空客A350機翼壁板機身第19段整體筒制造工藝
空中客車公司位于伊利斯卡斯的復合材料生產設施具有高度的自動化，可為各種商用飛機生產碳纖維/環氧樹脂預浸料零件，特別是A350機翼下壁板和第19段機身筒。
2012年，CW名譽高級技術編輯莎拉·布萊克（Sara Black）通過實地考察空客位于伊利斯卡斯的復合材料工廠、隔壁的Tier 1 Aernova和附近的研究機構FIDAMC，撰寫了關于西班牙航空業的文章。2024年初，CW有機會重新審視這些設施，看看它們以及該行業在此后的幾年里是如何發展的。
CW對空中客車公司伊利斯卡斯工廠的參觀由伊利斯卡斯基地運營主管莫妮卡·阿爾瓦雷斯（MónicaÁlvarez）和空中客車公司多功能復合材料專家塔瑪拉·布萊克（Tamara Blanco）帶領。首先對空客在西班牙的復合材料業務和目標進行了高層更新，特別是在伊利斯卡斯。
在其商業、國防和航天以及空中客車直升機部門，空中客車在西班牙經營著七個制造基地——圣巴勃羅、塔布拉達、加的斯、伊利斯卡斯、阿爾巴塞特、特雷斯·坎托斯和赫塔菲，雇傭了14100多名員工。
Illescas工廠占地170848㎡ ，位于托萊多省，距離馬德里以南僅一小段車程，專注于為公司商業部門制造復合材料組件。正如布萊克此前在2012年報道的那樣，該工廠建于1989年，最初為歐洲戰斗機制造碳纖維復合材料機翼上下壁板，為A330制造上下水平尾翼（HTP-horizontal tail plane）蒙皮，隨后為A320制造HTP蒙皮。
A350第19段機身筒體，有42根共固化長桁
1991年，該工廠擴建，建造了一個新的空間來制造A380的復合材料第19段機身段和側箱蒙皮，該飛機于2021年逐步淘汰。阿爾瓦雷斯說，當A350寬體飛機（其50%的主要結構由復合材料制成，是迄今為止空客商用飛機中最多的）于2015年開始生產時，該工廠開始制造其機翼下壁板和第19段機身，“這些是我們現在的主要工作驅動因素。”。
該工廠的制造技術包括自動鋪帶（ATL）、自動鋪絲（AFP）、熱壓罐固化、修整和自動檢測。該工廠生產的所有復合材料部件均由碳纖維/環氧樹脂預浸料制成，主要由赫氏(Hexcel）供應。阿爾瓦雷斯說：“我們每年消耗超過100萬㎡的碳纖維增強聚合物。”。
如今，該工廠的產品組合包括用于A320/A320neo和A330/A330neo的水平尾翼翼盒上下壁板，用于A330/A330C的機翼前后梁，用于A350的機翼下壁板（也稱為機翼下蓋，或WLC）和機身第19段，以及用于EuroFighter-2000的機翼蒙皮、前部翼梁和翼尖梁。
廣泛的目標：從產能提升到可持續發展
阿爾瓦雷斯解釋說：“我們的戰略是朝著飛機內更多復合材料的方向努力，A350是一大步。”。當然，增加復合材料使用的動力是減輕重量，從而降低飛機的整體油耗。
憑借其目前的商用飛機，空中客車公司作為一個整體，包括Illescas工廠，正專注于為其計劃的產能提升做好準備。影響伊利斯卡斯工廠的是A320（2027年從每月45架增加到75架）、A330（2024年底從每月3架增加到每月4架）和A350（2028年從每月6架增加到12架）的增長率目標。阿爾瓦雷斯說，對于所有這些，Illescas工廠正在“準備實現這些速度的工業手段和工藝”。
