Mejora del diseño de caja de ala infusionada OOA para aeroespacial sostenible

A medida que la industria aeroespacial anticipa su recuperación de la pandemia de COVID-19, el impulso previo para producción a alta cadencia ha girado hacia una urgente necesidad de reducir las amenazas ambientales al planeta y a las personas. Este esfuerzo incluye límites en emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), uso de energía y agua y creación de residuos no reciclables. Aunque estas iniciativas estaban en marcha antes del COVID, su énfasis ahora es mayor, al igual que la necesidad de costes mucho más bajos para producir estructuras compuestas. El programa paneuropeo de aviación Clean Sky 2 ha financiado I+D en todas estas áreas y ha avanzado significativamente una variedad de tecnologías de compuestos reforzados con fibra.

Incluido en la séptima convocatoria de propuestas de Clean Sky 2 (CFP07, octubre de 2017) está la solicitud de Airbus Defence and Space (Airbus DS, Cádiz, España) para una planta piloto innovadora y flexible que produzca un demostrador volante de caja de ala altamente integrada usando colocación automatizada de fibra (AFP) e infusión de resina líquida.

Ha habido otros demostradores de caja de ala infusionados con resina y/o fuera de autoclave (OOA), incluyendo una caja de ala OOA «combinada» presentada por GKN Aerospace (Redditch, Reino Unido) en 2013; el ala del Airbus A220 producida por Spirit AeroSystems Belfast en Irlanda del Norte usando infusión por transferencia de resina en autoclave; y el ala OOA producida por AeroComposit (Moscú, Rusia) para el jetliner MS-21. Sin embargo, todos esos han ensamblado pieles y largueros rígidos con refuerzos discretos con fijaciones mecánicas (ver «El camino a alas OOA con mínimas fijaciones»).

La caja de ala solicitada por Airbus DS en Clean Sky 2 debía dar un paso adelante integrando la piel inferior rigidizada con los largueros delantero y trasero rigidizados, permitiendo que un módulo más completo sin fijaciones se enviara para ensamblaje con los componentes de ala restantes.

Esta caja de ala también usaría cintas secas de fibra de carbono estrechas (0,25 o 0,5 pulgadas de ancho) y resinas de curado de alta temperatura (180 °C T_g), pero con sistemas de calentamiento de ahorro energético y bajo coste y control digital basado en sensores y simulación para predecir y gestionar el procesamiento, acortar bucles de prueba y error durante el desarrollo y permitir formación rápida de personal de fabricación. Esta digitalización evolucionaría para incluir una aplicación móvil de realidad aumentada (app) que también proporciona manuales de usuario y mantenimiento, definición de secuencia de proceso, seguimiento de piezas y proceso sin papel y proyección de modelos CATIA sobre la pieza para ayudar en la colocación precisa de preformados de rigidizadores, insertos de utillaje y placas de presión de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP).

Quizás lo más demandante, este proyecto requería que todo el utillaje y equipo de fabricación fuera portátil y flexible, fácil de desplegar en cualquier sitio de fabricación, y adaptable para otros diseños de piezas y actualizaciones a medida que tecnologías de utillaje, calentamiento y control de proceso Composites 4.0 más avanzadas estén disponibles.

Como explicó el gestor del tema Luis Rubio, jefe de ingeniería de desarrollo de compuestos —tecnología y proceso en Airbus DS—, «El propósito final del proyecto es demostrar que una tecnología alternativa (a prepreg y autoclave) con costes menores, plazos reducidos y huella ambiental puede alcanzar tolerancias de diseño y niveles de calidad similares».

MTorres (Torres de Elorz, España) respondió, aplicando sin socios. «Teníamos todas las capacidades internamente: AFP, infusión, materiales de cinta seca y automatización», explica Sebastian Diaz, gerente senior de tecnologías compuestas aplicadas en MTorres. La empresa recibió el proyecto Innovative Infusion Airframe Manufacturing System (IIAMS), financiado a través del programa Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo acuerdo de subvención No 820845, y comenzó el trabajo en octubre de 2018.

