Airbus và Boeing đang tăng tốc đầu tư vào các phương pháp sản xuất vật liệu composite thay thế autoclave truyền thống, một thay đổi có thể định hình lại cách chế tạo thế hệ tiếp theo của máy bay thân hẹp.

Cả hai hãng sản xuất đều đang đối mặt với cùng một vấn đề.

The current process for producing carbon fiber airframes cannot scale to the production rates required for a successor to the A320 and 737 families.

Tại sao autoclave trở thành điểm nghẽn

Autoclave đã định hình sản xuất cấu trúc hàng không bằng composite suốt hàng thập kỷ.

Những lò áp suất lớn này xử lý lớp vật liệu sợi carbon tẩm nhựa dưới nhiệt độ và áp suất chính xác, mang lại tỷ lệ bền trên trọng lượng đã làm nên khả năng của Boeing 787 và Airbus A350.

Nhưng autoclave chậm, tiêu tốn nhiều năng lượng và có giới hạn về công suất.

Đối với các chương trình hiện đang sản xuất khoảng năm đến mười máy bay thân rộng mỗi tháng, tốc độ đó vẫn phù hợp.

Còn với dây chuyền thân hẹp nhắm tới 70–100 chiếc mỗi tháng thì không.

Composite fuselage barrels for the 787 and A350 require hours inside massive autoclaves, followed by inspection and finishing cycles.

Chi phí đầu tư cho các cơ sở này rất lớn, và mỗi thiết bị tự nó tạo ra một giới hạn cứng cho năng suất.

Tăng công suất đồng nghĩa với việc phải xây thêm autoclave, mở rộng nhà xưởng và lắp đặt cơ sở hạ tầng hỗ trợ cho việc nén áp và quản lý nhiệt.

Cả Airbus và Boeing đều đi tới kết luận rằng nhân rộng phương pháp này theo cách tuyến tính sẽ không khả thi về mặt kinh tế lẫn vận hành cho các chương trình hoàn toàn mới của họ.

Airbus đã công khai cho biết mẫu thay thế A320 của họ, dự kiến vào dịch vụ trong nửa sau của những năm 2030, sẽ phụ thuộc nhiều vào cấu trúc composite.

Boeing chịu áp lực tương tự khi đánh giá một mẫu thay thế thân hẹp trong tương lai.

{{AD}}

Các giải pháp thay thế ngoài autoclave

Nhiều công nghệ đang cạnh tranh để thay thế autoclave. Mỗi công nghệ hứa hẹn rút ngắn chu kỳ, giảm tiêu thụ năng lượng và giảm cường độ vốn, mặc dù mỗi phương án cũng mang rủi ro kỹ thuật.

Vật liệu composite nhiệt dẻo đang thu hút sự chú ý đặc biệt.

Không giống như thermoset, vốn cần đóng rắn bằng phản ứng hóa học dưới nhiệt và áp suất, thermoplastic sẽ mềm khi nung nóng và cứng lại khi làm nguội.

Tính chất đó cho phép các chi tiết được hàn chứ không phải khóa bằng bulông hoặc dán, có thể loại bỏ hàng nghìn đinh tán trên một thân máy bay.

Airbus đã phát triển công nghệ thermoplastic thông qua chương trình Wing of Tomorrow và các hợp tác với những nhà cung cấp có kinh nghiệm về loại vật liệu này.

Resin transfer molding, or RTM, offers another route.

Trong quy trình này, các tiền hình (preform) sợi carbon khô được đặt vào khuôn kín, rồi nhựa được bơm vào dưới áp suất.

Việc đóng rắn diễn ra ngay trong khuôn, không cần một autoclave riêng.

Airbus đã dùng RTM cho các cấu kiện kết cấu nhỏ hơn và đang đánh giá liệu quy trình này có thể mở rộng đến các phần khung thân chính hay không.

Boeing has explored out-of-autoclave prepreg systems, in which resin-impregnated fabrics cure inside conventional ovens at lower pressures.

Công ty đã trình diễn các khái niệm liên quan thông qua công việc tại Boeing Research and Technology và các chương trình trước đây như Sugar Volt và transonic truss-braced wing thực hiện cùng NASA.

"Điều then chốt là tận dụng tất cả kiến thức chúng ta có và đảm bảo rằng có thể tái tạo nó với tốc độ cao," Sue Partridge, Trưởng chương trình Wing of Tomorrow của Airbus, nói. “Chúng tôi đã khảo sát các lựa chọn ngoài autoclave khác nhau, các lựa chọn sợi khô khác nhau. Những quyết định đó sẽ được đưa ra trong tương lai.”

