Los compuestos termoplásticos revolucionarán la aviación comercial

Los compuestos termoplásticos (TPC) no son nuevos en el sector aeroespacial, pero los últimos años han visto el uso de termoplásticos en aviones comerciales alcanzar un punto de inflexión. Aunque los TPC se han usado durante algún tiempo para piezas más pequeñas como clips y soportes, o componentes interiores menores, los termoplásticos se han ido abriendo camino hacia estructuras de aviones más grandes incrementalmente y ahora parecen destinados a desempeñar un papel más importante en el futuro de la aviación comercial.

En marzo de 2018, Toray Industries Inc. (Tokio, Japón), el mayor fabricante mundial de fibra de carbono, adquirió TenCate Advanced Composites (Morgan Hill, California, EE. UU. y Nijverdal, Países Bajos) por 930 millones de euros (TenCate ha cambiado su nombre a Toray Advanced Composites). El movimiento pareció ser un esfuerzo para fortalecer las capacidades de termoplásticos de Toray en preparación para la próxima ola de desarrollo de aviones comerciales. Poco después de ese anuncio, Hexcel (Stamford, Connecticut, EE. UU.) y Arkema Inc. (King of Prussia, Pensilvania, EE. UU.) anunciaron una alianza estratégica para desarrollar soluciones de compuestos termoplásticos para aeroespacial, combinando la habilidad de Hexcel en fabricación de fibra de carbono con la experiencia de Arkema en resinas polietétercetonacetanona (PEKK). Y a lo largo del año, varias otras piezas del rompecabezas de los termoplásticos parecieron encajar.

En abril de 2018, Premium Aerotec GmbH (Augsburgo, Alemania) presentó un demostrador para un mamparo de presión de Airbus (Toulouse, Francia) A320 que había desarrollado y fabricado usando fibra de carbono en matriz termoplástica. El demostrador, que consta de ocho segmentos soldados, ilustra cómo la soldabilidad de los termoplásticos tiene el potencial de permitir componentes de aviones más grandes. (Más sobre el demostrador de mamparo de presión A320 de Premium Aerotec).

En agosto de 2018, Solvay (Alpharetta, Georgia, EE. UU.), Premium Aerotec y Faurecia Clean Mobility (Columbus, Ohio, EE. UU.) lanzaron IRG CosiMo (Grupo de Investigación Industrial: Compuestos para Movilidad Sostenible), un consorcio centrado en el desarrollo de materiales y tecnologías de proceso destinados a permitir la producción de alto volumen de compuestos termoplásticos para los mercados aeroespacial y automotriz. El consorcio combina empresas a lo largo de toda la cadena de proceso de compuestos termoplásticos, desde materiales hasta maquinaria y aplicaciones en automoción y aeroespacial. (Más sobre el consorcio IRG CosiMo aquí).

Solvay ha estado colaborando con GKN Fokker (Hoogeveen, Países Bajos) para avanzar en la tecnología y fomentar la adopción de TPC para grandes estructuras aeroespaciales desde junio de 2017. La compañía lanzó la producción de polímero PEKK en septiembre de 2017 y luego duplicó su capacidad de cinta termoplástica UD calificada en 2018. A principios de 2019, Solvay puso en marcha un laboratorio dedicado de investigación TPC en Alpharetta, Georgia, EE. UU., destinado al desarrollo de materiales de próxima generación. Solvay planea iniciar la calificación de una nueva línea de cinta UD a finales de 2019.

Teijin Ltd. (Tokio, Japón) anunció en enero de 2019 que su fibra de carbono TENAX y cinta preimpregnada unidireccional de fibra de carbono/termoplástico (TENAX TPUD) ha sido calificada por Boeing (Chicago, Illinois, EE. UU.) para uso como material compuesto avanzado intermedio para piezas estructurales primarias (Lea la noticia completa aquí).

A medida que estas y tecnologías y materiales similares progresan, una imagen de cómo la industria aeroespacial podría empezar a verse en los años y décadas venideros gradualmente cobra foco. El papel de los TPC se está convirtiendo en una parte cada vez mayor de esa imagen.

