Avanzando Aeroestructuras Termoplásticas: Nuevos Avances en Fabricación

Ventajas composites termoplásticos (tenacidad, resistencia fuera plano comparativamente alta, sostenibilidad/reciclabilidad) atraen a ingenieros diseño aeroestructuras primarias termoplásticas desde décadas. Pero ingenieros fabricación dudaban sobre forma rentable llevarlas de simulación CAD a planta producción. No se rinden: esfuerzos desarrollar tecnologías fabricación necesarias continúan globalmente —quizás nada tan tenazmente como en Países Bajos.

2009: 9 empresas/institutos holandeses + Airbus (Toulouse) → Consorcio TAPAS (Thermoplastic Affordable Primary Aircraft Structure). 2014: 12 socios → TAPAS2. Dirigido a aplicaciones Airbus TAPAS2, GKN Fokker (Hoogeveen, NL) desarrolló demostrador fuselaje usando "tecnología ortogrid unida a tope" (butt-jointed orthogrid) → producción rentable diseño fuselaje composite termoplástico.

Retorno total fuselaje primario composite termoplástico —aún años lejos— puede estar a la vista: Gulfstream Aerospace (Savannah, GA, USA) aliado con GKN Fokker para avanzar tecnología fuselaje TAPAS2, camino hacia posible aplicación materiales/proceso a fuselaje completo. Historia tras panel fuselaje nuevo (expuesto JEC World este año): avances diseño/fabricación, e integración diseño-fabricación ingeniería más profunda.

Enfoque Integrado Diseño-Fabricación Digitalizado

"Tradicionalmente", explica Andries Buitenhuis (chief engineer GKN Fokker), "telas o cintas UD, diseñadores ceñían capas convencionales 0/90/45°. Trabajaban tablas layup, independiente otras disciplinas". Nuevo enfoque: plataforma software integrada digitalizada diseño-fabricación (desarrollada TAPAS) donde ingenieros varias disciplinas miran mismo modelo digital y conceptualizan diseños pieza más complejos. "Abre mundo nuevas posibilidades optimización sin precedentes", continúa Buitenhuis. "Formas complejas: direcciones fibra por todas partes. Podemos construir laminados no convencionales y revisar allowables diseño, gaps/solapes fabricación, radios... Optimizar resistencia estructura localmente". Opciones diseño expandidas emplean plenamente capacidad direccionamiento fibra (fiber steering) máquinas AFP y avances fabricación discutidos abajo.

Libertad diseño sistema integrado digital indispensable para diseño/fabricación paneles business jet. Diseños fuselaje TAPAS2: panel fibra carbono/PEKK (Solvay APC PEKK-FC) con unión frame-piel soldada, sin sujetadores mecánicos —clave rentabilidad diseño. "Predecimos paridad coste con fuselajes aluminio", explica Arnt Offringa (head thermoplastic composites technology GKN Fokker), "porque aluminio usa remaches". Eliminación sujetadores mecánicos → reducción 20% coste y 10% peso estructuras primarias vs soluciones compuestas convencionales. Ahorro coste/peso: eliminación sujetadores + mano obra instalación. Importante: eliminación agujeros componentes composites para sujetadores → refuerzo extra + peso extra.

GKN Fokker alcanzó TRL 3 (prueba concepto) con Airbus fuselaje presurizado, paridad coste paneles aluminio, TAPAS2 dic 2017. Ampliaron visión: aviación comercial → business jet.

Interés Gulfstream

Historial GKN Fokker componentes termoplásticos Gulfstream → asociación lógica. "Gulfstream vuela piezas composite termoplástico años", dice Mark Chapman (manager Advanced Structures and Materials Initiative ASMI Gulfstream). Proyecto panel fuselaje "progresión natural: piezas simples → estructuras primarias". GKN Fokker + Gulfstream: elevadores/timones cola, paneles suelo G650.

2015: Offringa/Buitenhuis presentaron avances TAPAS2 a Gulfstream. Chapman/equipo reconocieron potencial beneficios TAPAS2. "Vimos reducción peso, mejor resistencia impacto/tenacidad, rendimiento mejorado. Diseño sin sujetadores también atractivo. Tecnología soldadura permitiría ensamblar fuselaje más eficientemente que ensamblaje mecánico". Asociación apoya I+D Gulfstream formas fuselaje complejas no económicamente factibles metal. "Metal solo estirable hasta cierto punto. Empalmes/estructuras soporte formas complejas no eficientes". Offringa de acuerdo: "Geometrías complejas difíciles fabricar tecnologías convencionales".

