Liniowiec marzeń: rewolucja w dziedzinie materiałów

Intensywne wykorzystanie plastycznych kompozytów w konstrukcji Boeinga 787 Dreamliner powoduje zmniejszenie masy, pozwala na zastosowanie nowych koncepcji przy projektowaniu, przedłuża okres użytkowania samolotu i umożliwia utrzymywanie wyższego ciśnienia w kabinie

Gdy Boeing rozważał intensywne wykorzystanie kompozytów konstrukcyjnych do budowy 787 Dreamliner, inżynierowie firmy intuicyjnie zdawali sobie sprawę, że matryce epoksydowe czy z włókna węglowego spowodowałyby znaczne zmniejszenie wagi, co przyniosłoby oszczędności na paliwie i zwiększyłoby zasięg samolotu. Jednak po dokładnym przyjrzeniu się kompozytom zdali sobie sprawę, że możliwe są fundamentalne zmiany w projekcie – modyfikacje te pozwoliłyby na integrację systemów funkcjonalnych, a także zmiany w przepływie laminarnym, które poprawiłyby aerodynamikę samolotu.

 HAWKER de Havilland, australijski partner Boeinga w Australii, wytwarza kompozytowe podzespoły krawędzi spływu

płata do 787

Z punktu widzenia materiałów 787 Dreamliner jest jednym z najbardziej rewolucyjnych kroków naprzód w dziejach produkcji przemysłowej. Lecz żeby można było dotrzymać ambitnego harmonogramu dostaw – pierwszą dostawę zaplanowano na maj 2008 roku – trzeba było pokonać olbrzymie przeszkody:

• Nigdy wcześniej nie próbowano produkować na masową skalę bardzo dużych, wzmocnionych węglem konstrukcji plastycznych, które są materiałami termoutwardzalnymi o znacznie dłuższym czasie obróbki niż termoplasty.
• Najważniejsze oprzyrządowanie do tak dużych sekcji nadal w znacznym stopniu znajdowało się w fazie projektowania i faktycznie stanowiło jedno z niewielu małych potknięć w programie rozwoju.
• Trzeba było opracować nowe powłoki, by rozwiązać problem rozprzestrzeniania się pęknięć, który nie odgrywa znaczącej roli w przypadku aluminium.

Dziedziną, która nie była nowa, była technologia materiałowa. – Kiedy podjęliśmy decyzję o zastosowaniu kompozytów do konstrukcji skrzydeł, kadłuba, belek stropowych i tak dalej, poszliśmy drogą wykorzystania materiału, w produkcji którego mieliśmy już spore doświadczenie dzięki 777 – mówi dr Alan G. Miller, dyrektor ds. integracji technologii w programie 787 i były główny inżynier ds. technologii wszechmateriałowej w firmie Boeing. – Znaliśmy sprawy takie, jak trwałość wymiarowa. Wiedzieliśmy, w jaki sposób kompozyty wpływają na procesy produkcyjne. Mieliśmy bazy danych technik dopuszczalnych przy projektowaniu. Mieliśmy dużą dawkę zaufania ze strony naszych klientów.

Wagowo Boeing 777 składa się z komponentów w 9%, podczas gdy Boeing 787 w 50%. W czasie cyklu eksploatacji 777 wzmocnione węglem materiały plastyczne (kompozyty) zostały ulepszone pod względem właściwości, technologii produkcji i struktury kosztów.

Wszystkie kompozyty dostarcza Toray Industries, największy na świecie producent włókien węglowych. Od 2004 roku, Boeing składa u tego producenta zamówienia na kompozyty, których wartość oszacowano na 6 mld USD, wywierając presję na ceny i dostawy dla innych użytkowników. Ocena ta opierała się na przewidywanej produkcji na rok 2006, ale liczby te już się zdezaktualizowały z powodu spektakularnego sukcesu, jaki odniósł 787.

Problemy związane z masową produkcją

Procesy produkcji kompozytów przebiegają znacznie wolniej niż ma to miejsce w przypadku termoplastów. – (Przed Dreamlinerem) nie mieliśmy do czynienia z produkcją wysokoilościową – mówi Miller. – Przemysł produkcji kompozytów nigdy wcześniej nie musiał mierzyć się z takim problemem. To była góra, na którą musieliśmy się wspiąć.

Zdaniem Millera producenci tradycyjnych obrabiarek dostarczyli najważniejszych rozwiązań.

Narzędzia stanowiły większy problem z racji swojej wielkości (były wielkości samolotu), a także ewolucji technologii. Wcześniej kompozytowe narzędzia dostarczano głównie w celu budowy łodzi, a nie jest to branża, w której stosuje się produkcję masową.

– Dziedziną technologii, która nadal sprawia kłopoty, jest oprzyrządowanie – mówi Miller. – Pozostawione samemu sobie oprzyrządowanie kompozytowe może być całkiem eleganckie lub – jeśli nie poświęcasz mu uwagi – może być bardzo niezgrabne i ciężkie… Musieliśmy spotkać się bezpośrednio z naszymi partnerami technologicznymi, by mieć pewność, że technologia ta jest wystarczająco dojrzała, by dotrzymać harmonogramów produkcji.

W dziedzinie materiałów konstrukcyjnych wśród dużych narzędzi kompozytowych niepodzielnie króluje stop żelazowo- -niklowy o nazwie Invar, którego zaletą jest kontrolowany współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE). Problem z Invarem polega na tym, że nie nadaje się on zbyt dobrze do systemów „odchudzonej” produkcji, które od kilku lat są w firmie Boeing ważnym celem. Alternatywą jest „miękkie” oprzyrządowanie, które także wykonane jest z materiałów zespolonych. Aluminium to nieporozumienie z powodu jego CTE. Miękkie oprzyrządowanie wypracowało sobie złą opinię z powodu problemów, jakie wystąpiły przy produkcji trudnowykrywalnego bombowca B-2.

