Salón Aeronáutico de París 2019: Aspectos clave y perspectivas de la industria

El Airbus A400M militar intensivo en compuestos en exposición estática en el Salón Aeronáutico de París 2019. Fuente | CW

Las expectativas eran mixtas de cara al Salón Aeronáutico de París 2019 (17-23 de junio). Se esperaba que Boeing sentara más bases para el Nuevo Avión de Tamaño Medio (NMA), pero la crisis del 737 MAX ha consumido gran parte de la energía y atención de la empresa. De hecho, el primer día del salón, Boeing proporcionó un anuncio muy general sobre condiciones de negocio y emitió su previsión de aviones comerciales a 20 años. Nada sobre NMA. El mayor golpe que Boeing dio durante el salón fue la noticia de que había vendido 200 aviones 737 MAX a International Airline Group (IAG).

Airbus, por otro lado, anunció el A321XLR (LR = largo alcance), la última iteración del A320neo. Programado para entrar en servicio en 2023, el A321XLR tendrá un alcance de 4.700 millas náuticas, alcanzable mediante capacidad adicional de almacenamiento de combustible. Airbus dijo que el alcance del avión proporcionará a las aerolíneas opciones de pasillo único menos costosas en rutas ahora servidas principalmente por aviones de doble pasillo más caros. Tales rutas incluyen Nueva York-Río, Shanghái-Sídney y Madrid-Dubái.

A pesar de la falta de noticias sobre NMA, entre las empresas relacionadas con compuestos que exhibían en el Salón Aeronáutico de París, queda un esfuerzo definitivo para desarrollar y alinear tecnología de materiales y procesos para satisfacer las demandas que Boeing y Airbus pongan en la cadena de suministro en la próxima década. Esto incluye prepregs termofijos tradicionales con curado en autoclave, infusión de resina líquida de fibras secas con curado fuera de autoclave, compuestos termoplásticos y fabricación aditiva. La sensación de expectativa en toda la cadena de suministro es palpable.

Este EVTOL, de Boeing, fue uno de varios en exposición en el Salón Aeronáutico de París. Fuente | CW.

En la línea de vuelo, había la habitual variedad de aviones comerciales, militares y civiles, con demostraciones de vuelo diarias. Notable en el aire fueron demostraciones de aviones de propulsión eléctrica, que fueron un contraste marcado y silencioso con el ensordecedor rugido asociado a cazas y jets comerciales. En las exposiciones estáticas, había varios EVTOL (despegue y aterrizaje vertical eléctrico) dirigidos al mercado de movilidad urbana. Este tipo de aeronave, en particular, está demostrando ser un objetivo significativo de materiales compuestos, que son una necesidad para el vuelo de propulsión eléctrica. Sin embargo, los volúmenes de producción de algunas de estas plataformas probablemente serán de miles por año, lo que empuja la tecnología de materiales y procesos más hacia un modelo de producción tipo automotriz. Dicho esto, los EVTOL están en su infancia, particularmente dadas las barreras regulatorias, de calificación y gestión del espacio aéreo aún por superar.

A continuación, los aspectos destacados del salón.

Spirit AeroSystems. El mayor fabricante de aeroestructuras del mundo, Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, EE. UU.), empezó el salón temprano el lunes por la mañana con una rueda de prensa anunciando la introducción de su panel de fuselaje ASTRA (Advanced Structures Technology and Revolutionary Architecture), diseñado para mostrar cómo un fuselaje totalmente compuesto podría diseñarse para cumplir los requisitos de rendimiento, cadencia y coste de un avión de pasillo único de próxima generación. El diseño y fabricación de ese panel se cubren en una historia independiente aquí.

Reverso del panel demostrador de fuselaje ASTRA de Spirit AeroSystems para aviones de pasillo único de próxima generación, alta cadencia. Fuente | CW

MTorres. Otro panel compuesto de nota en el salón se encontró en el stand de MTorres (Torres de Elorz, Navarra, España). Esta "estructura rejilla/piel" con refuerzo de costillas, fabricada mediante infusión de resina de fibras de carbono secas, es en realidad la idea de Stephen Tsai, veterano de compuestos y profesor de aeronáutica y astronáutica, emérito, en la Universidad de Stanford, quien estaba en el stand de MTorres para explicarla. Tsai dijo que concibió este diseño hace varios años y lo basó en la estructura rejilla/piel desplegada en la fabricación del Vickers Wellington, un bombardero británico de la Segunda Guerra Mundial fabricado por Vickers-Armstrongs y famoso por mantener integridad estructural en accidentes. Para dar vida a este diseño en una aplicación compuesta, Tsai diseñó las costillas en una estructura de celosía, con cada costilla de ancho y alto fijos, y espaciado entre costillas también fijo.

