波音787(2007):50%复合材料占比背后的技术突破与生产实践
787梦想客机是波音公司（华盛顿州西雅图）和商业航空史上销售最快的客机，4月份斩获第567笔订单。飞机制造商表示，2006年营收较2005年增长15%——仅第四季度就增长26%。2006年，波音在双通道飞机市场占据73%份额，整体市场份额达61%。
如今几乎没有观察人士怀疑，这一前所未有的成功与该飞机大量采用复合材料的设计密不可分。787梦幻客机的复合材料占比高达50%（与机体重量之比），在同类机型中独树一帜。波音公司表示，大幅增加复合材料的使用带来的优势远不止显而易见的减重/经济性收益—更高的客舱压力、更大的舷窗、更低的腐蚀率以及更长的维护周期，才是787设计中的关键驱动力，每一项都对航空公司的客户极具吸引力。
随着飞机即将进入全面生产阶段，CW与波音公司主要复合材料供应商的代表进行了交谈，以了解目前使用的先进复合材料、制作工艺和机械的最新情况。
主结构用预浸料
毫无疑问，787复合材料最大的供应商是Toray Industries（东丽）。该公司为787的主结构提供其注册商标的Torayca 3900系列高韧性碳纤维增强环氧预浸料，包括单向带-UD（多种宽度）、散纱带-narrow slit tape （用于纤维铺放）和机织布形式。3900系列材料大部分将采用中模量T800S碳纤维制成。
据东丽美国子公司Toray Composites (America) Inc.（TCA，华盛顿州塔科马市）销售与营销总监厄尔·本顿（Earl Benton）介绍，取代波音777最初采用的T800H碳纤维的是T800S碳纤维，是碳纤维制造工艺改进的成果。新工艺在不牺牲机械性能或公司满足波音主结构预浸料严格标准BMS8-276能力的前提下，实现了更高生产率和更优供应稳定性。波音公司在2004年之前就为777机型认证了预浸料的基本单向产品形式，早于787项目启动。
东丽预浸料将用于形成尾翼的主要结构；波音制造公司（西雅图）将制造垂直尾翼，而阿莱尼亚航空（意大利罗马）将使用该材料制造水平安定面。在Triumph集团（德克萨斯州阿灵顿），非加压后机身蒙皮和长桁将采用该预浸料，阿莱尼亚的中机身、川崎重工（KHI，日本岐阜）的中机身前段和后轮舱隔板，以及Spirit AeroSystems（堪萨斯州威奇托）的前机身段同样会使用该材料。由富士重工业（FHI，日本东京）制造的中翼盒完全采用Torayca预浸料制成。三菱重工业（日本名古屋）将使用该材料制造主翼和翼盒的蒙皮、加强件及翼梁，而KHI负责固定后缘。大韩航空宇航（韩国首尔）负责生产翼梢部件。三菱与FHI均安装了Fives Liné Machines公司生产的LINEAR ATLAS双相自动铺带机。（法国巴黎），配备两个机头，其中一个使用卷绕单向带，另一个使用预切割材料，可在复杂区域快速铺设。据报道，三菱的机器是有史以来生产的最大的复合材料机床。与此同时，萨博航空结构公司（瑞典林雪平）将使用Torayca预浸料来制造货舱门和检修门。
Latecoere（法国图卢兹）将制造乘客舱门，几家较小的供应商将作为一级合作伙伴的分包商制造零部件。所有由Torayca预浸料生产的部件将通过热压罐固化。
根据东丽复合材料（美国）公司飞机销售与营销经理安德烈·多尔（Andrea Dorr）的说法，实现预浸料铺叠自动化是生产787的制造关键。她指出："自1994年获得波音777认证以来，东丽与波音始终致力于优化材料形态，以实现自动化加工并提升生产效率。787项目实现经济可行的关键在于，其材料铺设速率必须远超传统手工铺叠或第一代ATL设备。"波音需要达到一定的生产力水平，才能承诺制造一架复合材料含量如此高的飞机。
787合作伙伴从全球多家自动铺带机、纤维铺放机和自动长桁铺放机供应商中挑选了装备。“波音和东丽投入了大量资源来开发和鉴定符合787严格机械和物理性能要求的材料形式，同时满足广泛的加工需求。这些材料形式旨在满足支持787项目生产速率所需的高铺放速率。”
幸运的是，东丽无需开发新型预浸料加工装备，只需扩大现有设备的规模即可满足产量需求。除了标准单向带外，还增加并验证了多种其他产品宽度和形式，包括窄切带和编织布样式。其中一种编织布样式包含交织的导电丝，用作机身最外层以提供雷击防护。
此外，东丽无需花费太多时间与合作伙伴优化特定组件的固化周期，尽管实心层压板（如机翼蒙皮和翼梁比机身蒙皮厚得多）在形状、尺寸和厚度上存在显著差异。"波音和合作伙伴根据截面和装备，通过在合作伙伴现场的制造装备认证来确立加工参数，"多尔报告称。然而，本顿指出，获得所有产品形式的认证并非易事。他补充道，实际上自2003年以来，东丽（在美国的公司）的全体工程人员一直全职参与这项工作。
