Aceleración de compuestos termoplásticos en la industria aeroespacial

Los compuestos termoplásticos continuos reforzados con fibra (TPC) se han citado como una tecnología habilitadora para el futuro de las aeronaves sostenibles, que ofrecen mayores tasas de producción de piezas livianas y de alta tenacidad que se pueden unir sin orificios ni sujetadores en ensamblajes soldados económicos.

CW publicó una serie de artículos en 2018 sobre cintas TPC, consolidación in situ y soldadura y presentó dos seminarios web en 2019 sobre TPC en aplicaciones automotrices y desarrollos de TPC para la industria aeroespacial. La mayor parte de mi Los artículos y presentaciones hasta la fecha hacen referencia a los fabricantes de piezas de TPC y a los proveedores de equipos en Europa, así como a la división Automated Dynamics de Trelleborg en los EE. UU. También hice un recorrido por Tri-Mack Plastics con sede en EE. UU. Pero desafortunadamente he pasado por alto a otro fabricante de piezas de TPC aquí en los EE. UU. Que ha estado impulsando silenciosamente la tecnología y la producción durante 15 años. ATC Manufacturing, ubicada en Post Falls, Idaho, en las afueras de Spokane, Washington, produce un millón de piezas por año, todos termoplásticos continuos reforzados con fibra y todo para la industria aeroespacial. Habiendo desarrollado una experiencia única en el conformado rápido de piezas 3D, ATC también es un socio clave en el programa de investigación RApid High-Performance Moulding (RAPM) con Boeing Co. (Chicago, Ill., EE. UU.) Y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa. (DARPA, Arlington, Va., EE. UU.) Para el Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD).

ATC Manufacturing produce un millón de piezas de compuestos termoplásticos por año para aplicaciones aeroespaciales, incluidas nervaduras, clips, soportes y refuerzos. FUENTE | Fabricación de ATC

¿Quién es ATC?

ATC Manufacturing fue fundada en 2004 por el ex ingeniero de Boeing Dan Jorgenson, quien sigue siendo el copresidente de la empresa. “Siempre hemos tenido un fuerte enfoque técnico y de ingeniería”, dice David Leach, director de desarrollo comercial de ATC Manufacturing. La compañía también tiene una larga trayectoria con Boeing, reconocida como proveedor de nivel Plata durante los últimos cinco años consecutivos y nominada como Proveedor Boeing del año en 2016 y 2017. “Hemos sido principalmente una empresa de impresión, comenzando en clips, soportes y piezas estampadas más pequeñas ”, dice Leach. "Pero en los últimos años, hemos progresado hacia conjuntos más complejos, así como piezas mucho más gruesas y grandes, de hasta 60 pulgadas de largo, y piezas destinadas a estructuras primarias". Estos últimos incluyen componentes estructurales de punta de ala, vigas largas con capas a medida en una variedad de secciones transversales, así como estructuras de fuselaje y empenaje.

La empresa tiene 150 empleados con más de 20 ingenieros. Su fabricación se centra en una sola instalación de 67,000 pies cuadrados, construida especialmente en 2015 y diseñada para un flujo de trabajo optimizado con espacio para expandirse. (Tenga en cuenta que 52,500 pies cuadrados de espacio ya están planificados de antemano para el crecimiento futuro). "Todo está bajo un mismo techo", señala Leach, "lo que simplifica las operaciones". Esto incluye nueve prensas formadoras de sellos con capacidades que van desde 30 a 150 toneladas y áreas de platina de hasta 60 pulgadas por 30 pulgadas. “Estamos instalando una prensa adicional de 200 toneladas que estará en pleno funcionamiento a finales de 2019”, añade. ATC tiene 10 estaciones de mecanizado CNC capaces de manipular piezas de hasta 12 pies de largo y corte con chorro de agua para piezas de hasta 30 pies de largo.

