空客A350机翼壁板机身第19段整体筒制造工艺
空中客车公司位于伊利斯卡斯的复合材料生产设施具有高度的自动化，可为各种商用飞机生产碳纤维/环氧树脂预浸料零件，特别是A350机翼下壁板和第19段机身筒。
2012年，CW名誉高级技术编辑莎拉·布莱克（Sara Black）通过实地考察空客位于伊利斯卡斯的复合材料工厂、隔壁的Tier 1 Aernova和附近的研究机构FIDAMC，撰写了关于西班牙航空业的文章。2024年初，CW有机会重新审视这些设施，看看它们以及该行业在此后的几年里是如何发展的。
CW对空中客车公司伊利斯卡斯工厂的参观由伊利斯卡斯基地运营主管莫妮卡·阿尔瓦雷斯（MónicaÁlvarez）和空中客车公司多功能复合材料专家塔玛拉·布莱克（Tamara Blanco）带领。首先对空客在西班牙的复合材料业务和目标进行了高层更新，特别是在伊利斯卡斯。
在其商业、国防和航天以及空中客车直升机部门，空中客车在西班牙经营着七个制造基地——圣巴勃罗、塔布拉达、加的斯、伊利斯卡斯、阿尔巴塞特、特雷斯·坎托斯和赫塔菲，雇佣了14100多名员工。
Illescas工厂占地170848㎡ ，位于托莱多省，距离马德里以南仅一小段车程，专注于为公司商业部门制造复合材料组件。正如布莱克此前在2012年报道的那样，该工厂建于1989年，最初为欧洲战斗机制造碳纤维复合材料机翼上下壁板，为A330制造上下水平尾翼（HTP-horizontal tail plane）蒙皮，随后为A320制造HTP蒙皮。
A350第19段机身筒体，有42根共固化长桁
1991年，该工厂扩建，建造了一个新的空间来制造A380的复合材料第19段机身段和侧箱蒙皮，该飞机于2021年逐步淘汰。阿尔瓦雷斯说，当A350宽体飞机（其50%的主要结构由复合材料制成，是迄今为止空客商用飞机中最多的）于2015年开始生产时，该工厂开始制造其机翼下壁板和第19段机身，“这些是我们现在的主要工作驱动因素。”。
该工厂的制造技术包括自动铺带（ATL）、自动铺丝（AFP）、热压罐固化、修整和自动检测。该工厂生产的所有复合材料部件均由碳纤维/环氧树脂预浸料制成，主要由赫氏(Hexcel）供应。阿尔瓦雷斯说：“我们每年消耗超过100万㎡的碳纤维增强聚合物。”。
如今，该工厂的产品组合包括用于A320/A320neo和A330/A330neo的水平尾翼翼盒上下壁板，用于A330/A330C的机翼前后梁，用于A350的机翼下壁板（也称为机翼下盖，或WLC）和机身第19段，以及用于EuroFighter-2000的机翼蒙皮、前部翼梁和翼尖梁。
广泛的目标：从产能提升到可持续发展
阿尔瓦雷斯解释说：“我们的战略是朝着飞机内更多复合材料的方向努力，A350是一大步。”。当然，增加复合材料使用的动力是减轻重量，从而降低飞机的整体油耗。
凭借其目前的商用飞机，空中客车公司作为一个整体，包括Illescas工厂，正专注于为其计划的产能提升做好准备。影响伊利斯卡斯工厂的是A320（2027年从每月45架增加到75架）、A330（2024年底从每月3架增加到每月4架）和A350（2028年从每月6架增加到12架）的增长率目标。阿尔瓦雷斯说，对于所有这些，Illescas工厂正在“准备实现这些速度的工业手段和工艺”。
除了这些产能提升，该公司还致力于开发其“下一代”飞机。阿尔瓦雷斯说，展望未来，该公司的主要驱动力是“降低成本，提高我们工业系统的生产率，快速提升产能，为可持续发展做出贡献。”
考虑到这些因素，她解释说，空客下一代商用飞机设计的两大优先事项是，第一，更换单通道窄体飞机，第二，其宣布的ZEROe短程氢燃料电动飞机，目标是在2035年前飞行。
Illescas工厂正在努力提高空中客车计划产能的生产效率，包括到2028年A350的产量预计翻一番。
阿尔瓦雷斯说：“对于这两种情况，我们预计复合材料的含量会很高，以减轻重量。低重量是节省燃料的关键，特别是如果我们想搭载H2（氢）罐系统。无论我们使用H2还是SAF-sustainable aviation fuel（可持续航空燃料）用于窄体，重量仍然是关键，复合材料可能是下一代的关键推动因素。”。
