Suscetores móviles: Revolucionando la soldadura por inducción de termoplásticos

 

El Grupo Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, Francia) —literalmente «el instituto de soldadura» de Francia— tiene más de 100 años de experiencia en soldadura de metales y ahora se establece como líder en soldadura de compuestos termoplásticos. Como se informó en el artículo de CW de 2018 «Soldadura de compuestos termoplásticos», IS Groupe y su marca de compuestos Composite Integrity desarrollaron el proceso de «soldadura por inducción dinámica» usado para unir largueros y pieles de fuselaje de cinta unidireccional (UD) de fibra de carbono (CF)/polietercetonacetona (PEKK) en el proyecto de demostración «Arches TP» con el proveedor de Nivel 1 de Airbus STELIA Aerospace (Toulouse, Francia), presentado en el Paris Air Show 2017.

 

«Este fue el inicio de nuestro desarrollo con soldadura por inducción para piezas estructurales aeronáuticas», explica Jérôme Raynal, director de aeronáutica y compuestos de IS Groupe. «Aunque el proceso de soldadura por inducción dinámica que desarrollamos fue exitoso, tenía algunas limitaciones respecto al rendimiento en el radio del larguero unido y calentamiento global del panel porque no hay susceptor en la interfaz».

Un susceptor es un material colocado entre los dos adherentes de una junta soldada de compuesto termoplástico que es calentado por la bobina de inducción en la cabeza de soldadura. El susceptor puede ser eléctricamente conductor para calentamiento resistivo o magnético para calentamiento por histéresis, fundiendo la matriz en la interfaz de soldadura que es prensada simultáneamente para crear una junta fusionada con resistencia muy alta. Como explica el artículo de enero 2000, «Diseño de un Susceptor Resistivo para Calentamiento Uniforme Durante Unión por Inducción de Compuestos» por Bruce Fink, Shridhar Yarlagadda y John W. (Jack) Gillespie, los susceptores usados en compuestos termoplásticos soldados por inducción eran inicialmente una malla o pantalla metálica, a veces impregnada con polímero.

IS Groupe creía que los problemas iniciales que encontró podían resolverse con más desarrollo. «Empezamos una nueva ronda de reflexión interna», dice Raynal. Esto incluyó discusiones con el proveedor de materiales termoplásticos (TP) Arkema (Colombes, Francia) que derivó en una asociación de desarrollo. «Ahora hemos desarrollado y co-patentado nueva tecnología con Arkema llamada Solución Innovadora para Soldadura (ISW)», añade Raynal.

 

Fundamentos de ISW

«La base de ISW es usar un susceptor para calentar la interfaz de soldadura, pero este es un susceptor móvil vinculado a la cabeza de soldadura», explica Raynal. «El susceptor nos permite ubicar perfectamente la zona de calentamiento en la soldadura, pero la cabeza de soldadura con susceptor se mueve de modo que nada permanece en la interfaz para perturbar las propiedades de la estructura soldada». En iteraciones tempranas de soldadura por inducción, los susceptores de malla metálica se dejaban en la soldadura, pero esto se consideró indeseable. Técnicas más recientes han logrado eliminar susceptores porque la fibra de carbono en laminados aeroespaciales comunes es eléctricamente conductora. Esto también ha permitido el uso de materiales de fibra de carbono como susceptores.

Otra parte de la solución ISW es usar una lámina de matriz TP pura o de bajo volumen de fibra en la interfaz de soldadura para aumentar el flujo de resina. La temperatura de fusión y viscosidad de esta lámina de interfaz pueden ajustarse y también pueden funcionalizarse para proporcionar conductividad eléctrica o aislamiento para prevenir corrosión galvánica, por ejemplo entre fibra de carbono y aluminio o acero.

 

Resultados de ISW

«Terminamos con un coeficiente de junta de 80-90%», dice Raynal. El coeficiente de junta corresponde a la resistencia de la soldadura y se usa con metales, plásticos y compuestos. «En test de cizalladura simple de dos placas preconsolidadas soldadas juntas usando ISW, hemos logrado 80-90% de las propiedades de las placas de referencia no soldadas, consolidadas en autoclave». Estos ensayos usaron cinta UD hecha con fibra de carbono Hextow AS7 (Hexcel, Stamford, Conn., EE. UU.) y Arkema Kepstan 7002 PEKK.

Raynal dice que ISW puede usarse para soldar cualquier tipo de matriz: PE, PA, PEKK, PEEK, así como compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono, vidrio o aramida. «También hemos mostrado que no hay problema para soldar componentes que tienen malla de cobre para protección contra rayos (LSP), clave para producción de aeroestructuras», añade. ISW está diseñado para ser totalmente automatizado con la cabeza de soldadura unida a un brazo robótico de 6 ejes.

 

Control de temperatura

Como se explica en el artículo de Kirk/Yarlagadda/Gillespie arriba, un problema común con susceptores de malla metálica sometidos a un campo magnético es la distribución de temperatura no uniforme en la pieza soldada. «Controlamos esto usando un susceptor para fundir solo la interfaz de soldadura», explica Raynal. «Detectamos temperatura con un pirómetro láser que mide realmente el borde del susceptor desde el lado. Así sabemos exactamente la temperatura en la interfaz. También usamos refrigeración para ayudar a gestionar la temperatura y asegurar cristalización suficiente en el material termoplástico a lo largo de la soldadura».