Demostrador de caja de ala exterior

El demostrador que Airbus DS eligió fue una caja de ala exterior basada en su C-295 biturbohélice militar de transporte (Fig. 1), producido en San Pablo, Sevilla, España. Esta caja de torsión exterior compuesta de 4,14 metros de largo se une a una caja de torsión metálica interior. La caja de ala compuesta también se une a un alerón, borde de ataque y borde de fuga.

«Debíamos fabricar dos demostradores de 4 metros de largo, el ala derecha y la izquierda, que se instalarán para pruebas en vuelo», dice Diaz. «La fabricación debía ser un proceso de un solo disparo, sin secundario. Solo hicimos la «U», que comprende la piel inferior con seis rigidizadores integrados y los largueros a cada lado. La piel, rigidizadores y largueros varían en espesor. La forma en J de los largueros e integración de sus rigidizadores fue bastante desafiante de fabricar. También nos enfrentamos al desafío de cómo mantener tolerancias estrictas y geometría precisa con este proceso de fabricación. Esta precisión es crítica, especialmente en la raíz para el ensamblaje a la caja de ala interior y luego también en el alerón».

El diseño de la fabricación industrial innovadora se desarrolló en MTorres, mientras que Airbus DS proporcionó las especificaciones de diseño de la pieza. «Trabajamos fácilmente juntos para diseñar el mejor proceso de fabricación, verificando que este diseño podía ser producido por nuestro proceso y viceversa», dice Diaz.

Centro automatizado para termo-infusión (ACTI)

Por especificación de Airbus DS, todo el utillaje y equipo de fabricación usado para producir la caja de ala debía ser portátil, capaz de transportarse a otras instalaciones con vehículos estándar y configurarse rápidamente sin medidas especiales. Esto llevó al desarrollo del centro automatizado para termo-infusión (ACTI), que realiza conformado en caliente de los rigidizadores y largueros; infusión de los rigidizadores, largueros y piel; y ciclos de curado. El conformado en caliente (HDF) —desarrollado como descompactado en caliente en aeroestructuras y como preformado en caliente fuera de aeroespacial— elimina vacíos en las capas y convierte blanks 2D para los rigidizadores y largueros en preformados conformados (ver «Conformado en caliente»).

El ACTI tiene un área interior útil de aproximadamente 5,5 x 2,2 metros y parece similar a un sistema HDF tradicional, con bastidor de acero y una mitad superior que se eleva y baja electrónicamente, completa con dispositivos de bloqueo y otros de seguridad. La herramienta de curado y múltiples herramientas de conformado en caliente se posicionan dentro del ACTI. «No se aplica presión, solo vacío», señala Diaz. «ACTI usa aire caliente con flujo de aire definido para proporcionar transferencia de calor rápida tanto en el conformado en caliente como en los procesos de infusión».

También señala que el sistema es auto-nivelante. «La rigidez de la estructura ACTI (y la herramienta de curado) ha sido diseñada para cumplir tolerancias bajo cargas operacionales en una condición simplemente apoyada en solo dos secciones de apoyo», explica Diaz. «Esto significa que la precisión dimensional se mantiene al apoyar en el suelo, sin nivelación adicional u otro ajuste geométrico requerido. ACTI también presenta bajo consumo energético y bajos costes de fabricación».

Este último se debe, en gran parte, al reemplazo del ensamblaje de múltiples piezas curadas con el ensamblaje de múltiples preformados, que luego se infusionan y curan en una única estructura integrada. «La herramienta de curado también es la herramienta de ensamblaje», dice Diaz. «Todos los elementos son preformados secos ensamblados en la herramienta de curado y luego co-infusionados juntos en un proceso de un solo disparo». No se necesita útil de ensamblaje, y tolerancias estrictas se logran vía elementos innovadores en el utillaje.

Otro aspecto clave de este enfoque es eliminar pruebas destructivas y no destructivas (END), en su lugar confiando en datos de proceso recogidos durante los diversos pasos de fabricación para verificar la calidad del proceso y señalar parámetros fuera de especificación. Los sensores usados con el ACTI recogen temperatura, vacío, flujo de resina y estado de curado. «Se monitorizan tanto la temperatura del aire como la de la pieza», dice Diaz. «El utillaje tiene termopares integrados que rastrean la temperatura para los moldes y superficies de la pieza». Todos los datos se registran, analizan y usan para imprimir gráficos y ayudar a guiar decisiones de fabricación.