Los fabricantes están interesados en aprovechar los beneficios de fabricación y tiempos de procesamiento rápidos de los termoplásticos, y en usar TPC para empezar a fabricar estructuras más grandes como paneles de fuselaje y costillas. Además, los termoplásticos presumen de alta tenacidad a la fractura; buenas propiedades mecánicas; reciclabilidad; baja llama, humo y toxicidad (FST), y pueden almacenarse a temperatura ambiente. Y a medida que los OEM y proveedores de nivel aeroespacial se familiarizan más con los termoplásticos, se usan para piezas más complejas, ensamblajes soldados y estructuras primarias.

Según Steve Mead, director gerente en Toray Advanced Composites (anteriormente TenCate), "Los principales fabricantes de fuselajes buscan realmente una solución de material que tenga las capacidades de cadencia del aluminio y las capacidades de peso de material basado en fibra de carbono —los termoplásticos cubren ese hueco".

Procesabilidad de los TPC

Una gran parte de por qué los TPC están encontrando su lugar en los programas de aviones es su procesabilidad. Como los termoplásticos ya están completamente polimerizados, tienen tasas de producción más rápidas que los termoestables, que deben someterse a curado.

"Cuando miras la cantidad de tiempo que se tarda en hacer una pieza termoestable hoy y la comparas con la cantidad de tiempo que se tarda en hacer una pieza de compuesto termoplástico, [el termoplástico] es unas 10 veces más rápido", dice Mike Favaloro, presidente y CEO de CompositeTechs LLC (Amesbury, Massachusetts, EE. UU.), una consultoría de la industria de compuestos.

Una gran ventaja del AFP termoplástico automatizado comparado con el AFP termoestable —particularmente dado la falta de ciclo de curado— son tasas de producción más altas debido a tiempos de procesamiento más rápidos. Hay ahorros de costes en laminado in-situ y post-consolidación fuera de autoclave (OOA). Además, sacar el autoclave de la ecuación permite el desarrollo de estructuras más grandes.

David Leach, director de desarrollo de negocio para ATC Manufacturing (Post Falls, Idaho, EE. UU.), reconoce que el coste unitario de los termoplásticos supera el de los termoestables, pero argumenta que los precios de materiales TPC bajarán. Además, dice, las eficiencias de procesamiento ofrecen una oportunidad para reducir costes hoy. El consenso general en la industria de compuestos es que los procesos termoplásticos OOA, ahora mismo, ofrecen ahorros de costes de más del 30 por ciento comparados con termoestables.

"Los termoplásticos están encontrando su camino en programas incluso después de que los aviones hayan entrado en producción", señala Leach. "Es un testimonio de los beneficios de coste de los termoplásticos".

El potencial de polímeros de matriz de alto rendimiento se extiende más allá de lo disponible actualmente en el mercado. Doug Brademeyer, jefe de Materiales Ultra-Polímeros en Solvay, dice que la compañía está trabajando tanto internamente como con socios para desarrollar polímeros a medida que se personalizan para diferentes procesos de fabricación.

"Estamos entusiasmados con estas soluciones PAEK a medida y podemos llevarlas rápidamente a comercialización en nuestros activos a escala mundial, basados en las necesidades del cliente", dice Brademeyer.

PAEK de bajo punto de fusión

Con los OEM aeroespaciales y proveedores luchando por mayores tasas de producción y ciclos más cortos, la procesabilidad es clave. El poliéteretercetona (PEEK) ha sido durante mucho tiempo el polímero termoplástico favorecido ya que tiene la mayor base de datos y es el más ampliamente calificado. Pero según Favaloro, el poliariletercetona de bajo punto de fusión (LM PAEK) ofrece algunas ventajas, especialmente para métodos de procesamiento automatizados como ATL.

"El PEEK es procesable mediante estampado y moldeo continuo, pero el LM PAEK procesa a menor temperatura, tiene una viscosidad de trabajo más baja que permite mejor procesamiento automatizado, y tiene un menor grado de cristalinidad que reduce tensiones residuales de moldeo", dice. "El objetivo final es usar una máquina ATL para colocar [la cinta] y listo —necesitas el grado correcto de cristalinidad, una buena ventana y buenas velocidades de colocación".

El LM PAEK tiene una ventana de proceso amplia de 350-385°C. Como referencia, las temperaturas de procesamiento de sulfuro de polifenileno (PPS) van de 330-350°C, mientras que las de poliétercetonacetanona (PEKK) y PEEK son 380°C y 400°C respectivamente.