ATC Manufacturing opera 9 prensas de estampación, incluida la prensa de 80 toneladas que se muestra aquí, con capacidades de hasta 150 toneladas y áreas de platina de hasta 60 x 30 pulgadas.
FUENTE | Fabricación de ATC

La inspección no destructiva (NDI) también está integrada en las operaciones de la instalación y el diseño del flujo de trabajo, incluidos cinco sistemas de tanque C-scan que brindan pulso-eco y pruebas de transmisión para piezas de hasta 30 pies de largo. Otra experiencia interna incluye toda la preparación y pintura de superficies. “Hemos desarrollado una preparación de superficies muy eficiente para compuestos termoplásticos, que pueden ser difíciles de pintar y unir”, dice Leach, señalando que ATC también ha trabajado en el tratamiento con plasma de piezas de TPC. La empresa pinta 200.000 piezas al año y sella los bordes 70.000 piezas al año.

“También hemos invertido mucho en investigación, como el programa RAPM para DARPA, y somos miembros del Centro de Investigación de compuestos ThermoPlastic (TPRC, Enschede, Países Bajos)”, continúa. ATC participa en la conferencia del décimo aniversario de la TPRC titulada "El futuro de los compuestos termoplásticos" que se celebrará el 8 de octubre en la Universidad de Twente en los Países Bajos. "Corbin Chamberlain, vicepresidente de ATC, participará en una sesión de panel y también demostraremos piezas estructurales aeroespaciales que hemos fabricado en una exposición celebrada junto con la conferencia", dice Leach.

Canales compuestos termoplásticos pintados con accesorios instalados. FUENTE | Fabricación de ATC

Tejidos a cinta UD, formación y tiempos de ciclo rápidos

Aunque la fabricación de ATC de soportes y clips TPC comenzó con refuerzos de tela, ahora han migrado al uso de cinta unidireccional (UD). “Luego evolucionamos hacia piezas estructurales más grandes porque ya habíamos desarrollado una buena experiencia en cómo formar piezas 3D con cinta UD”, explica Leach. “Estas piezas, que varían en grosor de 1 a 2 milímetros a 6,5 ​​milímetros, deben acoplarse a otras estructuras. Tenemos que cumplir con tolerancias dimensionales estrictas para superficies de contacto, por ejemplo, tolerancia de perfil de ± 0,010 pulgadas (0,25 milímetros) y tolerancia angular de ± 0,5 grados ”.

Luego, la empresa comenzó a desarrollar perfiles largos de TPC. “Hacemos nuestro propio material laminado plano utilizando moldeo por compresión continua (CCM)”, dice Leach. "Tenemos dos máquinas CCM para laminados planos y una que forma preimpregnados de TPC en un perfil 3D continuo, produciendo canales de hasta 75 pies de largo".

Perfil compuesto termoplástico que se forma mediante moldeo por compresión continua (CCM). FUENTE | Fabricación de ATC

Cuando se le preguntó acerca de los desafíos en la formación de perfiles y formas 3D, el director de ingeniería de I + D de ATC Manufacturing, Trevor McCrea, explica que con las telas, “el tejido en sí mismo controla gran parte de la deformación que está ocurriendo. Con UD, hay diferentes dinámicas. Por ejemplo, 90 ° del radio quiere adelgazar o engrosar, pero no puede tener eso en una parte estructural. Estos problemas empeoran con formas más complejas. También tiene más desafíos a la hora de gestionar el proceso de formación ”.

¿Gestionando el proceso? "Para nosotros, esto es muy diferente a la formación en termoendurecibles porque solo tenemos 2 segundos para formar", dice McCrea. “Puedes cubrir muchos pecados en un ciclo de autoclave”, agrega. “Pero estamos utilizando procesos de conformado y estampado muy rápidos sin ese margen de maniobra. También debemos gestionar la cristalinidad ". Esto se debe a que las estructuras de aeronaves altamente cargadas utilizan polímeros de matriz termoplástica semicristalinos, como poliéterétercetona (PEEK), poliétercetonacetona (PEKK) y poliariletercetona de bajo punto de fusión (LM PAEK), que derivan sus notables propiedades mecánicas y resistencia química de la estructura cristalina que se desarrolla. como se enfrían. "Puede cristalizar de forma isotérmica, lo que no es demasiado difícil para las placas planas, pero se vuelve mucho más desafiante con las formas 3D", dice McCrea. “Los materiales deben calentarse lo suficiente para que se formen [tenga en cuenta que las temperaturas de fusión de estos materiales están entre 300-400 ° C], pero luego se deben enfriar rápidamente lo suficiente como para desmoldar en caliente a fin de evitar el ciclo térmico de las herramientas mientras se maneja la forma, la tolerancia, la cristalinidad y el acabado de la superficie . ”

