Airbus desarrolla spar trasero OOA VBO y costillas termoplásticas para Wing of Tomorrow

Airbus (Toulouse, Francia) está inmerso en un amplio esfuerzo para trabajar con fabricantes de aerocompuestos en el desarrollo de estructuras fuera de autoclave (OOA) para el programa Wing of Tomorrow (WOT) de la empresa. Estas estructuras se están entregando a Airbus en 2021 y se ensamblarán en un ala demostradora que se probará y evaluará para uso potencial en un avión de pasillo único de próxima generación. Cuándo se podría anunciar tal programa es desconocido y tema de mucha especulación, pero toda la cadena de suministro de aerocompuestos se está posicionando para ser parte de la próxima generación de fabricación de aeronaves, ya sea para Airbus o Boeing, o ambos.

CW ha informado sobre parte de esta actividad WOT ya en historias sobre la piel inferior del ala producida por Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, EE. UU.), y costillas termoplásticas producidas por GKN Aerospace (Hoogeveen, Países Bajos). Uniéndose al esfuerzo WOT está el fabricante de aeronaves y proveedor de aeroestructuras Daher (París, Francia), que ha desarrollado, fabricado y entregado un spar trasero OOA y cinco costillas termoplásticas para el programa.

"Daher está orgulloso de participar en este programa WOT. Este desarrollo confirma la posición de Daher como uno de los líderes mundiales en tecnologías termoplásticas y en estructuras de funciones integradas termoestables, así como un socio fuerte para fabricantes de aeronaves y un Nivel 1 para piezas complejas", dice Dominique Bailly, VP I+D en Daher.

Spar de alto rendimiento

El demostrador WOT, como cualquier ala de aeronave comercial, tiene varias estructuras de spar. El spar trasero que Daher desarrolló para WOT está fuera del tanque y es el segundo más cercano de dos spars inmediatamente adyacentes al fuselaje, ubicado justo encima del tren de aterrizaje. Mide más de dos metros de largo y 10 milímetros de espesor, y debe cumplir requisitos significativos de resistencia y rigidez – "unas pocas toneladas aplicadas en características y varias decenas de toneladas para corte y tracción en dirección del vano", dice Bailly – dada su proximidad al fuselaje y al sistema de tren de aterrizaje.

Además, dice Alexandre Condé, ingeniero jefe en Daher que trabajó en el spar, Airbus buscaba desarrollo de un proceso de fabricación altamente automatizado que permitiera a la empresa reducir peso de aeronave y cumplir rentablemente tasas de producción de 60-100 juegos de barco por mes. Daher propuso un diseño capaz de reemplazar 15 componentes metálicos y fijaciones que eran originales al diseño base del spar compuesto. "La idea era integrar la mayor cantidad de características para ser rentable y ahorrar peso", dice Condé.

La estructura de spar resultante es un subproducto de un spar termoestable OOA de bolsa de vacío únicamente (VBO) desarrollado por Daher en 2018 para un jet de negocios de Dassault Aviation (París, Francia). Bailly dice que el spar de Dassault se fabricó con prepreg basado en resina epoxi M56 de Hexcel (Stamford, Connecticut, EE. UU.), curado OOA VBO. Posteriormente, a medida que Daher se involucró con el programa Airbus WOT, la empresa decidió adaptar el diseño, procesos y justificación del spar de Dassault y aplicarlo a la nueva estructura Airbus WOT, seleccionando el epoxi OOA de curado a 350 °F Hexcel M56, prepregado en tejido de fibra de carbono Hexcel AS4 y fibra de carbono UD IM7.

El proceso de fabricación usado para fabricar el spar es colocación automática de fibra (AFP) usando un sistema de Coriolis Composites (Quéven, Francia), que aplica material sobre un molde macho. El curado se realiza bajo bolsa de vacío en horno. La pieza resultante, dice Condé, tiene una porosidad del 0,1%.

Condé dice que el prepreg fue elegido sobre moldeo por resina líquida por la misma razón que el prepreg se ha convertido en un pilar de la fabricación aeroespacial en los últimos 30 años: Proporciona un volumen de resina/fibra consistente y fiable que permite producción de piezas que tienen dimensiones y masa consistentes y fiables. "Usando esta nueva generación de resina OOA con solo vacío, tienes una robustez perfecta en el contenido de fibra en el espesor del compuesto después del curado", dice Condé. "Además, el peso de la pieza es muy estable porque no estás empujando la resina fuera de la fibra."

Daher dice que fue el primer socio en entregar, a finales de 2020, un componente WOT – un spar a Airbus en Bristol, Reino Unido – para integración en el primer demostrador WOT; la empresa está en proceso de entregar dos más. Más allá de esta fase de demostración, Daher también está pensando en la industrialización de la fabricación de spar y trabajando en un análisis de diseño de sistema de fabricación (MSD) que estima y simula operaciones, instalaciones, equipos y requisitos de personal para producción a plena tasa de un avión de pasillo único de próxima generación.

Múltiples costillas, múltiples tamaños

El esfuerzo en Daher para desarrollar costillas para el programa WOT ha sido más complejo y exigente. La empresa ha diseñado cinco costillas de tamaños y dimensiones variables dentro del interior del ala; las otras costillas son una combinación de diseños de aluminio y compuestos, incluyendo una costilla de compuesto termoplástico diseñada por GKN Aerospace.

