Fraunhofer IPT innova en compuestos termoplásticos para almacenamiento H2, álabes de motores aeronáuticos y más

El desarrollo de Fraunhofer IPT incluye (sentido horario desde arriba izquierda) álabes de ventilador de motor aeronáutico en compuesto termoplástico, estructuras híbridas compuesto-metal usando estructuración láser y AFP, monitorización estructural (SHM) de compuestos y sistemas de procesado de cinta termoplástica como PrePro 2D y PrePro3D comercializados por Conbility. Crédito: Fraunhofer IPT

En diciembre 2020 publiqué un artículo sobre cómo el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción (IPT, Aquisgrán, Alemania) desarrolla colocación y conformado de cinta totalmente automatizado para álabes de ventilador de motor aeronáutico en CFRP termoplástico. La consolidación in-situ (ISC) de cinta compuesta termoplástica resulta ser un tema que Fraunhofer IPT conoce bien, habiendo impulsado esta tecnología al inicio junto a pioneros ISC Accudyne Systems Inc. (Newark, Del., EE. UU.) y Automated Dynamics, ahora Trelleborg Sealing Solutions Albany (TSS Albany, Niksayuna, N.Y., EE. UU.). [Más sobre estos pioneros ISC, véase "Consolidación in-situ de aeroestructuras termoplásticas, Parte 1 y 2"]. "El IPT lleva activo en bobinado láser asistido (LATW) desde 1988, y sigue siendo uno de nuestros temas principales", explica el Dr. Henning Janssen, ingeniero jefe y jefe de departamento de plásticos reforzados con fibra y tecnología de sistemas láser en Fraunhofer IPT. Señala que la tecnología LATW ha cambiado mucho, especialmente en los últimos 10-15 años. Este artículo detalla el desarrollo de LATW y compuestos termoplásticos en Fraunhofer IPT, y hacia dónde ve la tecnología en el futuro.

Evolución en bobinado láser

"Cuando empezamos hace 30 años, la tecnología láser no estaba lista para procesado de alta velocidad de compuestos termoplásticos", dice Janssen. "Imaginen que, especialmente en control, solo teníamos cámara analógica. Ahora, tenemos tecnología mucho mejor. Por ejemplo, al desarrollar un cabezal de bobinado láser compacto en 2008, que resultó en la fundación de AFPT Germany (Dörth, Alemania), usábamos cámara de 16x16 píxeles con 8 fps. Ahora tenemos fácilmente 640x480 píxeles y 50+ fps". Explica que esto es importante "porque con el bobinado láser que desarrollamos, una ventaja principal es que puedes mirar dentro del proceso y cambiar la potencia de procesado en milisegundos. Eso da ventaja, por ejemplo, al rodear geometrías complejas como la cúpula de vasos a presión, donde la velocidad disminuye y debes bajar potencia láser. Luego reajustas al recuperar velocidad en el cilindro. No era posible hace 15 años porque láser, control e imagen térmica no estaban listos o eran muy caros y menos potentes que hoy".

Janssen continúa: "Hay mucho desarrollo en lo digital. Ahora, por ejemplo, suministramos algo como un gemelo digital, donde mapeas toda tu información de sensores sobre el vaso a presión, para comparar pieza fabricada vs diseño digital y evaluar calidad y predecir rendimiento. Usar sensores y modelos virtuales de proceso también nos permite predecir resistencia del laminado definida por su historial de procesado". Esto es importante porque LATW con cinta termoplástica usa calentamiento y enfriamiento rápidos donde propiedades de material y pieza se determinan durante el bobinado, por falta de paso térmico posterior, señala. Es crítico, por tanto, capacidad de control rápido de proceso.

También ha habido avances en materiales, dice Janssen. "Hace 20 años, había cantidad limitada de materiales de cinta compuesta termoplástica, como APC-2 de Cytec, ahora Solvay (Alpharetta, Ga., EE. UU.)", explica. "Pero ahora hay muchos más materiales cualificados para aplicaciones industriales, y también materiales commodity como polipropileno (PP) reforzado con fibra de carbono y vidrio, y poliamida 6 (PA6), usado mucho en automoción. Hay también aplicaciones LATW hacia producción en masa. Por ejemplo, hay impulso hacia manguitos de retención y otras piezas en motores eléctricos. Son simples anillos o tubos de compuesto termoplástico, pero en volúmenes de 10.000 a 50.000 al año".

ambliFIBRE, tuberías para petróleo y gas

Parte del control digital en LATW que describe Janssen se desarrolló en el proyecto ambliFIBRE (2015-2018). "Había muchos socios", dice, "pero uno era Baker Hughes (Newcastle, Inglaterra y Houston, Texas, EE. UU.) y usamos nuestro equipo LATW para sus tuberías no metálicas". Tras acabar ambliFIBRE en 2018, Baker Hughes anunció joint venture con Saudi Aramco (Riyadh, Arabia Saudí) para expandir uso de tuberías no metálicas, incluyendo posible uso de CFRP.