«Tanto en IIAMS como en proyectos futuros, los datos ayudan a mejorar la configuración del proceso en las primeras etapas», explica Diaz. El flujo de resina y estado de curado se monitorizan usando sensores dieléctricos de Netzsch (Selb, Alemania), instalados directamente en las herramientas de curado CFRP. «Necesitábamos sensores sin contacto para la piel porque no hay contacto directo entre resina y molde», dice Diaz. «Los sensores monitorizan el cambio del campo dieléctrico a medida que la resina llega y luego se solidifica durante el curado. Usamos estos datos para acortar el ciclo de curado».

Más adelante en el proyecto, los sensores y ACTI se combinaron con una interfaz hombre-máquina (HMI) desarrollada por MTorres, que permite control real del proceso desde un ordenador, incluyendo vacío y temperatura, así como flujo de resina vía válvula de alimentación. El objetivo, según Airbus DS, es avanzar la producción en masa de estructuras primarias compuestas integradas haciendo el proceso más ágil e inteligente.

Utillaje ligero y portabilidad

MTorres produjo dos juegos de moldes —uno para el ala derecha y otro para la izquierda. «Piezas con geometría idéntica, como rigidizadores, tenían solo un juego», señala Diaz. «Otras herramientas se compartieron, cuando fue posible».

Una única herramienta de curado de una pieza se usó para formar la forma 3D de la piel, sobre la que se ubicaron todos los demás preformados. Midiendo aproximadamente 4,5 metros de largo, las versiones derecha e izquierda de esta herramienta se fabricaron usando CFRP, dice Diaz. «Esto facilita mantener tolerancias porque diseñamos el utillaje con la misma estratificación y procesamiento que las piezas, así que el CTE es muy cercano al de la pieza final. Estas herramientas de curado CFRP también son ligeras, aproximadamente 200 kilogramos, y por tanto movibles con una pequeña carretilla elevadora eléctrica. Esto sería imposible si usáramos metal para una herramienta de 4,5 metros de largo».

El resto del utillaje —placas de presión, posicionadores y herramientas HDF— se gestionaban fácilmente a mano. El HDF de los preformados de rigidizadores, largueros y rigidizadores de largueros usó herramientas macho (IML), también fabricadas en CFRP. Durante el uso, estas se montaron en una mesa de aluminio y se colocaron dentro del ACTI.

AFP usando cinta de fibra seca novedosa

Todos los elementos estructurales de la caja de ala —piel, rigidizadores, largueros, rigidizadores de largueros— se produjeron usando tecnología AFP de MTorres para cintas de fibra seca. «La convocatoria decía usar materiales rápidos y baratos», dice Diaz. «Pero las cintas de fibra seca comercialmente disponibles, especialmente de los proveedores mayores, no eran tan fáciles de comprar y teníamos la experiencia para hacer nuestro propio material (ver «Cinta seca novedosa para compuestos moldeados por líquido»). Así que usamos nuestra cinta de fibra de carbono seca de 0,5 pulgadas de ancho, 300 gramos por metro cuadrado (g/m²) hecha de fibra de alta resistencia (HS) 50K de Mitsubishi Rayon (Tokio, Japón). Nuestra cinta fue diseñada para facilitar y funcionar bien durante la infusión, pero también durante la colocación usando nuestras cabezas AFP. Conocemos todos los parámetros para colocación AFP, conformado en caliente e infusión de resina, y si necesitábamos hacer pequeños cambios, podíamos porque teníamos la línea de fabricación de cinta disponible».

MTorres también probó su proceso de fabricación de caja de ala con cinta de 200 g/m² de Hexcel (Les Avenières, Francia) hecha de su fibra de módulo intermedio (IM). «Aunque nuestro proceso puede funcionar bien con ambos tipos de cintas», dice Diaz, «durante la fase de desarrollo, fue más fácil y barato colocar con nuestro material versus el material comercialmente disponible —el ancho y rigidez estaban diseñados para que su comportamiento desde bobinas a mesa fuera suave y rápido. También estaba disponible fácilmente».

