RTM de alta presión: Producción eficiente y rentable de estructuras aeroespaciales CFRP

Cuando el moldeo por transferencia de resina (RTM) comenzó a transicionar hacia RTM de alta presión (HP-RTM) hace aproximadamente una década, se alabó principalmente para aplicaciones automotrices, reduciendo tiempos de ciclo de piezas compuestas de horas a menos de 2 minutos. Se ha dicho menos sobre aplicar esta tecnología a piezas aeroespaciales. La industria aeronáutica tiene una larga historia con RTM convencional, incluyendo su uso para producir miles de palas de ventilador y carcasas de contención de fibra de carbono reforzada (CFRP) para motores de aviones comerciales. Airbus incluso ha prototipado un flap multispar compuesto de una pieza de 7 metros de largo para el Airbus A320 usando RTM. Pero, ¿es posible transicionar esta experiencia con procesos de horas a moldeo totalmente automatizado de piezas de aviones compuestos en minutos? Varios actores clave dicen que es posible.

El RTM tradicional, referido aquí como LP-RTM por claridad, típicamente usa presiones de inyección de 10-20 bares. El HP-RTM, por otro lado, usa presiones de inyección de 30-120 bares.

"Comenzamos a trabajar con procesamiento RTM aeroespacial hace 10 años vía un proyecto financiado por la UE para fabricar marcos de fuselaje", dice Bernhard Rittenschober, jefe de investigación y desarrollo para Alpex Technologies (Mils, Austria), proveedor de sistemas de utillaje innovadores para producción en serie de piezas compuestas. "En ese momento, las predicciones eran que muchas piezas para el [Airbus] A350 se harían con RTM, pero esto no se materializó". Alpex, sin embargo, siguió trabajando en la tecnología, y como proveedor tanto de la industria automotriz como aeroespacial, comenzó a ver cómo los procesos usados en estas dos industrias podían fusionarse. "La idea era usar la resina epoxi RTM6 de Hexcel cualificada en aeroespacial, pero con mejores prácticas de utillaje automotriz y un sistema de inyección automatizado para menor tiempo de ciclo", explica Rittenschober.

El resultado fue un programa de investigación de 2013-2015 llamado TAKE OFF, financiado por el gobierno austriaco, en el que Alpex participó con socios Airbus Helicopters (instalación de Donauworth, Alemania), proveedor de equipos KraussMaffei (Múnich, Alemania), especialista en ensayos Aerospace and Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Austria) y proveedor de resina Hexcel (Stamford, Connecticut, EE. UU.). El programa demostró que HP-RTM resultó en una reducción del 30 % en coste para un marco de puerta A350 y desarrollo significativo de tecnología, incluyendo uso de sistema de resina de dos componentes (2K), inyección inteligente y monitorizado de curado vía sensores en molde y la capacidad de reducir aún más el tiempo de ciclo de pieza. Alpex ha continuado el desarrollo y ve potencial para esta tecnología HP-RTM para ayudar a superar problemas actuales de producción CFRP.

Apoyando esta visión, el Centro de Tecnología de Compuestos (CTC), una filial de Airbus Operations GmbH, también ha estado desarrollando RTM automatizado durante una década, primero con LP-RTM y luego transicionando a HP-RTM hace unos cinco años. (CompositesWorld notó la máquina HP-RTM KraussMaffei de CTC y trabajo de desarrollo durante un tour de su instalación en 2016). "HP-RTM resuelve el cuello de botella de inyección y curado debido a su mezcla de alta velocidad, que permite usar resinas altamente reactivas", explica Jan Schiller, líder de proyecto de CTC para sistemas de producción y contacto principal para tecnologías RTM. "Hemos desarrollado un proceso que produce piezas de geometría algo compleja de 1-2 metros, cumpliendo requisitos aeroespaciales (por ejemplo, 60 % volumen de fibra y menos del 2 % de vacíos) en un tiempo de ciclo de 20 minutos". Añade que tras visitas y discusiones con proveedores de Airbus el año pasado, se identificaron varias piezas para transición a HP-RTM, permitiendo producción a mayor cadencia para el avión A320. "Ahora estamos desarrollando procesamiento específico para estos y estamos trabajando este año para llevarlos a producción en serie".