Baker Hughes busca ahora acelerar introducción de materiales no metálicos en sector energético, y otras empresas usan tecnología láser para tuberías, como Magma (Portsmouth, Reino Unido). (Véase "Tubería termoplástica en auge en mar profundo" y "Magma Global entrega riser compuesto alta presión...").

"También es común usar bobinado láser para risers y flowlines de compuesto termoplástico", dice Janssen. "Aunque no es conocimiento común en otras industrias". Añade que mucha atención reciente a LATW ha sido para tanques de almacenamiento H2, pero la tecnología ya tiene aplicación mucho más amplia.

En el proyecto ambliFIBRE, Fraunhofer IPT desarrolló modelos de control digital para bobinado discontinuo (ej. tanques) y continuo, por ejemplo, para producir tuberías de varios kilómetros. Crédito: vídeo Fraunhofer IPT para proyecto ambliFIBRE

"Lo que ofrecemos en Fraunhofer IPT para estas aplicaciones es clave", dice Janssen. "Obviamente, no operamos línea de producción a escala completa para tubería continua aquí, pero ofrecemos a clientes pruebas de materiales y cualificación de producto. Está la pirámide de pruebas, por ejemplo, basada en DNV-GL F114, empezando por cualificación y pruebas de polímero y fibras, y escalando a microestructura o mesoestructura de laminado compuesto. Hacemos muchas pruebas a nivel cupón, y escalamos a tuberías pequeñas y representativas, porque bobinado da propiedades distintas que prensado o colocación automática de cinta (ATL)".

También señala: "como tienes tensiones distintas en tu material, muchos compuestos se prueban en tuberías pequeñas, ej. 2-3 pulgadas hasta varios metros. Hacemos estas pruebas y aplicamos nuestro entendimiento de proceso para longitud real, ej. 2-3 km. Es interesante, porque tiempo de procesado a esa longitud puede abarcar días, y debes considerar contracción y otros factores, como cambios en temperatura ambiente, que pueden impactar bastante".

LATW en tanques almacenamiento hidrógeno

Janssen dice que Fraunhofer IPT trabaja con empresas petróleo y gas desde 2000. "Y hace ocho años, descubrimos que es casi la misma tecnología que necesitas para tanques H2", recuerda. "Y ahora tenemos gran iniciativa para fabricación H2 aquí en IPT y compuestos fibra carbono en pilas combustible. Estamos montando instalación de 80 millones euros para fabricación automatizada pilas combustible e invirtiendo en nueva instalación bobinado grande para producir piezas hasta 7 m largo y 2,5 m diámetro, que usaremos también para vasos presión grandes".

LATW con cintas compuestas termoplásticas no es aún estado del arte para vasos presión, dice Janssen, "porque la química de termoplásticos, su procesado y durabilidad se siguen investigando. Pero nuestra fuerte creencia es que la baja permeabilidad, tenacidad y reciclabilidad que ofrecen termoplásticos es importante". También ve potencial en vasos presión Tipo V, todo compuesto sin liner termoplástico separado. "Pueden dar solución futura para algunas aplicaciones almacenamiento H2 móvil, como camiones pila combustible".

"También vemos que bobinado filamentoso termoestable convencional es limitado en ángulos mínimos", dice Janssen. "Ej., tienes que rodear cúpulas en capas helicoidales con no mucho menos de 10° ángulo fibra. No puedes poner refuerzo 0° en tanque bobinado convencional". Sin embargo, sostiene: "en LATW clásico, la prepreg termoplástica entrante se suelda directamente al sustrato, así puedes ir en cualquier dirección, dando mucha más libertad diseño. Actualmente corremos proyectos con socios automoción para desarrollar vasos presión termoplásticos almacenamiento H2 seguros, eficientes energéticamente y fáciles de reciclar".

Álabes ventilador compuestos termoplásticos

Fraunhofer IPT tiene fuerte base en turbomaquinaria, dice Janssen. "Tenemos aquí en Aquisgrán el Centro Internacional de Fabricación de Turbomaquinaria, o ICTM, comunidad precompetitiva donde trabajamos con fabricantes motores y proveedores conjuntamente en proyectos I+D precompetitivos para desarrollar y mejorar tecnología fabricación".