Steve Tsai junto al panel con refuerzo de costillas que diseñó y MTorres ayudó a fabricar. El facilitador clave es la colocación precisa de fibra para construir las costillas. Fuente | CW

El desafío de su diseño, dijo Tsai, era desarrollar uniones de costillas que pudieran soportar grandes cargas mecánicas. Lo que ideó fue una arquitectura de costillas que usa cintas de fibra de carbono colocadas continuamente en una dirección (llámela A), y discontinuamente en la dirección intersectante (llámela B). Luego, para la siguiente capa, las cintas se colocarían discontinuamente en la dirección A y continuamente en la dirección B. Este patrón continuaría hasta alcanzar el espesor deseado de la costilla. De esta manera, cada unión de costilla siempre sería cruzada por una cinta continua. Una vez construidas las costillas en la herramienta, una piel se coloca sobre ella mediante colocación automática de fibra (AFP) o colocación automática de cinta (ATL) y toda la estructura se co-cura.

Las ventajas de este diseño, dijo Tsai, son varias, pero la principal es que es "difícil que el daño vaya más allá del área localizada", lo que significa que una grieta propagada en la piel no puede migrar fácilmente más allá de cualquiera de las costillas que bordean las regiones afectadas. Tsai también dijo que la estructura rejilla/piel es altamente eficiente en peso y material. Aún así, señaló, "Esto es fácil de diseñar pero difícil de fabricar". Ahí es donde entra MTorres.

Vista cercana de una unión de costilla en el panel con refuerzo de costillas de MTorres en el Salón Aeronáutico de París. Tsai dice que su diseño podría tener aplicación en piezas aeroespaciales y automotrices. Fuente | CW

Tsai dijo que el factor limitante en la fabricación de su diseño de panel había sido la colocación de las cintas de costilla. Para ser totalmente industrializadas, requerían velocidad y precisión de corte de colocación de cinta que, hasta recientemente, no había sido posible. Sin embargo, Tsai se acercó a MTorres con su diseño y preguntó si el especialista ATL/AFP podía hacer el trabajo. Iñigo Idareta, jefe del departamento de proyectos especiales de la empresa, y el equipo de compuestos de MTorres fueron puestos a la tarea y trabajaron con Tsai para adaptar las tecnologías de MTorres a la aplicación. Hubo dos desafíos, dijo Idareta en el salón: ajustar finamente la velocidad y precisión de corte de colocación de cinta, donde la capacidad de corte en vuelo de AFP de MTorres fue clave para mantener una alta velocidad de estratificación constante; y desarrollo de soluciones de utillaje que permitieran la construcción de cada costilla sin que la costilla perdiera integridad de apilado. Además, el uso del propio formato de fibra de carbono seca de MTorres para aplicaciones AFP fue necesario para hacer que esta infusión desafiante funcionara. Todos se lograron, dijo Idareta. También se logró, basado en el diseño de Tsai, el uso de colocación de fibra fuera de ángulo de la piel del panel, que es de cuatro capas y unos 1,2 mm de espesor.

Dibujo rudimentario de Jeff Sloan que intenta mostrar cómo se construyen las costillas. Fibra continua colocada primero en una dirección (A), mientras fibra discontinua se coloca en la otra dirección (B). Para la siguiente capa, fibra continua se coloca en dirección B, mientras fibra discontinua se coloca en dirección A. De esta manera, la unión de costilla siempre está cubierta por fibra continua. Fuente | CW

La fibra de carbono usada fue un material seco 50K de Mitsubishi Chemical Carbon Fiber & Composites Inc. (Sacramento, California, EE. UU.), elegido principalmente porque resultó ser el material que MTorres tenía a mano. La resina fue un epoxi endurecido "estándar" de grado industrial. Idareta dice que el panel fue probado por Alan Nettles en NASA y funcionó bien. La unión costilla/piel en particular, dijo, fue excelente. Tsai admitió que el punto débil del panel es la unión de costilla que es un laminado cruzado [0/90]. Las costillas eran todas [0]. Así que las uniones tenían aproximadamente la mitad de la resistencia a tracción uniaxial y un poco más de la mitad de la resistencia a compresión uniaxial. Incluso con esa debilidad, la resistencia rejilla/piel es más del doble de la tecnología actual de aluminio del mismo diseño, sin contar el peso adicional más ligero de los compuestos. Tsai también dijo que el aluminio, para lograr las mismas propiedades de resistencia que proporciona su diseño, pesaría tres veces más.

