CETMA: Centro principal de I+D e innovación en compuestos de Italia

Perfil de la organización

Establecido en 1994, Centro di Ricerche Europeo di Technologie, Design e Materiali (CETMA, Brindisi, Italia) es una de las mayores organizaciones independientes de investigación y tecnología en Italia, con una instalación de 4.000 metros cuadrados y 75 empleados. Durante más de 20 años, CETMA ha invertido fuertemente en compuestos, resultando en una amplia gama de experiencia:

• Diseño y prototipado de componentes
• Nuevos procesos de compuestos
• Procesos de reciclaje para compuestos y plásticos
• Optimización de procesos para coste, sostenibilidad, cadencia, etc.
• Monitoreo de proceso en tiempo real
• Ensayos no destructivos (END)
• Monitoreo de salud estructural (SHM) en tiempo real y remoto durante producción y servicio
• Consultoría REACH
• Estampado termoplástico, moldeo por compresión continua (CCM) y moldeo por compresión de preimpregnado (PCM)
• Infusión líquida, moldeo por transferencia de resina (RTM) y RTM calificado mismo (SQRTM)
• Preimpregnado fuera de autoclave (OOA)
• Soldadura por inducción

Organización y laboratorios

El objetivo principal de CETMA es apoyar a empresas e innovación. Servido por cuatro laboratorios principales, las actividades de compuestos de CETMA están organizadas dentro de su departamento de Materiales Avanzados y Procesos (AMP) que también comprende cuatro áreas:

• Materiales y Caracterización
• Tecnologías y Procesos
• Modelado y Simulación
• Diagnóstico y Monitoreo de Salud Estructural

AMP emplea 30 personal incluyendo ingenieros de materiales, aeronáuticos, civiles y químicos así como un químico, científico de materiales, arquitecto y múltiples técnicos —conformando su creencia en equipos multidisciplinarios.

Fortaleza en compuestos termoplásticos

«Ofrecemos un espectro completo de servicios en compuestos», nota Alessandra Passaro, jefa del departamento AMP en CETMA, «pero nuestras actividades en materiales termoplásticos es una de nuestras áreas prioritarias, actualmente. Todos los diferentes tipos de polímeros de matriz termoplástica han sido procesados en nuestro laboratorio. Empezamos a trabajar con fibra conmingled TWINTEX en 2004 y con moldeo por compresión usando una prensa simple hace aproximadamente 15 años. Ahora, hemos desarrollado moldeo por compresión continua (CCM) patentado y tecnologías de soldadura por inducción. Hemos analizado todos los materiales compuestos termoplásticos que pueden usarse en estos procesos».

La línea CCM puede fabricar piezas de sección constante usando PPS, PEEK, PEKK o PAEK. Pero, ¿cómo es el proceso CETMA diferente al usado por empresas como XELIS (Markdorf, Alemania) y ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, EE. UU.)? (Ver artículos CW: «Aerospace-grade compression molding» y «Accelerating thermoplastic composites in aerospace».). Passaro explica: «Hay algunos detalles específicos en el diseño del molde que usamos. Nuestra tecnología es más flexible respecto a geometrías y materiales de matriz que pueden usarse. Todavía está en desarrollo. Aunque patentada, la tecnología aún se está desarrollando y algunos aspectos son propietarios. La razón por la que CETMA ha perseguido CCM no lo es. «Vimos el aumento de uso y necesidad de procesos termoplásticos compuestos continuos», dice Passaro. «XELIS es una empresa de productos, no un proveedor de máquinas. Somos una organización de I+D independiente y así invertimos y desarrollamos la tecnología desde un punto de vista diferente».

Un ejemplo de esto es la extensa simulación de proceso para analizar la distribución de temperatura en el molde. «Los resultados de simulación nos dejan tener una imagen completa de la evolución de temperatura en el material a lo largo del tiempo», explica, «lo cual es muy difícil de monitorear en línea desde un lado, y sin embargo es crucial para minimizar defectos en el compuesto».

Soldadura por inducción para ensamblaje

Otra parte clave de la experiencia de CETMA en compuestos termoplásticos es la tecnología patentada de soldadura por inducción, que incluye un sistema de control y enfriamiento para mantener calor dentro de la línea de soldadura. CETMA usó la tecnología con el socio EURECAT (Barcelona, España) para ensamblar perfiles y placas CCM en una viga quilla de compuesto termoplástico para un avión tipo Airbus A320 en el proyecto Clean Sky 2 KEELBEMAN. Mi blog de enero 2020, «Avanzando compuestos termoplásticos y RTM para Clean Sky 2...», da más detalle sobre este proyecto así como los detalles de la soldadura de CETMA.

