DLR Institute of Structures and Design avanza en tecnología de fuselaje de compuestos termoplásticos

Como parte del proyecto "LuFoV-3 TB-Rumpf", la consolidación sin autoclave de laminados de prepreg termoplástico y la soldadura por resistencia se están desarrollando y validando como bloques tecnológicos para futuros fuselajes de aeronaves. Este trabajo lo realiza el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), Instituto de Estructuras y Diseño (Instituto BT) en Stuttgart, colaborando con socios de la industria aeroespacial, incluyendo Airbus y otros institutos de investigación.

Demostrador de intersección de fuselaje totalmente integrada

El Instituto BT de DLR ha demostrado una intersección de fuselaje totalmente integrada, consistente en piel, largueros, cuadernas y cleats. El demostrador se basa en una piel curva consolidada fuera de autoclave (OOA) con largueros co-consolidados e integración de cuadernas y cleats mediante soldadura por resistencia. Las soldaduras han sido caracterizadas por ensayos mecánicos y la línea de soldadura fue examinada además mediante microscopio óptico.

TB-Rumpf madurando consolidación OOA y soldadura

El estado del arte para la consolidación de componentes de gran área hechos de termoplásticos de alta temperatura reforzados con fibra continua (p. ej., poliariletercetona o PAEK) es la consolidación en autoclave. Sin embargo, mediante una configuración de proceso optimizada y un control de proceso a medida, es posible lograr una consolidación completa utilizando solo temperatura y presión de vacío. El uso de moldes autocalentados u hornos puede eliminar la necesidad de un autoclave y así generar ventajas de coste. El proyecto TB-Rumpf tiene como objetivo madurar el proceso llamado VCT (Técnica de Consolidación al Vacío) y determinar los límites del proceso, incluyendo el espesor máximo posible de laminado.

Otra tecnología clave para futuras aplicaciones de compuestos termoplásticos avanzados es la soldadura para ensamblaje. DLR y Airbus han identificado la soldadura por resistencia como tecnología líder debido a su capacidad para lograr estructuras de alta resistencia. Dentro del proyecto TB-Rumpf, el proceso de soldadura por resistencia y los elementos de soldadura necesarios están siendo optimizados. Los demostradores resultantes se someten a ensayos estructurales para validar el rendimiento mecánico de la unión y los laminados compuestos soldados.

Investigación de la técnica de consolidación al vacío (VCT)

Matthias Horn, líder del proyecto en el Instituto BT de DLR, explica que el demostrador TB-Rumpf utiliza cinta de termoplástico reforzada con fibra de carbono unidireccional de poliariletercetona de bajo punto de fusión (LM-PAEK). Esta cinta de compuesto termoplástico se procesa mediante colocación automática de fibra (AFP) usando un robot KUKA (Augsburgo, Alemania) con un cabezal AFPT (Doerth, Alemania) y láser de 6 kilovatios para calentar la cinta.

Consolidación OOA usando VCT

"El objetivo era validar la factibilidad de este proceso para laminados gruesos", dice Georg Doll, investigador del Instituto BT y líder de TB-Rumpf para consolidación. "Hemos mostrado buenos resultados para laminados de hasta 11 mm de espesor, sin poros u otras imperfecciones, validados por micrografías de secciones transversales e inspección ultrasónica. Las claves de este éxito son una configuración VCT optimizada, un ciclo de calentamiento a medida y calidad de prepreg homogénea y consistente."

Co-consolidación OOA de elementos de refuerzo

Además de usar VCT para la producción de paneles de piel de fuselaje sin autoclave, el proyecto TB-Rumpf también ha tenido éxito en el desarrollo de co-consolidación para la integración directa de los elementos de refuerzo de largueros con la piel durante un único ciclo de proceso VCT.

Colocación AFP de formas curvas y doblemente curvas

La AFP basada en láser como proceso complementario a VCT fue investigada, incluyendo límites de proceso y material (p. ej., dirección máxima de cinta), mediante la fabricación de laminados doblemente curvos que miden aproximadamente 800 x 1.200 mm. Los resultados de estos ensayos de fabricación pueden usarse para avanzar en la consolidación OOA así como en la consolidación in situ, que se logra durante la AFP sin una operación secundaria.

Soldadura por resistencia

"Para integrar elementos estructurales de fuselaje y así hacer viable la producción de futuros conceptos de fuselaje termoplástico, investigamos la soldadura por resistencia con respecto a una mayor robustez de proceso y valores de resistencia optimizados", dice Simon Bauer, investigador del Instituto BT y líder de TB-Rumpf para soldadura. "El foco estuvo en una configuración optimizada del elemento de soldadura, basada en fibra de carbono como elemento calefactor, y conducción eléctrica mejorada, en combinación con los mejores parámetros de soldadura adecuados, como el ciclo de calentamiento, temperatura, presión, corriente y voltaje." La soldadura por resistencia se usó para unir los cleats tanto a la cuaderna como a los largueros; también se usó para unir la cuaderna a la piel.

Bloques tecnológicos para próximos diseños de fuselaje

"Debido a la madurez tecnológica demostrada, tanto la consolidación fuera de autoclave como la soldadura por resistencia pueden desempeñar un papel importante para futuros diseños de fuselaje", subraya el Dr. Paul Jörn, jefe del proyecto correspondiente de Airbus.

Para llevar las tecnologías aún más cerca de la aplicación industrial, se investigarán en un futuro próximo aspectos desafiantes adicionales. Para la consolidación al vacío, se centrarán en el escalado de tamaño y transferencia a contornos doblemente curvos. Para la soldadura por resistencia, se abordarán aspectos de tolerancia y automatización.

Los resultados presentados aquí se lograron dentro del proyecto de investigación TB-Rumpf (FKZ: 20W1721D) en el marco del Programa Federal de Investigación Aeronáutica V-3, financiado por el Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Energía de Alemania.

Para más información, visite dlr.de/bt.