"最大的挑战之一，"多尔说，"在于管理波音合作伙伴遍布全球的物料需求与物流供应链。由于合作伙伴生产周期差异及物流因素，预测各类产品形态的需求与生产计划的过程变得更为复杂。"
为满足市场对碳纤维日益增长的需求，东丽大幅提升了碳纤维及预浸料产能。本顿指出，预浸料产能的扩张几乎完全由787项目驱动，而碳纤维产能的扩张则是为满足航空航天与非航空航天领域的预期增长需求。
东丽的本顿指出，虽然Tacoma预浸料工厂成立于1992年，旨在为波音777的水平尾翼、垂直尾翼和地板梁提供材料，但目标始终是设定更高的标准。"787项目，至少从东丽的角度来看，一直是我们的目标：制造复合材料的飞机是梦想，"他说。"我们已经从本地供应商转变为附近的弗雷德里克森（Fredrickson）的两个波音工厂（777的尾翼在此制造）的供应商，再到一个完整的全球预浸料供应商。"
尽管787的所有东丽预浸料目前都在塔科马生产，并配对到日本、韩国、意大利、法国、瑞典和北美的零部件制造商，但转型将包括在欧洲、日本和北美建立预浸料的本地转送站点。在未来两年内，预浸料生产将在日本启动，更靠近富士、三菱和川崎的工厂。
新材料，不同工艺
挑战不仅源于复合材料使用量的增加和供应商基地的全球化，还因为787采用了多种新材料形式和一些关键部件，这些部件采用了非热压罐成型工艺。787项目代表了复合材料行业的一次巨大飞跃。这是一种独特而卓越的飞机制造方法，催生了众多不同的产品，”材料供应商赫氏（Hexcel，位于加州都柏林）的戴维·巴尔（David Barr）表示。美洲开发项目总监，但他补充道：“这架飞机的规模和范围给材料供应商和零部件制造商带来了大量新挑战。”
NORDAM集团的Interiors and Structures部门（位于俄克拉何马州塔尔萨市）经过18个月的开发周期后，于2007年2月获得生产飞机窗框的许可。NORDAM与波音公司共同制定了详细规范，制作了五种设计构型，并完成了商用客机首个复合材料窗框的资格认证与适航测试。
波音公司先进技术总监阿尔·米勒(Al Miller)表示：“NORDAM称他们能满足我们的规格要求，他们确实做到了。这款窗框是真正创新的产品，帮助波音实现了飞机的性能目标。”
该框预计将对787的两个关键特性产生重大影响：其新型低密度复合材料保持减重近50%，与传统的铝制框相比具有更高的损伤容限。NORDAM已向波音的机身制造合作伙伴Alenia Aeronautica、Kawasaki Heavy Industries、Spirit AeroSystems和Triumph Group交付了首批配对，这些配对将被安装在机身蒙皮上。
HexMC还指定用于多种其他部件，包括高负荷角板、压力盘、角片、支架和其他通常由铝或钛制成的小型组件。Hexcel承担了设计、加工、成型和认证这些部件的任务，然后交付给波音的系统供应商。
由Goodrich Corp.（夏洛特，北卡罗来纳州）为GE和罗尔斯·罗伊斯发动机生产的发动吊舱，其结构中采用了HexPly 8552/AS4预浸料。整体式和夹层结构通过先进制造技术制成，并集成了多种Hexcel的HexWeb蜂窝芯产品。对于787的GEnx发动机选项，GE透露风扇叶片将采用表现优异的GE90复合材料技术，十多年来无需常规维护且无使用问题。
采用Hexcel新型专利产品Acousti-Cap插入式隔层结构芯材有助于降低发动机噪音。巴尔表示，这项专利待审的Acousti-Cap技术采用一体化插入式端盖设计，能提供优化的声学性能。该芯材可热成型并机加工至最终零件形状，之后铺设蒙皮层并一次性固化成型。
非热压罐成型的后缘
Hexcel为787的可移动后缘控制面部件提供用于非热压罐制造的树脂和结构性碳纤维织物，该部件包括副翼、襟副翼以及内外侧襟翼、7个扰流板和所有整流罩。关键产品之一是HexFlow RTM6，这种材料在航空航天工业中广泛用于复合结构的成型。这些部件由Hawker de Havilland（澳大利亚墨尔本）生产，采用基于12K展向的特殊HexForce织物。
在开发阶段，使用该工艺制造了三块超过30英尺/9.1米长的大型测试"蒙皮"。该公司正在设计工具，进行"可生产性"试验，测试材料和硬件，实施规划与生产流程，并完善其供应链。
机翼前缘缝翼结构在Spirit AeroSystems Inc.位于俄克拉荷马州塔尔萨的工厂生产。赫氏提供大型预成型、机械加工和拼接粘合的HexWeb蜂窝子组件，这些子组件可直接放入用于可动前缘结构的粘合工具中。对于这些部件，波音指定使用一种碳纤维预浸料，该预浸料结合了索尔维-Solvay复合材料公司（美国乔治亚州阿尔法利塔）的高温双马来酰亚胺（BMI）树脂与索尔维碳纤维增强材料。这使得波音公司能够移除部分绝缘材料—翼除冰系统（高温来源）已集成至这些组件中。固定前缘结构指定采用Hexcel供应的波音BMS标准传统玻璃纤维与碳纤维织物增强环氧预浸料组合，固化温度为250°F/121°C。