 

«Hemos desarrollado dos tipos de sistemas de soldadura por inducción», nota Passaro. «Uno es una máquina fija para superficies planas y uno basado en robot para geometrías complejas 3D. Ambos permiten soldaduras continuas a escala industrial sin requerir materiales adicionales en la línea de soldadura pero entregan rendimiento de adhesión muy alto en ensamblajes».

CETMA ha demostrado soldadura por inducción en laminados compuestos hechos usando tejido de fibra de carbono tejido y cinta unidireccional (UD) así como una gama de materiales de matriz: PPS, PEEK, PEI, PEKK, PP, PA6, PA12 y un sistema híbrido termofijo epoxi/PVB (polivinil butiral) termoplástico.

También ha aplicado su experiencia en modelado y simulación por computadora al proceso de soldadura por inducción. «Esto nos permite predecir la evolución de temperatura en el área de unión durante la soldadura, proporcionando una ayuda fundamental en la optimización de parámetros de proceso», dice Passaro.

Clean Sky 2 y proyectos de I+D en compuestos

Además de KEELBEMAN, el departamento AMP de CETMA está actualmente involucrado en otros cuatro proyectos Clean Sky 2.

TRINITI - Tanques de nitrógeno de alta presión multi-material termoplástico para aeronaves (JTI-CS2-CFP09-2018-02). El proyecto de dos años, que comenzó en 2019, tiene como objetivo construir un prototipo de tanque de aeronave para almacenamiento a largo plazo de nitrógeno para propósitos de lucha contra incendios. Diehl Aviation (Gilching y Dresde, Alemania), es el gestor de tema para el proyecto. Socios también incluyen laboratorio de I+D aeroespacial Novotech s.r.l. (Nápoles, Italia), Laboratorio de Ensayos de Compuestos (Inverin, Co. Galway, Irlanda). El proyecto fabricará tanques compuestos termoplásticos multi-material a través de una combinación de procesos como co-extrusión para formar un revestimiento/laminado multi-capa y multifuncional, seguido de consolidación in-situ (ISC) usando colocación automática de fibra asistida por láser (AFP). (Para más sobre ISC AFP, ver «Consolidating thermoplastic composite aerostructures in place, Parte 1 y Parte 2».). Un objetivo dentro de TRINITI es reducir o incluso eliminar micro-grietas en entornos criogénicos. Actualmente CETMA está trabajando para identificar todos los materiales termoplásticos que pueden satisfacer los requisitos de vasos de presión aeroespaciales.

SPARE – Rejillas de suelo de pasajeros y carga a escala completa innovadoras en compuestos para demostradores en tierra de barril de fuselaje de avión regional – (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-14). Iniciado en octubre 2018, este proyecto de 18 meses tiene como objetivo fabricar rejillas de suelo de pasajeros y carga a escala completa hechas usando compuestos termoplásticos (TP) reforzados con fibra de carbono. La producción altamente automatizada comprende conformado progresivo por laminación y soldadura por inducción para ensamblaje. El objetivo es reducir peso y costes recurrentes comparado con soluciones tradicionales de metal y compuestos termofijos. Las rejillas de suelo compuestas se ensamblarán en los demostradores de fuselaje de avión regional Clean Sky 2 para pruebas en tierra y se evaluarán para impacto técnico y económico así como rendimiento de resistencia a llama según regulaciones FAR 25.853. Líder de tema es Leonardo mientras CETMA coordina el proyecto en colaboración con fabricante de máquinas OMI S.r.l. (Fogliano Redipuglia, Italia).

  CETMA ha desarrollado termografía infrarroja (IRT) para variedad de procesos, incluyendo soldadura por inducción de ensamblajes piel-larguero de compuesto termoplástico (arriba) y pruebas de esos ensamblajes (abajo).

