Proyecto STUNNING logra piel de fuselaje termoplástico de 8,5 metros, avanzando en diseño de aviones sostenibles

Como parte de la iniciativa Clean Sky 2 de la UE, la industria aeroespacial busca una senda de vuelo hacia la sostenibilidad, particularmente a través de la transición del aluminio a compuestos reforzados con fibra de carbono para mejorar las estructuras de aeronaves y reducir drásticamente las emisiones. El Demostrador de Fuselaje Multifuncional (MFFD) de Clean Sky 2 es uno de esos programas que comenzó en 2017, compuesto por docenas de proyectos individuales y paquetes de trabajo (para más sobre estos, ver “Comprobando la soldadura LM PAEK para el Demostrador de Fuselaje Multifuncional”). En particular, el proyecto STUNNING (SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe), que tiene como objetivo desarrollar la sección inferior del fuselaje del MFFD, ha producido recientemente una piel de fuselaje de 8,5 metros de largo hecha de termoplásticos mediante colocación automática de fibras (AFP) (ver video a continuación).

STUNNING está liderado por GKN Fokker (Papendrecht, Países Bajos) con socios clave Diehl Aviation (Laupheim, Alemania), Centro Aeroespacial de los Países Bajos (NLR, Ámsterdam, Países Bajos) y Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft, Delft, Países Bajos). El proyecto busca madurar aún más procesos de ensamblaje automatizados, fabricación y tecnologías de soldadura termoplástica, desarrollo integrado de diseño y fabricación y arquitecturas avanzadas de sistemas eléctricos.

“Probablemente la mitad de la industria aeroespacial en Europa está involucrada en el proyecto MFFD, ya que realmente profundizamos en investigar diversas técnicas de fabricación todas con la sostenibilidad en mente”, describe Joachim de Kruijk, ingeniero senior de I+D de compuestos en NLR. “Al investigar las diversas opciones de fabricación y materiales, creemos que la mejor manera de lograr este objetivo de una estructura de fuselaje más sostenible es utilizar la nueva generación de materiales termoplásticos. Vemos que tal material puede permitir un cambio en el enfoque de fabricación y técnicas de diseño que pueden resultar en aviones mucho más ligeros, lo que significa menos consumo de combustible y menores emisiones de CO₂ y NO_x, todo manteniendo la resistencia y seguridad que esperamos de los aviones de aluminio tradicionales”.

Un número de aviones modernos, como el Airbus A350 XWB y el Boeing 787 Dreamliner ya usan materiales compuestos termoestables en la construcción de piezas y soportes e incluso la piel del fuselaje, señala Clean Sky. En el proyecto STUNNING, sin embargo, expertos en GKN Fokker y NLR fueron encargados del diseño para fabricación permitiendo altas tasas de producción de piezas estructurales grandes para aeronaves.

“Una de las verdaderas mejoras que ofrece el uso de termoplásticos es que durante el proceso de fabricación y ensamblaje, a diferencia de los termoestables, este material puede calentarse y recalentarse múltiples veces para asegurar uniformidad y unión”, explica De Kruijk. “En STUNNING, uno de nuestros objetivos era mostrar cómo los diferentes procesos podían combinarse para construir tanto componentes estructurales como no estructurales para una integración completa. Para ello, nos propusimos construir la mitad inferior completa de un fuselaje para obtener información no solo sobre la fabricabilidad de la piel de la aeronave, sino también de las subestructuras como los refuerzos bajo la piel, y otras piezas estructurales como vigas de suelo, así como partes de la cabina, los sistemas e incluso puertas de carga”.

Con estos ambiciosos objetivos en mente, los colaboradores se propusieron probar sus diversas técnicas de fabricación para construir las numerosas piezas y estructuras a integrar en un fuselaje. Para NLR, esto significó probar sus conocimientos y capacidades de producción con la pieza más grande de todas, la panza de la estructura del fuselaje. Con la ayuda de su máquina AFP interna de última generación, NLR logró su objetivo, construyendo la mitad inferior de la piel del fuselaje, una sola pieza, que mide 8,5 metros de largo por 4 metros de diámetro, que se dice es la pieza termoplástica única más grande conocida jamás fabricada.