在工具方面，巴尔透露赫氏的注册商标HexTool—一种由碳纤维和高温BMI树脂制成的重型航空用预浸料—正被用于制造轻型工具，以生产中小型部件。机身生产(编者注：在撰写本篇报道时，沃特(Vought)公司在南卡罗来纳州北查尔斯顿新建一处制造设施。但波音公司随后收购了该设施，并将其改建为第二条787总装线。沃特(Vought)本身于2010年被Triumph集团收购。以下两段内容与原始报告保持一致。)此外，沃特公司(德克萨斯州达拉斯)宣布，其位于南卡罗来纳州北查尔斯顿的787制作设施已于4月交付了首套后机身段的配对组件。这些部分占787机身结构的23%：47段直径为19英尺，长23英尺（Φ5.8米×7米）；48段直径为14英尺，长15英尺（Φ4.3米×4.6米）。来自Fives Cincinnati(肯塔基州希伯伦)的自动铺带装备将Toray 3900系列单向碳纤维/环氧树脂预浸带铺设在由联锁芯轴制成的大型桶状可旋转模具上。桶段在Vought公司长76英尺、直径30英尺（23.2米×Φ9.1米）的热压罐中固化—这是ASC Process Systems（加利福尼亚州西尔马）建造的全球容积最大的热压罐。
3月，Alenia Aeronautica（意大利罗马）从其位于意大利Grottagie的新复合材料制造厂向Global Aeronautica(Alenia与Vought在南卡罗来纳州查尔斯顿的合资企业)发运了首批787复合材料机身中段44和46。Global Aeronautica将负责多个机身段的组装工作。44段长约28英尺/8.5米，46段长约33英尺/10米。Alenia采用了Ingersoll Machine Tools Inc.(伊利诺伊州罗克福德)最新一代纤维铺放装备。该公司还从其意大利福贾(Foggia)工厂提供水平尾翼部件。
机头前鼻段直径为21英尺，长42英尺（Φ6.2米×12.8米）。首件生产品采用波音自动化系统集团（BASG，密苏里州圣路易斯市）研发的AUSS XVII（第十七代自动超声波扫描系统）成功完成无损检测(NDI- Nondestructive inspection)。基于三件开发品积累的经验，后续测试证实该部件结构完整性符合标准。Spirit公司的787副总裁兼总经理约翰·皮拉(John Pilla)表示："我们在研发部门完成的概念验证非常成功，为生产首个787机头前鼻段机身奠定了重要基础。"
索尔维(Solvay)的SurfaceMaster 905表面处理膜应用于所有机身段，以减少喷漆前模压后处理(填坑和打磨)。索尔维(Solvay)的高温BMI复合材料被选为实现41段机身筒体联锁芯模的关键材料。BMI工装比传统因瓦合金更轻，成本可能更低，且与金属相比能提供更快的加热和冷却速率。
VARTM’的球面框(后压力舱壁)
球面框得益于专有的索尔维(Solvay)树脂灌注系统。与传统预浸料相比，该工艺降低了模具的资本支出和重复材料成本。据报道，这种增韧复合材料具有顶级的火焰/烟雾/毒性性能，与传统树脂灌注相比，可在减轻重量的同时消除防火屏障。
起落架支撑
奥尔巴尼复合材料工程公司（Albany Engineered Composites 位于新罕布什尔州罗切斯特市）正在为梅西耶-道蒂公司（位于法国韦利济）提供的787起落架结构制造碳纤维预成型件。这些预成型件被供应给梅西耶-道蒂的关联公司埃尔塞勒（位于法国勒阿弗尔），在那里通过树脂传递模塑（RTM）工艺注入环氧树脂。
据奥尔巴尼销售、业务发展和项目总监约翰·陶列洛(John Tauriello)介绍，这种纤维是赫氏公司的IM-7型号，AEC采用Jacquard三维编织工艺来制造净形预成型件，纤维体积含量在55%至60%之间，其中部分纤维沿z方向排列，以实现层间互锁功能并提升损伤容限。
涟漪效应与转折点
波音787的供应商并非该机型背后努力的唯一受益者。"拥有一款碳纤维含量达到这一水平的商用飞机，为克服产能波动提供了契机—这一直是碳纤维行业多年来的难题，"东丽的多尔表示，"随着产能全面提升，较小幅度的波动将不会造成太大影响。"
更重要的是，随着空客即将将其A380投入全面生产，航空航天级碳纤维期待已久的大规模市场现已稳固形成。行业供应商私下认为，我们正见证复合材料行业期盼已久的变革性事件。
原文，《Boeing 787 Update》 2007.51
