Impulsando el rápido crecimiento de compuestos termoplásticos en aeroespacial

 Los compuestos termoplásticos reforzados con fibra continua (TPC) han sido citados como tecnología habilitadora para el futuro de aeronaves sostenibles, ofreciendo tasas de producción aumentadas de piezas ligeras, de alta tenacidad que pueden unirse sin agujeros ni fijaciones en ensamblajes soldados económicos.

CW publicó una serie de artículos en 2018 sobre cintas TPC, consolidación in-situ y soldadura y presentó dos webinars en 2019 sobre TPCs en aplicaciones automotrices y desarrollos TPC para aeroespacial. La mayoría de mis artículos y presentaciones hasta la fecha referencian fabricantes de piezas TPC y proveedores de equipos en Europa, así como la división Automated Dynamics de Trelleborg en EE. UU. También hice un tour de Tri-Mack Plastics con base en EE. UU. Pero desafortunadamente he pasado por alto a otro fabricante de piezas TPC aquí en EE. UU. que ha estado empujando silenciosamente la tecnología y el sobre de producción hacia adelante por 15 años. ATC Manufacturing —ubicado en Post Falls, Idaho, justo afuera de Spokane, Washington— produce un millón de piezas al año, todas de compuestos termoplásticos reforzados con fibra continua y todas para la industria aeroespacial. Habiendo desarrollado una experiencia única en conformado rápido de piezas 3D, ATC también es un socio clave en el programa de investigación de Moldeo Rápido de Alto Rendimiento (RAPM) con Boeing Co. (Chicago, Ill., EE. UU.) y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, Arlington, Va., EE. UU.) para el Departamento de Defensa (DoD) de EE. UU.

ATC Manufacturing produce un millón de piezas compuestas termoplásticas al año para aplicaciones aeroespaciales, incluyendo nervios, clips, soportes y rigidizadores. FUENTE: ATC Manufacturing

Quién es ATC

ATC Manufacturing fue fundada en 2004 por el ex ingeniero de Boeing Dan Jorgenson, quien sigue siendo co-presidente de la compañía. "Siempre hemos tenido un fuerte enfoque técnico e ingenieril", dice David Leach, director de desarrollo de negocio para ATC Manufacturing. La compañía también tiene una larga historia con Boeing, reconocida como proveedor nivel Plata por los últimos cinco años consecutivos y nominada como Proveedor del Año de Boeing en 2016 y 2017. "Hemos sido principalmente una empresa build-to-print, comenzando en clips, soportes y piezas estampadas más pequeñas", dice Leach. "Pero en años recientes, hemos progresado en ensamblajes más complejos, así como piezas mucho más gruesas, grandes —hasta 60 pulgadas de longitud— y piezas destinadas a estructuras primarias." Estas últimas incluyen componentes estructurales de punta de ala, vigas largas con layups adaptados en una variedad de secciones transversales así como estructuras de fuselaje y empenaje.

La compañía tiene 150 empleados con más de 20 ingenieros. Su fabricación se centra en una única instalación de 67.000 pies cuadrados, construida a propósito en 2015 y diseñada para flujo de trabajo optimizado con espacio para expandir. (Nota, 52.500 pies cuadrados de espacio ya están pre-planificados para crecimiento futuro.) "Todo está bajo un mismo techo", nota Leach, "lo que simplifica operaciones." Esto incluye nueve prensas de estampado-formado con capacidades que van de 30 a 150 toneladas y áreas de plato hasta 60 pulgadas por 30 pulgadas. "Estamos instalando una prensa adicional de 200 toneladas que estará totalmente operativa para finales de 2019", añade. ATC tiene 10 estaciones de mecanizado CNC capaces de manejar piezas hasta 12 pies de longitud y corte por chorro de agua para piezas hasta 30 pies de longitud.

