Costillas Wing of Tomorrow: Consolidación en un solo paso, termoplástica y OOA para aviones de próxima generación

El programa Wing of Tomorrow (WOT) de Airbus, lanzado en 2015, ha pasado los últimos seis años explorando tecnologías de material, fabricación y ensamblaje más competitivas en coste y mayor rendimiento para alas de aviones comerciales de pasillo único (ver cobertura previa de CW del programa WOT).

Según Arnt Offringa, director del Centro de Tecnología Global de GKN Aerospace Países Bajos (Hoogeveen), GKN Aerospace (Bristol, Reino Unido) ha sido muy activo en el programa WOT, incluyendo el desarrollo de un demostrador de larguero de ala hecho mediante moldeo por transferencia de resina (RTM) y cuatro costillas de ala de aluminio. Otro demostrador tecnológico recientemente entregado por GKN Aerospace involucró el desarrollo de una costilla de compuesto termoplástico competitiva en coste, y un innovador sistema de prensa modular para fabricación en un solo paso, fuera de autoclave (OOA) para producirla.

El salto a termoplásticos

En 2018, GKN Aerospace comenzó discusiones internas sobre materiales y tecnologías de fabricación que podrían usarse para producir cinco costillas demostradoras para el programa WOT. GKN Aerospace comparó varias opciones de material, incluyendo compuestos termoestables y termoplásticos. El aluminio, el material tradicional para costillas de aviones comerciales, se eligió para producir cuatro costillas mayores, interiores, pero para la costilla exterior menor, la empresa decidió explorar una opción compuesta. Offringa señala que como el demostrador WOT será un ala compuesta, desarrollar una costilla compuesta que pueda competir con aluminio es un paso lógico.

"Una costilla compuesta en un ala compuesta es beneficiosa por varias razones", dice. "Primero, usar compuestos con compuestos significa que no hay diferencia en expansión térmica entre materiales, como tendrías con una costilla metálica en ala compuesta o viceversa. Segundo, no tendrás problemas ni preocupaciones respecto a corrosión. Los compuestos también significan peso reducido. Por último, pero no menos importante, usar compuestos hace la inspección más fácil."

Offringa explica que las costillas metálicas típicas requieren inspección visual humana una vez que el ala final se ensambla. Sin embargo, debido a la ubicación de las costillas en el interior del ala, eso significa que grandes escotillas elípticas tendrían que cortarse en la piel inferior del ala para que los humanos puedan entrar a inspeccionarlas. "Si vas a una costilla compuesta, tienes menos fatiga en las costillas y menos grietas de fatiga potenciales que inspeccionar. La inspección se vuelve mucho más simple y menos intensiva, y ya no necesitas construir escotillas en la piel del ala. Será una piel de ala continua", dice.

Reducción de peso, resistencia a corrosión y beneficios de inspección menos invasiva podrían ganarse de compuestos termoestables o termoplásticos. "Hicimos un estudio interno y miramos peso, coste e industrialización, y tras comparar diferentes tecnologías, la elección fue ir con termoplásticos, porque tenía el mayor potencial y el mejor caso de negocio con respecto a coste", dice Offringa.

Dada su mayor proximidad al centro de tecnología de alas de Airbus en Filton, Reino Unido, donde se probará el demostrador WOT, la sucursal de GKN Aerospace en Bristol, Reino Unido, es el centro principal del trabajo WOT de la empresa. Sin embargo, dada la experiencia de GKN Aerospace Países Bajos en termoplásticos desde sus días como Fokker Technologies, los dos equipos de GKN Aerospace unieron fuerzas para el demostrador de costilla. "El diseño se hizo en el Reino Unido, pero el desarrollo de fabricación se hizo en Países Bajos, así que fue una cooperación realmente buena entre los diferentes equipos en GKN Aerospace", dice Offringa.

Sue Partridge, jefa de WOT en Airbus, señala: "La colaboración con socios es un aspecto importante del Programa Wing of Tomorrow. Combinando nuestros recursos, podemos progresar soluciones que aprovechen las capacidades de ambas organizaciones para un mejor resultado."

Para las costillas WOT entregadas a Airbus, GKN Aerospace usó cintas de fibra de carbono/polietercetocetona (PEKK-FC) de Solvay (Bruselas, Bélgica), basadas en la formulación Novaspire PEKK-FC (FC) de cristalización rápida de la empresa. Offringa señala que el material de fibra de carbono/poliariletercetona (PAEK) de bajo fundido de Toray Advanced Composites (Morgan Hill, California, EE. UU.) también se está evaluando como opción para futuras estructuras de costillas.

Diseñando una costilla de ala de próxima generación

Hay más de 20 costillas en un ala típica de avión de pasillo único. La costilla demostradora de compuesto termoplástico es la 14ª en el ala demostradora; las otras demostrarán materiales y procesos alternativos.

Las costillas compuestas termoplásticas a menudo se fabrican mediante estampado para aviones pequeños, dice Offringa. Sin embargo, GKN Aerospace descartó el estampado tradicional como opción para la costilla WOT porque las alas de aviones comerciales, incluso para narrow-bodies como el demostrador WOT, están sometidas a cargas de compresión y tensión muy altas.

"Si fueras a estampar una costilla termoplástica en el sentido tradicional, entonces tendrías que hacer una costilla muy gruesa, con una alma gruesa para hacerla más fuerte para que pueda soportar las fuerzas que actúan sobre ella", dice Offringa, y eso no es preferible dado los requisitos de reducción de peso. Además, el estampado no sería capaz de crear un componente de brida inferior de doble cara en la costilla donde la pieza se conecta a la piel inferior del ala; un componente extra necesitaría fabricarse y atornillarse al resto de la costilla. GKN Aerospace necesitaba un proceso de fabricación que permitiera más flexibilidad para el diseño que el equipo tenía en mente.