除了這些產能提升，該公司還致力于開發其“下一代”飛機。阿爾瓦雷斯說，展望未來，該公司的主要驅動力是“降低成本，提高我們工業系統的生產率，快速提升產能，為可持續發展做出貢獻。”
考慮到這些因素，她解釋說，空客下一代商用飛機設計的兩大優先事項是，第一，更換單通道窄體飛機，第二，其宣布的ZEROe短程氫燃料電動飛機，目標是在2035年前飛行。
Illescas工廠正在努力提高空中客車計劃產能的生產效率，包括到2028年A350的產量預計翻一番。
阿爾瓦雷斯說：“對于這兩種情況，我們預計復合材料的含量會很高，以減輕重量。低重量是節省燃料的關鍵，特別是如果我們想搭載H2（氫）罐系統。無論我們使用H2還是SAF-sustainable aviation fuel（可持續航空燃料）用于窄體，重量仍然是關鍵，復合材料可能是下一代的關鍵推動因素。”。
Illescas工廠尤其致力于提高下一代飛機效率的解決方案，包括增強材料和工藝的研發工作，重點是確?？沙掷m性。
關于其可持續發展目標，大約4年前，空中客車公司將其公司座右銘從“我們讓它飛起來”改為“我們為安全和團結的世界開拓可持續航空航天”。阿爾瓦雷斯說：“對我來說，這一變化是一個明確的信號，表明我們作為一家公司希望將我們現在正在做的事情與未來結合起來。”。“我們必須領導生態系統，不僅要在我們當前和未來的產品中做到最好，還要領導我們周圍的生態系統，重點關注可持續航空航天。”該公司還支持行業目標，如到2050年實現碳中和的歐盟綠色協議目標和到2030年將二氧化碳排放量減少55%。
布蘭科說：“復合材料可能只是我們目前整體碳足跡的一小部分，但隨著我們在未來飛機上增加復合材料的使用，碳足跡將會增長，特別是當我們通過改用氫氣或SAF來減少運營排放時。”。“我們完全致力于發展生態系統，使復合材料生產廢料和報廢零件具有可回收性，并與供應商合作減少原材料的排放。”
在Illescas，可持續發展工作包括提高機器效率，尋找材料回收解決方案，包括幾個正在進行的研發項目，以及減少浪費，這涉及安裝雨水回收系統，將其送入潔凈室氣候控制系統和無損檢測（NDT-nondestructive testing）設備。有關該公司可持續發展計劃的更多詳細信息，請參閱配套微信文章《空客飛機復材生命周期研發工作》。
預測工廠，賦能員工
工廠如何提高效率？阿爾瓦雷斯說：“我們的目標是成為一個預測工廠。”。“作為一個行業，我們有很多廢品和質量成本，因為我們在制造過程結束時檢查產品，但我們需要更好的方法來更早地檢測和預測缺陷，在整個零件制造之前，當仍然有機會解決問題時。”
這包括在制造過程的所有機器和級別上實施各種類型的傳感器，以連接過程的每個階段，為數字雙胞胎的開發提供信息，并最終提供“智能警報”，預測任何問題或缺陷，讓操作員知道，以便在進一步之前停止和糾正過程。
阿爾瓦雷斯說：“建立一個預測工廠是我們的雄心壯志，對我來說，這就像一種癡迷。”。“我更喜歡說這是一個‘數據驅動的工廠-data-driven factory’，而不是‘數字化-digitalization’這個詞。我不僅僅希望工廠里有數字屏幕，我還希望有一個利用數據預測問題并優化流程的過程。”
阿爾瓦雷斯為Illescas工廠設定的另一組目標是發展、多樣化和增強員工隊伍。目前，該工廠擁有約700名員工，并計劃隨著飛機產量的增加而增長。員工的平均年齡為42歲，擁有14年的工作經驗。阿爾瓦雷斯指出，性別多樣性是他們正在積極努力的方向——目前，該工廠21%的白領員工、12%的藍領員工和66%的工程管理人員為女性。當然，整個工廠本身是由女性領導的，阿爾瓦雷斯掌舵。
