Componentes híbridos sobremoldeados revolucionan mercados de compuestos

A menudo en el mercado aeroespacial, un OEM está dispuesto a pagar más por un componente compuesto, sabiendo que la inversión retornará dividendos en ahorro de combustible debido al peso ligero del componente, una vida más larga por menos desgaste, u otras reducciones en costes operativos y de mantenimiento. Esta visión de «ciclo de vida del producto» ha abierto muchos mercados y aplicaciones a los compuestos. Más inusual es un componente compuesto cuyo coste de adquisición en sí es menor que el de la versión metálica. Pero esto está cambiando. Algunos nuevos procesos automatizados de fabricación de compuestos están empezando a inclinar la balanza a favor de los compuestos, y entre ellos está un proceso de sobremoldeo híbrido desarrollado por TxV Aero Composites (Bristol, R.I., EE. UU.).

Una joint venture de Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, R.I., EE. UU.) y Victrex (Thornton Cleveleys, Reino Unido), TxV ha avanzado su técnica de sobremoldeo híbrido hasta el estado de producción comercial. La empresa se ha asociado con SFS intec Aircraft Components (Althengstett, Alemania) para rediseñar y producir comercialmente un soporte de contenedor de almacenamiento de aeronave previamente hecho de aluminio de grado aeroespacial. Una historia de éxito por sí misma, el soporte también demuestra el potencial del sobremoldeo híbrido y la cinta VICTREX AE 250 de fibra de carbono unidireccional/poliariletercetona (PAEK) para valiosos ahorros de peso y coste en numerosas aplicaciones aeroespaciales —ventajas logradas al reemplazar un proceso de mecanizado metálico sustractivo con un proceso de compuestos en el que se añade material, no se resta.

De sustracción a adición

Mecánicos y talleres que producen componentes metálicos en máquinas CNC se han apodado «fabricantes de virutas», por la razón obvia de que sus procesos cortan material no necesario de brutos metálicos para hacer componentes, creando virutas de metal. Estas virutas representan un aspecto costoso del mecanizado metálico, ya sea que se desechen, se envíen a un reciclador, o se reprocesen internamente. En el caso del soporte de contenedor superior de SFS intec, el 60‑70 % del aluminio se convierte en chatarra durante los varios pasos de fresado requeridos para mecanizarlo.

Esta alta tasa de chatarra hace que el coste de materia prima para una versión compuesta de forma neta o casi neta del soporte sea potencialmente menor que el coste del material metálico. «Podemos competir contra aluminio menos costoso (por libra) debido a las virutas; si la ratio compra-vuelo es 8:1, la mayor parte del aluminio comprado se convierte en chatarra», señala Jonathan Sourkes, director senior de cuentas de TxV. «Otro factor es el tiempo que cada componente pasa siendo fresado. Podemos hacer piezas [compuestas] en minutos, no horas».

Más allá de los costes de materia prima, versiones compuestas de componentes como el soporte —con geometría compleja y requiriendo alto rendimiento de carga— no han sido económicamente viables usando opciones de fabricación históricamente disponibles. Por un lado, si los componentes se hicieran con refuerzo de fibra picada de bajo coste en un proceso de alta velocidad y bajo contacto como el moldeo por inyección, el componente no lograría suficiente rendimiento de carga. Por otro lado, si se hiciera con refuerzo de fibra continua de mayor capacidad de carga vía un proceso de baja velocidad y alto contacto, típicamente involucrando algún colocación manual, la producción sería demasiado lenta y/o impondría costes de fabricación que harían el producto final demasiado caro.

Debido a estos obstáculos para nuevas aplicaciones de compuestos de este tipo, la industria de compuestos en su conjunto ha dedicado recursos significativos a desarrollar procesos automatizados que puedan producir tales componentes a tasas de producción adecuadamente altas y con capacidad de carga suficiente para satisfacer necesidades y especificaciones de clientes aeroespaciales. Con miras a la producción comercial de tales componentes compuestos, TxV nació en 2017 específicamente para acelerar la adopción comercial de procesos de fabricación innovadores para aplicaciones compuestas basadas en policetonas en toda la industria aeroespacial.