"El material ha ganado tanta tracción debido a su procesabilidad", dice Scott Unger, director técnico en Toray Advanced Composites. Toray Advanced Composites colaboró con Victrex (Lancashire, Reino Unido) para producir Cetex TC1225, una cinta unidireccional usando LM PAEK.

"La intención con el desarrollo de TC1225 era crear un producto que procesara fácilmente a temperaturas cercanas a las usadas para PPS, tuviera una posición de coste favorable para el usuario final y tuviera las propiedades mecánicas y de resistencia a fluidos de PEEK", dice Unger. "Con TC1225 LM PAEK, siento que logramos todos esos objetivos".

Cetex TC1225 está actualmente en calificación por el Centro Nacional de Rendimiento de Materiales Avanzados (NCAMP, Wichita, Kansas, EE. UU.). Además, Toray dice que hay dos calificaciones basadas en fabricantes de aviones importantes en marcha para el material, así como un par de programas de calificación basados en mercados emergentes como taxis aéreos y movilidad aérea urbana.

Se informa que las cintas usando LM PAEK están produciendo velocidades de colocación mejoradas. Tim Herr, director de SBU Aeroespacial en Victrex, dice: "Las tasas de colocación que podemos lograr tanto para AFP in-situ como para AFP consolidado fuera de autoclave son sin precedentes". Indica que 60 metros por minuto se pueden lograr en paneles consolidados en horno; 20 metros por minuto se informa posible con consolidación in-situ.

En términos de calidad, Unger afirma que el PAEK de bajo punto de fusión ofrece la capacidad de obtener la misma calidad de laminado usando colocación de fibra in-situ que con un laminado colocado por fibra que ha pasado por una consolidación en horno post-colocación.

Unión de compuestos

La soldabilidad de los TPC es una gran ventaja del material para uso en desarrollo de aeronaves. La fusión/soldadura ofrece una alternativa al fijado mecánico y al uso de adhesivos, ambos métodos empleados para unir piezas de compuestos termoestables.

Stephen Heinz, director de desarrollo de producto en Solvay, dice: "La unión y soldadura juega un papel importante en el futuro del ensamblaje y tiene el potencial de reducir costes y mejorar la fiabilidad de las aeroestructuras. Empresas como GKN Fokker están tomando la iniciativa en demostrar la soldadura".

GKN Fokker (Hoogeveen, Países Bajos) ha estado trabajando para desarrollar soldadura TPC desde hace tiempo, habiendo comenzado a experimentar con soldadura por resistencia de termoplásticos en los años 90. La compañía ha estado usando procesos de soldadura termoplástica para unir costillas internas y pieles de borde de ataque. En JEC World 2019, la compañía exhibió un panel de fuselaje termoplástico compuesto con regla de área fabricado usando cinta UD APC (PEKK-FC) de Solvay. El panel es el resultado de un proyecto conjunto de I+D entre GKN Fokker y Gulfstream Aerospace (Savannah, Georgia, EE. UU.). Se dice que la pieza es el panel compuesto de menor coste, debido a un refuerzo ortogrid simple "con junta a tope" y marcos totalmente soldados.

"Con termoplásticos, un ortogrid puede simplificarse enormemente 'uniendo a tope' la cuadrícula a la piel", explica Arnt Offringa, jefe de Desarrollo de Tecnología de Compuestos Termoplásticos para GKN Fokker. "La cuadrícula ahora está compuesta solo por preformas simples y planas que se co-consolidan con el laminado de piel para formar una carcasa rigidizada integral de bajo coste. Los marcos se sueldan sobre la cuadrícula. Estas soldaduras se cargan en cizalladura, lo que hace factible omitir todos los pernos".

Aunque las estructuras termoplásticas soldadas se han usado en aviones desde hace tiempo, la tecnología ahora parece bien posicionada para uso en estructuras primarias. Mike Favaloro cree que los fabricantes aeroespaciales y OEM están ganando confianza con los TPC, particularmente con el control de proceso. "En un horizonte de 10 años empezaremos a verlo adoptado mucho más", dice.

Lea más sobre tecnología de soldadura en el artículo de Ginger Gardiner "Soldadura de compuestos termoplásticos".