Paso 1. AFP se usó para colocar la piel de la caja de ala (mostrada aquí) así como blanks 2D para rigidizadores, largueros y rigidizadores de largueros. Crédito foto, todos los pasos: proyecto IIAMS, Airbus Defence and Space, MTorres.

Paso 2. Los blanks de cinta plana se transportaron de la mesa de colocación a las herramientas de conformado en caliente.

Preformado en caliente

Paso 3. El blank de rigidizador se coloca sobre la herramienta de conformado macho.

«Movimos los blanks planos para los rigidizadores, largueros y rigidizadores de largueros de la mesa de colocación a la estación de conformado en caliente usando un pórtico con pinzas de vacío», explica Diaz. «El sistema automatizado puede mover los blanks en estado plano y colocarlos sobre las herramientas de conformado macho [Paso 3] sin crear arrugas». Las herramientas de conformado se instalaron en una mesa de conformado de aluminio, que se colocó en el ACTI. Una bolsa de vacío de silicona reutilizable (Mosites Rubber Co., Fort Worth, Texas, EE. UU.) se colocó sobre los blanks, que luego se calentaron en el ACTI a 130 °C y conformaron usando presión de vacío (Paso 4). «El vacío se aplicó suavemente siguiendo una rampa predefinida por medio de una válvula de control cuando se alcanzó el punto de temperatura», dice Diaz.

Señala que las cintas secas son más fáciles de preformar/conformar en caliente, «porque el enlace entre capas es más suave que en prepregs. A pesar de ser material seco, es un HDF/descompactado en caliente en el que el preformado resultante mantiene la forma gracias a los aglutinantes incluidos en las cintas».

Para los rigidizadores y rigidizadores de largueros, los blanks se conformaron en dos L, que luego se colocaron espalda con espalda en la herramienta de curado para formar rigidizadores/rigidizadores en T. Cada uno de los seis rigidizadores de la piel es diferente y requiere blanks de forma diferente para crear los preformados. Cada uno de los 24 rigidizadores de largueros también es de una longitud diferente.

Los largueros delantero y trasero en J comprenden un blank conformado en C, que mira hacia el interior de la caja de ala, y otro blank conformado en Z mirando hacia el exterior —los dos se colocan espalda con espalda. Los largueros también tienen pies sinusoidales en el exterior de la caja de ala (flecha en Paso 7). «Cortamos la forma para los pies del larguero en la mesa de colocación plana antes de mover el blank a la estación de conformado», dice Diaz. «Nada podía recortarse o fresarse después en esta área. Los blanks se colocaron directamente sobre la herramienta macho con los pies del larguero en el lado izquierdo de la herramienta y el ala superior en su lado derecho».

Fig. 3. Colocación precisa de preformados. Los preformados para largueros en J y rigidizadores se posicionaron usando cilindros metálicos gemelos (vistos en extremo izquierdo y derecho), posicionadores blancos y una placa de presión CFRP con recortes para los rigidizadores/posicionadores. Crédito foto: proyecto IIAMS, Airbus Defence and Space, MTorres.

Infusión de un solo disparo

Paso 5. Los preformados de rigidizadores y largueros se colocaron sobre la piel inferior, ayudados por elementos de posicionamiento cilíndricos (circulados) y blancos. Las placas de presión CFRP negras (flechas) también se usaron para ayudar a posicionar rigidizadores y colocarse sobre rigidizadores y largueros en J.

El siguiente paso fue colocar los preformados de rigidizadores, largueros y rigidizadores de largueros sobre la piel inferior del ala ya colocada (Paso 5). «Íbamos indexando cada preformado al colocarlo sobre la piel y herramienta de curado», dice Diaz. Cilindros que actúan como elementos de ubicación pueden verse al final del larguero a la izquierda del Paso 5 y al final de ambos largueros en Fig. 3. Estas imágenes también muestran dispositivos de posicionamiento blancos para los rigidizadores y largueros en J. Hubo 13 de estos posicionadores en el ensamblaje final de preformados, y cada uno era diferente.

Las placas de presión también fueron una parte clave del sistema de ubicación y colocación de preformados. Sirvieron al propósito tradicional de mantener presión y temperatura uniformes a través de regiones de geometría y/o estratificación complejas, pero también serían clave para la infusión, como se discute abajo. Una placa de presión CFRP negra con recortes para los preformados de rigidizadores puede verse al final de los rigidizadores y largueros en el Paso 5 y Fig. 3.