Illescas工廠還擁有所謂的自主生產團隊（APT-autonomous production team），這是一個“由藍領和主管組成的團隊，有權自己做出決定。對我們來說，這是這里最大的文化轉型之一，”阿爾瓦雷斯說，“將改進和優化決策降到最低水平的轉型。”
隨著CW之旅走出會議室，進入生產車間，阿爾瓦雷斯總結道：“該工廠的亮點包括擴建、加強這座預測性工廠、致力于可持續解決方案、用我們的步驟改進產品，以及致力于下一代飛機的研發項目。這或多或少是我們現在在工廠所做的事情。”
參觀A350 WLC設施
Illescas工廠由兩棟生產大樓組成。CW有機會參觀的第一個生產設施是2011年完工的64988㎡的新建筑，該建筑用于A350 WLC的生產。
每個壁板包括用17根長桁加固的蒙皮。為了展示這一過程是如何完成的，阿爾瓦雷斯和布萊克帶領CW參觀了一個巨大的開放式潔凈室。首先，我們走進一個名為控制室的空間，團隊在那里舉行日常會議，并通過墻上的SQCDP（安全、質量、成本、交付和人員）板跟蹤進度。這也是APT開會的地方。阿爾瓦雷斯解釋說，機翼壁板長32米，重2700公斤，是A350上最大的碳纖維增強塑料零件。
值得注意的是，部分由于空間大、機器和零件大，當我們穿過潔凈室時，周圍似乎很少有人。阿爾瓦雷斯表示，這是因為該流程高度自動化，A350 WLC核心流程的自動化程度約為70%。每班生產車間約有50名員工，其中大多數操作自動化設備。
AFP和ATL鋪放
機翼下壁板（WLC-wing lower cover ）潔凈室展示了正在運行的自動化流程。在第一張圖片的右側和特寫照片中，一系列龍門式ATL和AFP機器鋪設了銅箔LSP和CFRP下翼蒙皮。在空間的左側，桁條通過熱懸垂成型（HDF- hot drape forming ）鋪設和預成型。
離開控制室，我們首先接近三臺龍門式MTorres（西班牙Torres de Elorz）ATL機器。按照目前的速度，只需要其中兩臺機器來鋪設WLC的外層膨脹銅箔，以防止雷擊（LSP-lightning strike protection）。然后，使用四臺龍門式MTorres AFP機器將碳纖維/環氧樹脂預浸料鋪設到3D Invar工具上。
為什么ATL用于LSP，而AFP用于蒙皮？阿爾瓦雷斯解釋說，AFP的速度要快得多，能夠以50公斤/小時的速度鋪設材料，而ATL的速度為20公斤/小時，這更適合蒙皮，特別是為了實現加速目標。目前用于LSP的箔也更適合與ATL一起使用，ATL可以加工高達300毫米（11.8英寸）的寬帶。
空中客車公司一直在努力進一步優化其AFP工藝，并將其機器從12.7毫米寬（0.5英寸）的膠帶切換到50.8毫米寬（2英寸）的磁帶，以提高效率。布萊克補充道：“我們的第一步是提高AFP機器的寬度能力。對于下一代，我們希望鞏固這些工藝，使用一臺AFP機器，使用更寬、更厚的CFRP材料，以獲得更高的沉積速率。”。
鋪放后，蒙皮被移出潔凈室進行第一次熱壓罐循環，然后被帶回與長桁集成。
空中客車公司正在努力優化其四臺MTorres AFP機器，以實現更快的鋪放速度，從而實現產量提升目標。這包括更換其中一個纖維鋪放頭以鋪設更寬的膠帶，以及將表層和LSP結合成一種多功能材料的研發工作，這將減少材料和工藝步驟。