Fabricación sin utillaje

Otra innovación en el horizonte que podría acelerar el uso de termoplásticos es la fabricación de compuestos sin utillaje. El concepto, como implica el nombre, elimina la necesidad de moldes y utillaje tradicionales, reemplazándolos con robótica.

El fabricante aeroespacial General Atomics Aeronautical Systems Inc. (GA-ASI, San Diego, California, EE. UU.) está desarrollando tal proceso para la fabricación de estructuras de compuestos termoplásticos. Composite Automation LLC (Cape Coral, Florida, EE. UU.), usando equipos de Mikrosam (Prilep, Macedonia), trabajó con GA-ASI para desarrollar la automatización. El proceso usa dos robots de 6 ejes trabajando juntos para colocar cinta termoplástica. Un robot consiste en un sistema estándar de colocación de cinta unidireccional que proporciona calentamiento láser para realizar consolidación in-situ del material termoplástico. El segundo robot proporciona soporte, trabajando opuesto al colocador automático de cinta (ATL) para proporcionar una superficie de utillaje móvil contra la cual el ATL coloca la cinta. (Para saber más, vea "General Atomics Aeronautical desarrollando proceso de compuestos termoplásticos sin utillaje").

Reciclabilidad

Otro beneficio de los TPC es la reciclabilidad. Como los polímeros termoplásticos pueden fundirse y remodelarse, varias empresas miran hacia los TPC como forma de reutilizar materiales.

Una de estas iniciativas de reciclaje, operada por el Centro de Aplicación de Compuestos Termoplásticos (TPAC, Enschede, Países Bajos) y el Centro de Investigación de Compuestos Termoplásticos (TPRC, Enschede, Países Bajos), se centra en la reutilización de residuos de producción del procesamiento de TPC, desde la recolección hasta el triturado y reprocesamiento hasta la aplicación. El proyecto TPC-Cycle trabaja para desarrollar una ruta de reciclaje asequible y ambientalmente amigable para mercados de alto volumen y alta gama —todo mientras se produce un material que retenga la mayor cantidad posible de las propiedades mecánicas de los materiales termoplásticos originales. El proyecto presume de ciclos cortos, fabricación a forma neta y se dice que permite la producción de formas complejas.

La colaboración incluye varios socios industriales en la cadena de valor, desde material, fabricación, diseño y aplicación, incluyendo GKN Fokker, Toray Advanced Composites, Cato Composite Innovations (Rheden, Países Bajos), Dutch Thermoplastic Components (Almere, Países Bajos) y Nido RecyclingTechniek (Nijverdal, Países Bajos).

El material adecuado para el trabajo adecuado

Así que en medio del ruido de entusiasmo sobre estos materiales, la pregunta que surge es: ¿han llegado los TPC? Los proveedores aeroespaciales de Nivel 1 y Nivel 2 están invirtiendo en termoplásticos. Hay más interés e inversión de proveedores pequeños y medianos. Consorcios como IRG CosiMo miran tanto mercados aeroespacial como automotriz para avanzar tecnologías de proceso para lograr producción de alto volumen.

"Es la Trifecta", dice Mead, "Los OEM invierten, los fabricantes de maquinaria invierten, el material adecuado se ha desarrollado. Todos los componentes de la receta se están uniendo".

En un alcance mayor, ¿qué significa todo esto cuando se trata del uso de materiales en aviones de próxima generación? Después de todo, hay numerosos materiales compitiendo por un lugar en el avión del futuro, y la innovación no se está desacelerando —los compuestos termoestables continúan evolucionando; el aluminio y el titanio seguirán desempeñando un papel.

"A medida que los fabricantes de fuselajes desarrollan una base de calificación con termoplásticos, ahora tienen una elección", dice Unger. "Y esa elección se basará en seleccionar el material adecuado para una aplicación dada que cumpla los requisitos de tasa de producción y coste para el componente o estructura en cuestión. Al mirar la aviación comercial hacia adelante, lo que creo que verán los fabricantes de fuselajes es usando el material adecuado para el trabajo adecuado. Si un material permite la estructura más apropiada al menor coste y cumple los requisitos de cadencia del programa, ganará su camino al avión".

La Próxima Generación de Fabricación Aeroespacial

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