Explore la planta de fibra CNT de Veelo Technologies en Woodlawn: Por dentro de la innovadora instalación

¿Qué haces cuando la fibra de nanotubo de carbono (CNT) que tu empresa intentaba comercializar no proporciona el rendimiento necesario para tus clientes potenciales, que incluyen la Fuerza Aérea de EE. UU. y Boeing (Chicago, Ill., EE. UU.)? Pivotas, vuelves a la mesa de dibujo, y usas tu experiencia en materiales avanzados y procesamiento de composites para desarrollar otras soluciones. "A menudo usamos nanomateriales, pero de ninguna manera somos una empresa de nanomateriales", dice el CEO de Veelo Technologies, Joe Sprengard. "Somos una empresa de materiales avanzados enfocada en materiales eléctricamente conductivos y soluciones de calefacción no metálicas. El hilo común entre nuestro enfoque inicial en desarrollar fibras y láminas continuas de CNT y nuestra cartera actual de productos —protección contra rayos (LSP) y blindaje electromagnético, mantas de calefacción para procesamiento eficiente de composites y sistemas de deshielo electrotérmicos no metálicos— es nuestra capacidad para desarrollar nuevos materiales que no solo entregan nuevos niveles de rendimiento, sino que también cumplen requisitos de peso y coste".

La empresa ha escalado de 4 a 24 empleados y se mudó a una nueva instalación de fabricación de 20.000 pies cuadrados en Woodlawn, un suburbio de Cincinnati ubicado a una milla de la sede de GE Aviation en Evendale y una hora al sur del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) en la Base Aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio. Sprengard guía el recorrido de CW por el nuevo sitio de producción de Veelo Technologies, caminando a través de la evolución de la empresa desde proveedor de nanomateriales a especialista en productos planos avanzados a socio de innovación para futuros composites.

De nano a composites multifuncionales y procesamiento
Veelo Technologies comenzó desarrollando láminas continuas de fibra CNT (esquina superior izquierda) pero ha evolucionado para usar una gama de materiales en sus productos para protección contra rayos y mantas de calefacción no metálicas para procesamiento de composites y sistemas de deshielo para aerostructuras (abajo y derecha).

Fibras y láminas CNT

Veelo Technologies se originó originalmente de la Universidad de Cincinnati (UC) como General Nano. La universidad había producido los arrays de CNT más largos del mundo —18 milímetros de largo— en 2007. "El Directorio de Materiales y Manufactura de AFRL mostró interés y comenzó una evaluación multi-año", explica Sprengard, quien se unió a la empresa en 2009. "Durante los primeros tres años, intentábamos averiguar cómo convertir estos CNTs largos en fibras macro-escalares de alta resistencia, que era lo que AFRL buscaba. Pero las propiedades nunca se materializaron".

Así que la empresa pivoteó, desarrollando una forma de convertir los CNTs en una lámina continua. Boeing se interesó, viendo la tecnología como solución potencial a su necesidad de LSP y blindaje de interferencia electromagnética (EMI) para sus estructuras de aeronaves compuestas. "En promedio, los aviones comerciales son golpeados por rayos cada 1.000 horas", dice Sprengard. Aunque la fibra de carbono es conductiva, las resinas de matriz en composites no lo son. Así, las aerostructuras de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) que Boeing producía en números récord para sus aviones comerciales 777 y 787 dependían de lámina de metal expandido y otras soluciones metálicas para conducir rápidamente la corriente eléctrica a una conexión a tierra y prevenir daño por calor. "Pero la malla metálica es pesada, produce mucho peso parásito y puede ser difícil de procesar en piezas compuestas", dice el ingeniero de desarrollo de producto de Veelo Technologies, Larry Christy.