Esto no fue una hazaña menor, dice Clean Sky. Mientras que materiales compuestos como los termoestables se han usado cada vez más en la construcción de aviones, las piezas termoplásticas grandes son relativamente nuevas en el campo, lo que también significa que puede ser un poco más costoso, en comparación. Pero según De Kruijk, eso es solo a primera vista, ya que los beneficios superan con creces el precio.

“Por ser más nuevo y debido a sus propiedades, los termoplásticos son un poco más caros que los termoestables. Pero hay una serie de factores diferenciadores que hacen que el uso del nuevo material valga la pena. Por ejemplo, los termoplásticos son un poco más ligeros que los termoestables porque es un material de matriz más tenaz y tiene mejor resistencia al daño por impacto, lo cual es importante”, explica De Kruijk. “Más allá de eso, está el medio por el cual el material puede usarse en fabricación. Para conectar varias piezas o partes de termoplásticos, simplemente necesitas calentar el material para soldarlo. Eso significa que nos estamos deshaciendo de los cientos de miles de remaches que mantienen unidos los aviones convencionales, lo que sin duda conducirá a ahorros de peso más dramáticos”.

Otro tema que NLR ha sido encargado de investigar es cómo inspeccionar, mantener y reparar aeronaves construidas con termoplásticos. Hasta ahora, el uso de grandes piezas compuestas en aviones es algo limitado, lo que significa que hay muchos menos datos y práctica en inspección, mantenimiento y reparabilidad.

“Actualmente, estamos trabajando en desarrollar tecnología para una serie de técnicas de inspección no destructiva [NDI] para usar en la inspección de aviones, como termografía y cizallografía, pero esa tecnología aún está madurando. Actualmente, empleamos inspección ultrasónica para comprobar defectos e problemas, pero eso puede ser un proceso que consume tiempo”, sugiere De Kruijk. “Sin embargo, la inspección y mantenimiento actual de aeronaves convencionales también es lento. Debido a la naturaleza de los termoplásticos, con la capacidad de recalentarse y soldarse, vemos que el mantenimiento puede hacerse mucho más rápido que en aviones tradicionales. Solo imagina cuánto tiempo se puede ahorrar al no tener que comprobar manualmente cada remache en toda la estructura, individualmente”.

Debido al tamaño de la piel final, se produjeron dos segmentos. Con la finalización de la colocación del segundo segmento de 90 grados de la piel inferior del fuselaje, el siguiente paso es consolidar y unir los dos segmentos de 90 grados de la piel inferior del fuselaje a un segmento de piel de fuselaje de 180 grados. Para hacer esto, sin embargo, se requiere un autoclave muy grande capaz de acomodar y calentar las piezas sobredimensionadas para unirlas. Como no hay tal autoclave en los Países Bajos, las dos mitades se dirigen a Alemania para la integración. El proceso estaba previsto para finales de junio.

“Suponiendo que podamos avanzar con la conexión de estas dos piezas del fuselaje en junio, esperamos que podamos tener la piel consolidada de vuelta en NLR para el verano para iniciar el proceso NDI detallado para probar y verificar su éxito y establecer exhaustivamente la calidad de la piel inferior completa del fuselaje”, ilustra De Kruijk. “Después, la enviaremos a nuestros socios en GKN Fokker, donde las diversas piezas desarrolladas en el proyecto STUNNING pueden ensamblarse e integrarse completamente”.

Para un resumen completo del proyecto MFFD, ver “Avanzando en el Demostrador de Fuselaje Multifuncional (MFFD)”. Para más sobre soldadura por inducción, ver este seminario web presentado por GKN Fokker.

Este proyecto ha recibido financiación de la Empresa Común Clean Sky 2 (JU) bajo el acuerdo de subvención No 945583. La JU recibe apoyo del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea y los miembros de Clean Sky 2 JU distintos de la Unión.