对准辅助来确保正确定位到工具中。”
很明显，即使在这个早期阶段，AEC的运营在很大程度上依赖于先进的技术来管理预制件的质量、放置和对齐。史蒂文森说：“你会在整个工厂看到很多过程监控。”。“激光对准、摄像头、数据板将信息从机器上提取出来，推动卓越的运营，因为生产率需要它。因为正如我们所了解到的，微小的扰动可能会很快失控。我们必须非常小心地管理过程控制。”
奥尔巴尼工程复合材料 LEAP 叶片编织线图 4. 奥尔巴尼为 LEAP 项目生产的产量最高的产品是风扇叶片。每台发动机转动18个叶片，奥尔巴尼积压了10000多台发动机的订单，需要制造185000多个叶片。这里展示的是奥尔巴尼-罗彻斯特工厂的织机，为叶片编织复杂的3D预成型件
Lavallée 表示，AEC 需要几个小时才能将 80 英尺的预制棒缠绕到工具上。一旦工具完全组装好，就将其转移到烤箱中，为RTM 做准备。树脂由系统通过多个注射器输送到每个工具。所使用的树脂体系是增韧环氧树脂体系。
在解释注入和固化时，Lavallée 指出，AEC 正在积极寻求技术，尽可能地自动化注入过程，以消除人为因素。“我们真正了解关键的工艺参数，”他说。“我们正在系统地完成所有流程，通过添加技术和最大限度地减少触摸劳动来消除这些参数的任何变化源。”
固化后，对风扇机匣尺寸进行验证并记录。史蒂文森说，这对赛峰公司来说尤其重要，如果检测到异常情况，赛峰公司需要通知。
“以这种速度，如果突然出现哪怕只有万分之三英寸的打滑，”他说，“赛峰可能需要调整他们的加工，他们需要知道即将发生的情况。然后，要么我们需要纠正，要么赛峰需要调整其加工。这些早期预警信号至关重要。”
鉴于赛峰与 AEC 位于罗切斯特工厂，风扇机匣和所有其他LEAP 产品的交付工作很快完成。赛峰的运营超出了我们的视野，与 AEC 在工厂的空间被一个适度的分区隔开，这证明了两家公司享有密切的工作关系。
Lavallée 表示，赛峰在收到风扇机匣或叶片时，会进行几次精加工，为发动机集成做好准备。这些包括加工、钻孔、喷漆和连接金属前缘（风扇叶片）。
AEC 与赛峰的关系密切，无论是在工厂内部还是作为商业合作伙伴。市场营销和业务开发高级副总裁迈克尔·迪尔（MichaelDill）指出，“我们发现赛峰是一个很好的合作伙伴。他们认可我们的专业知识，并让我们根据自己的需要进行管理。多年来，这是一种很好的工作关系。”AEC 和赛峰在 2021 宣布，他们的发展合作关系已延长至 2046 年。
风扇叶片、垫片
离开风扇机匣，参观转向风扇叶片和垫片制造，这是罗切斯特工厂中消耗空间最多的制造作业。在这里，产品尺寸减小，但所有其他材料——材料、编织机、RTM 系统——的体积都大幅增加。
奥尔巴尼工程复合材料 LEAP 风叶 RTM 生产线图 5. 每个风扇叶片预制件编织完成后，将其转移到一个匹配的金属模具中，如图中前景所示。在模具关闭并转移到 25 台 RTM 压机之一（背景）进行树脂注射之前，激光投影仪验证预成型件的正确放置。钢化环氧树脂系统与风扇外壳中使用的系统相同
我们首先看到的是织造作业的原材料准备区（图 3）。它的特点是多个带有颜色编码的筒子架，可容纳各种形式的碳纤维，从单根丝束到多根捻成纱线的丝束。每个筒子架上的颜色向操作员发出纤维类型和格式的信号；这些颜色反过来又与织机上的颜色相关，向操作员发出应该使用和不应该使用筒子架的信号。
事实证明，颜色是AEC制造战略的重要组成部分，有助于操作员轻松快速地将材料与设备相匹配。史蒂文森提醒我们，罗切斯特使用的流程和程序并不局限于罗切斯特。墨西哥和法国的工厂也必须遵守这些规定。
Lavallée 说：“挑战在于在三种不同文化中的三个工厂中生产产品。”。“这真的让我们明白了需要做些什么来标准化操作，这样我们就可以在三个不同的地方按照相同的规格制造相同的零件。使用颜色是实现这一点的一种方法。”
经过材料准备，我们进入了一个令人印象深刻的长而宽的织机阵列（图 4）。这些织机中的绝大多数都用于编织扇形叶片预制件；一台织机生产间隔件预成型件。这里的每台扇叶织机都由超过3500丝束的碳纤维供给，每台预成型件需要数千根纬纱。
与风扇机匣织机一样，织造程序旨在生产具有高度特定形状和结构的风扇叶片预成型件，以满足应用的设计要求。一个显著的区别是，风扇叶片的设计特点是根部较厚，向两个方向逐渐变细，形成相对较薄的叶尖。编织过程必须适应这种锥形，以获得接近净形状的预成型件。
Lavallée 表示，一台织机可以在 24 小时内编织出多个叶片预制件。此外，与风扇机匣织机类似，风扇叶片织机的效率在过去十年中有所提高，使 AEC 的产量增加了一倍以上。
Lavallée 表示，这里和风扇机匣区域的每台织机都配备了各种自动化工具，旨在提供过程中的质量检查。这包括自动视觉检测技术，用于寻找断裂的纤维和断裂的丝束，Lavallée 指出，这在定义上没有问题。
史蒂文森进一步阐述了这一观点：“这个（检查）过程已经变得非常稳定，因此我们很少被迫进行返工。更多的时候，我们会看到随着时间的推移，过程会逐渐偏离，我们会纠正。”