Technologia oprzyrządowania do produkcji Dreamlinera jest ściśle chroniona prawnie, ale wyciekło kilka informacji, w których wspomina się o firmie Janicki Industries z Seedro-Wooley w stanie Waszyngton (http://rbi.ims.ca/5383-604). Janicki, wieloletni konstruktor łodzi, opracował nowe miękkie oprzyrządowanie dla Dreamlinera, które okazało się sukcesem, jeśli nie liczyć jednej, nagłośnionej przez media wpadki (http://rbi.ims.ca/5393-605), kiedy to błąd przy tworzeniu żywicy stał się przyczyną wycieku i uszkodzenia trzpienia.

– Innowacja leży nie tylko w materiałach, ale także w sposobie, w jaki tworzą one oprzyrządowanie – mówi Miller. Janicki na przykład zbudował na zamówienie trzy pięcioosiowe maszyny sterowane numerycznie, mogące dokonywać obróbki elementów o wymiarach nawet 88 × 19 × 8 stóp z dokładnością rzędu ±0,03 cala.

– Teraz wiele się mówi o technologii oprzyrządowania, która może zastąpić Invar z wielu powodów. Jest on drogi, duży i ciężki – mówi Jeff Sloan, redaktor naczelny High-Performance Composites (http://rbi.ims.ca/5393-606). – Jeśli chcesz opracować kilka wersji, które są krótsze lub dłuższe, z różnych powodów, chcesz mieć narzędzie, do którego można dodać 5 czy 10 stóp, nie płacąc za to pół miliona USD.

Coś więcej, niż tylko waga

Kompozyty są warte wysiłku i z całą pewnością czeka je przyszłość w przemyśle lotniczym. Zalety wykraczają poza zmniejszenie wagi. – Dostrzegamy coraz praktyczniejsze sposoby integracji funkcji w jeden system – mówi Miller. – System strukturalny może być także częścią systemu redukcji hałasu. Może być także częścią systemu przekazywania ciepła oraz instalacji elektrycznej. Kompozyty będą stosowane na coraz większą skalę, bo teraz nie chodzi już tylko o konstrukcję.

To jeszcze nie wszystko. Większa wytrzymałość kompozytowego kadłuba pozwoli utrzymywać większe ciśnienie w kabinie pasażerskiej, przez co łatwiej będzie kontrolować temperaturę, wilgotność i wentylację. Materiały zespolone są także bardziej wytrzymałe niż aluminium, dzięki większej odporności na korozję i zmęczenie materiału, a także znacznemu zmniejszeniu ilości łączników. Konstrukcja 787 to zasadniczo jedna olbrzymia makromolekuła – wszystko jest połączone za pomocą usieciowanych wiązań chemicznych, wzmocnionych włóknem węglowym. – Na samym początku podjęliśmy decyzję, że zrobimy «beczkę z jednego kawałka» – mówi Miller. – Nie ma tu połączeń zakładkowych, ponieważ je zawijamy.

Korzyści płynące z kompozytów rosną w miarę, jak inżynierowie Boeinga nabierają doświadczenia.

– Odkryliśmy, w jaki sposób produkować lepsze ramy okienne, a kiedy to się stało, zmieniliśmy charakterystyki przenoszenia obciążenia w tej części kadłuba – mówi Miller. – To pozwoliło nam wrócić do «beczki z jednego kawałka» i jeszcze bardziej zmniejszyć ciężar tej części konstrukcji. W końcu udało się nam oszczędzić trzy razy więcej niż miało to miejsce w pierwotnym projekcie.

Kolejne korzyści płyną z poprawionego przepływu laminarnego (1,5 łokcia: ok. 72 cm) w miejscu, gdzie metal łączy się z tworzywem sztucznym: zintegrowany z konstrukcją gondoli wlot silnika. Boeing ocenia, że tylko to ulepszenie przyniesie oszczędności rzędu 20 000 galonów paliwa rocznie.

– To ogromny amalgamat technologii produkcyjnej, materiałowej i formowania, który być może pozwoli nam dokonać kolejnego skoku w osiągach aerodynamicznych – mówi Miller.

Jakie są wady kompozytów?

Korozja ich się nie ima, ale przechodzą proces fotoutleniania. Z tego powodu kompozyty trzeba malować. I tu kryje się kolejna opowieść o technologii użytej przy produkcji Dreamlinera. – Zastosowaliśmy pośrednią powłokę barierową – mówi Miller. – Nasi klienci mogą usuwać lub zmieniać kolor farby bez konieczności docierania aż do kompozytu. Oznacza to, że nie muszą piaskować.

Kolejna sprawa to nie tyle wada, co różnica. Konstrukcje kompozytowe wymagają innego podejścia do spraw związanych z temperaturą i prądem niż w przypadku aluminium, które ma wyższą przewodność elektryczną i cieplną. Na przykład sposób odprowadzania prądu ze zwarć jest prostszy niż w przypadku konstrukcji wykonanych z aluminium. – Teraz o wiele lepiej niż trzy lata temu wiemy, jak rozwiązywać te problemy – mówi Miller.

To jeden z powodów, dla których Boeing utrzymuje w tajemnicy informacje dotyczące konkretnych partnerów technologicznych, na przykład producentów narzędzi. Wszelkie informacje przekazywane do mediów przez dostawców są także dokładnie sprawdzane przez firmę.

Autor: TEKST: DOUG SMOCK ILUSTRACJE: BOEING