La costilla termoplástica de 90 cm de largo y 24 cm de alto de GKN Aerospace presenta un alma vertical y una brida bidireccional de 8 mm de grosor extendida desde la parte inferior de la costilla. Para cumplir requisitos de peso, el alma tiene solo 7 mm de grosor. Para prevenir pandeo y aumentar rigidez, el alma se refuerza con elementos de rigidización de 3 mm de grosor usando la tecnología butt-joint de GKN Aerospace, que usa preformas de rigidizador planas y materiales de relleno moldeados por inyección para crear una unión fuerte y continua (ver "Thermoplastic primary aerostructures take another step forward" para aprender sobre uso de esta tecnología en panel de fuselaje Gulfstream fabricado con cintas de fibra de carbono/PEKK-FC de Solvay).

"Sabíamos que si podíamos hacer esta forma en compuestos y hacerla robusta, tendríamos un diseño muy ligero con la reducción de peso que buscábamos. Pero el problema era, ¿cómo haces una forma tan complicada de forma rentable y a altas tasas? Ahí es donde pusimos nuestro esfuerzo para crear este nuevo producto", dice Offringa.

Fabricación en un paso, OOA

El proceso se basa en tecnología que GKN Aerospace ha usado previamente para el proyecto TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure), y para un desarrollo de panel de fuselaje para Gulfstream que usa la tecnología butt-joint de la empresa. Para la costilla WOT, GKN Aerospace desarrolló un proceso de consolidación OOA en un solo paso. "Hemos llevado nuestro trabajo previo al siguiente nivel yendo fuera del autoclave por primera vez", nota Offringa.

Primero, cintas termoplásticas unidireccionales (UD) se cortan a los anchos correctos, y un laminador se usa para preformar los elementos planos en dos preformas de alma en forma de L. Las preformas de alma, una preforma plana para la brida, y preformas menores y elementos de relleno moldeados por inyección que componen los rigidizadores se cargan todos en una herramienta, que se coloca dentro de una prensa modular de co-consolidación similar a una prensa de moldeo por transferencia de resina (RTM). La prensa cierra, y un sistema de vejiga se usa para crear presión desde direcciones horizontal y vertical, simulando la presión en un autoclave. Un sistema de calentamiento por resistencia integrado lleva el compuesto a temperatura de fundido brevemente antes de enfriar para consolidación.

"Hemos puesto la mayor parte del esfuerzo de desarrollo en ajustar y optimizar el utillaje", dice Offringa. El sistema está diseñado para ser modular; el utillaje puede intercambiarse para acomodar costillas con diferentes dimensiones u otros tipos de piezas mientras se mantiene el mismo sistema de calentamiento y enfriamiento. Aunque no necesario para estas costillas, la prensa que GKN Aerospace desarrolló en su Centro de Tecnología puede acomodar piezas hasta 6 metros de largo, que podrían también incluir otros paneles o vigas.

El sistema de control de proceso es clave al procesar termoplásticos. Los termoplásticos se funden a temperaturas más altas que los termoestables, y deben enfriarse en un proceso controlado y consistente para minimizar deformación y maximizar cristalinidad. "Es muy importante controlar el proceso exacto desde el inicio hasta el final", dice Offringa. "La gestión térmica del ciclo de calentamiento es muy importante." (ver sidebar "Thermoplastic (TP) forming issues" en este artículo para más detalle sobre problemas e importancia de control de proceso al usar termoplásticos).

Características especiales de utillaje se usan para permitir que los rigidizadores finos e integrados se liberen fácilmente de la herramienta. La pieza desmoldeada es near-net-shape, y luego se recorta para formar la pieza terminada. De herramienta a herramienta fuera, el proceso completo toma unos 45 minutos. Esto significa que con una prensa, se pueden fabricar unas 15 costillas de ala en un turno de ocho horas.

"Termina siendo un proceso de fabricación simple", nota Offringa. "Estamos haciendo muchas cosas a la vez: co-consolidando preformas con diferentes formas, creando la parte inferior de la costilla para tener una brida bidireccional, y al mismo tiempo rigidizamos el alma con la tecnología butt-jointed. En última instancia, tomamos todos los elementos del material, los colocamos en una herramienta, y creamos una pieza homogénea en un paso de procesamiento."

Pruebas, entrega y más allá

Pruebas. Subcomponentes fueron probados para cumplir requisitos de resistencia a tensión y compresión en instalaciones de GKN en Isle of Wight y Hoogeveen.

A finales de 2019, subcomponentes de costilla fueron probados en las instalaciones de GKN Aerospace en Isle of Wight y Hoogeveen, y Offringa dice que pasaron requisitos de carga de tensión y compresión "por un amplio margen". Añade: "Es fuerte, es tenaz, es fácil de fabricar. Este es un concepto que resultó exactamente como esperábamos." Comparado con una versión de aluminio, Offringa dice que la versión de compuesto termoplástico ofrece ahorro de peso significativo y es competitiva en coste.

La empresa ha entregado tres costillas a Airbus, una de las cuales será ensamblada y probada en el demostrador WOT. GKN Aerospace continúa trabajando en optimizar su proceso y materiales para costillas aeroespaciales comerciales, tanto para Wing of Tomorrow como más allá.