Prototipado virtual

Usando datos propietarios desarrollados para caracterizar la relación entre el laminado y el sobremoldeo, TxV iteró los apilados y orientaciones de capas sin tener que fabricar y probar un prototipo físico. Las iteraciones continúan hasta que los esfuerzos visibles, como se representan aquí, están dentro del rango de casos de carga proporcionados.

La solución híbrida sobremoldeada de TxV incorpora dos avances clave en el estado del arte de fabricación de componentes compuestos. Primero, automatiza la producción de aquellas partes del componente que requieren la resistencia o rigidez del refuerzo de fibra continua. Segundo, aprovecha la velocidad del moldeo por inyección para completar las geometrías complejas del componente. Más específicamente, produce un laminado a medida para manejar cargas, que luego se sobremoldea para funcionalizar y crear geometrías finales de pieza. La técnica híbrida, según Sascha Costabel, jefe de innovación en SFS intec Aircraft Components, «es una buena opción para componentes que deben soportar altos niveles de esfuerzo mecánico y geometrías que requieren múltiples pasos de procesamiento donde se usa mecanizado convencional».

La alianza con SFS intec ha sido una gran elección, dice Sourkes. «Como líder global en fijaciones de sistemas, SFS siempre está haciendo algo realmente interesante. Son muy innovadores y dispuestos a invertir en nuevas tecnologías», señala. SFS intec también tiene una fuerte relación con sus clientes de aeronaves, añade, y poseen la capacidad de realizar procesos de cualificación —clave para la adopción por la industria aeroespacial de un componente rediseñado.

El soporte de contenedor de almacenamiento de aeronave, específicamente denominado «soporte B», fue elegido como el primer componente de fijación para rediseño en compuestos porque es representativo de componentes que son desafiantes de diseñar y producir. Tras ingeniería colaborativa, conceptualización y diseño de pieza, y modelado de rendimiento mediante una herramienta de análisis de elementos finitos (FEA) de Altair (Troy, Míchigan, EE. UU.), el equipo del proyecto iteró desde el primer artículo para validar, probar y demostrar el modelo. El diseño para fabricación fue central en el desarrollo del soporte compuesto, que aprovecha las ventajas de fabricación del colocación automatizada de cinta para los elementos reforzados con fibra continua y moldeo por inyección de alta velocidad para los elementos reforzados con fibra picada.

Construyendo soportes B

Un aspecto clave del proceso de sobremoldeo híbrido es el uso de polímeros distintos de la misma clase. PAEK sirve como resina matriz para las porciones de compuesto de fibra continua del soporte, mientras que poliéteretercetona (PEEK) se usa en las áreas sobremoldeadas. VICTREX PAEK y PEEK presumen de superior resistencia a fatiga, química y corrosión; excelente resistencia a humo, llama y toxicidad; conformabilidad rápida; y soldabilidad. VICTREX AE 250, un PAEK de menor temperatura de fusión (LM PAEK), ofrece una temperatura de fusión 40 °C menor que la de PEEK. «Cuando PEEK fundido fluye sobre la superficie del compuesto LM PAEK, la menor temperatura de fusión permite una unión fuerte», explica Sourkes.

Materias primas específicas para el soporte B son cinta VICTREX AE 250 de fibra de carbono unidireccional reforzada con PAEK (58 % fibra de carbono) en anchos de dos pulgadas; y VICTREX PEEK 150CA30 relleno de fibra de carbono corta (30 % fibra de carbono). Estos materiales alimentan las celdas de trabajo de producción de sobremoldeo híbrido, que crean los soportes a través del siguiente proceso multi-paso.

1. Paso 1. Un sistema de colocación de cinta automatizado Dieffenbacher Fiberforge 2000 produce blancos de laminado a medida.
2. Paso 2. Los blancos a medida se consolidan en una celda de consolidación automatizada a medida, que cuenta con dos juegos de platens mantenidos a temperatura (uno caliente, uno frío) para acelerar este paso.
3. Paso 3. Una celda de trabajo propietaria forma la forma primaria del soporte.
4. Paso 4. Un cortador por chorro de agua Flow International corta los insertos de fibra de carbono/PAEK de los blancos formados. Dos de estos insertos se usan en cada soporte.
5. Paso 5. Una máquina de moldeo por inyección de alta temperatura Engel optimizada para PEEK completa la pieza compuesta sobremoldeando los insertos.
6. Paso 6. El soporte B final se produce con un tiempo de ciclo de tres minutos, ratio compra-vuelo de 1,06:1, y ahorro de peso del 30‑40 %.