¿Qué sigue para esta tecnología? Tsai dijo que está "lista para aplicación", y listó varios tipos de piezas posibles: estructuras de fuselaje, cuerpos de vehículos de lanzamiento espacial, paneles automotrices, cajas de baterías. Idareta dijo que MTorres está trabajando en iterar el diseño, incluyendo desarrollar un panel curvo y un panel de barril completo. Ambos, dijo, están al alcance.

También, hay varios aspectos del diseño de Tsai que podrían modificarse para cumplir una variedad de casos de carga. Estos incluyen ancho de costilla, alto de costilla, ángulo de intersección y espacio entre costillas. También, aunque MTorres usó infusión para hacer el panel en exposición en el salón, podría fabricarse usando prepreg termofijo tradicional.

GKN Aerospace. El especialista en alas comerciales GKN Aerospace (Redditch, Reino Unido) anunció en el salón que ha fabricado las primeras piezas para su parte de trabajo en el programa Wing of Tomorrow de Airbus, un esfuerzo multi-empresa de cinco años (2018-2022), Catapult del Reino Unido, para desarrollar tecnologías de materiales y procesos para fabricación a alta cadencia (100 por mes) de alas de compuestos de fibra de carbono infundidas con resina para ser desplegadas en un avión de pasillo único de próxima generación.

Paul Perera, VP tecnología en GKN Aerospace, estaba en el salón y proporcionó más detalles sobre el programa. Dijo que GKN tiene actualmente 60 personas trabajando en el larguero y costillas para el ala, con la mayor parte del trabajo realizándose en el Centro Tecnológico Global de GKN, que se mudará a nuevas instalaciones en Filton, Reino Unido, a finales de este año.

El larguero será de fibra seca colocada por GKN y luego infundida. Las costillas se fabricarán tanto de compuestos termoplásticos como de aluminio. El Centro Nacional de Compuestos (Bristol, Reino Unido) está trabajando en varias tecnologías para Wing of Tomorrow, incluyendo iCAP (programa de adquisición de capacidad digital) para desarrollar soluciones de automatización basadas en datos, así como sistemas de corte y colocación automática de fibra desarrollados por Loop Technology (Poundberry, Dorchester, Reino Unido) que se emplearán en la fabricación del ala. Northrop Grumman (anteriormente Orbital ATK, Clearfield, Utah, EE. UU.) está desarrollando longuillas para el programa. Las pieles de ala inferior serán fabricadas por Spirit AeroSystems en su instalación de Prestwick, Escocia; las pieles de ala superior serán fabricadas por Airbus. El objetivo es la entrega de tres juegos de barco a la planta de alas de Airbus en Broughton, Reino Unido, para ensamblaje en los próximos 18 meses, con el primero en junio de 2020, el segundo a finales de 2020 y el tercero a principios de 2021. En última instancia, si el programa progresa como se planea, probará la infusión de resina como proceso viable para producción a alta cadencia de un ala compuesta para un avión de pasillo único de próxima generación. Perera dice que secciones de larguero de 1 metro producidas y evaluadas en la instalación de GKN en Isla de Wight, Reino Unido, muestran que los materiales y proceso son un buen ajuste para la aplicación.

Perera señaló que una parte importante del programa Wing of Tomorrow girará en torno al desarrollo de automatización. De hecho, dijo, la automatización será un facilitador clave de la infusión de resina para la fabricación aeroespacial de próxima generación.

