Fabricación de la mitad superior del Demostrador de Fuselaje Multifuncional (MFFD): Insights de fabricación avanzada

Este blog es una continuación de una presentación dada por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR, Stuttgart y Augsburgo) en el simposio de TU Munich el otoño pasado y el resumen de CW publicado en el mismo período, "Avanzando en el Demostrador de Fuselaje Multifuncional (MFFD)". El proyecto también se describió en una presentación de Lars Larsen a las 9:35 del Día 3 de ITHEC 2020: "Avance basado en datos de proceso de soldadura ultrasónica continua robotizada para el Ensamblaje Libre de Polvo de Futuras Estructuras de Fuselaje".

Como explica Larsen, "El mayor reto es mostrar que los costes de producción pueden reducirse significativamente usando automatización". Para la mitad superior del MFFD, esto incluye consolidación in-situ via colocación automática de cinta/fibra (ATL/AFP) para evitar el autoclave y soldadura sin polvo/libre de polvo para ensamblaje. "Esto debería hacer posible cambiar la secuencia de líneas de ensamblaje de componentes y final en el futuro", dice Larsen, "permitiendo que los sistemas se integren antes del ensamblaje". Esto es porque a diferencia del mecanizado para agujeros de remaches, la soldadura no produce virutas ni residuos que puedan dañar sistemas pre-instalados como energía eléctrica distribuida, equipamiento interior, etc.

Este blog se basa en mi entrevista con Sebastian Nowotny, jefe de diseño de componentes y tecnologías de fabricación en el Instituto de Estructuras y Diseño de DLR (BT, Stuttgart) y Frederic Fischer, líder técnico para producción de compuestos termoplásticos en el Centro de Tecnología de Producción Ligera de DLR (ZLP, Augsburgo). Fischer es también el gestor del proyecto para la mitad superior del MFFD en DLR.

NOTA: En la imagen superior, "glide-formed stringers" se refiere a un proceso desarrollado dentro de Clean Sky 2 por Applus+ Laboratories (Barcelona, España), ver mi blog de 2017 sobre glide-forming, y "hot-pressed clips" se refiere a estampado, ver:

• Acelerando compuestos termoplásticos en aeroespacial
• Compuestos termoplásticos "clip" tiempo, mano de obra en piezas pequeñas pero cruciales
• Dentro de un foco de compuestos termoplásticos

Combinando estructura, cabina y sistemas

Pregunté a Nowotny sobre la historia de la mitad superior del MFFD. "Cuando Clean Sky 2 empezó, se emitió la primera convocatoria de propuestas", responde. "Creo que empezamos en 2015, y ganamos la licitación para el proyecto llamado ICASUS, que era un proyecto de co-asociación para el programa de avión de pasajeros grande (LPA). El foco principal era el diseño de un fuselaje multifuncional. En ese momento, no era compuesto termoplástico. El objetivo principal era combinar el fuselaje, la cabina, sistemas y estructura en un solo proceso de diseño. Así que básicamente, el trabajo hecho allí es lo que ahora se ha convertido en el demostrador de fuselaje multifuncional (MFFD) y es el soporte tecnológico para nuestro trabajo en el proyecto de la carcasa superior".

ICASUS

El proyecto ICASUS tiene como objetivo desarrollar soluciones multifuncionales e altamente integradas para el fuselaje integrado de estructura, cabina y sistemas de próxima generación multifuncional. Hoy, el proceso de fabricación y ensamblaje para aviones de pasillo único está impulsado por pasos secuenciales costosos y que consumen tiempo. Especialmente el ensamblaje de componentes principales (MCA) y la línea de ensamblaje final (FAL) son cuellos de botella que impiden procesos más rápidos y acelerados. Por esta razón, ICASUS desarrollará un nuevo concepto para fabricación y ensamblaje de futuros aviones de pasillo único dirigido a:

• Producción de alta cadencia de 60 aviones/mes;
• Reducción de coste recurrente de fuselaje de 1 millón de euros comparado con el A321 ACF ("Advanced Cabin Flex");
• Reducción de peso de fuselaje de 1 tonelada métrica versus el A321 ACF.

El enfoque será combinar las disciplinas originalmente autárquicas de cabina/carga, sistemas y estructura para terminar con la combinación e integración más prometedora de respectivas funciones y requisitos. Esto se logrará usando materiales avanzados y aplicando principios de diseño innovadores en combinación con la arquitectura de sistemas más avanzada en combinación con la cabina de próxima generación.

El principal impulsor es reducir significativamente el consumo de combustible aplicando sistemas de bajo peso y arquitectura/integración de sistemas. Esto requiere un procedimiento de optimización multidisciplinario global, así como el desarrollo y aplicación de un enfoque holístico Industria 4.0. Diseño para fabricación automatizada, automatización, sensorización, análisis de datos e intercambio seguro de datos se utilizarán. Los principales objetivos de fabricación del MFFD incluyen verificación de producción rentable y de alto volumen de estructuras compuestas multifuncionales y contribución a conceptos de certificación para uniones de CFRP termoplástico (ej. soldadura).

