DigiProp impulsa la innovación sostenible para Dowty Propellers y sus clientes

Dowty Propellers (Gloucester, Reino Unido), líder mundial en sistemas de hélices compuestas y parte de GE Aviation (Cincinnati, Ohio, EE. UU.), ha anunciado la finalización exitosa de su mayor programa de investigación y desarrollo de hélices: DigiProp. Dowty lideró el programa de cuatro años y 20 millones de libras “Propulsión Digital”, buscando innovar en cada aspecto del diseño, fabricación y prueba de sus sistemas de hélices.

La evolución de los métodos de prueba para representar mejor el entorno operativo ha sido un área de enfoque en el programa DigiProp. Crédito de la foto: Dowty Propellers

DigiProp fue financiado por el gobierno del Reino Unido, en colaboración con tres de los centros Catapult de Manufactura de Alto Valor del Reino Unido: el Centro de Investigación Avanzada de Manufactura (AMRC, Sheffield) de la Universidad de Sheffield, el Centro de Tecnología de Manufactura (MTC, Coventry) y el Centro Nacional de Compuestos (NCC, Bristol). Los avances logrados incluyen la ampliación del trenzado triaxial para estructuras de geometría compleja, el desarrollo de un proceso automatizado de termoformado de espuma como alternativa al vaciado o mecanizado, y el uso exitoso de corte ultrasónico robótico para preformas de fibra de carbono. Desarrollos adicionales incluyen:

• El trenzado triaxial se desarrolló a escala industrial, aprovechando las propiedades direccionales de los compuestos avanzados para ofrecer rendimiento y resistencia, maximizando los beneficios de las propiedades ligeras para permitir una reducción general del peso de la pala.
• Compuestos termoplásticos se desarrollaron, permitiendo reciclaje, reducción de residuos y reutilización de utillaje, lo que apoya el impulso hacia la neutralidad de carbono.
• Introducción de un gemelo digital durante el desarrollo de la nueva fábrica de Dowty Propellers no solo optimizó la huella de la fábrica, sino que también identificó cuellos de botella en el proceso para reducir el tiempo de fabricación y el consumo de energía, mejoró el rendimiento de calidad a la primera y aceleró el tiempo de comercialización para los clientes.
• Mediante modelos de datos complejos, mejoras en el rendimiento aerodinámico y acústico están ahora disponibles para los clientes de Dowty Propellers y la creación de un hilo digital ha sentado las bases para el uso de big data.

AMRC sobre termoformado de espuma, trenzado y corte ultrasónico

“A través del programa DigiProp, el Centro de Compuestos de AMRC ha podido superar los límites de lo que es capaz la fabricación de compuestos”, dice el Dr. Matt Smith, responsable técnico de simulación de compuestos en AMRC. “Con el termoformado de espuma, este nivel de complejidad no es algo que hayamos hecho antes en AMRC. Dowty Propellers estaba realmente interesado e impresionado con los resultados y quiso continuar este trabajo más allá del final de DigiProp”.

Célula robótica KSL de AMRC con accesorio de cuchilla ultrasónica. KukaSim se usó para determinar la posición ideal de la herramienta para la trayectoria de corte óptima. Crédito de la foto: Dowty Propellers, AMRC

“También hemos tenido éxito desarrollando nuestra capacidad de trenzado triaxial”, dice Smith, “superando los desafíos de escalar la fabricación. Comenzamos con pruebas a pequeña escala en la Universidad de Manchester con estructuras tubulares simples y progresamos a geometría de perfil aerodinámico real con el trenzado capaz de adaptarse a la forma compleja especificada por Dowty Propellers”.

El equipo del Centro de Compuestos de AMRC también ha demostrado la viabilidad de coser pilas de material antes del conformado. Esto es seguido por el corte a medida usando una cuchilla ultrasónica montada en un brazo robótico. “El corte ultrasónico fue realmente exitoso”, dice Smith. “Los beneficios de esta tecnología son que las pilas de material se estabilizan de manera eficiente y el proceso de corte ultrasónico puede manejar requisitos de corte multiaxial”.

“El modelo de sistemas de hélices paramétrico que hemos desarrollado nos permite usar muchas más variables de las que una mente humana podría calcular, permitiéndonos entregar miles de años de cálculo manual en cuestión de semanas”, explica Jonathan Chestney, líder de ingeniería en Dowty Propellers. “Esto da a nuestros clientes una respuesta de diseño más rápida y un nivel de optimización de diseño mayor que nunca”.

AMRC ahora busca proyectos futuros en Termoformado de Espuma y Corte Ultrasónico.