«La ubicación de los preformados de rigidizadores depende de la ubicación de esa placa de presión», explica Diaz. «La tecnología digital que desarrollamos para monitorizar y controlar el proceso de fabricación incluyó una app de realidad aumentada que proyectaba los modelos CATIA sobre la colocación. Esto se usó para guiar la colocación de las placas de presión, elementos de posicionamiento y luego preformados. También mostraba los siguientes pasos a realizar. La app permite autosoporte en tabletas para que todos los trabajadores tengan fácil acceso a toda la información».

Un juego final de placas de presión CFRP negras se colocó entonces sobre los preformados en L para los rigidizadores en T y también a lo largo del interior y exterior de cada larguero en J, extendiéndose sobre el ala y bajando sobre el pie en el exterior de la caja de ala, como se muestra en el Paso 5 y Fig. 3. «Los largueros también usan una especie de placa de presión en el lado interior en los extremos, para obtener mayor precisión en las áreas de unión», dice Diaz. «Todas estas placas de presión se usaron durante el proceso HDF y permanecieron unidas a los preformados durante la colocación».

El ensamblaje de preformados secos completado con placas de presión se cubrió luego con tela de desmoldeo y película de bolsa de vacío. Todo el ensamblaje de piel, rigidizadores y largueros se colocó entonces en el ACTI y el utillaje se calentó a 120 °C. La resina epoxi Hexcel RTM6 se calentó a 70 °C y desgasificó antes de la infusión a través de una única ubicación de alimentación de resina. «El ACTI estaba preparado para alimentar resina desde cuatro ubicaciones», señala Diaz, «pero tras extensas simulaciones y pruebas, decidimos que era más fácil y barato tener una única entrada de resina».

Incluso con una única entrada, el proceso de infusión fue muy complejo, comprendiendo tres modos diferentes. «Primero hicimos simulación de flujo, usando software PAM-RTM [ESI Group, París, Francia]», dice Diaz. «Había una mezcla tan compleja de frentes de flujo y parámetros necesarios para mojado completo. Por ejemplo, el flujo de resina era más rápido en el centro de la caja de ala, pero era un desafío mojar todos los rigidizadores».

El VAP, con membrana semipermeable, funcionó bien para la piel inferior, pero se cambió por malla de flujo de alta temperatura a lo largo de los rigidizadores y en el interior de los largueros. «Las esquinas fueron las áreas más desafiantes para mojar», señala Diaz, «pero también eran las más críticas para mantener tolerancias para el ensamblaje, así como a lo largo de los bordes». Esto se ve en las áreas rojas de la simulación de flujo en Fig. 4. «En estas áreas, se desarrolló un enfoque personalizado para lograr las dimensiones precisas requeridas», explica. También usamos puertos de vacío a lo largo del perímetro y sobre los largueros».

La infusión fue relativamente rápida, como predijeron las simulaciones, seguida de un curado de dos horas a 180 °C, usando solo aire caliente, y no utillaje calentado. Tras desmoldear, cada demostrador de caja de ala se inspeccionó usando ensayo ultrasónico (UT). Esto se hizo como parte de los entregables del proyecto IIAMS, para analizar la calidad de los demostradores. La aplicación industrial de este proceso, sin embargo, reducirá los END tradicionales a favor de sensores digitales y herramientas de inspección en línea más rápidas como sistemas de visión.

Según Diaz, aunque el ciclo de curado de infusión fue similar al de una caja de ala de prepreg curada en autoclave, el tiempo de ciclo global debería ser menor. «Hemos eliminado la mayor parte del ensamblaje posterior y tampoco tenemos que encajar nada como con prepreg, yet nuestra calidad es la misma. Por ejemplo, la unión entre la última capa de la piel y la primera capa de un rigidizador no necesita película adhesiva en medio para mejorar propiedades mecánicas y dar cuenta de tolerancias». Esto es obviamente más eficiente, pero señala que la tasa de producción de piezas no fue inicialmente el factor impulsor. «Este método no compite con la fabricación de piezas individuales sino con un ensamblaje de caja de ala completado».