ATC Manufacturing opera 9 prensas de estampado-formado, incluyendo la prensa de 80 toneladas mostrada aquí, con capacidades hasta 150 toneladas y áreas de plato hasta 60 x 30 pulgadas. FUENTE: ATC Manufacturing

La inspección no destructiva (IND) también está integrada en las operaciones y diseño de flujo de trabajo de la instalación, incluyendo cinco sistemas de tanque C-scan proporcionando pruebas de pulso-eco y transmisión a través para piezas hasta 30 pies de longitud. Otra experiencia interna incluye toda preparación de superficie y pintura. "Hemos desarrollado preparación de superficie muy eficiente para compuestos termoplásticos, que pueden ser difíciles de pintar y unir", dice Leach, notando que ATC también ha trabajado en tratamiento de plasma de piezas TPC. La compañía pinta 200.000 piezas/año y sella bordes 70.000 piezas anualmente.

"También hemos invertido fuertemente en investigación, como el programa RAPM para DARPA, y somos miembros del Centro de Investigación de Compuestos Termoplásticos (TPRC, Enschede, Países Bajos)", continúa. ATC está participando en la conferencia del 10º aniversario de TPRC titulada "Futuro de Compuestos Termoplásticos" que se celebrará el 8 de octubre en la Universidad de Twente en los Países Bajos. "Corbin Chamberlain, vicepresidente de ATC estará en una sesión de panel y también demostraremos piezas estructurales aeroespaciales que hemos fabricado en una exposición celebrada junto con la conferencia", dice Leach.

Canales compuestos termoplásticos pintados con accesorios instalados. FUENTE: ATC Manufacturing

De tejidos a cinta UD, conformado y tiempos de ciclo rápidos

Aunque la fabricación de ATC de soportes y clips TPC comenzó con refuerzos de tejido, ahora han migrado a usar cinta unidireccional (UD). "Luego evolucionamos a piezas estructurales más grandes porque ya habíamos desarrollado buena experiencia en cómo formar piezas 3D con cinta UD", explica Leach. "Estas piezas, que varían en espesor de 1-2 milímetros a 6,5 milímetros, deben encajar con otras estructuras. Tenemos que cumplir tolerancias dimensionales estrictas para superficies de contacto, por ejemplo ± 0,010 pulgada (0,25 milímetro) tolerancia de perfil y ± 0,5 grados tolerancia angular."

La compañía entonces comenzó a desarrollar perfiles largos TPC. "Hacemos nuestro propio stock de laminado plano usando moldeo por compresión continua (CCM)", dice Leach. "Tenemos dos máquinas CCM para laminados planos y una que forma prepregs TPC en un perfil 3D continuo, produciendo canales hasta 75 pies de longitud."

Perfil compuesto termoplástico siendo formado usando moldeo por compresión continua (CCM). FUENTE: ATC Manufacturing

Cuando se le preguntó sobre los desafíos en formar perfiles y formas 3D, el director de ingeniería I+D de ATC Manufacturing, Trevor McCrea, explica que con tejidos, "el tejido en sí controla mucho de la deformación que ocurre. Con UD, hay dinámicas diferentes. Por ejemplo, 90° al radio quiere adelgazar o engrosar, pero no puedes tener eso en una pieza estructural. Estos problemas empeoran con formas más complejas. También tienes más desafío en cómo gestionar el proceso en conformado."

Gestionar el proceso? "Para nosotros, esto es muy diferente que conformado en termofijos porque solo tenemos 2 segundos para formar", dice McCrea. "Puedes cubrir muchos pecados en un ciclo de autoclave", añade. "Pero usamos procesos de conformado y estampado muy rápidos sin ese margen. También debemos gestionar la cristalinidad." Esto es porque estructuras de aeronaves altamente cargadas usan polímeros de matriz termoplástica semicristalinos —como polietereetercetona (PEEK), polietercetoncetona (PEKK) y poliariletercetona de bajo fundido (LM PAEK)— que derivan sus notables propiedades mecánicas y resistencia química de la estructura cristalina que se desarrolla al enfriar. "Puedes cristalizar isotérmicamente, que no es demasiado difícil para placas planas pero se vuelve mucho más desafiante con formas 3D", dice McCrea. "Los materiales deben calentarse lo suficiente para formar [nota temperaturas de fusión para estos materiales están entre 300-400 °C] pero luego enfriarse lo suficientemente rápido para desmoldear en caliente para evitar ciclos térmicos en las herramientas mientras se gestiona forma, tolerancia, cristalinidad y acabado superficial."