Una de las principales contribuciones de CETMA a SPARE es el desarrollo de termografía infrarroja (IRT) para monitoreo en línea del conformado progresivo por laminación. Este proceso somete rollos de laminado TP a compactación y calefacción hasta que se alcanza la temperatura de proceso del material, forma compleja y espesor de diseño. «Sin embargo, es importante asegurar que las capas más internas experimenten fusión completa de la matriz y consolidación», explica Passaro. «Además, hay una ventana de temperatura estrecha que asegura fusión pero no degrada el polímero. IRT es un método sin contacto que mide energía de calor radiada a través de la superficie de la pieza con alta precisión».

CETMA usó ventanas hechas de seleniuro de zinc (ZnSe) para mirar dentro del equipo cerrado. Transparentes a ondas IR, funcionan a temperaturas hasta 500 °C. Dos tales ventanas se construyeron en la línea de conformado progresivo por laminación del proyecto SPARE con cámaras IRT suspendidas arriba para tener una vista casi perpendicular del material procesado. Software de control editable hizo posible monitorear, grabar y alarmar si los valores caían fuera del rango objetivo definido.

La uniformidad de la temperatura del material a través de la sección transversal del perfil se evaluó en los dos puntos límite —línea 1 cerca del paso de calefacción y línea 2 más adelante en el proceso de conformado. Cada una se dividió en 3 pasos sucesivos (Fig. 19): fase inicial (paso 1), proceso de conformado iniciado (paso 2) y conformado con velocidad reducida (paso 3). IRT mostró que la temperatura en los bordes exteriores del laminado era menor que en el área central, llevando a calefacción desigual y propiedades mecánicas. Una representación 3D de las temperaturas superficiales registradas por IRT (Fig. 20) proporcionó una ayuda visual para entender mejor la distribución de temperatura.

TOD – Termoplásticos en Puertas (JTI-CS2-2017-CfP07-REG-01-12). TOD tiene como objetivo desarrollar y validar producción rápida y ensamblaje de una puerta de compuesto termoplástico a escala completa (incluyendo subestructuras de fuselaje) para un avión regional. TOD es parte de la Plataforma Demostradora de Avión Innovador Regional (IADP) de Clean Sky 2, que lleva la integración de tecnologías desarrolladas en la fase uno de Avión Regional Verde ITD (Demostrador de Tecnología Innovador) de Clean Sky a un nivel más alto de complejidad y madurez vía dos bancos de prueba voladores y tres grandes demostradores integrados en tierra. Liderado por Leonardo, CETMA trabajará con socios del proyecto The Welding Institute (TWI, Cambridge, Reino Unido) y firma de ingeniería/industrialización aeroespacial Tier 1 DEMA (Design Manufacturing SpA, Somma Vesuviana, Italia).

El enfoque propuesto incluye optimización y validación de termoformado para fabricación de componentes y procesos de unión como soldadura por inducción (IW) y soldadura por implante resistivo (RIW), que permiten reducción de peso eliminando sujetadores mecánicos. TOD también avanzará automatización Industria 4.0 y monitoreo en línea para apoyar producción de alta cadencia de piezas de alta calidad (cero defectos) con control de proceso robusto. Beneficios esperados incluyen:

• Reducción mínima 15% de peso
• Reducción de residuos y chatarra 10% a través de sensores y monitoreo en línea
• Hasta 75% ahorro energético vs. procesamiento en autoclave estándar
• Reducción de costes recurrentes vía fabricación inteligente adaptativa (flexibilidad aumentada, coste de herramientas de línea completa disminuido)
• Mejora emisiones CO2 durante fabricación y operación de avión más ligero.

CETMA está involucrado en numerosos otros proyectos de desarrollo. Un ejemplo es NHYTE (Nuevas Aeroestructuras Híbridas Termoplásticas fabricadas por Tecnologías Automatizadas Continuas Fuera de Autoclave) que tiene como objetivo demostrar aeroestructuras integradas innovadoras hechas de materiales de matriz termoplástica híbrida con capacidades multifuncionales.

Financiado bajo el programa Horizonte 2020 y liderado por NOVOTECH (Nápoles, Italia), NHYTE comenzó en sept 2018 y estaba programado para terminar en enero 2020. El material híbrido de alto rendimiento se basa en un preimpregnado comercial de fibra de carbono/PEEK con películas amorfas de PEI añadidas para permitir consolidación in-situ con colocación automática de fibra (ISC AFP) y luego ensamblaje vía tecnología patentada de soldadura por inducción de CETMA. CETMA ha completado una amplia campaña de caracterización comprendiendo pruebas físico-mecánicas y virtuales del material compuesto híbrido y configuración de proceso de soldadura por inducción.