Illescas工厂尤其致力于提高下一代飞机效率的解决方案，包括增强材料和工艺的研发工作，重点是确保可持续性。
关于其可持续发展目标，大约4年前，空中客车公司将其公司座右铭从“我们让它飞起来”改为“我们为安全和团结的世界开拓可持续航空航天”。阿尔瓦雷斯说：“对我来说，这一变化是一个明确的信号，表明我们作为一家公司希望将我们现在正在做的事情与未来结合起来。”。“我们必须领导生态系统，不仅要在我们当前和未来的产品中做到最好，还要领导我们周围的生态系统，重点关注可持续航空航天。”该公司还支持行业目标，如到2050年实现碳中和的欧盟绿色协议目标和到2030年将二氧化碳排放量减少55%。
布兰科说：“复合材料可能只是我们目前整体碳足迹的一小部分，但随着我们在未来飞机上增加复合材料的使用，碳足迹将会增长，特别是当我们通过改用氢气或SAF来减少运营排放时。”。“我们完全致力于发展生态系统，使复合材料生产废料和报废零件具有可回收性，并与供应商合作减少原材料的排放。”
在Illescas，可持续发展工作包括提高机器效率，寻找材料回收解决方案，包括几个正在进行的研发项目，以及减少浪费，这涉及安装雨水回收系统，将其送入洁净室气候控制系统和无损检测（NDT-nondestructive testing）设备。有关该公司可持续发展计划的更多详细信息，请参阅配套微信文章《空客飞机复材生命周期研发工作》。
预测工厂，赋能员工
工厂如何提高效率？阿尔瓦雷斯说：“我们的目标是成为一个预测工厂。”。“作为一个行业，我们有很多废品和质量成本，因为我们在制造过程结束时检查产品，但我们需要更好的方法来更早地检测和预测缺陷，在整个零件制造之前，当仍然有机会解决问题时。”
这包括在制造过程的所有机器和级别上实施各种类型的传感器，以连接过程的每个阶段，为数字双胞胎的开发提供信息，并最终提供“智能警报”，预测任何问题或缺陷，让操作员知道，以便在进一步之前停止和纠正过程。
阿尔瓦雷斯说：“建立一个预测工厂是我们的雄心壮志，对我来说，这就像一种痴迷。”。“我更喜欢说这是一个‘数据驱动的工厂-data-driven factory’，而不是‘数字化-digitalization’这个词。我不仅仅希望工厂里有数字屏幕，我还希望有一个利用数据预测问题并优化流程的过程。”
阿尔瓦雷斯为Illescas工厂设定的另一组目标是发展、多样化和增强员工队伍。目前，该工厂拥有约700名员工，并计划随着飞机产量的增加而增长。员工的平均年龄为42岁，拥有14年的工作经验。阿尔瓦雷斯指出，性别多样性是他们正在积极努力的方向——目前，该工厂21%的白领员工、12%的蓝领员工和66%的工程管理人员为女性。当然，整个工厂本身是由女性领导的，阿尔瓦雷斯掌舵。
Illescas工厂还拥有所谓的自主生产团队（APT-autonomous production team），这是一个“由蓝领和主管组成的团队，有权自己做出决定。对我们来说，这是这里最大的文化转型之一，”阿尔瓦雷斯说，“将改进和优化决策降到最低水平的转型。”
随着CW之旅走出会议室，进入生产车间，阿尔瓦雷斯总结道：“该工厂的亮点包括扩建、加强这座预测性工厂、致力于可持续解决方案、用我们的步骤改进产品，以及致力于下一代飞机的研发项目。这或多或少是我们现在在工厂所做的事情。”
参观A350 WLC设施
Illescas工厂由两栋生产大楼组成。CW有机会参观的第一个生产设施是2011年完工的64988㎡的新建筑，该建筑用于A350 WLC的生产。
每个壁板包括用17根长桁加固的蒙皮。为了展示这一过程是如何完成的，阿尔瓦雷斯和布莱克带领CW参观了一个巨大的开放式洁净室。首先，我们走进一个名为控制室的空间，团队在那里举行日常会议，并通过墙上的SQCDP（安全、质量、成本、交付和人员）板跟踪进度。这也是APT开会的地方。阿尔瓦雷斯解释说，机翼壁板长32米，重2700公斤，是A350上最大的碳纤维增强塑料零件。
值得注意的是，部分由于空间大、机器和零件大，当我们穿过洁净室时，周围似乎很少有人。阿尔瓦雷斯表示，这是因为该流程高度自动化，A350 WLC核心流程的自动化程度约为70%。每班生产车间约有50名员工，其中大多数操作自动化设备。
AFP和ATL铺放
