Futuro de la fabricación de compuestos: sinergia entre AFP y fabricación aditiva

«Sobreimpresión» sobre superficies y soportes de CFRP prefabricados (esquina superior izquierda), hibridación de procesos como impresión 3D y bobinado de filamentos (esquina superior derecha), impresión 3D de núcleos sobre laminados AFP y pieles AFP sobre núcleos impresos en 3D (esquina inferior derecha) e impresión 3D CEAD AM Flexbot a 45 grados (esquina inferior izquierda). Crédito: TU Munich, Cátedra de Compuestos de Carbono.

En septiembre, asistí al simposio virtual «FUTURE COMPOSITE MANUFACTURING – AFP & AM», refiriéndose a colocación automática de fibra (AFP) y fabricación aditiva (AM). Este simposio fue organizado por la Cátedra de Compuestos de Carbono (LCC) en la Universidad Técnica de Munich (TUM, Munich, Alemania). El evento también incluyó al socio de investigación de TUM, la Universidad Nacional Australiana (ANU, Canberra). El simposio revisó capacidades de I+D de compuestos en ambas TUM y ANU, así como proyectos completados y en curso con socios industriales incluyendo AFPT, Airbus, BMW, CEAD, DLR, Fraunhofer, GKN Aerospace, INOMETA, SGL Carbon y Victrex.

La colaboración de TUM con ANU comenzó en 2010 con el proyecto AutoCRC para desarrollar tanques de almacenamiento de gas natural comprimido (GNC) de compuestos termoplásticos. La I+D conjunta ha continuado desde entonces, incluyendo la formación del centro del Australian Research Council para Manufactura Automatizada de Compuestos Avanzados (AMAC) y tres áreas principales de foco en ANU:

• Mejora de materiales
  • Materiales y recubrimientos a nanoescala para mejora de propiedades funcionales de compuestos de carbono
  • Cintas prepreg mejoradas con grafeno para conductividad térmica y eléctrica
• AFP láser
  • Proyecto con Ford para desarrollar acero reforzado con compuestos
  • Control digital de sesgo de calentamiento, ej. estabilidad de proceso para esquinas/geometrías 3D
• Diagnóstico avanzado con TC de rayos X

Discutió las similitudes entre la extrusión de material (MEX), el proceso más común para impresión 3D de compuestos reforzados con fibra, y AFP ISC:

• Tratamiento térmico local y recurrente
• Diseño basado en capas y propiedades de material ortotrópicas
• Colocación de material a lo largo de trayectorias 2D y 3D programadas y activación térmica entre capas.

Drechsler luego discutió las necesidades futuras para compuestos y cómo combinar AFP y MEX podría proporcionar soluciones, incluyendo a corto plazo en utillaje y a largo plazo en estructuras ligeras de alto rendimiento que sean tanto rentables como ecológicamente sostenibles.

Al describir las capacidades de LCC, Drechsler dio una visión general de su equipo MEX así como proyectos de I+D pasados y en curso en fabricación aditiva.

Respecto a AFP ISC, desarrollos recientes y en curso en LCC incluyen:

• Cabezal de bobinado de recipientes para apoyar la industrialización de estructuras como recipientes a presión, incluyendo tanques de almacenamiento de hidrógeno
• Control de lazo cerrado del calentamiento por haz láser
• Uso de rodillo refrigerado por fluido para consolidación
• Caracterización de cintas para optimizar ISC.

Los desarrollos de LCC en MEX e impresión 3D se exploraron más en múltiples presentaciones durante los siguientes 2 días.

CEAD e impresión 3D a gran escala

La siguiente presentación después de la conferencia de Drechsler fue dada por Maarten Logtenberg, director ejecutivo de CEAD (Delft, Países Bajos). Fundada en 2014, CEAD ha vendido sistemas comerciales basados en su tecnología de Fabricación Aditiva de Fibra Continua (CFAM), tanto como celda cerrada basada en pórtico (CFAM Prime) como sistema basado en robot (AM Flexbot). LCC posee este último (ver tabla arriba) y trabaja con LCC en varios proyectos (ver artículos de CW sobre CEAD y su trabajo con TUM LCC).

Aspectos destacados de la presentación de Logtenberg incluyeron el desarrollo de CEAD de soluciones híbridas que integran fresado CNC, camas de impresión calentadas grandes (1,2 m x 3 m y 1,2 m x 2 m) y camas de impresión rotativas calentadas. También persigue celdas aún más grandes e impresión a 45 grados, así como impresión de herramientas reforzadas con fibra para producción en serie en autoclave de piezas de aviones comerciales.

Logtenberg señaló que uno de los principales desafíos para herramientas de autoclave impresas en 3D es la expansión térmica y las herramientas mucho mayores de 4 metros tienden a expandirse demasiado (ver «Utillaje híbrido aditivo de gran formato»), dificultando compensar suficientemente mediante diseño de herramienta. La solución que propuso es reemplazar el refuerzo de fibra cortada usado mayormente hasta la fecha con fibra continua depositada por sistemas como AM Flexbot.

Este camino fue respaldado en la presentación «Introducción de intensificadores de pista impresos en 3D para producción de flaps compuestos» dada por Thomas Herkner en GKN Aerospace en Munich, Alemania. Estos intensificadores de CFRP impresos en 3D se usan como utillaje en la producción de flaps de aterrizaje de CFRP para el Airbus A350 y A330. Aunque este programa exitoso en GKN usó refuerzo de fibra cortada, Herkner mostró una hoja de ruta para desarrollo adicional que incluía usar fibra continua en utillaje impreso en 3D así como, eventualmente, en las propias piezas de avión.

