Los termoplásticos impulsan ahorros significativos de peso en aeronaves modernas

El soporte de contenedor de almacenamiento de aeronave desarrollado por Victrex, Tri-Mack y Safran Cabin integra dos insertos de fibra de carbono/PAEK sobremoldeados con resina PEEK. El resultado fue 50% reducción de masa, 20% reducción de coste y mejora sustancial en ratio buy-to-fly. Fuente: Victrex

Cuando se trata de conversión de aeroestructuras metálicas a compuestos termofijos, la mayor parte de la fruta al alcance de la mano —ala, fuselaje y estructuras de cola— ha sido cosechada. En aeronaves de próxima generación, los compuestos termoplásticos seguro jugarán un papel importante en grandes estructuras también. Mientras tanto, sin embargo, hay oportunidades de conversión disponibles hoy para termoplásticos.

Una de esas piezas es un tipo rara vez visto, pero altamente importante: soportes interiores portantes. Estos son los soportes (actualmente aluminio, acero inoxidable y titanio) que unen mamparos, lavabos, cocinas y contenedores de equipaje al suelo y fuselaje de una aeronave. Estos soportes vienen en una variedad de formas y tamaños, dependiendo de lo que se une. Por sí solos, estos soportes no pesan mucho. Pero, porque cada aeronave consume cientos de soportes, el peso total es sustancial.

El especialista en interiores de aeronaves Safran Cabin (Huntington Beach, Calif., EE. UU.) reconoció esto y recientemente recurrió a compuestos termoplásticos especialista Victrex (Thornton Cleveleys, Reino Unido) y fabricante Tri-Mack Plastics Manufacturing (Bristol, R.I., EE. UU.) para convertir un soporte de cabina de contenedor de almacenamiento de aluminio a un nuevo diseño hecho con cinta unidireccional (UD) VICTREX AE 250 de fibra de carbono/poliariletercetona (PAEK) sobremoldeada con polímero VICTREX PEEK (polietereetercetona) 150CA30.

Pruebas físicas del soporte sobremoldeado. Fuente: Victrex

El soporte presenta una base rectangular con dos insertos verticales que sobresalen del centro de la base. La base tiene un agujero moldeado en cada esquina para acomodar fijaciones; cada inserto también tiene un agujero cerca de su ápice, para acomodar pasadores de fijación y otro hardware. El inserto está hecho con el material de fibra de carbono/PAEK; la base se sobremoldea con la resina PEEK.

Victrex y Tri-Mack, trabajando con Safran Cabin, proporcionaron los materiales, optimización de diseño de pieza, experiencia en procesamiento y utillaje requeridos para realizar características de diseño y cumplir parámetros clave de rendimiento. Safran Cabin proporcionó experiencia en diseño y fabricación para asegurar aplicabilidad en entornos de servicio y certificación aeroespacial.

Tim Herr, director Aeroespacial en Victrex, dice que los insertos se fabrican con una máquina Fiberforge de Dieffenbacher (Windsor, Ontario, Canadá), que coloca cintas UD de fibra de carbono/PAEK para construir un laminado. Este laminado se consolida por prensado, se recorta en bordes y luego se corta por chorro de agua para hacer los insertos. Durante el corte por chorro de agua, cada inserto se escallopa en su base para crear una superficie de interbloqueo mecánico durante el sobremoldeo.

Los insertos se colocan luego en una herramienta, seguido por sobremoldeo por inyección del PEEK. "Cuando sobremoldeamos", dice Herr, "estamos creando un enlace muy fuerte entre el inserto compuesto PAEK y el material PEEK moldeado por inyección." La clave para este habilitador, dice Herr, es la combinación única de PAEK y PEEK. El PAEK, nota, tiene una temperatura de proceso aproximadamente 40 °C menor que la de PEEK. Este delta de temperatura facilita un enlace íntimo y duradero entre las dos partes. "Sin la invención de PAEK", argumenta Herr, "el moldeo híbrido de este tipo habría sido imposible."

Imágenes de simulación de diseño del rendimiento del soporte bajo condiciones de carga. Fuente: Victrex

Esta combinación de diseño/proceso requirió simulación, análisis, prototipado y pruebas físicas extensas, a través de las cuales Victrex identificó varios defectos de diseño y proceso, incluyendo deformación de inserto, vacilaciones de flujo de resina, fallo de enlace/interfaz y vacíos. Esto envió a los diseñadores de vuelta a la mesa de dibujo para optimizar el diseño, y a los ingenieros de fabricación de vuelta a la máquina de moldeo por inyección para optimizar el proceso. La combinación final de diseño/proceso superó estos desafíos y probó la viabilidad de un soporte sobremoldeado de compuesto termoplástico.

Los prototipos iniciales de soportes se produjeron en Tri-Mack. Comparado con la pieza original de aluminio, el prototipo compuesto logró 20% ahorro de coste, 50% ahorro de peso y una ratio buy-to-fly 5x mejor.

"Necesitamos responder a muchas demandas para soportes de aeronaves y piezas estructurales similares, con cada caso teniendo muchas condiciones de carga, restricción y exposición", dice Tyler Smithson, Ingeniero I+T en Safran Cabin. "La clave del éxito es desarrollar una plataforma compuesta flexible que pueda usarse para múltiples proyectos, reduciendo nuestro conteo de piezas y complejidad de diseño, reduciendo time-to-market, acelerando time-to-revenue."

Victrex dice que el proceso de sobremoldeo híbrido es una tecnología escalable y repetible que tiene potencial para ayudar a clientes aeroespaciales comerciales a reducir tasas de desperdicio, acelerar tiempos de ciclo, impulsar consolidación de piezas y reducir operaciones secundarias.

Resultados de pruebas tras la segunda iteración de diseño del soporte mostraron mejora sustancial en límites de carga y condiciones de fallo. Fuente: Victrex

"En Victrex, estamos orgullosos de nuestro historial en introducir enfoques tecnológicos 'disruptivos' en los sectores que servimos, usando nuestro know-how en el procesamiento y rendimiento de materiales PAEK para acelerar el proceso de comercialización", comenta Herr. "El sobremoldeo híbrido y los compuestos VICTREX AE 250 ciertamente están dentro de esta categoría pero esto es solo el principio. Continuamos probando nuestra oferta de compuestos, con apoyo de nuestros clientes y socios para demostrar el potencial completo de estos materiales."

Actualmente el soporte está programado para pruebas finales y calificación de piezas de producción. "El objetivo es poner el soporte compuesto en servicio a finales de 2019. Hemos hecho todo lo posible para demostrar que este soporte puede rendir", dice Herr.

Frank Ferfecki de Victrex, Tyler Smithson de Safran y Chris Bjerregaard de Tri-Mack están dando una presentación sobre el desarrollo del soporte híbrido Safran en CAMX 2019 en el Centro de Convenciones de Anaheim (Anaheim, Calif., EE. UU.) el martes 24 de septiembre, 2:30 pm, en sala 201D