Para 2015, Boeing tenía un impulso empresarial para desarrollar una solución LSP de próxima generación, y General Nano era un socio clave. CW visitó General Nano poco después, en 2016, en su ubicación original en una incubadora de empresas basada en Cincinnati que albergaba múltiples startups. Christy lideró ese recorrido por los laboratorios de la empresa y discutió la evolución tecnológica entonces en progreso. "La efectividad del LSP y blindaje metálico disminuye con la frecuencia", explicó. "Necesitas mejorar conductividad y reducir impedancia pero ser menos de 25 micras de espesor. Sin embargo, las uniones CNT-a-CNT añaden resistencia dentro de la lámina. De 2014 a 2016, mejoramos conductividad 12 veces y probamos una solución drop-in para blindaje a frecuencia de 200 MHz con 25% ahorro de peso versus metal. Pero aún necesitamos reducir espesor".

En este punto, la empresa había desarrollado la capacidad de producir CNTs alineados en sustrato de 5 pies de ancho en longitudes de cientos de pies. También fabricaba papel CNT y materiales no tejidos de 20 gramos por metro cuadrado, 2 mm de espesor —un tipo de no tejido continuo de CNT— usando una red de socios de fabricación por encargo con exceso de capacidad en sus equipos de fabricación de papel. "Este enfoque nos da flexibilidad", explicó Christy, "y nos permite enfocarnos en trabajar con nuestros clientes para añadir funcionalidad y adaptar las propiedades y formato de nuestros productos". La empresa también había sido solicitada para hacer cintas continuas, que nuevamente hizo usando su red de encargo.

Pivote a productos planos de alto rendimiento

Esta adaptabilidad y disposición a modificar sus productos basándose en requisitos del cliente fue clave, ya que aproximadamente una década en su existencia, la empresa entendió que su futuro podría verse muy diferente de su pasado. Christy explicó que había múltiples necesidades, no solo para LSP sino también para blindaje EMI. "Tienes que adaptar el rendimiento eléctrico para cada uno. Las propiedades de la malla metálica son dependientes de frecuencia y bajan a medida que aumenta la frecuencia debido a fugas por los agujeros en la lámina. Nuestro rendimiento sube con la frecuencia porque nuestros productos son continuos sin agujeros y sin fugas. Los CNTs superan a los metales en altas frecuencias, así que son geniales para aplicaciones de radiofrecuencia de alta intensidad (HIRF) y comunicaciones satelitales de alta potencia. Los CNTs también no tienen efecto piel, que es un problema con los metales". El efecto piel es la tendencia de la corriente alterna a evitar viajar por el centro de un conductor, limitándose en su lugar a su superficie o piel, lo que reduce efectivamente el área transversal disponible para transportar corriente y aumenta la resistencia. Christy continúa: "Pero los CNTs no pueden competir en bajas frecuencias. Su conductividad simplemente no es lo suficientemente alta y hay demasiada pérdida de señal. Así que estamos mirando híbridos".

"Esto llevó a otros materiales de lámina que no se basan en nanomateriales", dice Sprengard. "Hemos desarrollado VeeloVEIL, una solución de fibra de carbono metalizada para LSP que es 70% más ligera que lámina de cobre expandido (ECF) y cumple requisitos de protección contra rayos Zona 1A". La Zona 1A incluye el radomo/nariz, puntas de alas, nacelas y extremidades del empenaje de una aeronave y debe soportar 200.000 amperios de corriente eléctrica, según requisitos de la Administración Federal de Aviación (FAA) de EE. UU. (ver "Estrategias LSP para aeronaves compuestas" y "LSP para estructuras compuestas"). "VeeloVEIL es cuatro veces más conductivo y yet la mitad de peso versus otros no tejidos metalizados", continúa. "Esto es posible debido a la química y procesamiento de materiales que hemos desarrollado".