"¿Cómo combinas el fuselaje, cabina, sistemas y estructura en uno? "Todavía tendrías esas disciplinas con sus respectivos requisitos, pero creo que el objetivo principal es el enfoque de colaborar ya en una etapa temprana", explica Nowotny. "Han habido reglas estrictas para el proceso de diseño de fuselaje de aeronave que han creado restricciones y prevenido un diseño de aeronave totalmente optimizado. La idea inicial de combinar estructura, cabina y sistemas era tener un proceso de diseño que reúna estos tres aspectos y luego intente encontrar el óptimo global, no solo uno primero para la cabina y luego uno para la estructura y luego uno para los sistemas. Pero, por supuesto, hay muchas reglas y esto no es un proceso fácil porque también involucra certificación".

"Es un proceso en curso, en el sentido que se ha establecido una plataforma digital y todos los socios europeos proporcionan input en ese único diseño digital", dice Fischer. "Avanzar este diseño integrado para el MFFD es lo que ha estado pasando los últimos años. Nuestro equipo entregará la mitad superior con provisiones para fijación de cabina y sistemas. La visión es revolucionar el ensamblaje final entregando componentes principales totalmente equipados".

Aunque DLR ya era parte del proyecto de diseño para MFFD, no recibió la aprobación final para el proyecto de fabricación hasta 2019. El consorcio para construir la mitad superior comprende Airbus como líder general del proyecto MFFD, Premium Aerotec (Augsburgo, Alemania) como líder de diseño industrial y estructural y proveedor de los marcos, Aernnova (Vitoria-Gasteiz, España) para producir los largueros y DLR como líder para la colocación de piel y desarrollo de tecnología de soldadura. Para el último año, dice Fischer, "hemos refinado el diseño de la mitad superior para asegurar que pueda fabricarse con las tecnologías seleccionadas".

Consolidación in-situ

Mientras la mitad inferior del MFFD se produce usando ATL y AFP seguido de consolidación en autoclave, la mitad superior usará consolidación in-situ durante ATL/AFP. ¿Por qué? "Para tener máxima salida del proyecto de investigación, elegimos desafiar la línea base", dice Fischer, "y aprovechar la oportunidad de usar una tecnología en complemento a la mitad inferior". Nowotny añade: "Mostramos que es un método de fabricación muy prometedor que se enfoca en producción lean reduciendo pasos de fabricación. Pero creo que está claro que no hay un solo método de fabricación que sirva para todos los propósitos. Todavía tienes que decidir, caso por caso, cuál es el proceso de fabricación óptimo para cada pieza".

Dos tipos de soldadura

Otra elección para la mitad superior fue el uso de dos tecnologías de soldadura diferentes. "Usamos soldadura ultrasónica continua robotizada para los largueros, porque, en nuestra opinión, esa es la tecnología mejor adaptada para uniones realmente largas, y especialmente para la configuración de largueros", explica Fischer. La soldadura por resistencia fue elegida para integrar los marcos del fuselaje. "Estas elecciones son el resultado de análisis intensivos que tuvimos al principio del proyecto, junto con Premium Aerotec. Miramos los diferentes escenarios de soldadura, qué necesitaba unirse y dónde".

La soldadura ultrasónica continua desarrollada por DLR usa un robot industrial estándar. El efector final de soldadura comprende un rodillo de pre-recorrido, un sonotrodo de 25 mm de diámetro y una unidad de compactación posterior. El efector final está equipado con múltiples sensores, lo que permite monitorización de proceso en línea. Usando el robot como manipulador, como se muestra en el vídeo a continuación, una variedad de geometrías pueden soldarse, como un mamparo trasero de presión curvado o largueros omega sobre una piel.

"Así que tenemos dos procesos con una gran distinción", nota Fischer. "Uno es un proceso continuo y el otro es un proceso discontinuo. Para las uniones de 8 metros de los Z-largueros, elegimos soldadura ultrasónica continua. Y para el caso de uso altamente complejo —en términos de accesibilidad y gestión de tolerancias— para soldar las bridas adjuntas de los marcos a la piel, elegimos soldadura por resistencia. Ajustaremos y pre-equiparemos el elemento de soldadura por resistencia a la geometría del marco y tendremos una herramienta de soldadura tipo abrazadera que cierra neumáticamente, contacta los elementos de soldadura y luego dispara el proceso de soldadura".

Nowotny señala que la soldadura por resistencia tiene la mayor madurez y mayor resistencia, lo que encaja bien con la mayor carga vista en las uniones entre marcos y cleats. Señala que este proceso suelda el marco a la piel y suelda el cleat tanto al marco como al larguero.