NCC sobre carbono/TP entremezclado y moldeo con vejiga

Como parte de DigiProp, el equipo de NCC revisó el flujo de trabajo de fabricación de palas, explorando diferentes tecnologías y procesos para poder ingresar requisitos de pala y un conjunto de restricciones geométricas para crear la mayor flexibilidad posible en el diseño de nuevas estructuras de palas.

NCC diseñó y fabricó prototipos a escala real de una pala de hélice de turbohélice, así como un proceso de fabricación novedoso que combina el moldeo con vejiga con el trenzado triaxial de refuerzos termoplásticos y de fibra de carbono entremezclados. Para el sistema de vejiga, un molde de cera recubierto de silicona se usa como mandril para el sobretrenzado.

Se tuvieron que probar varias composiciones de materiales porque la pala necesitaba ser duradera y libre de defectos superficiales. La preforma de fibra seca también necesitaba mantener su forma y no ceder, distorsionarse ni moverse al colocarse en capas alrededor del mandril. Esto es para asegurar el posicionamiento y alineación correctos de las fibras para cumplir con la intención de diseño y los requisitos de rendimiento de la pala.

El proceso de fabricación de la pala termoplástica requirió el desarrollo de un mandril rígido para trenzado que pudiera retirarse fácilmente del molde pero que dejara una vejiga de silicona inflable después del preformado. Esta última permitiría la aplicación de presión interna para la consolidación durante el curado. El molde de cera recubierto de silicona proporcionó una solución, pero el grosor de la silicona tuvo que optimizarse para evitar el fallo de la vejiga y la consolidación incompleta de la pala compuesta.

Al usar termoplásticos, NCC redujo el ciclo de curado a aproximadamente cinco minutos frente a cuatro horas para las resinas epoxi termoestables típicas. En una iteración, NCC eliminó el núcleo de espuma de la construcción de la pala, observando una reducción de peso y mejora tanto en la vida a fatiga como en la resistencia al impacto. Se desarrollaron seis prototipos de palas de hélice en total, mejorando las técnicas de diseño y fabricación cada vez.

NCC ha informado que trabajar en el programa DigiProp fue una oportunidad única para desarrollar tecnologías de fabricación digital para diseños de palas con aplicaciones más amplias para otras estructuras huecas 3D. Ejemplos incluyen componentes compuestos reciclables económicamente para vehículos aéreos eléctricos más pequeños. Este trabajo ha llevado a un proyecto adicional, la Novel Composite E-Bike, en el que NCC se ha asociado con el fabricante de bicicletas de montaña Starling Cycles, con sede en Bristol, y Composite Braiding, líder en tecnología de trenzado de compuestos termoplásticos.

Tecnología futura implementada ahora

“Este es el mayor proyecto de investigación que hemos emprendido en Dowty y no podría haber tenido mejor momento”, dice Henry Johnston, Presidente de Dowty Propellers. “Ahora contamos con un conjunto avanzado de nuevas tecnologías, dejándonos bien posicionados para la aceleración de plataformas sostenibles que ocurre tras el Covid”.

“Este proyecto ha entregado innovaciones en rendimiento y coste de propulsión a través del diseño y la productividad, lo que ha ayudado a transformar la I+D de hélices”, dice Mark Scully, Jefe de Tecnología para Sistemas Avanzados y Propulsión en el Instituto de Tecnología Aeroespacial. “Con la asistencia de los socios Catapult de Manufactura de Alto Valor, la innovación en fabricación se ha implementado en la nueva instalación de vanguardia de Dowty en Gloucester”.

El salto en capacidad de fabricación logrado por el consorcio abre nuevas oportunidades para hacer crecer la base de fabricación de hélices aeroespaciales del Reino Unido aprovechando la tecnología de compuestos con la digitalización industrial para reducir costes de producción y aumentar el rendimiento de futuros sistemas de propulsión en el sector aeronáutico europeo de 200.000 millones de euros.

Dowty Propellers está comenzando a usar las tecnologías realizadas en DigiProp para aplicaciones de aeronaves en evolución y para apuntar a plataformas de próxima generación. Los clientes potenciales se benefician de la capacidad de la empresa para apoyar estudios de intercambio con tiempos de respuesta cortos en análisis de rendimiento.

Dowty deja claro que DigiProp no habría sido posible sin el apoyo y financiación del Programa ATI, una inversión conjunta del gobierno del Reino Unido y la industria para mantener y hacer crecer la posición competitiva del país en diseño y fabricación aeroespacial civil. El programa ATI, entregado a través de una asociación entre el Instituto de Tecnología Aeroespacial (ATI), el Departamento de Negocios, Energía y Estrategia Industrial (BEIS) e Innovate UK, aborda desafíos de tecnología, capacidad y cadena de suministro.