LSP de próxima generación para aerostructuras
Los aviones comerciales son golpeados por rayos, en promedio, cada 1.000 horas. El no tejido de fibra de carbono metalizado VeeloVEIL cumple requisitos de protección contra rayos (LSP) Zona 1A para aeronaves compuestas al 70% menos peso vs. lámina de cobre expandido. Diseñado para ser procesado por máquinas de colocación automatizada de fibra/cinta (AFP/ATL), VeeloVEIL entrega conductividad disruptiva en una sola capa de 80 micras de espesor y reduce materiales totales de LSP y tiempo de procesamiento en más del 75%.

La industria aeroespacial no usa actualmente velo de fibra de carbono para LSP, dice Sprengard, "porque no hay productos lo suficientemente conductivos para cumplir requisitos Zona 1A". VeeloVEIL ha sido diseñado para entregar 5-10 miliohmios de resistividad eléctrica (menor resistividad significa material más conductor) a un peso areal de 40-50 gramos por metro cuadrado, y cumple requisitos LSP de aeronaves usando una sola capa de 80 micras de espesor. "Esto hace el material muy drapeable, lo que resulta en un acabado superficial suave sin el post-procesado de relleno de porosidad a menudo requerido con productos ECF", señala. "Esto, a su vez, permite a los fabricantes usar menos resina de superficado, lo que ahorra coste de material y fabricación. Nos han dicho los tres principales OEMs de aerostructuras que VeeloVEIL les permite reducir materiales totales de LSP y tiempo de procesamiento de más de veinte horas a menos de tres horas".

VeeloVEIL se suministra en la misma forma de producto que ECF, lo que permite a los fabricantes usarlo sin cambiar sus procesos de fabricación existentes. "Todos nuestros materiales conductivos eléctricos para composites aeroespaciales están diseñados para ser procesados por máquinas [colocación automatizada de fibra] AFP", dice Sprengard. Veelo Technologies también está en proceso de integrar VeeloVEIL en un producto de capa superficial estándar, trabajando con prepreggers Tier 1 aeroespaciales.

Adaptando conductividad para calefacción

Durante el desarrollo de VeeloVEIL, el equipo de Sprengard se dio cuenta de que la capacidad de adaptar la conductividad eléctrica de sus productos planos también podía usarse para aplicaciones de calefacción electrotérmica. Esto abrió la puerta a otra de sus familias de productos, VeeloHEAT.

"VeeloHEAT es un material no metálico basado en carbono que se integra en aerostructuras para deshielo", dice Sprengard. Nota que esto no es fibra de carbono. "Hoy, los sistemas de deshielo de aeronaves a menudo usan alambres metálicos, que tienen problemas de durabilidad, especialmente en entornos de alta fatiga como rotorcraft. Si uno de los alambres se rompe, el sistema ya no funciona. Estos sistemas convencionales de deshielo metálicos fallan comúnmente, y deben repararse, lo que es intensivo en tiempo y coste. Hemos demostrado que nuestros productos son mucho más duraderos, lo que reduce dramáticamente el tiempo de inactividad de la aeronave". Señala que estos productos de hecho se están usando en palas de rotor para helicópteros y tienen potencial significativo para aeronaves EVTOL (despegue y aterrizaje vertical eléctrico) que se están desarrollando actualmente para movilidad aérea urbana y la próxima generación de transporte.

Más a corto plazo, Sprengard dice que los productos VeeloHEAT están programados para volar en un avión comercial de ala fija en Q1 2020 para calificación en etapa temprana. "El atractivo de esta tecnología no es secreto", dice, notando que Collins Aerospace (anteriormente UTC, que ahora será parte de Raytheon) anunció una licencia exclusiva para sistemas de deshielo basados en CNT en enero 2017. "Conocen bien el mercado y se posicionan para el futuro. Su inversión es una buena indicación de hacia dónde se dirige esta tecnología", añade Sprengard.

Veelo Technologies prueba cada Manta VeeloHEAT para salida de temperatura y uniformidad.

