Cintas termoplásticas: impulsando la innovación en aeroestructuras compuestas

La producción de aeroestructuras se ha visto muy afectada por la pandemia de COVID-19, pero los esfuerzos aeroespaciales no necesariamente siguieron el mismo camino, al menos para Web Industries (Marlborough, Massachusetts, EE. UU.), una empresa que ofrece servicios de corte de cintas termoplásticas para una variedad de aplicaciones de clientes. Según Grand Hou, director global de investigación y tecnología, aeroespacial, los esfuerzos de investigación en espacio, movilidad aérea urbana (UAM) y militar han ido a toda marcha para permitir la próxima generación de aeronaves – y los compuestos, específicamente las cintas termoplásticas, han sido clave para muchos de estos esfuerzos.

Las cintas termoplásticas no son nuevas, por supuesto (véase "I want to say two words to you: 'Thermoplastic tapes'" del Editor Jefe de CW Jeff Sloan para más antecedentes desde los años 60), pero los últimos años han visto un aumento en su interés, particularmente para aeroespacial comercial y otras aplicaciones de alto rendimiento (como nervios para el programa Wing of Tomorrow y el programa Multifunctional Fuselage Demonstrator, entre otros). Comparadas con cintas termoestables, las termoplásticas ofrecen ventajas como mayor tenacidad, reciclabilidad más fácil, su capacidad para procesarse fuera de autoclave (OOA) y el hecho de que pueden almacenarse a temperatura ambiente.

Web Industries está en la primera línea del desarrollo y aplicaciones de termoplásticos, más notablemente con sus múltiples capacidades de formato, que incluyen corte de cintas termoestables y termoplásticas de proveedores en diferentes formas y formatos para cumplir requisitos específicos de clientes. Con líneas de producción de corte de cinta basadas en instalaciones en EE. UU. y Europa, las capacidades de Web incluyen formateo de cintas termoplásticas de alto rendimiento de poliéteretercetona (PEEK), poliétercetona-cetona (PEKK) y poliariletercetona (PAEK), que son las más usadas en aplicaciones aeroespaciales.

Cintas TP para aeroestructuras secundarias – y retos en primarias

Actualmente, señala Hou, la mayor parte de la actividad en aeroestructuras con prepregs termoplásticos se centra en estructuras secundarias como clips, paneles de acceso o subestructuras, mientras que estructuras primarias críticas para el vuelo como alas y fuselajes se fabrican con compuestos termoestables o metales.

"Muchos de los retos son sobre gestión de riesgos", dice, y parte del problema han sido históricamente los dolores de crecimiento de los prepregs termoplásticos de proveedores. Los materiales termoplásticos son menos maduros que las cintas termoestables. Según Hou, mientras que las cintas termoestables han tenido décadas de producción a gran volumen para escalar y perfeccionar, los materiales termoplásticos están en la infancia de uso en procesos automatizados para producción a gran volumen.

Sin embargo, Web Industries trabaja con una variedad de proveedores de materiales compuestos, y Hou dice que la consistencia y escala general del material ha mejorado mucho en los últimos años. Ancho, longitud, espesor, tensión de fibra y uniformidad de resina son todos mucho más consistentes y de mayor calidad hoy, dice.

Otro factor prohibitivo para fabricar estructuras primarias termoplásticas más grandes es que los materiales termoplásticos tienden a ser más caros que los termoestables. "No se adoptará más ampliamente si no hay una ventaja de coste global", admite Hou, señalando que la colaboración y ayuda técnica son críticas para ayudar a reducir costes de proceso. "Podemos lograr mejores soluciones cuando todos trabajan colaborativamente desde las primeras etapas del proyecto hasta el final para lograr objetivos comunes."

Flexibilidad de proceso y personalización de material

En general, Hou ve mucho potencial y actividad creciente para cintas termoplásticas ahora y en el futuro, siendo la flexibilidad uno de los principales puntos de inflexión para los clientes.

Actualmente, las cintas termoestables están confinadas principalmente a colocación automática de fibra (AFP), con las limitaciones de curado en autoclave y requisitos de temperatura de almacenamiento. Los termoplásticos pueden permitir un enfoque de proceso más flexible así como procesamiento OOA, dice Hou, incluyendo formatos de cinta para colocación automática de cinta (ATL) y filamentos para fabricación aditiva.

Según Web Industries, el formateo a escala comercial y soluciones de cadena de suministro serán críticos para proporcionar a los fabricantes de aeroestructuras las cintas termoplásticas cortadas requeridas para apoyar las tasas de construcción proyectadas de la industria.

Los prepregs termoplásticos también pueden adaptarse para aplicaciones específicas. Según Hou, los usuarios finales buscan adaptar materiales a cada aplicación. Debido a que los termoplásticos son altamente adaptables, se puede desarrollar un formato específico para una pieza específica, dice, maximizando el uso de material y reduciendo los costes downstream del cliente. Con UAM, espacio y militar siendo áreas de alta actividad, Ashley Graeber, directora de ventas y desarrollo de nuevo negocio, señala que la actividad se adapta por proyecto, en lugar de por programa de aeronave.

Formatear materiales termoplásticos para aplicaciones específicas también ayuda a reducir residuos, dice Jason Surman, VP ventas, aeroespacial. En la industria aeroespacial, la ratio buy-to-fly, que es la proporción de material bruto a la masa de la pieza terminada, es una preocupación clave. El objetivo es tener una ratio buy-to-fly lo más cercana posible a 1:1, lo que significa que hay poco material de desecho. El material adecuado en el formato adecuado para la aplicación adecuada puede reducir drásticamente el desperdicio, señala Surman. En la industria aeroespacial, el 30% de desperdicio es "terriblemente común", dice, y para reducir el desperdicio por debajo de ese nivel se requiere un esfuerzo colaborativo en todos los lados.

"Casar el material con el proceso es crítico", añade Surman, "y las cintas termoplásticas están emergiendo como una solución habilitadora para fabricantes de aeroestructuras."