長桁的成型和整合
在蒙皮鋪放的同時，長桁在潔凈室遠端的高度自動化的工作站中制造。每個機翼蒙皮上有17根T形長桁，長度不一，最長可達32米。
32米長的長桁成型工作站從兩臺懸臂2D放置Torresfiber AFP機器開始，為長桁預成型件鋪設定制的坯料，并在附近的Torrespanex切割系統上進行修整，這兩臺機器均由MTorres提供。然后，坯料在熱懸垂成型（HDF- hot drape forming）機中預成型，冷卻后準備集成到蒙皮上。機械臂將長桁從一個位置移動到另一個位置。
布萊克解釋了從長桁成型工作站一側看到的擠出機的用途：剩余的預浸料帶卷通過KUKA（德國奧格斯堡）機器人拼接，然后擠出成三角形填料和條料，用于幫助將T形桁條定位在蒙皮上。
在上圖中，一輛自動AGV將真空袋裝機翼下壁板工具和預成型件運送到兩個涂漆明亮的熱壓罐之一（底部）。
我們看到一輛AGV運輸車帶著機翼蒙皮工具駛過，駛向出口門，駛向相鄰的熱壓罐區域，那里有兩個真空裝袋站。在這里，長桁預成型件通過激光投影儀放置，并用粘合劑附著在蒙皮上。然后將整個組件真空包裝并送回熱壓罐進行最終固化。
熱壓罐、精加工、檢查
參觀從潔凈室繼續到熱壓罐區，那里有兩個40米長、7米直徑的熱壓罐，用于固化蒙皮和最終的WLC組件。
除此之外，還有一系列四個修整站，兩個在右邊，另外兩個在左邊，它們使用激光掃描儀檢查尺寸精度，還有裝配站和兩個噴漆室。
最后一部分經過修整和鉆孔——必須在蒙皮上切割29個檢修口蓋孔——用墊片和支架組裝，并涂上底漆?？罩锌蛙嚬疽苍谶@里進行目視和C掃描檢查。最后的零件現在已經準備好組裝到A350機翼上。
總裝運輸
如何將32米長的機翼組件運送到裝配廠？阿爾瓦雷斯解釋說：“我們可以用卡車把它們運到大約15公里外的赫塔菲工廠”，不過她補充說：“在運輸它們的時候，我們必須關閉道路，所以我們只能在晚上這樣做，一切都必須提前高度控制和協調。”從赫塔菲開始，WLC被裝載到空客的白鯨運輸機上，前往空客在布勞頓的工廠，再從那里前往空客的總裝線（FAL-Airbus final assembly line）。
布萊克補充說，從可持續發展的角度來看，他們從使用標準的Beluga-大白鯨運輸機（一次可以攜帶兩個蒙皮）轉向了Beluga XL-超級大白鯨運輸機，后者可以一次攜帶四個蒙皮（兩個右手和兩個左手，或兩個飛機蒙皮），以幫助降低運輸成本和相關的二氧化碳排放。Beluga XL也設計為在SAF上運行。
在運輸到最終組裝設施之前，固化的機翼蓋在這里進行修整、涂漆和檢查。
參觀機身第19段設施
從這里開始，參觀繼續到附近的19號樓，首先進入另一個大型潔凈室，然后進入一個類似于WLC大樓的控制室。阿爾瓦雷斯說：“我們所有復合材料生產設施的控制室都是一樣的。”。她解釋說，機身第19段是一個筒體，長5.7米，直徑約4米，使用589公斤碳纖維預浸料覆蓋53平方米的表面積。在這座建筑中，第19段是為A350-900和-1000以及較新的A350貨機制造的。
第19段潔凈室配備了兩臺特殊配置的AFP機器（如左和后所示），用于將零件放置在5.7米長、4米直徑的鋁心軸上。