Marco de puerta HP-RTM A350

El desarrollo de Alpex se completó a través del programa austriaco TAKE OFF vía un proyecto llamado SPARTA. "Airbus Helicopters eligió la pieza", recuerda Rittenschober. "Este marco de puerta es lo que ves al entrar en un A350 con la puerta abierta. Mide aproximadamente 2 metros de alto, 200-250 milímetros de ancho y 8-10 milímetros de espesor, con forma compleja y características de diseño para cumplir los diversos requisitos de la puerta ensamblada, que es estructura primaria". La puerta A350 comprende 14 piezas hechas por Airbus Helicopters en Donauworth, Alemania, usando LP-RTM. El marco elegido para SPARTA es una de las piezas más desafiantes de la puerta. "Es una buena pieza de demostración porque podemos comparar HP-RTM directamente con LP-RTM aeroespacial estándar", añade Rittenschober.

Alpex diseñó y construyó el utillaje LP-RTM usado actualmente para producción de marco de puerta A350 en Airbus Helicopters. Para el diseño y construcción del utillaje HP-RTM, aplicaría una mentalidad más automotriz. "Nuestro objetivo era permitir automatización tipo automotriz en producción de piezas compuestas aeroespaciales", dice Rittenschober. "Esto es necesario si Airbus va a construir un futuro A320 con más piezas compuestas y a una cadencia de 60 a 100 aviones por mes".

Continúa, "Venimos de producir moldes para BMW, que activamente intentaba simplificar sus piezas y procesos para reducir tiempo de ciclo, mientras Airbus venía de complejidad aeroespacial previa. Por ejemplo, cuando empezamos, Airbus Helicopters preguntó cuántas piezas tendría este molde". Nota, la producción actual de puerta LP-RTM incluía herramientas multipieza complejas. "Explicamos que el molde HP-RTM solo tendrá un molde superior y uno inferior", dice Rittenschober.

Así, Alpex empezó con un diseño de molde simple y luego añadió características para hacer el procesamiento más robusto y flexible —por ejemplo, sistemas de sellado usados para producción automotriz de alto volumen. "Además, tenemos todos los sensores integrados en el molde", señala.

Preformas y proceso

Las preformas usadas actualmente para el marco de puerta A350 usan material tejido y requieren múltiples pasos de descompactación, resultando en un ciclo de producción de tres días. "Decidimos usar tejido sin ondulación (NCF) en su lugar", dice Rittenschober. "Esto reduce precio y tiempo de ciclo significativamente. También terminamos demostrando algunas piezas con preformas tejidas cualificadas por Hexcel, pero vemos un cambio en la industria de compuestos fuera de aeroespacial, con desarrollo por SGL y otros alejándose de tejidos tejidos y hacia cintas y formas de menor coste como NCFs".

Cuando se le preguntó sobre puntos de inyección y cualquier problema con lavado de fibra, Rittenschober explica que la herramienta HP-RTM tiene solo un punto de inyección, pero no hay lavado de fibra porque la preforma está sujeta de modo que está fija en el molde y muy estable.

Otro punto clave es que Alpex eligió usar un sistema de resina de dos componentes (2K) en lugar del RTM6 de un componente usado actualmente por Airbus Helicopters. Rittenschober afirma que el sistema 2K puede ser más reactivo, lo que se adapta mejor a HP-RTM, y puede ahorrar coste porque no está premezclado y no requiere envío de materiales peligrosos. Sin embargo, requiere una temperatura más alta de 180 °C. "Esta fue la parte más desafiante para nosotros", dice Rittenschober, "porque estábamos más acostumbrados a procesar a 120 °C".

KraussMaffei instaló, en su centro de tecnología ligera en Múnich, Alemania, el utillaje terminado en su sistema RimStar Compact HP-RTM con mezcla, dosificación e inyección automatizada de alta presión (hasta 80 bar/1.100 psi). Luego fabricó 20 piezas demostrativas. Rittenschober describe el proceso base: Inyectar a 80 °C, subir a 120 °C, mantener una hora, subir a 180 °C y mantener para curado de 90 minutos, bajar rampa (2 °C/min) y desmoldear. "La inyección solo toma 20 segundos", dice, "pero el ciclo total de moldeo es de unas cuatro horas".