Una de las razones por las que las piezas de TPC han crecido en los últimos años es su capacidad para ofrecer tiempos de ciclo realmente rápidos. "Hemos hecho nervaduras para demostradores de aviones militares con un tiempo de ciclo de 5 minutos, y nuestro tiempo de ciclo promedio es de aproximadamente 10 minutos", señala Leach. "Podemos permitir las altas tasas de producción que buscan actualmente los fabricantes de equipos originales de aviones". Ese tiempo de ciclo promedio muy rápido en realidad da como resultado una combinación de piezas que cambia constantemente. “Nos encantaría producir una sola pieza durante meses, pero nuestra capacidad de tasa supera a la de la fabricación de aviones”, dice McCrea. "Entonces, siempre estamos pasando por varias partes". La mayor parte de la fabricación de ATC se realiza en un turno por día, 5 días por semana. "Tenemos mucha capacidad para satisfacer una mayor producción", señala Leach.

Cintas estructurales de composites termoplásticos y perfil pintado. FUENTE | Fabricación de ATC

Visión para el futuro

ATC ofrece un valor significativo a través de su más de una década de experiencia en la producción de TPC. “Con frecuencia ayudamos a nuestros clientes a diseñar piezas para la fabricación”, dice Leach. “A menudo convertimos piezas de material compuesto termoestable, por ejemplo, un accesorio de estructura primaria del fuselaje que se produce para mantener el grosor original. Pero podría ser una pieza mucho más liviana si se diseñó originalmente para TPC ". ¿Por qué? “Porque estos materiales de matriz de TP semicristalinos tienen un rendimiento superior”, explica. “No tiene que diseñar para microfisuras y tolerancia al daño como lo haría con una matriz termoestable, y también hay mucho menos derribo en caliente / húmedo. De hecho, no hay ningún derribo húmedo en PEEK, PEEK o PAEK. Tampoco hay una caída en caliente a menos que esté cerca de la Tg, que normalmente es de ≈150 ° C. Para la prueba estándar de compresión de agujero abierto (OHC) para la tolerancia al daño, por ejemplo, donde evalúa la resistencia a medida que hace la transición de la muestra de RT a 120 ° C, casi no se produce ninguna caída ".

“Podremos diseñar piezas más delgadas y también eliminar gran parte del aluminio y titanio que se encuentran en los diseños actuales de primera generación para compuestos [como el Boeing 787 y el avión de fuselaje ancho Airbus A350]”, añade McCrea. "Seguimos avanzando en la formación de estos materiales y eso seguirá abriendo nuevas aplicaciones".

Leach cree que esto tendrá un impacto significativo en las futuras aplicaciones de aeronaves. "De hecho, ahora estamos buscando piezas que simplemente no se pueden producir con termoendurecibles debido a las propiedades y la tasa de producción que se exigen".

Para obtener más información, ATC Manufacturing presentará el documento técnico 'Compuestos termoplásticos rentables en aeroestructuras' de los autores Corbin Chamberlain, David Leach y Trevor McCrea en CAMX 2019 en la Sesión de aplicaciones y materiales termoplásticos, miércoles 25 de septiembre a las 4:00 p.m. en la habitación 210C.

También presentó un documento conjunto con Boeing en una sesión cerrada en SAMPE 2019 (4 al 7 de mayo, Charlotte, NC, EE. UU.) Titulado:“Moldeo rápido de alto rendimiento de piezas compuestas termoplásticas estructurales”. Vea mi blog:https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense- aplicaciones