Solvay Composite Materials. Si buscas evidencia de cómo el foco en industrialización de fabricación aeroespacial y eficiencia de producción está llegando a proveedores de materiales, no busques más que Solvay Composite Materials (Alpharetta, Georgia, EE. UU.), que está en medio de un esfuerzo multi-año para re-evaluar dónde y cómo produce resinas, cintas y prepregs de grado aeroespacial. El énfasis para Solvay está en el desarrollo de una estrategia de operaciones centrada en instalaciones que produzcan menos números de producto en equipos altamente especializados que puedan cumplir los requisitos de cadencia y calidad de aviones de próxima generación. Marc Doyle, VP ejecutivo aeroespacial de Solvay, dice que la nueva instalación de la empresa en Wrexham, Gales, Reino Unido es simbólica de este esfuerzo. Esa planta, que abrió en septiembre de 2018, produce solo dos números de producto (adhesivos), pero en un entorno altamente estructurado, altamente optimizado, dominado por automatización diseñado para cumplir los requisitos just-in-time de sus clientes. La empresa espera seguir este modelo con todas las nuevas instalaciones, e intentará convertir plantas heredadas también.

En el frente de innovación de materiales, Solvay destacó dos esfuerzos notables —uno centrado en termoplásticos y el otro en fibras de carbono. Mike Blair, VP ejecutivo de investigación e innovación, dijo que uno de los mayores desafíos/oportunidades de los termoplásticos es su alto delta de temperatura; es decir, las altas temperaturas de proceso de los termoplásticos pueden causar problemas de coeficiente de expansión térmica (CTE) en piezas al enfriarse, particularmente piezas grandes. ¿El objetivo? Modificar la química de poliketona para reducir temperaturas de proceso, sin afectar la temperatura de transición vítrea (Tg). La empresa también está buscando formas de mejorar la procesabilidad y manipulación en equipos automatizados de sus termoplásticos. "Nuestros PEEK y PEKK estándar funcionan bien", dijo Blair. "Solo necesitamos modificarlos para hacerlos más adaptables".

La innovación en torno a fibras de carbono es similarmente intrigante. En 2017, Solvay adquirió el fabricante de PAN de gran tow European Carbon Fiber GbmH (Kelheim, Alemania), lo que dio a Solvay un suministro nuevo y saludable de PAN para fibra de carbono 50K tow. Dado esto, se planteó el reto: ¿Puede una fibra de carbono de gran tow formatearse para proporcionar las características de rendimiento de una fibra de carbono de módulo intermedio (IM) de pequeño tow? Blair dijo que la idea es provocadora, pero no trivial. Señaló que solo manipular fibra 50K tow puede, en sí mismo, dañar la fibra. Así, sin revelar demasiado sobre lo que Solvay tiene en mente, Blair dijo que la empresa está trabajando en tecnología de manipulación diseñada para evitar daño a la fibra. "Un calendario agresivo para esto", dijo, "sería 18 meses".

Toray Advanced Composites. El anterior TenCate Advanced Composites ha sido ahora totalmente absorbido por Toray y, desde marzo, pasa a llamarse Toray Advanced Composites (Morgan Hill, California, EE. UU.). Steve Mead, director gerente, dice que el EVOTL es uno particularmente activo para la empresa ahora (termofijos y termoplásticos). Señaló que "estamos suministrando material a programas EVOTL emergentes", añadiendo que "los compuestos son un verdadero facilitador debido al peso parásito de la batería en estas aeronaves. Los materiales no compuestos no son una opción". La combinación de fabricación de calidad aeroespacial a tasas automotrices es intrigante, dijo.

Eviation. Entre las introducciones de mayor perfil en el Salón Aeronáutico de París estaba Alice, un avión totalmente eléctrico, totalmente compuesto introducido por Eviation (Kadima-Tzoran, Israel). Alice es un avión de transporte regional de nueve asientos que tiene un alcance de 650 millas/1.000 kilómetros a velocidad de crucero de 240 nudos. El avión cuenta con una hélice propulsora principal en la cola y dos hélices propulsoras adicionales en las puntas alares para reducir arrastre y crear redundancia. Omar Bar-Yohay, CEO de Eviation, presentó el avión y dijo que las pruebas de vuelo se harían en Moses Lake, Washington, EE. UU., seguidas de certificación de la Administración Federal de Aviación (FAA) de EE. UU. a finales de 2020 o principios de 2021. El avión tendrá un precio de lista de 4 millones de dólares y Bar-Yohay dijo que la empresa está totalmente financiada hasta certificación y producción temprana.

