Utillaje híbrido aditivo de gran formato: moldes ligeros, rápidos y rentables para piezas grandes

Durante más de tres décadas, la aviación comercial ha adoptado cada vez más materiales compuestos. De hecho, más de la mitad de los componentes estructurales críticos en varios modelos de aviones comerciales importantes hoy son compuestos. A medida que el uso de estos materiales ha crecido en términos de volumen y tamaño de piezas, se ha vuelto cada vez más difícil construir herramientas —especialmente herramientas asequibles— para prototipar y fabricar estas piezas más rápidamente. Por ejemplo, las alas del A350 XWB de Airbus SE (Leiden, Países Bajos) miden cada una 32 metros de largo por 6 metros de ancho y representan algunas de las estructuras compuestas de aviación más grandes jamás producidas.

«Ahora hay tecnologías de fabricación innovadoras en el mercado que nos permiten esperar grandes avances en la evolución del utillaje, ayudándonos a enfrentar los desafíos que afrontamos en el desarrollo de componentes aeroestructurales compuestos», señala M. Pilar Muñoz López, ingeniera de fabricación de compuestos en la planta de Airbus en Illescas, España. «Es crucial para nosotros investigar estas tecnologías, capacidades y limitaciones para estar preparados para el futuro».

Dado que el utillaje representa una proporción significativa de los costes totales del programa para piezas aeroestructurales, y dado el tamaño creciente de esas piezas, se necesitan nuevas opciones de utillaje con menores costes y plazos de entrega. Un interesante estudio sobre utillaje híbrido fabricado aditivamente de gran formato (LFAM) para piezas aeroestructurales de prototipo y baja producción fue completado recientemente por Airbus, Northrop Grumman Aeronautics Systems – Aerospace Structures Business Unit (Clearfield, Utah, EE. UU.) y el Instituto de Investigación de la Universidad de Dayton (UDRI, Dayton, Ohio, EE. UU.) con resultados alentadores.

Domando los problemas de expansión térmica

La mayoría de las aeroestructuras de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) se producen a partir de prepreg de matriz epoxi. Para moldear tales piezas, el utillaje debe sobrevivir a temperaturas de curado en horno o autoclave de hasta 180 °C/356 °F. Además, dado el coeficiente de expansión térmica lineal (CLTE o CTE) muy bajo del CFRP, es crítico igualar —lo más cerca posible— los CTE de la herramienta y el material de moldeo a temperatura ambiente y elevada. Esto asegura que los moldes mantengan dimensiones para que las piezas resultantes también cumplan requisitos dimensionales. Para evitar distorsión o tensión en las estructuras finales, también es importante evitar usar un material de utillaje que se enfríe más rápido que el material de la pieza. Como consecuencia, las herramientas más comunes para moldear grandes aeroestructuras de CFRP están hechas de CFRP mismo o Invar, una aleación ferrosa de níquel y hierro conocida por su bajo CTE. Ambas son costosas y pueden tener plazos de entrega significativos. Además, Invar es difícil y requiere mucho tiempo para mecanizar y es pesado para enviar. Aunque las herramientas de acero o aluminio pueden reducir costes, sus valores CTE relativamente más altos limitan su uso en muchas aplicaciones —especialmente al moldear piezas grandes o largas.

Muchos estudios públicos y privados han evaluado herramientas fabricadas aditivamente impresas en materiales termoplásticos y concluyeron que potencialmente ofrecen beneficios incluyendo menores costes y plazos de entrega más cortos para producir compuestos laminados termofijos. Desafortunadamente, el utillaje LFAM basado en polímeros tiene problemas como porosidad de la herramienta, que puede llevar a pérdida significativa de vacío a temperaturas/presiones de curado. Resolver esto requiere relleno adicional de la herramienta y recubrimientos superficiales. Un desafío aún mayor son los valores CTE altamente anisotrópicos, debido a la alineación del relleno de la materia prima en el plano durante la extrusión/impresión, lo que puede llevar a diferencias de expansión/contracción 5-10 veces mayores en el eje Z que en los ejes X e Y de impresión. Eso hace un desafío obtener piezas dimensionalmente precisas de forma repetible y reproducible —especialmente cuando las piezas son grandes, tienen alta relación de aspecto y/o presentan superficies complejas.