Este camino fue bien explicado por el investigador de LCC Patrick Consul en un blog reciente de CW:

Consul también presentó en el simposio TUM, analizando diseño de proceso para AM de extrusión a gran escala. Discutió cómo las transiciones de vidrio y fase mostradas abajo representan el mayor cambio en propiedades de material de pellets reforzados con fibra cortada que se funden y extruyen en sistemas de impresión 3D como CFAM y AM Flexbot.

El trabajo de Consul ha analizado cómo parámetros MEX como viscosidad del polímero, temperatura de extrusión y par afectan la cristalinidad en el compuesto impreso, lo que a su vez influye en la capacidad de soldar capas juntas durante la impresión 3D. Además de esta unión capa a capa, Consul también ha explorado alineación de fibra y tensión residual en las capas impresas. Una solución presentada fue usar un láser para precalentar el sustrato durante la impresión —ampliamente usado hoy en AFP ISC de compuestos termoplásticos—, transfiriendo así conocimiento de AFP a AM. Experimentos iniciales usaron un anillo de diodos láser controlables.

El colega de Consul, Matthias Feuchtgruber, presentó más tarde en el día, avanzando desde diseño de proceso y caracterización de material a desarrollar una cadena de proceso virtual para AM de compuestos.

Alexander Matschinski presentó sobre integración de fibras continuas en AM de compuestos, presentando el gráfico abajo, que se convirtió en la base para el gráfico enmendado que usé en el artículo del suplemento Next-Gen de CW sobre impresión 3D de fibra continua. Matschinski también discutió trabajo en diseño de estructuras AM de fibra continua y desarrollo futuro de «sobreimpresión» sobre piezas y superficies de CFRP prefabricadas.

Otras aplicaciones interesantes de fibras continuas fueron mostradas por el Dr. Christopher Ebel en SGL Carbon, incluyendo refuerzo de estructuras de bajos de acero para automoción, reduciendo el número de piezas de 37 a 9 y reduciendo peso en 41 %. Otro concepto fue bobinado 3D usando towpreg impregnado con resina epoxi de curado rápido para estructuras optimizadas en carga. Este enfoque impulsado digitalmente comienza con simplificación de cargas complejas y optimización topológica, seguida de fabricación automatizada. Las piezas resultantes pueden explotar el bloqueo formal de insertos en estructuras, permitiendo introducción de carga sin pérdida de rigidez. Los últimos procesos de impresión 3D de metal pueden usarse para tales insertos, optimizando aún más la eficiencia de manejo de carga y reducción de costes.

Sebastian Nowotny en DLR discutió combinar impresión 3D con AFP ISC de compuestos termoplásticos, incluyendo impresión 3D sobre laminados AFP y AFP sobre estructuras 3D impresas parcialmente abiertas. Primeros experimentos incluyen impresión 3D de un núcleo sobre una piel de CFRP prefabricada y luego AFP/colocación de cinta sobre el núcleo impreso en 3D. Se crearon especímenes y luego se sometieron a prueba de cizalladura a tracción para evaluar la unión piel-núcleo.

Título del carrusel

Crédito: Sebastian Nowotny, DLR, Simposio TUM Sep 2020

Prueba de cizalladura a tracción de cupones hechos usando impresión 3D híbrida y AFP. Crédito: Sebastian Nowotny, DLR, Simposio TUM Sep 2020

Crédito: CEAD, Simposio TUM Sep 2020

Aplicación futura de tomografía computarizada durante producción de compuestos. Crédito: Universidad Nacional Australiana, Simposio TUM Sep 2020

Trabajo de desarrollo usando AFP láser para crear estructuras híbridas CFRP-metal. Crédito: Universidad Nacional Australiana, Simposio TUM Sep 2020

Cintas prepreg mejoradas con grafeno para conductividad térmica y eléctrica. Crédito: Universidad Nacional Australiana, Simposio TUM Sep 2020

Christian Weimer, jefe de materiales para Airbus Central Research & Technology, discutió impresión de fibra continua como parte del panorama tecnológico en evolución, dirigido a peso reducido con costes reducidos y mayor sostenibilidad que deben lograrse para que los compuestos aseguren un lugar en futuros aviones. Enfatizó que compuestos 3D verdaderamente eficientes deben emplear:

• Las materias primas e intermedios correctos —fibras, semiacabados
• Procesos e interfaces eficientes —termoplásticos AM, moldeo por inyección
• Diseño y dimensionamiento adaptados —integral, totalmente 3D optimizado en carga
• Superficie y funcionalidad —ESN (número de serie electrónico), SHM (monitorización estructural de salud)

También discutió la necesidad de fibras y resinas bio-derivadas para cumplir urgentes objetivos de sostenibilidad climática y ambiental.

El simposio TUM presentó muchas más presentaciones, incluyendo resúmenes de trabajo en ANU, y todas fueron muy interesantes para mostrar cómo los compuestos avanzan y cómo LCC, trabajando con socios worldwide, continúa imaginando lo que los compuestos pueden lograr y empuja nuestra industria hacia adelante.