一个扇形叶片预成型件从织机上呈现出一个非常密集、接近净形状的叶片状 3D 结构。预成型件非常厚，并且在根部完全是3D 的，然后在厚度上向边缘和尖端逐渐减小。此外，预成型件不是完全的碳纤维；还有其他纤维被战略性地集成，以提供工艺和性能优势。
Lavallée 说，在这一点上，预成型件上有一些多余的材料。目前，这是通过自动和手动修剪过程去除的。修整后，将预成型件平躺输送到制造过程的下一步，即 RTM。
RTM 区域包括注入单元工作站，这些注入工作站被组织成两个平行的行（图 5）。在这里，预成型件被手动放置到匹配的金属模具的母模中（见前景，图 5）。头顶激光系统引导手动预成型件放置和定位。
图 6. 在罗切斯特的奥尔巴尼工厂，运营总监Réjean Lavallée（左）与即将上任的运营总监Matt Chapman 站在一起。他们站在那里，手里拿着两片 LEAP 风扇叶片，这两片叶片刚刚从RTM压机中出来，很快将被交付给赛峰公司，赛峰公司与奥尔巴尼一起运营该工厂。赛峰的操作是在背景中白色分区的另一侧执行的。
接下来，将模具转移到干燥过程中。史蒂文森说，这是去除纤维中残留的水分所必需的，这些水分会导致预制件变硬。正是在这种情况下，模具被关闭并手动转移到预成型过程中。
然后，它进入注射单元，将与风扇外壳中使用的相同的增韧环氧树脂基体注入到预成型件中。固化后，对刀片进行修剪以去除毛刺，将其装载到推车上并转移到赛峰公司（图 6）。
当我们离开RTM区域时，我们通过了AEC用于创建 LEAP产品配方的自动树脂装载系统。Lavallée 指出，1A和1B风扇叶片以及1A和1B垫片所需的树脂组合略有不同。Lavallée 表示：
“通过流程这一阶段的自动化来改进流程仍然是 AEC 的重点改进领域。”
展望未来
与世界各地的每一家企业一样，AEC 也不能免受新冠肺炎疫情的影响，但 AEC 总裁 Greg Harwell 表示，该公司利用疫情导致的暂停对其战略和方向进行了强有力的内部评估。“我们重新创造了自己，”他说。
这种重新评估有助于AEC将更多的精力转向国防应用，从而使该市场和商业航空航天之间的份额几乎相等。它还帮助该公司看到了非编织技术的机会，如自动铺带、自动丝铺设、编织、细丝缠绕甚至手工铺层。
而且，与航空航天供应链的其他部分一样，AEC 正在等待波音或空客宣布一个新的商用飞机平台。这迫使 AEC（和其他公司）采取双管齐下的增长战略——在宣布下一个平台时，为波音和空客提供高质量、高性价比的复合材料制造服务，并将当前的技术优势用于新业务。
迪尔表示，鉴于AEC围绕LEAP计划建立的效率和技术，AEC 处于强劲的增长地位。“由于有限的新平台即将推出，AEC的表现使我们能够在外卖领域发挥作用，帮助关键客户有效地消除问题供应商。”
奥尔巴尼工程复合材料编织碳纤维复合材料垂直尾翼配件图 8. 奥尔巴尼渴望将其在 3D 编织和 RTM 方面的专业知识运用到其他航空航天和国防机会中，这些机会将受益于该公司为 LEAP 结构开发的工业化、自动化和过程控制。一个例子是为一位未透露姓名的客户制造的垂直尾翼装配演示器
AEC最近获得的一个新奖项是洛克希德·马丁公司西科斯基公司CH-53K King Stallion 重型直升机的Aft过渡装配部分。AEC将建造一个10万平方英尺的新设施，为该应用程序制造 150个复合材料零件。
该公司还建立了一个开发工程项目，重点关注从设计和结构分析到鉴定和低速率生产的应用技术和工艺开发。在AEC中，其功能包括手工叠层、编织、缠绕细丝、压缩成型、灌注、3D打印、RTM、热压罐和CNC工艺。
AEC 也在追求设计专业知识的创新，以支持广泛的航空结构应用。为此，该公司专门专注于3D编织复合材料，开发了名为3D Composite Studio 的设计软件，该软件可以与现成的CAD系统集成，以增加编织编程功能。该软件还可用于进行性能和工艺建模，以评估纤维的三维性能，以及虚拟测试和模拟。
所有这些对AEC意味着什么？Harwell 表示，该公司的目标是到 2026 年成为母公司奥尔巴尼国际12亿美元预计收入的50%，并完全有机地推动增长。无机生长呢？Harwell 表示，AEC一直在寻找增加专业知识和能力的机会，但必须具有高度的针对性。目前，他喜欢AEC所开辟的利基市场，专注于技术、过程控制、工业化和效率。
“这就是我们的独特之处，”Harwell 说。“正是技术和卓越运营的结合推动了你在AEC看到的结果。我们能够从一致的质量和可靠性中得出的指标已经成为我们的一个重要优势。”
以罗切斯特工厂为例，最终的推动者是数量，这已经成为公司的游戏规则改变者。Harwell 表示，“管理数量的关键演变是将这些机会工业化并继续成为行业基准的能力。”
注：原文见，《Plant tour: Albany Engineered Composites, Rochester, N.H.,U.S.》 2023.1.30