En un proyecto previo con Dassault Aviation, Daher había demostrado su capacidad para diseñar y fabricar costillas relativamente pequeñas de compuestos termoplásticos, explica Bailly. Con WOT, la empresa ha tenido la oportunidad de extender sus habilidades hacia el desarrollo de costillas más grandes (~2 metros de largo), de mayor carga.

Además, según objetivos WOT, Daher apunta a un nivel de madurez tecnológica (TRL) de 6 para finales de 2023. "Al final del programa WOT, cuando hayamos probado que estamos en TRL 6 para costillas grandes, entre estos dos programas [WOT y Dassault Aviation], habremos demostrado que somos capaces de cubrir la porción completa de costillas del ala – esa es la idea", dice Bailly.

"Hemos aprovechado este programa para ver diferentes formas de fabricar piezas y comparar comportamientos mecánicos, y también ver el impacto en la fabricación. En paralelo, estamos trabajando en la simulación para predecir el comportamiento del componente como retroceso elástico o efecto de estampado. El objetivo es reducir ensayos durante el desarrollo, por tanto el coste no recurrente", dice Condé.

Como el spar, el desarrollo comenzó a nivel de cupón, elemento y detalle, seguido por la fabricación de piezas subescala antes de construir las piezas finales a tamaño real. Se realizaron pruebas en cada nivel, señala Condé, incluyendo pruebas específicas desarrolladas por Daher para características de costillas.

Para las cinco costillas, Daher decidió finalmente usar cintas unidireccionales (UD) de fibra de carbono/poliariletercetona de bajo punto de fusión (PAEK) suministradas por Toray Advanced Composites (Morgan Hill, California, EE. UU.) usando resina fabricada por Victrex (Cleveleys, Lancashire, Reino Unido). Para fabricar las costillas, se hacen planchas planas usando AFP seguido de consolidación en horno – en algunos casos, los materiales se pre-consolidan antes del estampado. Según sea necesario, bridas u otros componentes se fijan mecánicamente a las piezas estampadas.

Cada costilla fue diseñada según su posición a lo largo del ala, especificaciones de tamaño y requisitos de carga (una a 50 toneladas), así cada una es única en varios aspectos. La costilla más grande mide 2 metros de largo x 1 metro de ancho. Independientemente, cada una empieza con una alma plana, que se estampa en forma de "L" para crear una brida a lo largo de la parte inferior donde se conecta a la piel del ala. Para estabilidad adicional, varias de las costillas comprenden dos componentes en forma de "L" fijados mecánicamente espalda con espalda para formar una forma de "T" con bridas bidireccionales.

Características especializadas incluían un soporte (fabricado de compuestos termoestables) para conexión con la vía del flap unida a la costilla, y una serie de agujeros o caídas de capa en ciertas costillas para reducir peso de pieza.

"Todo el tiempo que estábamos diseñando, teníamos que gestionar la complejidad versus el coste", dice Bailly. "Eso siempre estaba en nuestra mente, hacer algo simple pero rentable." La simplicidad era clave desde una perspectiva de tasa de producción también, señala Condé. "Si es demasiado complejo, no será competitivo desde el punto de vista del cliente, a las tasas tan altas que quieren tener."

Un reto que introdujo complejidad en el diseño fue el espesor relativo de cada una de las costillas – hasta 12 milímetros para la costilla más grande. Los tejidos más gruesos tienden a arrugarse o formarse incorrectamente cuando se estampan, y las piezas gruesas pueden ser difíciles de mecanizar en la forma terminada.

Para mecanizado, Daher usó una mezcla de corte por chorro de agua y mecanizado mecánico según necesidades de la pieza, ambos para mitigar problemas de espesor de pieza y gestionar la temperatura. Además, en la costilla de 12 milímetros de espesor, el equipo diseñó una ventana de caída de capa en el medio del componente para reducir el peso total de la pieza. Además de resolver estos problemas potenciales, Condé señala que la ventana de caída de capa también permitió a Daher "probar diferentes tipos de características de fabricación sobre las piezas, para aumentar nuestra comprensión del comportamiento de las piezas."

El proceso de estampado resultó un reto aún mayor. "Tuvimos que imaginar una nueva forma de estampar para mitigar el riesgo de arrugas", dice Bailly. Daher finalmente desarrolló un método propietario para resolver el problema.

Próximos pasos

Más allá de WOT, Daher está evaluando métodos de fabricación alternativos para producir costillas termoplásticas, mientras hace planes para desarrollar una línea de producción completa para fabricación a alta cadencia en el futuro.

Por ejemplo, mientras los demostradores WOT usan fijaciones, Bailly señala que a través de su adquisición de 2019 del especialista en compuestos termoplásticos y soldadura por inducción KVE Composites (La Haya, Países Bajos), Daher posee la capacidad para componentes soldados en el futuro. "Estamos trabajando en otro proyecto separado para alcanzar un nivel TRL más alto en soldadura de piezas UD gruesas [para uso en aviones de pasillo único de próxima generación]", dice.

Daher también está trabajando en el desarrollo de una línea de producción completa para producir costillas termoplásticas en el futuro. "Realmente estamos mejorando el concepto y reduciendo el número de máquinas necesarias para todas las tareas y reduciendo costes de proceso", dice Bailly, con el objetivo de igualar objetivos de producción de aviones de alto volumen.