Tiempo de ciclo y coste

El aún largo ciclo de curado para el marco de puerta SPARTA está impulsado por la formulación de resina Hexcel RTM6 y procesamiento cualificado por Airbus. "Fuimos capaces de lograr ciclos de curado de 30 minutos a 180 °C con un post-curado adicional bajo vacío después para eliminar tensión térmica y asegurar propiedades mecánicas", señala Rittenschober, añadiendo que las propiedades eran bastante buenas, y comparables a la pieza LP-RTM.

"Demostramos que puedes usar el proceso y automatizar producción para mayores volúmenes de pieza", dice Rittenschober. "Puedes inyectar y curar en el molde y luego post-curar fuera de la prensa". Concede que esto requiere juegos extra de herramientas, pero solo una prensa y unidad de inyección. "Con este sistema, puedes reducir el coste de pieza en 700 €, lo que te permite pagar el equipo fácilmente con una cadencia de producción de 500 a 1.000 piezas/año, que ni siquiera es un volumen muy alto".

Desarrollo de proceso y demostradores CTC

Al margen de utillaje y proceso, el proyecto de puerta HP-RTM también incluyó uso innovador de formato de fibra. "Empezamos con textiles tejidos ya cualificados por Airbus y tuvimos mucho éxito", recuerda Schiller. "Luego continuamos con NCF y textiles más innovadores". Estos últimos incluyeron colocación de fibra seca e intercalado con capas spread tow para mayor tenacidad, pero esto presentó problemas con empaquetado denso de fibras y capas, causando mala permeabilidad e dificultando la infiltración de resina. "También hay desarrollos para abordar esto, como NCF con fibras especiales para mejorar permeabilidad", añade.

Sobre presiones para HP-RTM, Schiller enfatiza que la decisión de usar el proceso fue impulsada más por tecnología de mezcla de la industria del poliuretano que por altas presiones de proceso. "Estamos usando HP-RTM solo para conseguir una buena mezcla de resinas altamente reactivas", explica. "Puede haber algo de presión más alta en el molde, pero esto es un efecto secundario de inyección rápida. Para piezas automotrices con tiempos de ciclo de 2 minutos, deben infiltrar la preforma seca con resina mucho más rápido que nosotros. Nuestro tiempo de curado de 15 minutos permite más tiempo para infiltración de resina, lo que también reduce presión en el molde".

La tonelada de prensa, mientras tanto, depende del tamaño de pieza. "Hacer piezas hasta 2 metros de tamaño funciona bien (unas 1.500 toneladas) pero piezas de 4-6 metros requieren calcular el caso de negocio porque la inversión en prensa se vuelve muy alta", dice Schiller. CTC exhibió una costilla CFRP de 1,5 metro por 0,5 metro representando cualquier posible estructura primaria aeroespacial en JEC World 2018. También recibirá una prensa de mayor tonelaje a finales de 2019.

Resinas 2K y QA basada en sensores

Schiller observa que todas las estructuras de aviones RTM previas solo han usado sistemas 1K mezclados por el proveedor, quien luego certifica la mezcla y asume la responsabilidad de asegurar que la resina cumpla requisitos de cualificación. "Ahora estamos considerando sistemas 2K, pero el desafío es asegurar la calidad de la mezcla", explica. Los sistemas 1K premezclados requieren envío y almacenamiento en frío para prevenir reacción hasta procesamiento de pieza. Así, ventajas de sistemas 2K incluyen eliminación de este gasto así como mayor reactividad para procesamiento más rápido. Un problema, sin embargo, es que la garantía de calidad (QA) se transferirá del proveedor de resina al fabricante de piezas. "Esta QA requiere detección de la proporción de mezcla y la calidad de la resina mezclada. Ambas son necesarias para cualificación de Airbus de un nuevo material. Así que esto significa mediciones de los dos componentes justo antes de mezclar y de la resina después de mezclar. Hoy, solo tenemos sensores antes de la cabeza de mezcla, mostrando cuánta resina y cuánto endurecedor se dosifican en la mezcla. Esto no es suficiente para cualificación".