«Todos los interesados en utillaje aditivo se han topado con los mismos problemas de porosidad y expansión térmica incontrolada con pocas formas efectivas de abordarlos», explica Scott Huelskamp, líder de equipo UDRI, desarrollo de procesos de fabricación avanzados, División de Materiales Estructurales. «Hay mucha gente que quiere usar herramientas AM, pero están esperando a que alguien resuelva estos problemas».

Dado el potencial de AM para reducir costes y plazos de utillaje, la industria ha centrado considerable esfuerzo en abordar problemas de expansión explorando nuevos materiales imprimibles, modificaciones de hardware de impresora y enfoques de modelado innovadores. Por ejemplo, algunos grupos han desarrollado un «valor de compensación» para diseñar herramientas AM para abordar diferenciales CTE. Sin embargo, Huelskamp señala que determinar qué valor de compensación usar es difícil y propenso a error. Además, tales enfoques han sido inefectivos para herramientas de cavidad hembra, y herramientas con características de atrapamiento a lo largo de su longitud que crean condiciones de bloqueo por matriz capaces de dañar piezas durante ciclos térmicos en la herramienta.

«No hay factor de compensación que vaya a arreglar ese tipo de problema», añade. «Hasta la fecha, ningún estudio de utillaje AM ha abordado completamente la necesidad de valores CTE bajos e isotrópicos a temperatura elevada. Sin este rasgo, los tamaños y geometrías de las herramientas siempre estarán limitados, y las herramientas más grandes sufrirán mayores errores dimensionales a temperaturas de curado».

En un esfuerzo por probar nuevos enfoques para resolver desafíos de utillaje LFAM, un proyecto de 18 meses fue emprendido por varias empresas miembro bajo los auspicios del Instituto para la Innovación en Fabricación de Compuestos Avanzados (IACMI, Knoxville, Tennessee, EE. UU.) y apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU. y JobsOhio (Columbus, Ohio). El equipo fue liderado por UDRI e incluyó a Airbus y Northrop Grumman. Estas organizaciones habían colaborado previamente en otras investigaciones, tanto dentro como fuera de IACMI, y así estaban familiarizadas con las capacidades de cada una.

Enfoque «bruto»

UDRI ya tenía considerable experiencia trabajando en estudios de utillaje AM y es miembro activo de America Makes (Youngstown, Ohio, EE. UU.), el consorcio AM de EE. UU. Además, el instituto había hecho investigación para la Fuerza Aérea de EE. UU. involucrando estructuras AM con respaldos metálicos, y ha trabajado con Cincinnati Inc. (Harrison, Ohio, EE. UU.), productor de impresoras Big Area Additive Manufacturing (BAAM), en utillaje AM puro.

«También habíamos estado trabajando con compounders personalizados en nuevas materias primas para impresoras 3D, pero nada de lo que hacíamos parecía avanzar mucho, y no éramos conscientes de que nadie más tuviera más éxito que nosotros», recuerda Huelskamp. «Fue entonces cuando tuvimos la idea de abordar el problema de manera diferente. Si no podíamos cambiar la forma en que se comportaban los materiales AM o predecir ese comportamiento directamente, entonces quizás podríamos forzarles a comportarse como queríamos indirectamente». Tomando lo que Huelskamp llama un enfoque «bruto», UDRI propuso un estudio híbrido LFAM que produciría utillaje aeroestructural aplicando pieles frontales de CFRP convencionales a núcleos AM de compuesto termoplástico.

Los objetivos del proyecto eran simples: encontrar un método menos costoso y más rápido para fabricar herramientas grandes para aeroestructuras. El equipo buscaba una opción que redujera costes un 50 % y produjera al menos 10 piezas de prototipo o baja producción aceptables para pruebas posteriores.

El equipo decidió usar una estructura sándwich para producir utillaje de una cara para una sección de un larguero de ala genérico usando datos de herramienta de Airbus. Aparte de producir utillaje para moldear solo una sección del larguero C a escala completa —debido a limitaciones de espacio en las instalaciones de UDRI— no se hizo ningún cambio mayor de diseño.

Se diseñó una herramienta hembra para asegurar que la geometría crítica de la pieza se formara usando superficies de herramienta dura. Esta herramienta de capa de larguero tenía un ligero ángulo interior que creaba un desmoldeo negativo y una condición de bloqueo por matriz, al ser una herramienta de una pieza. Esto llevó a los investigadores a modificar el diseño a una herramienta partida sellada con juntas/cordón. Para mitigar riesgo, el equipo comenzó con una herramienta subescala de 0,6 m/2,0 pies para probar el concepto. Una vez que el proceso de desarrollo de herramienta y las piezas de prototipo producidas en esa herramienta fueron probadas y funcionaron, el equipo construyó una herramienta mayor de 3,3 m/11 pies de largo para moldear una sección mayor del larguero para pruebas de prototipo.