机翼下壁板（WLC-wing lower cover ）洁净室展示了正在运行的自动化流程。在第一张图片的右侧和特写照片中，一系列龙门式ATL和AFP机器铺设了铜箔LSP和CFRP下翼蒙皮。在空间的左侧，桁条通过热悬垂成型（HDF- hot drape forming ）铺设和预成型。
离开控制室，我们首先接近三台龙门式MTorres（西班牙Torres de Elorz）ATL机器。按照目前的速度，只需要其中两台机器来铺设WLC的外层膨胀铜箔，以防止雷击（LSP-lightning strike protection）。然后，使用四台龙门式MTorres AFP机器将碳纤维/环氧树脂预浸料铺设到3D Invar工具上。
为什么ATL用于LSP，而AFP用于蒙皮？阿尔瓦雷斯解释说，AFP的速度要快得多，能够以50公斤/小时的速度铺设材料，而ATL的速度为20公斤/小时，这更适合蒙皮，特别是为了实现加速目标。目前用于LSP的箔也更适合与ATL一起使用，ATL可以加工高达300毫米（11.8英寸）的宽带。
空中客车公司一直在努力进一步优化其AFP工艺，并将其机器从12.7毫米宽（0.5英寸）的胶带切换到50.8毫米宽（2英寸）的磁带，以提高效率。布莱克补充道：“我们的第一步是提高AFP机器的宽度能力。对于下一代，我们希望巩固这些工艺，使用一台AFP机器，使用更宽、更厚的CFRP材料，以获得更高的沉积速率。”。
铺放后，蒙皮被移出洁净室进行第一次热压罐循环，然后被带回与长桁集成。
空中客车公司正在努力优化其四台MTorres AFP机器，以实现更快的铺放速度，从而实现产量提升目标。这包括更换其中一个纤维铺放头以铺设更宽的胶带，以及将表层和LSP结合成一种多功能材料的研发工作，这将减少材料和工艺步骤。
长桁的成型和整合
在蒙皮铺放的同时，长桁在洁净室远端的高度自动化的工作站中制造。每个机翼蒙皮上有17根T形长桁，长度不一，最长可达32米。
32米长的长桁成型工作站从两台悬臂2D放置Torresfiber AFP机器开始，为长桁预成型件铺设定制的坯料，并在附近的Torrespanex切割系统上进行修整，这两台机器均由MTorres提供。然后，坯料在热悬垂成型（HDF- hot drape forming）机中预成型，冷却后准备集成到蒙皮上。机械臂将长桁从一个位置移动到另一个位置。
布莱克解释了从长桁成型工作站一侧看到的挤出机的用途：剩余的预浸料带卷通过KUKA（德国奥格斯堡）机器人拼接，然后挤出成三角形填料和条料，用于帮助将T形桁条定位在蒙皮上。
在上图中，一辆自动AGV将真空袋装机翼下壁板工具和预成型件运送到两个涂漆明亮的热压罐之一（底部）。
我们看到一辆AGV运输车带着机翼蒙皮工具驶过，驶向出口门，驶向相邻的热压罐区域，那里有两个真空装袋站。在这里，长桁预成型件通过激光投影仪放置，并用粘合剂附着在蒙皮上。然后将整个组件真空包装并送回热压罐进行最终固化。
热压罐、精加工、检查
参观从洁净室继续到热压罐区，那里有两个40米长、7米直径的热压罐，用于固化蒙皮和最终的WLC组件。
除此之外，还有一系列四个修整站，两个在右边，另外两个在左边，它们使用激光扫描仪检查尺寸精度，还有装配站和两个喷漆室。
最后一部分经过修整和钻孔——必须在蒙皮上切割29个检修口盖孔——用垫片和支架组装，并涂上底漆。空中客车公司也在这里进行目视和C扫描检查。最后的零件现在已经准备好组装到A350机翼上。
总装运输
如何将32米长的机翼组件运送到装配厂？阿尔瓦雷斯解释说：“我们可以用卡车把它们运到大约15公里外的赫塔菲工厂”，不过她补充说：“在运输它们的时候，我们必须关闭道路，所以我们只能在晚上这样做，一切都必须提前高度控制和协调。”从赫塔菲开始，WLC被装载到空客的白鲸运输机上，前往空客在布劳顿的工厂，再从那里前往空客的总装线（FAL-Airbus final assembly line）。
布莱克补充说，从可持续发展的角度来看，他们从使用标准的Beluga-大白鲸运输机（一次可以携带两个蒙皮）转向了Beluga XL-超级大白鲸运输机，后者可以一次携带四个蒙皮（两个右手和两个左手，或两个飞机蒙皮），以帮助降低运输成本和相关的二氧化碳排放。Beluga XL也设计为在SAF上运行。