Alpex, mientras tanto, está trabajando para desarrollar un sistema de calidad en línea que proporcione la verificación de resina 100 % bien mezclada que Airbus requiere. "Hemos trabajado con sensores en molde Netzsch desde el principio de este desarrollo", señala Rittenschober. "Ahora que Netzsch se ha asociado con Kistler (Winterthur, Suiza), nueva tecnología está disponible. Podemos monitorizar temperatura, presión y curado de la resina desde un solo sensor, que incluimos en el molde".

"Alpex dice usar sensores en molde, y los proveedores de equipos de mezcla/inyección dicen que los sensores deberían estar en sus sistemas", dice Schiller. "Ambos tienen razón". Pero señala que también hay necesidad de mejora en lo segundo. "En HP-RTM automotriz, la proporción de mezcla de resina se mide sobre el proceso completo, así que es una media", explica Schiller. "Sin embargo, necesito esta medición en cada punto discreto durante el proceso, para saber que la proporción de mezcla es siempre correcta, incluso para el último medio segundo durante inyección. Necesitamos mejor resolución temporal en los sistemas de medición". Schiller sugiere que sensores probablemente serán necesarios antes de la cabeza de mezcla, dentro de la cabeza de mezcla y en el molde. "Estamos trabajando en este desarrollo de QA en paralelo a evaluar resinas 2K en aplicaciones aeroespaciales, y junto con proveedores de máquinas, hemos identificado sistemas de sensores que prometen resolución suficiente. Serán validados dentro de este año".

Alpex también está probando un nuevo sensor piezoeléctrico híbrido multifuncional desarrollado por Aerospace & Advanced Composites (AAC, Wiener Neustadt, Austria). Colocado sobre el molde RTM, actúa como sensor de presión para monitorizar el frente de flujo de resina en el molde. Una vez que la preforma es impregnada por la resina y comienza el curado, el cambio en el espectro de impedancia es usado por el sensor para determinar grado de curado. Una vez que el curado está completo, los sensores piezoeléctricos se co-curan en la superficie de la pieza para usarse en monitorizado de salud estructural ya sea en modo pasivo como sensores de emisión acústica o en modo activo usando ondas ultrasónicas guiadas. Han sido demostrados para monitorizado de impacto y daño en piezas terminadas.

Nota que estos datos de proceso pueden ser analizados por sistemas de producción inteligentes Industria 4.0 para identificar rutas para mejoras adicionales en calidad y eficiencia. Estos datos de proceso también pueden registrarse para el gemelo digital de cada pieza.

Potencial futuro

Rittenschober dice que el único obstáculo real para la tecnología HP-RTM es la certificación: "Estamos demostrando con Airbus Helicopters que este proceso puede funcionar, pero alguien tiene que certificarlo". Schiller está de acuerdo en que siempre es un obstáculo encontrar quién será el primero, pero también ha calculado casos de negocio para muchas piezas durante el último año. "Para 200 piezas al año, no tiene sentido. Sin embargo, para piezas en el A320, por ejemplo, se vuelve atractivo. Cada mes, vemos una cadencia objetivo más alta para el programa A320. Muchas de estas piezas fueron ingenieradas en los años 80 y se producen manualmente, así que podrían hacerse mucho más eficientes con HP-RTM".

Con tiempos de ciclo de pieza demostrados por CTC de 20 minutos, HP-RTM también podría ser atractivo para el mercado de aviones de despegue y aterrizaje vertical eléctricos (eVTOL), donde se han sugerido volúmenes de producción de 5.000 aviones al año como límite superior por el fabricante de taxis aéreos UBER.

Alpex continuará desarrollando una gama de avances RTM, dice Rittenschober. "Creemos que HP-RTM tiene potencial real para ayudar a resolver algunos de los problemas con producción más rentable e industrializada de aeroestructuras CFRP". Schiller está de acuerdo, señalando que para muchas de las aplicaciones A320 objetivo, hay numerosas piezas CFRP por juego de barco. "Así, el beneficio de un proceso más eficiente empieza a acumularse. Si podemos conseguir la primera aplicación en producción, entonces habrá otras".

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