De deshielo a procesamiento y reparación de composites

Mantas de calor convencionales se han usado por décadas para curar áreas relativamente pequeñas —típicamente menos de 1 metro cuadrado— de estructuras compuestas durante reparaciones de escarpa encoladas. Estas mantas de calor usan alambres metálicos tradicionales incrustados en goma de silicona u otros materiales (dependiendo de la temperatura de curado requerida). "Similar a los sistemas de deshielo basados en metal, si un alambre se rompe, las mantas de calor cortocircuitan y ya no funcionan", dice Sprengard. "Hemos aprovechado nuestro producto de deshielo basado en carbono en una manta de calefacción no metálica que tiene durabilidad y drapeabilidad inigualables, así como rendimiento". El estándar de la industria para lo último es 3% coeficiente de varianza (CV), que es una medida de uniformidad en productos de calefacción, de cubierta a cubierta y de borde a borde. La Manta VeeloHEAT supera este estándar a la salida de energía típica de 5 vatios por pulgada cuadrada.

Las mantas de calor de Veelo pueden producir temperaturas hasta 550 °F (288 °C) y pueden ser formadas a medida para ajustarse a piezas y herramientas. "Esta capacidad es posible debido a nuestra capacidad para formular químicas y fabricar materiales avanzados únicos con resistividades adaptadas", señala Sprengard. Veelo Technologies comercializó esta tecnología en 15 meses y ahora está en producción completa. "Estamos viendo muy buen crecimiento en esta línea de productos", añade, "y ahora fabricamos grandes volúmenes de Mantas VeeloHEAT que se usan para unir grandes estructuras compuestas fuera del autoclave y horno, haciendo uso de múltiples zonas de temperatura y otras características de procesamiento que nuestros clientes han solicitado".

Reubicación y aumento de producción
El nuevo salón de producción de 20.000 pies cuadrados de Veelo Technologies ofrece amplio espacio para escalar producción de Mantas VeeloHEAT, que fue reubicada y aumentada a velocidad completa en la fase uno de la transición de manufactura. La fase dos se completará para 3T 2019.

Fabricación para satisfacer necesidades del cliente

En octubre 2018, Veelo Technologies recibió confirmación de que había ganado un importante programa de defensa que requería aumento inmediato. "Afortunadamente encontramos una instalación casi perfecta, lista para mudarse, que ya estaba equipada con la infraestructura que necesitábamos para arrancar", recuerda Sprengard. La instalación de Woodlawn cuenta con control ambiental de vanguardia, iluminación y suelo epoxi pared a pared —características que Sprengard señala como estándar en aeroespacial por sus visitas a operaciones de clientes. "No tomamos atajos — nuestra inversión en materiales y acabados de la más alta calidad refleja nuestra estrategia y visión a largo plazo", explica. Esta inversión también se ve en el control de acceso y personal de seguridad de la instalación, necesarios para sus contratos de defensa.

La construcción requerida de la instalación se completó en 2T 2019, tras lo cual Veelo comenzó la reubicación de sus líneas de producción. "Todo nuestro equipo está funcionando a casi plena capacidad, lo que ha hecho que programar el cierre para mover todas las líneas a la nueva instalación sea un desafío", concede. La empresa completó la fase uno de su transición de manufactura en julio 2019, reubicando la línea de Mantas VeeloHEAT y aumentándola de nuevo a producción completa.

El gran salón de producción abierto de la nueva instalación se accede desde el vestíbulo frontal. A la derecha está el área de fabricación de Mantas VeeloHEAT. Cuatro mesas de layup de 4 por 10 pies se usan para colocar en capas la película VeeloHEAT con otros materiales sobre herramientas de moldeo metálicas conformadas. Estos layups se curan luego en un horno de 10 por 10 pies suministrado por JPW Industrial Furnaces (Trout Run, Pa., EE. UU.). Las mantas terminadas se desmoldean y conectan a cables de suministro eléctrico, que permiten uso con unidades de control computarizadas (hot bonders) para curar laminados y reparaciones de composites. Cada Manta VeeloHEAT se prueba para salida de temperatura y uniformidad.