Omar Bar-Yohay, CEO de Eviation, junto al Alice, avión totalmente eléctrico, totalmente compuesto, de nueve asientos que se espera entre al mercado para 2021. Fuente | CW

La nave en exposición en el salón era un prototipo no volador ensamblado justo la semana anterior. Dónde y cómo se producirá finalmente este avión queda por ver. El prototipo, por su parte, fue ensamblado a partir de estructuras compuestas fabricadas por varios proveedores. Uno es Multiplast (Vannes, Francia), parte de Carboman Group SA (Vannes), un roll-up de cinco empresas que también incluye Decision (Ecublens, Suiza), SNE SMM (Lanester, Francia), Plastinov (Samazan, Francia) y Plastéol (Samazan). Multiplast, que tiene historia en fabricación de estructuras marinas, fabricó el fuselaje para el Alice fuera de autoclave (OOA) usando una estructura sándwich con núcleo de panal Nomex. El fuselaje se construyó en dos mitades basadas en una configuración de línea central babor/estribor, con las dos secciones de fuselaje unidas/fijadas (ver video time-lapse abajo). Multiplast no sabe si ganará el contrato para producción en serie de la nave, pero la empresa dice que está evaluando lo que se requeriría desde una perspectiva de materiales y procesos para industrializar la fabricación. Alas y carenados ventrales para el Alice fueron suministrados por Composite Cluster Singapore (CCS).

Stratasys. El especialista en máquinas de fabricación aditiva (AM) Stratasys (Eden Prairie, Minnesota, EE. UU.) estaba en el Salón Aeronáutico de París enfatizando su capacidad para usar AM para producción de piezas y utillaje. Para fabricación de compuestos, el énfasis estaba en utillaje. La empresa tenía en su stand dos moldes hechos usando máquinas Stratasys. El material es ULTEM 1010 de SABIC, un poliéterimida (PEI) sin refuerzo que es propicio para procesamiento en autoclave. El primer molde era para fabricación de un borde de ataque de ala de fibra de carbono y cuenta con electrodos en molde para aumentar capacidad de calentamiento de prepreg y reducir tiempo de curado de 1,5 horas a solo 10 minutos. La otra pieza era una herramienta de estratificación hecha por Boom Aerospace (Centennial, Colorado, EE. UU.) para producción de piezas pequeñas para el avión comercial supersónico Overture que la empresa está desarrollando. Scott Sevcik, VP soluciones de fabricación en Stratasys, dijo que Boom tiene dos máquinas Stratasys en uso ya, con una tercera siendo entregada a finales de este año. Sevcik dijo que se espera que Stratasys introduzca dos nuevos materiales reforzados con fibra de carbono picada para uso AM a finales de este año; Stratasys, dijo, también está trabajando en refuerzo de fibra continua para AM.

Esta herramienta de estratificación fue hecha por Boom Aerospace usando un sistema de fabricación aditiva Stratasys. Material es ULTEM (PEI) sin refuerzo. Fuente | CW

Boom Aerospace. Otro anuncio llamativo en el Salón Aeronáutico de París vino de Boom Aerospace (Englewood, Colorado, EE. UU.), que, como se nota, está desarrollando Overture, un avión de pasajeros supersónico totalmente nuevo. El CEO y fundador de Boom, Blake Scholl, dijo en una rueda de prensa que Boom está cerca de completar el XB-1 intensivo en compuestos, un prototipo a subescala del Overture que se espera sea presentado a finales de 2019 y volado en prueba en algún momento de 2020. Estos vuelos de prueba, dijo Scholl, están diseñados para ayudar a Boom a evaluar principios de diseño e ingeniería de la aeronave, y aplicar lecciones aprendidas al diseño final y producción de Overture, que se espera entre en servicio a mediados de la década de 2020. Este es un calendario más largo que el anticipado inicialmente por Boom. "Este es un proyecto ambicioso", dijo Scholl. "En los primeros días, es fácil ser demasiado optimista".

El avión Overture intensivo en compuestos de Boom Aerospace ofrecerá vuelo supersónico a Mach 2,2. Fuente | CW

Overture se espera que tenga una velocidad máxima de Mach 2,2, altitud de crucero de 60.000 pies (19.354 metros) y llevará pasajeros (55-75) de Sídney a Los Ángeles en solo 7 horas, o de Washington D.C. a Londres en solo 3,5 horas. Scholl declaró que el coste del billete en Overture se espera que sea competitivo, en base por asiento-milla, con precios actuales de aerolíneas. Scholl también dijo que Overture se espera que use una tecnología llamada Prometheus Fuels, que convierte carbono atmosférico en gasolina o, en el caso de Boom, combustible para aviones, usando electricidad de fuentes renovables. De esta manera, dijo, el avión proporcionará vuelo supersónico con cero carbono neto.