Dado que el utillaje CFRP tiene un valor CTE tan bajo, es más ligero que Invar y la herramienta era para piezas de prototipo/baja producción, el equipo decidió usar pieles frontales de CFRP para constreñir el núcleo AM. Las pieles se hicieron con prepreg de utillaje Hextool M81 epoxi de Hexcel (Corp., Stamford, Connecticut, EE. UU.).

La imagen superior muestra una sección de la mitad derecha de la herramienta subescala impresa en BAAM con líneas rojas denotando líneas de corte tras la impresión. La imagen inferior muestra la mitad derecha de la herramienta tras unir las secciones. Crédito: Universidad de Investigación de Dayton.

El formato de material fue una estera de fibra de carbono cortada de 2000 gramos por metro cuadrado / 59 onzas por yarda cuadrada impregnada con epoxi endurecido 8552 de Hexcel. Este material se usa a menudo para utillaje compuesto debido a sus propiedades casi isotrópicas, que permiten mecanizado post-moldeo sin movimiento de herramienta que podría ser causado por relajación de tensión residual.

Dado que el núcleo se imprimiría en una impresora Cincinnati Inc. BAAM 1000 en Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, EE. UU.), y dado que UDRI y Cincinnati tenían experiencia significativa trabajando con el termoplástico de alta temperatura poliéterimida (PEI), seleccionaron PEI reforzado con fibra de carbono corta al 20 % (Thermocomp EX004EXAR1 Ultem) de SABIC (Riyadh, Arabia Saudí) para imprimir un núcleo de forma casi neta. (La presencia de fibras de carbono estabiliza el polímero durante la impresión y evita que se hunda; en la estructura terminada, las fibras reducen el CTE en la dirección de impresión). Para mantener costes bajos, el núcleo funcionó como maestro de utillaje y las pieles frontales se laminaron directamente al núcleo sin adhesivo, pero con alguna modificación a la superficie del núcleo que está cubierta bajo propiedad intelectual (PI) desarrollada durante el proyecto. Ese enfoque fue efectivo, sin deslaminación incluso tras múltiples ciclos térmicos.

Fabricación condensada

En la fabricación convencional de utillaje CFRP de aeroestructuras, primero se crea un maestro de bajo coste. Esto suele implicar unir bloques de tablero de utillaje en horno o autoclave, luego mecanizar la estructura monolítica a la geometría de pieza deseada. El material de utillaje se coloca luego, se embolsa y cura en el maestro en autoclave. Tras desmoldeo y limpieza, se une una estructura de respaldo a la herramienta y la superficie de utillaje se mecaniza de nuevo para asegurar buena tolerancia geométrica y acabado superficial.

Con utillaje híbrido AM, el equipo desarrolló un proceso de fabricación condensado para reducir plazo de entrega y costes. Primero, un núcleo de forma casi neta (maestro de herramienta) se imprimió en 3D (en fibra de carbono corta/PEI). Luego, prepreg de utillaje CFRP se laminó directamente en ambos lados del núcleo (con descompactado en caliente entre capas uno, cuatro y siete según recomendaciones del proveedor). La estructura completa se embolsó al vacío y curó en autoclave.

Proceso de fabricación condensado para herramienta de larguero C subescala.

Paso 2: Cortar impresión BAAM por la mitad y en mitades izquierda y derecha.

Paso 3: Unir impresión BAAM para lograr longitud requerida y dejar curar.

Paso 4: Laminar prepreg de utillaje en ambos lados del núcleo con descompactado en caliente según instrucciones del fabricante.

Paso 5: Embolsar al vacío y curar en autoclave.

Paso 6: Mecanizar herramienta curada para lograr dimensiones finales y acabado superficial.

Se logró buena adhesión entre el núcleo PEI y las pieles epoxi durante el curado del laminado, por lo que no se requirió adhesivo. No solo las pieles CFRP son no porosas y más duraderas que el núcleo AM, también constreñen físicamente el movimiento del núcleo durante excursiones de temperatura debido a sus valores CTE mucho más bajos. Solo se necesitaron una sola cura y una sola operación de mecanizado —ambos gastos mayores durante la producción tradicional de herramientas— para lograr dimensiones finales y acabado superficial. Tampoco se requirió respaldo, debido a la estructura sándwich y forma de la herramienta, que incluía bridas de retorno en la parte superior del molde para rigidez lateral y una unión atornillada en el centro del molde para rigidez vertical —eliminando una operación de unión.