Señala que en últimos 20 años, foco ha sido mecanizado titanio o aleaciones níquel para productos avanzados sección compresión y turbinas, como disco integrado álabes (blisk). En sección fría, piezas de materiales compuestos —como álabes ventilador fibra carbono— fueron desarrolladas por GE en 1990 y ahora en servicio en GE90 y GEnx. "Ahora, sin embargo, compuestos matriz cerámica (CMC) se ven como materiales próxima generación para sección caliente motores jet", dice Janssen, "permitiendo temperaturas más altas a menor peso para mayor eficiencia".

"Fabricación de piezas de compuestos vs metal es muy distinta", continúa. "En metal, empiezas con bloque material y derivas pieza por procesado sustractivo, mayormente mecanizado, así diseño no depende tanto de fabricación. Es justo lo opuesto en compuestos, que siempre requieren proceso generativo. Decidimos abordar estrategias novedosas álabes ventilador desde perspectiva fabricación".

También señala empresa común Clean Sky 2, donde Fraunhofer lidera actividades Eco-Design. Fraunhofer IPT se centra en eco-design para motores, incluyendo evaluación ciclo vida e impacto ambiental. "Por eso empezamos a ver compuestos termoplásticos", explica. "De momento, estamos en TRL [nivel preparación tecnológica] muy bajo. Ahora desarrollo trata de fabricación y probar rutas proceso, como colocación near-net-shape y algo termoformado —más paso calibración— y acabado en mecanizado. Queda bastante trabajo".

Mientras, Fraunhofer IPT extiende experiencia mecanizado componentes metálicos motores a compuestos, usando tecnología digital para monitorizar y evaluar parámetros mecanizado en cada álabe. Pero, ¿no es objetivo en compuestos alejarse de sustractivo a aditivo para menos desperdicio? "Sí, pero para algunas rutas proceso, mecanizado se requiere para tolerancias dimensionales", dice Janssen. "En lo que trabajamos ahora es very near net shape".

Señala que diseño actual es laminado termoplástico 0,75 pulgadas grueso en raíz y solo 2 mm en punta. "Hay distintas estrategias diseño, que discutimos con ingenieros diseño. ¿Tenéis autoclave o paso prensa para pieza tan cargada? Esto también afecta tensiones internas, porque sabemos que el álabe gira un poco en rotación. Y, por supuesto, impacto ave es clave". Para esto, Janssen ve tenacidad aumentada termoplásticos como habilitador, señalando que compuestos PPS (polifenileno sulfuro) se usan en bordes ataque ala por esta razón.

Aplicaciones futuras compuestos termoplásticos

Pregunté por posibilidad usar compuestos termoplásticos en nacelles motores, que quizás ayuden a resolver cuatro incidentes recientes blade-out, donde, según artículo Aviation Week marzo 2021:

"...daño causado por fragmentos álabes golpeando secciones de la cubierta del motor, o nacelle, desencadenó serie eventos que causaron rotura grandes piezas estructura, incluyendo partes entradas motor y carenados ventilador, separándose". En los cuatro accidentes, fuselaje sufrió daños, y en vuelo Southwest 1380 abril 2018, una ventana se desprendió, causando fallecimiento pasajero.

"Hay interés industria en usar compuestos termoplásticos en compartimentos motor", dice Janssen, "pero es desarrollo largo plazo". Un problema es certificación por autoridades aeronáuticas, otra área donde Fraunhofer IPT está activo. "Ahora discutimos con organismos certificación cómo ayudar reducir esfuerzo certificación probando digitalmente que nuevos procesos fabricación cumplen estándares actuales y evolutivos. Esa es nueva forma pensar. En fabricación siglo XXI, hay tantos datos, no es solo certificar un proceso o diseño por pruebas, y ya está congelado". En otras palabras, énfasis actual en Industria 4.0 y Composites 4.0 es que sensores y software IA recopilarán datos continuamente y desarrollarán inteligencia que optimizará continuamente fabricación y, a su vez, enviará esa inteligencia hacia atrás en hilo digital para mejorar diseños. Esto es muy diferente de fabricación actual.

El trabajo de Fraunhofer IPT sobre certificación, dice Janssen, "podría habilitar nuevas tecnologías como compuestos termoplásticos para piezas motor —una vez considerados todos aspectos, incluyendo tecnología, diseño y gestión riesgos". Afirma que compuestos termoplásticos ofrecen enorme potencial para superar retos clave en variedad sectores industriales, y Fraunhofer IPT trabaja para superar complejidad procesado compuestos termoplásticos —ej., usando nuevos métodos fabricación digital. "Además, potencial compuestos termoplásticos solo puede explotarse plenamente considerando ciclo vida completo —incluyendo reuso y reciclaje—", dice Janssen. "Así, Fraunhofer IPT también trabaja en reciclaje mecánico compuestos termoplásticos. Vemos posible lograr material reciclado alto valor considerando datos generados durante fabricación y durante todo ciclo vida componentes compuestos".