在运输到最终组装设施之前，固化的机翼盖在这里进行修整、涂漆和检查。
参观机身第19段设施
从这里开始，参观继续到附近的19号楼，首先进入另一个大型洁净室，然后进入一个类似于WLC大楼的控制室。阿尔瓦雷斯说：“我们所有复合材料生产设施的控制室都是一样的。”。她解释说，机身第19段是一个筒体，长5.7米，直径约4米，使用589公斤碳纤维预浸料覆盖53平方米的表面积。在这座建筑中，第19段是为A350-900和-1000以及较新的A350货机制造的。
第19段洁净室配备了两台特殊配置的AFP机器（如左和后所示），用于将零件放置在5.7米长、4米直径的铝心轴上。
这是空中客车公司一次性生产的第一架复合材料第19段筒体，也是设计过程中的主要目标之一——A380第19段是由六块连接在一起的。另一个设计挑战是机身的这一部分必须处理来自水平尾翼（HTP）和垂直尾翼（VTP）的复杂载荷，这导致了碳纤维复合材料的材料选择。阿尔瓦雷斯补充道，到目前为止，制造第19段的核心流程已经自动化了约60%。
控制室外有两台ATL机器和一台Torrespanex切割机，均由MTorres提供。这些用于按照第19段铺设42个Ω型长桁，同样由赫氏（Hexcel）碳纤维/环氧预浸料制成。
接下来，长桁铺层被转移到附近两台热悬垂成型（HDF）机器中的一台，以形成6×2英寸宽的长桁。可以看到一辆自动AGV驶过，将欧米茄长桁穿过房间运送到两个垂直仓库中的一个。该工艺类似于WLC长桁成型工艺，尽管工具和桁条的形状不同；然而，对于第19段机身，使用ATL铺层而不是AFP。
在热悬垂成型（HDF）生产线旁边和空间的角落，有两个AFP站——一个由MAG（现归Fives公司所有）和一个由Fives（法国巴黎）拥有——它们将蒙皮铺在空中客车设计并由外部供应商制造的铝制桶芯轴上。蒙皮也被转移到集成站，在那里，长桁被从仓库中拉出，并用手安装到芯轴上专门设计的凹槽中。然后将整个组件真空装袋固化。
热压罐、精加工和检验
参观继续到下一个房间，按照流程到达热压罐区域，该区域包含一个热压罐和一个脱模站。这些零件的巨大尺寸在这里得到了充分的展示，在空间的另一边可以看到一排完成的第19段桶体，它们停在夹具上等待检查。
在通往热压罐的途中，将带有预放置长桁的第19段真空装袋。
整个第19段，包括蒙皮和桁条，都是一次性共固化的。阿尔瓦雷斯指出，脱模过程是“棘手的”，需要一个专门设计的过程和受控的冷却，以便在不损坏的情况下移除零件。她解释说：“固化后，零件的尺寸保持不变，而芯轴在冷却过程中会收缩。这使得零件可以与模具分离。”。每个芯轴使用六块碳纤维复合材料覆盖板（caul plates ），以保持外表面尺寸控制。
脱模区的左侧是一个防尘室，在那里通过喷水修整站钻出孔，以便在组装过程中连接框和硬件。阿尔瓦雷斯指出，该工厂正在与当地合作伙伴寻求解决方案，以重新利用修整废料。
参观还进入了标准杆数系统（美国明尼苏达州圣保罗）机器人工作站的操作员控制区，在那里我们可以看到Comau（意大利Grugliasco）机器人，该机器人使用钻石涂层工具在长桁上精确切割孔，机身框架将用夹子固定。
在固化、修整、钻孔和涂漆后，首先用超声波扫描仪检查每个第19段，然后在安装在旋转夹具中时进行目视检查。
从单侧自动相控阵超声无损检测单元开始，对每个完成的第19段进行两步检查。通过脉冲回波超声波检测（UT）手动检查不可进入的区域。在相邻的手动检查工作站内的第二步中，整个夹具围绕进行目视检查的人旋转，以获得更好的人体工程学。最后，零件已准备好运输和最终组装。
为未来做准备
在参观结束之际，阿尔瓦雷斯强调了我们所见证的WLC和第19段流程是如何回到空客的更大目标，特别是Illescas工厂的目标的。“在流程的每个阶段，我们都在实施预测传感器，因为这些数据是我们提高流程效率并实现可持续性和费率目标的方式。在每个团队中，我们的目标都是多样性和赋权。我们不断重新评估和改进你在整个工厂看到的自动化。这一切都是为了改善我们现在拥有的东西，为接下来的事情做准备。”
原文见，《Plant tour: Airbus, Illescas, Spain 》2024.8.28
杨超凡 2024.8.29