Reciclaje de fibra de carbono

Otra área clave para CETMA es el reciclaje. El proyecto CIRCE tiene como objetivo usar recortes de preimpregnado generados durante la fabricación de piezas compuestas reciclándolos en un compuesto de moldeo por compresión, que luego se usará para moldear inserciones de puntera para zapatos de seguridad. CETMA caracterizará esta materia prima secundaria y desarrollará un modelo numérico para predecir el rendimiento estructural de las inserciones de zapato. Este modelo ayudará a analizar y verificar comportamiento de impacto para cumplir regulaciones de seguridad, con resultados usados para refinar y finalizar el diseño de inserciones de puntera. El equipo de proyecto italiano incluye Base Protection (Barletta), fabricante de piezas de compuestos para motorsport/automoción HP Composites (Ascoli Piceno), especialista en máquinas y líneas de producción Elks Group (Ascoli Piceno) y Petroceramics (Stezzano).

 

Quizás la mayor inversión de CETMA en reciclaje hasta la fecha ha sido vía el proyecto REVALUE dirigido a fibras de carbono recicladas para compuestos de ALTO VALOR. Financiado por el Instituto Europeo de Innovación y Tecnología (EIT, Budapest, Hungría), el objetivo del proyecto REVALUE es tomar fibra de carbono reciclada (RCF) provista por el productor líder ELG Carbon Fibre (Coseley, Reino Unido) usando pirólisis y combinarla con polímeros termoplásticos vírgenes y reciclados para reemplazar materiales actuales usados por Centro Ricerche Fiat (CRF, Turín, Italia) para la producción de componentes automotrices seleccionados.

Sin embargo, como se señala en el artículo de revista JEC Composites magazine ene-feb 2020, «New sizing formulation for recycled carbon fibres» por Alessandra Passaro, et. al., la RCF producida por pirólisis no tiene apresto, haciendo las frágiles fibras propensas a rotura frecuente durante manipulación así como separación de las mechas en filamentos, resultando en una forma enredada, «esponjosa» con baja densidad aparente. Como parte de REVALUE, CETMA desarrolló una formulación específica de apresto para RCF, compatible con polipropileno (PP) y PA6 vírgenes o reciclados. Luego evaluó la capacidad del apresto para mejorar la procesabilidad de RCF e aumentar la interfaz con las matrices termoplásticas seleccionadas.

Para hacer esto, CETMA desarrolló una planta piloto para apresto de RCF, capaz de aplicar el apresto en cantidades de kilogramos y, al mismo tiempo, evaluar el efecto de los parámetros principales en el proceso de deposición. La planta comprende tres estaciones principales: tratamiento de apresto y lavado de fibras; manipulación de fibras secas antes y después del tratamiento; y secado en horno de las fibras. Cuatro kilogramos de RCF pueden tratarse por día en ciclo continuo.

La RCF aprestada de CETMA fue luego usada por el centro de investigación francés CEA y el compounder francés SUEZ para producir un compuesto de moldeo usando polímeros termoplásticos vírgenes y reciclados. La caracterización físico-química de los compuestos se completó, y la capacidad del apresto de CETMA para mejorar el rendimiento mecánico final del compuesto se verificó.

Resultados y aplicaciones

Los innovadores compuestos de moldeo RCF se usaron luego para moldear por inyección componentes automotrices semi-estructurales que actualmente se hacen con PP o PA6 reforzado con fibra de vidrio. Más allá de la ventaja obvia en reciclaje y reuso de materiales, también se demostraron reducción de peso de vehículo, consumo de combustible y emisiones CO2.

Fuera de REVALUE, CETMA también ha desarrollado y evaluado apresto para RCF en múltiples procesos de compuestos incluyendo moldeo por compresión, infusión al vacío y RTM, mostrando propiedades mejoradas en todos los casos.

Monitoreo de salud estructural (SHM)

Esta área final clave de actividad de compuestos para CETMA es también un énfasis creciente en la industria. «Tenemos muchos años de experiencia aplicando SHM para aplicaciones de construcción y edificación», nota Passaro. «Y también hemos hecho mucho trabajo con SHM en compuestos. Sabemos que esto será importante para aplicaciones futuras y estamos interesados en seguir trabajando con fabricantes de compuestos y la industria para impulsar esta tecnología hacia adelante».​​​​​