{{REC}}

Tự động hóa là nửa còn lại của bài toán

Chỉ loại bỏ autoclave thôi sẽ không đạt được tốc độ sản xuất mà cả hai nhà sản xuất yêu cầu.

Tự động hóa các bước xếp lớp, kiểm tra và ghép nối cũng quan trọng không kém.

Máy đặt sợi tự động đã có khả năng trải băng composite với tốc độ cao, nhưng các bước tiếp theo như cắt tinh chỉnh, khoan và kiểm tra không phá hủy vẫn tiêu tốn nhiều lao động.

Nếu hàn thermoplastic trưởng thành, nó có thể cho phép dây chuyền lắp ráp liên tục giống mô hình sản xuất ô tô hơn là mô hình hàng không hiện tại.

Hàn cảm ứng, hàn siêu âm và hàn điện trở đều đang được đánh giá.

Mục tiêu là một thân máy bay di chuyển từ trạm này sang trạm khác trên một dây chuyền chuyển động, mỗi trạm thêm một đoạn hoặc hoàn thành một mối nối trong vài phút thay vì hàng giờ.

Mốc thời gian chương trình và rủi ro công nghiệp

Airbus công khai hơn về tham vọng của mình.

Hãng này cho biết các quyết định về cấu hình và vật liệu của mẫu thay thế A320 sẽ cần được chốt vào cuối thập niên 2020 để hỗ trợ việc đưa vào khai thác khoảng năm 2038.

Điều đó để lại khoảng một thập kỷ để công nghiệp hóa bất kỳ quy trình composite nào được công ty chọn, một tiến độ ngắn ngủi khi tính đến yêu cầu chứng nhận cho cấu trúc chính.

Tình hình của Boeing phức tạp hơn do công ty vẫn đang phục hồi sau khủng hoảng 737 MAX và các vấn đề về chất lượng đã làm chậm giao hàng 787.

Công ty chưa cam kết một mốc thời gian chắc chắn cho một máy bay thân hẹp mới, nhưng các lãnh đạo thừa nhận rằng bất kỳ mẫu thay thế nào cũng sẽ phải tách biệt khỏi các mô hình sản xuất hiện tại.

Việc Boeing mua lại Spirit AeroSystems, nhà cung cấp các phần khung thân cho cả 737 và 787, đã giúp hãng có quyền kiểm soát trực tiếp hơn đối với các quyết định sản xuất composite.

"Vẫn còn rất nhiều việc phải làm ngay cả với autoclave, liên quan đến dụng cụ... và hệ thống vật liệu," Lane Ballard, giám đốc công nghệ của Boeing, nói. “Chúng tôi đang làm việc ở cả hai phía, giống như ngành tua-bin gió và ô tô cũng đang làm. Làm thế nào để đạt được chất lượng đạt ngay lần đầu với tốc độ rất nhanh mà không cần những khối lượng lớn cơ sở hạ tầng mà các vật liệu composite hiện nay đòi hỏi? Vậy nên, chúng tôi đang nghiên cứu nhiều hướng, nhưng chắc chắn, giải pháp ngoài autoclave là một trong những lĩnh vực chúng tôi quan tâm giải quyết.”

Cả hai công ty cũng phải đối mặt với các cân nhắc chuỗi cung ứng.

Các hãng như Toray, Hexcel và Solvay sản xuất sợi carbon và hệ thống nhựa sẽ cung cấp cho bất kỳ quy trình mới nào.

Những quyết định đầu tư tại các nhà cung cấp này sẽ định hình công nghệ nào đạt tới độ trưởng thành công nghiệp trước.

{{AD}}

Bước tiếp theo

Không hãng nào công khai cam kết theo một lộ trình công nghệ duy nhất.

Cả hai đều triển khai các nỗ lực phát triển song song, tài trợ các mô hình trình diễn công nghệ và hợp tác với các viện nghiên cứu để giảm rủi ro cho các lựa chọn.

Airbus vận hành các trung tâm nghiên cứu composite chuyên dụng ở Stade, Đức và Bristol, Anh. Boeing thực hiện công việc tương tự ở Everett và St. Louis.

Những quyết định được đưa ra trong vài năm tới sẽ định hình sản xuất máy bay thương mại cho ba thập kỷ tiếp theo.

Bất kỳ tổ hợp nào của vật liệu, quy trình và tự động hóa đạt tới mức sẵn sàng sản xuất trước sẽ có khả năng thiết lập khuôn mẫu cho cách chế tạo máy bay thương mại kéo dài tới nửa sau của thế kỷ này.

Sự chuyển dịch rời xa autoclave đại diện cho một trong những chuyển đổi sản xuất có ý nghĩa nhất kể từ khi giới thiệu cấu trúc chính bằng composite.