Fraunhofer IPT automatiza la producción de palas de ventilador de CFRP termoplástico, aumentando la eficiencia

Los materiales para aeronaves deben ser altamente resistentes y, al mismo tiempo, lo más ligeros posible. Los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) ofrecen ambas propiedades y se utilizan cada vez más en las palas de ventilador de los motores aeronáuticos (véase «Rolls-Royce inicia la fabricación de las palas de ventilador más grandes del mundo»). Sin embargo, la producción de estos componentes es muy lenta y costosa, ya que requieren curarse durante varias horas en autoclave. Un equipo de investigación del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción (IPT, Aquisgrán, Alemania) busca automatizar aún más la fabricación de palas de ventilador de CFRP.

Cadena de proceso flexible: colocación automática de cintas y termoformado

La producción de muchos componentes de CFRP ya está parcialmente automatizada. Los preimpregnados (prepregs) semiacabados —típicamente de resina epoxi reforzada con fibra— se aplican y orientan en capas finas para crear una disposición a medida. Luego se curan bajo presión y calor en un proceso de autoclave que consume mucha energía, tiempo y dinero. Fraunhofer IPT investiga la posibilidad de automatizar aún más la fabricación de palas de CFRP para hacerlas más rentables.

Sin embargo, estos investigadores no emplean materiales basados en resina epoxi, sino compuestos de fibra de carbono reforzados con termoplásticos. Estos materiales llevan décadas usándose en estructuras voladoras, ofrecen buenas propiedades de construcción ligera combinadas con un excelente comportamiento al impacto y pueden procesarse de forma rápida, flexible y automatizada. Al ser termoplásticos, no requieren reticulación química para endurecerse, solo calentamiento para fundir y presión para consolidar durante el enfriamiento controlado. También pueden recalentarse y reformarse.

Los compuestos termoplásticos son, por tanto, mucho más adecuados para procesos de fabricación eficientes, explica el Dr.-Ing. Henning Janssen, jefe del departamento de tecnología de sistemas láser y compuestos de fibra en Fraunhofer IPT. En varias series de pruebas, su equipo ha logrado combinar por primera vez dos de estos procesos para la producción de palas de ventilador: colocación automática de cintas y conformado.

Cadena de proceso flexible: colocación automática de cintas y termoformado

Con un sistema de colocación de cintas totalmente automático, un desarrollo propio de Fraunhofer IPT que se comercializa bajo licencia, se superponen cintas termoplásticas unidireccionales (UD) reforzadas según la dirección de carga requerida en la estructura. Así se crea un panel multicapa, altamente resistente y flexible, denominado «hoja orgánica». Los investigadores monitorizan y documentan cada paso del proceso totalmente automatizado mediante diversos sensores, pudiendo observar la «caja negra» de la producción durante el proceso y crear una «sombra digital» para cada hoja orgánica. Esta imagen virtual permite identificar desviaciones de calidad en una fase temprana y tomar contramedidas adecuadas.

La hoja orgánica terminada se calienta en el siguiente paso de producción y se conforma a forma casi neta mediante un proceso de termoformado. En las series de pruebas anteriores, el proceso se probó inicialmente en hojas orgánicas de 16 milímetros de espesor, reforzadas con tejido de PA12 y fibras de carbono, y pronto se transferirá a hojas orgánicas de cintas de PEEK y fibra de carbono.

Series de pruebas para el fresado de componentes de FRP

Tras el termoformado, los bordes de la hoja orgánica conformada se recortan y fresan hasta su forma final. El fresado de FRP es muy exigente debido a la estructura heterogénea del material. Además, las fibras de carbono tienen un efecto altamente abrasivo en el filo de la herramienta de fresado, lo que provoca un desgaste acusado y una calidad de mecanizado fluctuante.

Una posibilidad para prolongar la vida útil de la herramienta es el uso de fresas recubiertas con diamante policristalino (PCD). En sus intentos de mecanizar palas de CFRP a menor escala, los investigadores comprobaron que la vida útil de las fresas recubiertas con PCD es significativamente mayor que la de las no recubiertas. Además, un diseño individualizado de la estrategia de fresado influyó positivamente en la calidad del mecanizado.

Implementación en diversos contextos de aplicación industrial

Los primeros resultados con materiales de CFRP termoplástico son prometedores: «Hemos demostrado que los procesos de fabricación vinculados —fabricación y acabado de palas— funcionan», afirma Daniel Heinen, jefe de la Unidad de Negocio de Turbomaquinaria en Fraunhofer IPT. «Hemos logrado calidades superficiales muy buenas tanto en dirección radial de la pala como entre el borde de ataque y el de fuga. Ahora debemos examinar y optimizar más de cerca los procesos individuales».

Están previstos proyectos de investigación para los próximos meses en los que los nuevos procesos se optimizarán y examinarán en diversos contextos de aplicación industrial. Los científicos de Aquisgrán están especialmente interesados en el uso de termoplástico de alto rendimiento PEEK como matriz y en la laminación de tecnología de sensores dentro de la hoja orgánica. Esto permitiría no solo monitorizar los procesos de fabricación, sino también el estado del componente durante su posterior uso en el motor. También se busca la aplicación de la cadena de proceso a otros componentes, como estatores, componentes de nacela y componentes fuera de la industria aeronáutica. Fraunhofer IPT da la bienvenida a empresas interesadas en participar en los proyectos.