Demostradores completos, camino a certificación

«Teníamos solo 18 meses para completar este proyecto, que incluía diseñar el proceso y utillaje y fabricar el utillaje y demostradores», dice Diaz. «Para el mes 14, teníamos el primer demostrador listo para exhibir en JEC a finales de febrero de 2020 [Paso 3], pero JEC se canceló por la pandemia. Aunque el proyecto terminó a finales de septiembre de 2020, si restas los meses que no pudimos trabajar por COVID-19, en realidad terminamos en el mes 16. Pudimos mantener este calendario tan ajustado gracias a nuestra capacidad de diseño interna y habilidad para fabricar prototipos de utillaje usando nuestras máquinas AFP y fresado CNC».

Paso 8. El equipo ACTI de conformado/curado y utillaje de caja de ala se subieron a un camión de mudanzas estándar y se reubicaron a Airbus DS en Cádiz, España.

Un demostrador simplificado de 1 metro de largo se fabricó en MTorres para verificar todos los parámetros de proceso. Luego, se produjo el primer demostrador a tamaño real. El utillaje y equipo de fabricación se reubicaron luego a Airbus DS en Cádiz (Paso 8), donde se produjo el demostrador final. Esto también fue parte de los entregables del proyecto, probando que el equipo podía transportarse e instalarse fácilmente en múltiples ubicaciones.

Como se explica en el recuadro lateral, «Hoja de ruta del IIAMS caja de ala a certificación», Airbus DS ha jugado un papel clave en el programa Clean Sky, progresando de co-líder del demostrador de tecnología integrada (ITD) Green Regional Aircraft (GRA) en Clean Sky, a co-líder del ITD AIRFRAME, así como líder para el banco de pruebas de vuelo 2 (FTB#2) en la plataforma de demostrador de avión integrado regional (IADP) dentro de Clean Sky 2. El FTB#2 incluirá otros desarrollos de compuestos y estructura aérea, incluyendo en la cabina y otros componentes de ala.

Todos los proyectos para preparar el FTB#2 son, de hecho, parte de una estrategia más amplia y a largo plazo en Airbus. El objetivo es desarrollar un futuro fuselaje de turbohélice que sea más ligero y eficiente, y procesos de producción que sean más baratos y usen menos energía, líquidos de fabricación y materiales auxiliares, pero que también generen menos residuos y ofrezcan mayor reciclabilidad.

«Paso a paso nosotros [Airbus DS] estamos recorriendo toda la pirámide de pruebas de estructuras de fuselaje desde cupones hasta pruebas estructurales a escala completa del ala exterior», explica A.E. Jiménez Gahete en un artículo de septiembre de 2020 en Materiales Compuestos titulado «Sección de caja de ala altamente integrada de Airbus Defence and Space fabricada por colocación de fibra seca e infusión de resina líquida». Pruebas de caracterización de materiales, matriz de pruebas de detalles de diseño y pruebas de subcomponentes para permitidos de diseño se han completado con resultados positivos. MTorres ayudó en estas pruebas, incluyendo fabricación de cupones de prueba y piezas, así como demostradores para validar el proceso de fabricación y detalles de diseño de la caja de ala. Solo quedan las pruebas finales estáticas y funcionales a escala completa del ala exterior, dice Gahete, para obtener la calificación FTB#2 para vuelo.

«La infusión de un solo disparo reduce uniones, disminuye peso y aumenta robustez», dice Diaz. «La cinta seca novedosa que MTorres ha desarrollado produjo excelentes resultados, tanto en el procesamiento —AFP, conformado en caliente e infusión— como en las propiedades estructurales de la pieza». Señala que, históricamente, ha habido duda de que los compuestos infusionados con resina pudieran igualar el mismo rendimiento estructural y tolerancias que prepreg curado en autoclave.

«Lograr las mismas tolerancias en un proceso de un solo disparo con utillaje blando [no metálico] fue nuestro mayor reto», concede. «Pero hemos probado que esta tecnología funciona y que puede producir las grandes estructuras primarias necesarias para futuras aeronaves. Nuestro siguiente paso es seguir avanzando las tecnologías digitales y la portabilidad del sistema de producción».