這是空中客車公司一次性生產的第一架復合材料第19段筒體，也是設計過程中的主要目標之一——A380第19段是由六塊連接在一起的。另一個設計挑戰是機身的這一部分必須處理來自水平尾翼（HTP）和垂直尾翼（VTP）的復雜載荷，這導致了碳纖維復合材料的材料選擇。阿爾瓦雷斯補充道，到目前為止，制造第19段的核心流程已經自動化了約60%。
控制室外有兩臺ATL機器和一臺Torrespanex切割機，均由MTorres提供。這些用于按照第19段鋪設42個Ω型長桁，同樣由赫氏（Hexcel）碳纖維/環氧預浸料制成。
接下來，長桁鋪層被轉移到附近兩臺熱懸垂成型（HDF）機器中的一臺，以形成6×2英寸寬的長桁?？梢钥吹揭惠v自動AGV駛過，將歐米茄長桁穿過房間運送到兩個垂直倉庫中的一個。該工藝類似于WLC長桁成型工藝，盡管工具和桁條的形狀不同；然而，對于第19段機身，使用ATL鋪層而不是AFP。
在熱懸垂成型（HDF）生產線旁邊和空間的角落，有兩個AFP站——一個由MAG（現歸Fives公司所有）和一個由Fives（法國巴黎）擁有——它們將蒙皮鋪在空中客車設計并由外部供應商制造的鋁制桶芯軸上。蒙皮也被轉移到集成站，在那里，長桁被從倉庫中拉出，并用手安裝到芯軸上專門設計的凹槽中。然后將整個組件真空裝袋固化。
熱壓罐、精加工和檢驗
參觀繼續到下一個房間，按照流程到達熱壓罐區域，該區域包含一個熱壓罐和一個脫模站。這些零件的巨大尺寸在這里得到了充分的展示，在空間的另一邊可以看到一排完成的第19段桶體，它們停在夾具上等待檢查。
在通往熱壓罐的途中，將帶有預放置長桁的第19段真空裝袋。
整個第19段，包括蒙皮和桁條，都是一次性共固化的。阿爾瓦雷斯指出，脫模過程是“棘手的”，需要一個專門設計的過程和受控的冷卻，以便在不損壞的情況下移除零件。她解釋說：“固化后，零件的尺寸保持不變，而芯軸在冷卻過程中會收縮。這使得零件可以與模具分離。”。每個芯軸使用六塊碳纖維復合材料覆蓋板（caul plates ），以保持外表面尺寸控制。
脫模區的左側是一個防塵室，在那里通過噴水修整站鉆出孔，以便在組裝過程中連接框和硬件。阿爾瓦雷斯指出，該工廠正在與當地合作伙伴尋求解決方案，以重新利用修整廢料。
參觀還進入了標準桿數系統（美國明尼蘇達州圣保羅）機器人工作站的操作員控制區，在那里我們可以看到Comau（意大利Grugliasco）機器人，該機器人使用鉆石涂層工具在長桁上精確切割孔，機身框架將用夾子固定。
在固化、修整、鉆孔和涂漆后，首先用超聲波掃描儀檢查每個第19段，然后在安裝在旋轉夾具中時進行目視檢查。
從單側自動相控陣超聲無損檢測單元開始，對每個完成的第19段進行兩步檢查。通過脈沖回波超聲波檢測（UT）手動檢查不可進入的區域。在相鄰的手動檢查工作站內的第二步中，整個夾具圍繞進行目視檢查的人旋轉，以獲得更好的人體工程學。最后，零件已準備好運輸和最終組裝。
為未來做準備
在參觀結束之際，阿爾瓦雷斯強調了我們所見證的WLC和第19段流程是如何回到空客的更大目標，特別是Illescas工廠的目標的。“在流程的每個階段，我們都在實施預測傳感器，因為這些數據是我們提高流程效率并實現可持續性和費率目標的方式。在每個團隊中，我們的目標都是多樣性和賦權。我們不斷重新評估和改進你在整個工廠看到的自動化。這一切都是為了改善我們現在擁有的東西，為接下來的事情做準備。”
原文見，《Plant tour: Airbus, Illescas, Spain 》2024.8.28
楊超凡 2024.8.29