 

Pruebas de soldadura larguero-piel de STELIA

El proveedor de Nivel 1 de Airbus, STELIA (Toulouse, Francia), es uno de los primeros clientes para este desarrollo de soldadura por inducción. IS Groupe y Arkema realizaron un estudio específico para STELIA para soldar un larguero de 7 capas CF/PEKK sobre una piel de 14 capas con malla de cobre para protección contra rayos (LSP). El objetivo final es soldar estructuras de 30 metros de longitud, con secciones rectas y de doble curvatura. Los componentes se fabricaron usando cinta UD de 194 g/m² compuesta por fibra de carbono Tenax HST45 (Teijin, Osaka, Japón) y Kepstan 7002 PEKK. STELIA especificó una soldadura homogénea con rendimiento mecánico >85% del material de referencia consolidado en autoclave y sin degradación térmica o mecánica de los adherentes. También solicitó un proceso robusto respecto a cambios en espesor de adherente. Pruebas químicas y de propiedades en los componentes soldados fue realizado por IS Groupe.

IS Groupe y Arkema pudieron cumplir los requisitos de STELIA, logrando >85% del rendimiento de cizalladura simple (SLS) y resistencia al cizallamiento interlaminar (ILSS) comparado con los laminados de referencia consolidados en autoclave. No hubo deslaminación ni degradación en los laminados de componentes o malla LSP. La única área donde fallaron es velocidad. STELIA solicitó velocidad de soldadura ≥ 1 metro/minuto. «Actualmente, estamos a 0,3 metros (10 pulgadas) por minuto», concede Raynal, «pero seguimos trabajando hacia esa velocidad objetivo». ¿Hay límite en espesor de sustrato que puede soldarse? «Podemos soldar espesores típicos de estructuras aeroespaciales y hemos soldado componentes de 5 mm de espesor a un sustrato de 5 mm».

 

Asociación con Arkema, oportunidades y desafíos

¿Por qué trabajar con Arkema? «Porque hay una relación entre la tecnología y los materiales», explica Raynal. «Por ejemplo, los materiales en la interfaz y su fracción de volumen marcan la diferencia. Somos especialistas en proceso, pero necesitábamos trabajar estrechamente con un socio para materiales. Este desarrollo conjunto fue necesario para optimizar completamente la tecnología de soldadura».

IS Groupe y Arkema son co-propietarios de la tecnología ISW y han protegido esta tecnología con una sólida cartera de patentes que incluye ya cinco solicitudes de patente francesas e internacionales. ISW puede usarse con cualquier matriz de compuesto termoplástico, y IS Groupe está demostrando la tecnología a través de programas con empresas en Europa y EE. UU., incluyendo Latécoère (Toulouse, Francia), y Collins Aerospace Aerostructures (Chula Vista, Calif., EE. UU.).

Para Arkema, el foco está en PEKK, dice Raynal, notando su alianza estratégica de 2018 con Hexcel para desarrollar cintas CF/termoplástico para futuras aeronaves, enfocada en proporcionar menor coste y mayores velocidades de producción para sus clientes. Como parte de esta asociación, se está estableciendo un laboratorio conjunto de I+D en Francia.

 

El proyecto Highly Automatized Integrated Composites for Performing Adaptable Structures (HAICoPAS) de 13,5 millones de euros y 48 meses es una continuación de la alianza estratégica Arkema-Hexcel. Esta colaboración totalmente francesa incluye IS Groupe, así como el diseñador de máquinas a medida Ingecal (Chassieu), Coriolis Composites (Quénéven), Pinette Emidecau Industries (Chalon Sur Saone) y un consorcio de laboratorios universitarios. HAICoPAS optimizará el diseño y fabricación de materiales para producción de piezas compuestas para lograr coste competitivo a alta velocidad. También tiene como objetivo desarrollar una tecnología más productiva para colocación/colocación de materiales compuestos y un nuevo sistema para ensamblar piezas finales por soldadura con control de calidad en línea.

Aplicaciones objetivo incluyen estructuras primarias de aeronaves, piezas estructurales para la industria automotriz y tuberías para la industria de petróleo y gas. Beneficios de reciclabilidad y sostenibilidad proporcionados por materiales termoplásticos también son importantes para estos mercados y se demostrarán y cuantificarán en HAICoPAS.

«Uno de los beneficios que podemos ofrecer con ISW es una reducción de más del 50% en potencia eléctrica requerida versus nuestro proceso de soldadura por inducción dinámica de 2017», señala Raynal. «Con inducción convencional, necesitas alta potencia para calentar la superficie. Pero con un susceptor en la interfaz, la superficie que calientas es mucho menor, requiriendo mucha menos energía». Nota que esto también ayuda a evitar descompactación en el radio de largueros. «Si calientas demasiado, puedes ablandar el material en el radio y permitir que las fibras aquí se muevan. Así que necesitamos calentar perfectamente solo la zona de contacto para los sustratos soldados sin calentar el radio. Con ISW, esto no es un problema».

Quedan sin embargo problemas térmicos. «Con formas planas, el control térmico es sencillo, pero se vuelve más desafiante con mayor complejidad de forma», dice Raynal. «Para 2020, el objetivo principal es continuar el desarrollo y lograr soldadura de largueros en piel a escala representativa. Nuestro foco también es introducir la tecnología en nuevos programas de desarrollo de aeronaves».

Para más detalles, ver Composite Integrity en JEC World 2020, Pabellón 5, Stand N89.