Fraunhofer IPT automatiza la producción de aspas de ventilador de motor de CFRP termoplástico

Los materiales para aviones deben ser muy resistentes y, al mismo tiempo, lo más ligeros posible. Ofreciendo ambos, los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) se han utilizado cada vez con más frecuencia en las aspas de los ventiladores de motores de avión. (Consulte "Rolls-Royce inicia la fabricación de las aspas de ventilador más grandes del mundo"). Sin embargo, la producción de estos componentes requiere mucho tiempo y es cara porque tienen que curar durante varias horas en el autoclave. Un equipo de investigación del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción (IPT, Aachen, Alemania) busca automatizar aún más la producción de aspas de ventilador de CFRP.

La producción de muchos componentes CFRP ya está parcialmente automatizada. Los preimpregnados semiacabados preimpregnados, generalmente hechos de resina epoxi reforzada con fibra, se aplican y orientan en capas delgadas para crear una capa a medida. A continuación, se cura bajo presión y calor en un proceso de autoclave que consume mucha energía, dinero y tiempo. Fraunhofer IPT ha estado investigando las posibilidades de automatizar aún más la fabricación de hojas de CFRP para hacerlas aún más rentables.

Sin embargo, estos investigadores no se basan en materiales a base de resina epoxi, sino en termoplásticos reforzados con fibra de carbono. . Estos materiales ya se han utilizado en estructuras voladoras durante décadas, tienen buenas propiedades de construcción liviana combinadas con un excelente comportamiento de impacto y se pueden procesar de manera rápida y flexible de manera automatizada. Al ser termoplásticos, no requieren reticulación química para endurecerse, sino solo calentamiento para fundir y presión para consolidar durante el enfriamiento controlado. También se pueden recalentar y remodelar.

Por lo tanto, los compuestos termoplásticos son mucho más adecuados para procesos de fabricación eficientes, explica el Dr.-Ing. Henning Janssen, jefe del departamento de tecnología de sistemas láser y compuestos de fibra de Fraunhofer IPT. En varias series de pruebas, su equipo ha logrado por primera vez combinar dos de estos procesos para la producción de aspas de ventilador:colocación y conformado de cinta completamente automatizados.

Cadena de proceso flexible:colocación de cinta y termoformado automatizados

Con un sistema de colocación de cinta completamente automatizado, un desarrollo patentado de Fraunhofer IPT que se comercializa bajo licencia, las cintas termoplásticas reforzadas unidireccionales (UD) se colocan una encima de la otra según el dirección de carga requerida en la estructura. De esta manera, se crea un panel de múltiples capas, altamente resistente y flexible, una denominada hoja orgánica. Los investigadores monitorean y documentan cada paso del proceso totalmente automatizado utilizando varios sensores. De esta manera, pueden mirar dentro de la "caja negra" de la producción durante el proceso y crear una llamada "sombra digital" para cada hoja orgánica. Esta imagen virtual de la hoja orgánica real permite identificar desviaciones de calidad en una etapa temprana y tomar las contramedidas adecuadas.

La hoja orgánica terminada se calienta en el siguiente paso de producción y se le da forma casi neta en un proceso de termoformado. En la serie anterior de pruebas, el proceso se probó inicialmente en láminas orgánicas reforzadas con tela de 16 milímetros de espesor hechas de PA12 y fibras de carbono y pronto se transferirá a láminas orgánicas hechas de PEEK y cintas de fibra de carbono.

Serie de pruebas para fresar componentes de FRP

Después del termoformado, los bordes de la hoja orgánica formada se recortan y muelen hasta obtener la forma final. El fresado de FRP es un gran desafío debido a la estructura heterogénea del material. Además, las fibras de carbono tienen un efecto muy abrasivo en el filo de la herramienta de fresado y, por lo tanto, provocan un gran desgaste de la herramienta y una calidad de procesamiento fluctuante.

Una posibilidad para extender la vida útil de la herramienta es el uso de herramientas de fresado que están recubiertas con diamante policristalino (PCD). Durante sus intentos de mecanizar hojas de CFRP a menor escala, los investigadores descubrieron que la vida útil de las herramientas de fresado revestidas con PCD es significativamente más larga que la de las herramientas sin revestimiento. Además, un diseño personalizado de la estrategia de fresado tuvo una influencia positiva en la calidad del mecanizado.

Implementación en varios contextos de aplicaciones industriales

Los primeros resultados con los materiales termoplásticos CFRP son prometedores:"Pudimos demostrar que los procesos de fabricación vinculados (fabricación y acabado de las hojas) funcionan", dice Daniel Heinen, director de la Unidad de Negocio de Turbomaquinaria de Fraunhofer IPT. “Pudimos lograr muy buenas calidades de superficie tanto en la dirección radial de la hoja como entre los bordes delantero y trasero de las hojas. Ahora, tenemos que examinar y optimizar los procesos individuales más de cerca ".

Se han planificado proyectos de investigación para los próximos meses en los que los nuevos procesos se optimizarán y examinarán aún más en varios contextos de aplicaciones industriales. Los científicos de Aquisgrán están particularmente interesados ​​en el uso de PEEK termoplástico de alto rendimiento como matriz y la laminación de tecnología de sensores dentro de la hoja orgánica. Este último permitiría no solo monitorear los procesos de fabricación, sino también el estado de los componentes durante su uso posterior en el motor. También se busca la aplicación de la cadena de proceso a otros componentes, por ejemplo a los estatores y componentes de la góndola, así como a componentes ajenos a la industria de la aviación. Fraunhofer IPT da la bienvenida a las empresas interesadas que quieran participar en los proyectos.