Uniendo Diseño y Fabricación

Para diseño sin sujetadores, producible, GKN Fokker enfoca en resistir 2 fuerzas clave uniones fuselaje: presión cabina e impactos (caída herramientas). Presión cabina → fuerza radial fuselaje → cargas altas unión frame-piel. Diseños convencionales: frames incluyen "agujeros ratón" por donde pasan stringers longitudinales. Bajo presión cabina, agujeros ratón = discontinuidades sujetas altas fuerzas pelado —preocupación mayor diseño sin sujetadores, dado composites baja resistencia fuera plano vs metales. Impactos también generan cargas altas unión frame-piel (frame no flexiona impacto).

Equipo GKN Fokker/Gulfstream supo: retos curvatura compleja infactibles metal o enfoques convencionales diseño-fabricación composites. "Diseño fuselaje complejo imposible sin fiber steering", señala Buitenhuis. Capacidad AFP liberó diseñadores: optimizar orientación fibra localmente según forma compleja carcasa, divergir opciones estándar 0/45/90. "Fiber steering para formas y optimización peso: uno avances más significativos proyecto", cree Chapman.

GKN Fokker fabricó piel fuselaje en máquina AFP ultrasónica propia (layup rápido cinta termoplástica). Cinta UD → mejora rendimiento laminado vs cintas tejido.

Concepto: Orthogrid + Butt Joint + Soldadura

Manejo exitoso cargas altas presión cabina/impacto + otras demandas → nuevo concepto TAPAS/TAPAS2 empleado panel Gulfstream: "piel rigidizada ortogonalmente unida a tope con frames soldados" (butt joint orthogonally stiffened skin with welded frames). Tres características clave y desarrollos fabricación:

1. Orthogrid

Requisitos resistencia panel cumplidos parcialmente mediante grid ortogonal totalmente interconectado. Elimina cargas pico asociadas agujeros ratón → quita puntos donde fuerzas pelado se magnifican. Orthogrid: stringers longitudinales continuos + frames con 2 componentes: stringers blade circunferenciales discontinuos pero conectados + frames soldados encima.

2. Butt Joints (Uniones a Tope)

GKN Fokker desarrolló no solo diseño orthogrid, sino enfoque fabricación grid + mecanismo unión grid-piel. "Grid prohibitivamente caro fabricar", nota Offringa, "pero nuestro grid: laminados planos + simples 'rellenos' inyectados".

Específicamente: patente butt joint aplicada panel Gulfstream (y paneles TAPAS previos). Alma y ala stringers T/L + componentes stringer blade → preformas cortadas waterjet desde laminado plano fibra carbono/PEKK. Elementos unión (piel-alma, alma-ala) → inyectados, rellenos forma pi, material fibra corta carbono/PEKK. Resina y tipo fibra carbono coinciden con miembros grid.

Piel + orthogrid co-consolidados en herramienta IML (inner mold line) Invar. Herramienta: ranuras donde cargan componentes orthogrid + bloques utillaje. Piel AFP colocada sobre IML, conjunto embolsado + consolidado autoclave.

3. Soldadura

Combinación orthogrid + butt joint permite unión sin sujetadores orthogrid-frame via soldadura. Tecnologías soldadura desarrolladas equipo TAPAS fase TAPAS2: inducción, conducción, ultrasónica. Panel Gulfstream usó soldadura conducción unir alma frame a stringer blade circunferencial. Tarea: cabezal soldadura montado robot → otro desarrollo contribuye fabricabilidad rentable.

Un Paso de Varios

Colaboración GKN Fokker/Gulfstream 2017: conceptos diseño panel fuselaje. Diseño/fabricación varios paneles curvos 2018-2019, hito primer demostrador panel JEC World este año.

GKN Fokker construyendo más paneles, espera TRL 4 (validación componente) este año. "Discutiendo camino madurez total", reporta Offringa. Diseño panel no apunta plataforma particular; tests panel profundizarán entendimiento Gulfstream propiedades/rendimiento materiales. Caso negocio amplio estructuras primarias termoplásticas (rendimiento jet, coste fabricación, coste uso, durabilidad): "Mejor entendimiento según avancemos I+D. Foco ahora: hacer formas complejas rentablemente". — Chapman.