Resultados revolucionarios

En la fabricación del soporte de SFS intec, el proceso de sobremoldeo híbrido de TxV alcanza tiempos de ciclo de tres minutos, y una ratio compra-vuelo de 1,06:1. «Es el uso eficiente de materiales y el proceso de fabricación rápido lo que nos permite producir piezas compuestas termoplásticas de valor añadido, y lo que hace posibles las reducciones de coste de sistema sobre los diseños metálicos actuales», enfatiza Sourkes. «Efectivamente estamos reemplazando una materia prima de menor coste con alta ratio compra-vuelo y tiempo de procesamiento significativo con una solución de material altamente ingenierizada». El resultado es ahorro de peso en el rango 30‑40 % y ahorro de coste en el rango 20‑30 % en un reemplazo similar, es decir, una pieza de reemplazo que sigue las mismas especificaciones geométricas y operativas que el componente existente. «El ahorro de peso en particular puede ser tan grande como 60 % cuando se nos brinda la oportunidad de rediseñar completamente un sistema de pieza», señala.

El soporte de fibra de carbono/PAEK/PEEK también ha consolidado el número de piezas: TxV y SFS acordaron sobremoldear por inyección una nariz extensora en la parte inferior de la pieza en la misma operación usada para funcionalizar y añadir otras características. Anteriormente, la nariz extensora se hacía de PEEK y luego se sujetaba en su lugar con dos remaches. Así, la consolidación resulta tanto en un número reducido de piezas como en la eliminación de un paso de ensamblaje.

La experiencia de las dos empresas que lanzaron TxV sin duda ha permitido el éxito del sobremoldeo híbrido. Sourkes explica que, tras desarrollar el material PAEK y la tecnología de procesamiento, Victrex exploró primero oportunidades con socios comerciales existentes. «Sin embargo, empresas con experiencia en moldeo por inyección no tenían experiencia para trabajar con compuestos de fibra continua, y viceversa». Victrex y Tri-Mack se asociaron durante varios años antes de formar TxV en 2017 y construir el centro de excelencia de compuestos de policetonas construido a medida de la joint venture, altamente automatizado y diseñado para producción en serie de alta cadencia.

Preguntado por comparar el proceso y resultados de TxV con un enfoque de fabricación convencional, Sourkes señala que el soporte B no es susceptible a enfoques estándar de fabricación de compuestos. «Esto sería muy desafiante sin mecanizar el soporte desde un billete compuesto —lo que sería prohibitivo en coste», dice.

Cualificar y volar

Aprovechando la capacidad de SFS intec para realizar cualificación, las dos empresas han procedido con certificación mediante «diseño puntual», lo que significa que solo esta geometría de pieza particular obtiene aprobación de vuelo. Se produjeron piezas y se sometieron a las pruebas descritas en el documento de cualificación. «Dado que la pieza es un soporte de contenedor superior, las cargas operativas se logran bastante fácilmente», señala Sourkes. «Sin embargo, los requisitos de rendimiento van más allá de esas cargas típicas y deben cubrir algunas maniobras extremas de despegue y aterrizaje». Al cierre de CW, el paquete de cualificación ha sido enviado y espera la firma final del custodio de la especificación. TxV y SFS intec esperan que la pieza vuele a principios de 2020.

Una vez cualificado el soporte B, TxV escalará a volúmenes de producción. Mientras la empresa usa su línea existente de sobremoldeo híbrido para producir estos soportes, Sourkes enfatiza que la empresa tiene un doble mandato —tanto fabricar piezas con la tecnología como apoyar a fabricantes de la industria interesados en adoptar la tecnología en sus propias instalaciones. En otras palabras, los fabricantes de compuestos pueden adoptar esta técnica de fabricación en sus propias instalaciones.

Soportes compuestos como el producto de SFS intec tienen el potencial de tomar una porción bastante grande del mercado para este tipo de componentes. Los aviones comerciales usan miles de soportes y fijaciones de sistemas, representando contribuciones significativas de coste y peso al avión en general. «Estamos convencidos de que los componentes compuestos termoplásticos jugarán un papel cada vez mayor en la fabricación de aeronaves», anticipa Costabel.