"Mostramos la integración de clip en piezas genéricas en JEC 2017", dice Fischer. Nowotny añade, "Y en realidad teníamos el proyecto HISYS con el departamento de high-lift de Airbus Bremen en 2005-2008 para soldadura por resistencia con PEEK (polieteretercetona) termoplástico. Llevamos todo el proceso para soldar las costillas en la piel hasta TRL 5. Así que los fundamentos del proceso se entienden bastante bien, y ahora podemos enfocarnos mayormente en la adaptación, automatización y robustez del proceso".

"Uno de los habilitadores clave para diferentes tecnologías de soldadura —incluso aunque lleven mucho tiempo— es mostrar que están listas para aplicación comercial en la industria", señala Fischer, "incluyendo la automatización, programación y garantía de calidad necesarias. Uno de los temas clave que estamos mirando es cómo saber que la soldadura es buena. Queremos asegurar que tenemos los datos de proceso para mostrar que sabemos que la soldadura rendirá a largo plazo y que no estamos pidiendo una posterior inspección NDT con ultrasónicos, u otra inspección general en el ensamblaje completado. Así que uno de nuestros principales objetivos en este proyecto es desarrollar garantía de calidad industrial".

Pivote hacia LM PAEK

Como se explicó en mi blog, "Demostrando soldadura LM PAEK para Demostrador de Fuselaje Multifuncional", aunque el MFFD empezó con fibra de carbono/PEKK (polietercetoncetona), para la 10ª convocatoria de propuestas (CFP10) en marzo 2019, el material base se cambió a fibra de carbono/PAEK (poliariletercetona). PAEK es la familia general de polímeros dentro de la cual residen PEEK, PEKK y LM PAEK. ¿Cuánta experiencia tiene el equipo de la mitad superior con LM PAEK? "Lo hemos usado para varios ensayos de fabricación ya", dice Fischer. "El rendimiento del material es bastante prometedor para tanto soldadura ultrasónica como por resistencia. Aún así, el material está en desarrollo y un proceso de intercambio común en términos de lecciones aprendidas y desarrollo de guías de procesamiento se ha establecido entre todos los socios europeos y el proveedor de material".

"Sin embargo", añade Nowotny, "creo que es bueno que tengamos estas opciones de material ahora, porque hace muchos años solo había Cytec APC-2, y nada más. Especialmente en Europa, a veces podías conseguir el material y a veces te decían 'no, lo siento'. Ahora, tenemos varios proveedores de material que trabajan activamente en los materiales, y también para los diferentes procesos. Por ejemplo, Victrex, como vimos presentado en el simposio TU Munich 2020, ahora está mirando optimización para fabricación aditiva. También hay trabajo en curso con optimización para AFP consolidación in-situ, y algunos para consolidación secundaria usando autoclave así como varios procesos de fabricación fuera de autoclave (OOA). Así que hay mucho más pasando ahora, y esto aumenta las posibilidades de conseguir un buen material para cada proceso".

Cronograma y próximos pasos

"Básicamente hemos terminado el diseño del proceso de fabricación para un demostrador intermedio —diámetro A320 con dos bahías de marco y 950 mm de ancho— y construiremos esa media carcasa más pequeña a principios del próximo año (2021)", dice Fischer. "Aparte de eso, hemos empezado la adquisición del utillaje para la media carcasa superior a escala completa, y estamos subiendo nuestras tecnologías para asegurar que podremos producir la media carcasa superior a tamaño real a tiempo en 2022".

¿Qué implica esto? Un tema son las tolerancias de ensamblaje. "Las uniones longitudinales a lo largo de los lados izquierdo y derecho de ambas mitades superior e inferior del fuselaje han sido diseñadas por algún tiempo", explica Fischer. "De estas tenemos ciertos requisitos, y necesitamos asegurar que nuestras tolerancias de producción cumplan esos requisitos".

"La historia básica de lo que intentamos hacer con la carcasa superior es demostrar las rutas más eficientes para producción de compuestos termoplásticos y allanar un camino que pueda competir contra el aluminio para futuras aeronaves", dice Fischer. Señala que DLR ya ha mostrado esto en su trabajo con Premium Aerotec para desarrollar un mamparo trasero de presión termoplástico soldado, mostrado en 2018 y 2019 (ver también "Nuevos horizontes en soldadura de compuestos termoplásticos"). La soldadura y producción lean son habilitadores clave para termoplásticos. Y ahora debemos sacar estas tecnologías del laboratorio a la industria. Y para que las industrias crean que pueden realmente usar estas tecnologías de soldadura, debemos mostrar que pueden ser automatizadas, predecibles y controladas para fiabilidad en tareas de producción real. Y eso es lo que estamos haciendo".