Desafíos iniciales

Los investigadores enfrentaron varios desafíos manejables con el nuevo proceso.

Para facilitar la fabricación en el BAAM, la dirección de fabricación preferida para el núcleo era imprimir la sección transversal como construcción vertical. Eso no fue problema para la herramienta de 0,6 m; sin embargo, para la herramienta mayor, 3,3 m era más alto de lo que el BAAM 1000 podía imprimir verticalmente. Debido a las limitaciones de espacio de impresión en eje Z de la impresora, los investigadores optaron por dividir ambas herramientas subescala a lo largo de su longitud y luego dividirlas de nuevo en secciones izquierda y derecha (para abordar problemas de socavado de capa de larguero y facilitar desmoldeo).

Para aumentar eficiencia de impresión, las secciones de herramienta se imprimieron espalda con espalda y luego se cortaron en piezas de mano derecha e izquierda. Para lograr la longitud de 3,3 m, las dos secciones de mano derecha se unieron seguidas de las dos de mano izquierda usando adhesivo epoxi Loctite EA9394 de Henkel Corp. (Rocky Hill, Connecticut, EE. UU.). El equipo dejó el núcleo AM sin mecanizar, sintiendo que era crítico para lograr bajos costes de utillaje y plazos cortos, así como para crear un bloqueo mecánico entre el núcleo AM y las pieles CFRP en cada lado. La parte trasera de cada mitad de herramienta se laminó con cinco capas de prepreg mientras que la frontal se laminó con nueve capas para proporcionar material extra que pudiera eliminarse durante el mecanizado post-curado.

Resultados preliminares

Además de controlar el CTE del núcleo AM, el prepreg proporcionó una superficie sin poros que mantuvo la integridad del vacío sin necesidad de sellador/recubrimiento. Este enfoque fue tan exitoso que permitió el uso de un diseño de herramienta multipieza sellada con junta, que los investigadores creen que no se había demostrado previamente en utillaje AM usado a altas temperaturas. Además, la masa de la herramienta se redujo significativamente; la herramienta subescala pesaba un tercio del peso calculado para un diseño comparable de Invar. No solo las herramientas CFRP más ligeras son más fáciles de manejar y almacenar en estanterías, sino que también requieren ciclos de calentamiento/enfriamiento de autoclave más cortos. En una herramienta para moldear el larguero C a escala completa, esa ventaja de peso podría marcar la diferencia entre estar por debajo o exceder límites de peso de grúa/pórtico en algunos espacios de fabricación.

Importante, el coste de la herramienta híbrida de 0,6 m se calculó durante la fabricación, usando tarifas de mano de obra estándar de la industria, en 24 136 USD con una división aproximada 50/50 entre costes de mecanizado e impresión/laminado. En contraste, una herramienta Invar idéntica se cotizó en 46 775 USD —un ahorro de casi el 50 %. Los costes para la herramienta de 3,3 m no están completos pero se espera que rindan aproximadamente 30 % de ahorro en base coste/unidad de longitud, ya que costes de material/impresión escalan linealmente, pero los costes de mecanizado disfrutan de una economía de escala que reduce su impacto. El enfoque híbrido produjo herramientas que cumplieron los requisitos de rendimiento operativo de Airbus y Northrop Grumman y se considera una alternativa viable a Invar para utillaje de prototipado rápido o bajo uso. La investigación de vida de herramienta no fue parte de este estudio, pero probablemente se extendería considerablemente más allá de los 12 ciclos demostrados.

«Northrop Grumman espera construir una pieza de demostración de larguero de 3 metros usando la herramienta híbrida de 3,3 m construida por UDRI y nuestro propio proceso de conformado automático de rigidizadores (ASF) para evaluar la durabilidad y estabilidad dimensional de la herramienta», añade Vern Benson, fellow técnico de Northrop Grumman.

El programa se extendió de 18 a 30 meses, pero aún hay áreas donde se necesita más estudio, como entender cómo la geometría final del núcleo impreso difiere de la predicha en modelos CAE. El equipo también quiere mejorar la precisión predictiva para que se añadan suficientes capas en áreas críticas para asegurar que no haya perforación durante el mecanizado. Aun así, el equipo consideró este un proyecto exitoso con considerable oportunidad para futuro utillaje LFAM.