Una de las razones que las piezas TPC han crecido en años recientes es su capacidad para ofrecer tiempos de ciclo realmente rápidos. "Hemos hecho nervios para demostradores de aviones militares con tiempo de ciclo de 5 minutos, y nuestro tiempo de ciclo promedio es de unos 10 minutos", nota Leach. "Podemos permitir las altas tasas de producción que actualmente buscan los OEMs de aeronaves." Ese tiempo de ciclo promedio muy rápido resulta en una mezcla de piezas constantemente cambiante. "Nos encantaría solo producir una pieza por meses, pero nuestra capacidad de tasa supera a la de fabricación de aeronaves", dice McCrea. "Así que siempre estamos ciclando a través de varias piezas." La mayor parte de la fabricación de ATC es en un turno por día, 5 días por semana. "Tenemos mucha capacidad para cumplir producción aumentada", nota Leach.

Correas estructurales compuestos termoplásticos y perfil pintado. FUENTE: ATC Manufacturing

Visión para el futuro

ATC ofrece un valor significativo vía su década más de experiencia en producción TPC. "Frecuentemente ayudamos a nuestros clientes a diseñar piezas para fabricación", dice Leach. "A menudo convertimos piezas de compuesto termofijo, por ejemplo, un accesorio de estructura primaria de fuselaje que se produce para mantener el espesor original. Pero podría ser una pieza mucho más ligera si se diseñara originalmente para TPC." ¿Por qué? "Porque estos materiales de matriz TP semicristalinos son de mayor rendimiento", explica. "No tienes que diseñar para microagrietamiento y tolerancia a daño como lo harías con una matriz termofija, y también hay mucho menos reducción en caliente/húmedo. De hecho, no hay reducción húmeda en absoluto en PEEK, PEKK o PAEK. Tampoco hay reducción en caliente a menos que estés cerca del Tg, que es típicamente ≈150 °C. Para la prueba estándar de compresión de agujero abierto (OHC) para tolerancia a daño, por ejemplo, donde evalúas la resistencia mientras transicionas la muestra de TA a 120 °C, casi no hay reducción."

"Podremos diseñar piezas más delgadas y también eliminar mucho del aluminio y titanio que están en los diseños de primera generación actuales para compuestos [como los aviones de fuselaje ancho Boeing 787 y Airbus A350]", añade McCrea. "Continuamos avanzando en el conformado de estos materiales y eso continuará abriendo nuevas aplicaciones."

Leach cree que esto tendrá un impacto significativo en futuras aplicaciones de aeronaves. "Estamos realmente viendo piezas ahora que simplemente no puedes producir usando termofijos debido a las propiedades y tasa de producción que se demandan."

Para más información, ATC Manufacturing presentará el artículo técnico 'Cost Effective Thermoplastic Composites in Aerostructures' por autores Corbin Chamberlain, David Leach y Trevor McCrea en CAMX 2019 en la Sesión de Materiales y Aplicaciones Termoplásticos, miércoles 25 de septiembre a las 4:00 PM en Sala 210C.

También presentó un artículo conjunto con Boeing en una sesión cerrada en SAMPE 2019 (4-7 mayo, Charlotte, NC, EE. UU.) titulado: "Rapid High Performance Molding of Structural Thermoplastic Composite Parts". Ver mi blog: https://www.compositesworld.com/news/darpa-presents-tff-program-for-rapid-low-cost-composites-to-replace-metals-in-small-parts-for-defense-applications