Mantas de calor más duraderas y conformables, no metálicas
Aunque se usan alambres para calentar herramientas metálicas en la producción de Mantas VeeloHEAT (arriba) y para entregar corriente eléctrica desde unidades de control computarizadas (hot bonders) a las mantas durante curado y reparación de composites, los alambres metálicos no se usan dentro. Esto permite que estas mantas de calor no metálicas se produzcan en formas 3D sin alambres rotos, cortocircuitos y problemas en uniformidad de temperatura (puntos calientes y fríos). La película VeeloHEAT basada en carbono dentro produce temperaturas hasta 550 °F (288 °C) con 3% CV a 5 W/pulg².

Justo más allá del área de producción de mantas de calor está la sala de producción de química húmeda. Aquí, equipo industrial de Silverson Machine (East Longmeadow, Mass., EE. UU.) y Netzsch (Burlington, Mass., EE. UU.) se usa para mezclar las formulaciones químicas avanzadas usadas en los productos de Veelo. Luego está la sala de fabricación de película, que alberga un sistema propietario para fabricar la película VeeloHEAT basada en carbono, la tecnología clave dentro de la Manta VeeloHEAT. Avanzando a la izquierda está el área de producción VeeloVEIL. Aunque vacía en el momento de este recorrido, tanto las líneas de fabricación rollo-a-rollo de 15 y 36 pulgadas de ancho para producción de VeeloVEIL fueron movidas a la nueva instalación en agosto. La empresa también está en proceso de diseñar una línea de 60 pulgadas de ancho para satisfacer demanda futura. Para octubre, Veelo Technologies tendrá todas sus líneas de producto operando bajo un mismo techo y aumentando hacia producción incrementada.

Soluciones de próxima generación

El camino al éxito actual de Veelo Technologies ha sido largo, y no siempre directo. "Sí, empezamos en nanomateriales, y aún mantenemos una experiencia significativa en este dominio, pero ninguno de nuestros clientes le importa si usamos nanomateriales o no", dice Sprengard. "Solo les importa si suministramos una solución convincente que cumpla sus objetivos de rendimiento y ROI. Por ejemplo, productos que permitan la próxima generación de sistemas de deshielo usar menos energía en la aeronave, lo que abre nuevas oportunidades para diseños de vehículos aéreos y eficiencias operativas".

Sprengard dice que las tres familias de productos de Veelo están avanzando, ya sea finalizándose en listas de productos calificados (QPLs) de OEMs y proveedores "o siendo añadidas como número de pieza en la base de suministro de nuestro cliente". Aunque la gran mayoría de lo que la empresa hace ahora es para composites termofijos, señala que está comenzando a mirar composites termoplásticos y manufactura aditiva también.

¿En qué está enfocada Veelo Technologies para el futuro? "Nuestra primera prioridad es seguir entregando en nuestros pedidos existentes y oportunidades estratégicas", dice Sprengard. "El mercado nos empuja a cumplir nuevos niveles de demanda, lo cual es genial y desafiante. Mantener el foco es nuestra máxima prioridad".

Las metas que Veelo se ha fijado ahora son tan impresionantes como su tenacidad y perseverancia a través de 12 años de desarrollo para llegar a este punto. "Si miras a los mejores proveedores aeroespaciales de composites, como Airtech y A&P Technologies", dice Sprengard, "tienen un asiento en la mesa temprano en los ciclos de desarrollo de sus clientes. Ser un socio de innovación así lleva tiempo". Añade, "y compromiso".

Veelo Technologies ha escalado de 4 a 24 empleados y evolucionado de proveedor de nanomateriales a especialista en productos planos avanzados a socio de innovación para futuros composites, reconocido por Boeing como Proveedor del Año en 2015.