Revolucionando la fabricación de compuestos para desbloquear nuevas oportunidades de mercado

Aunque la base de la compañía es ciertamente el bobinado por filamento, CompoTech ha llevado ese proceso a nuevas aplicaciones mediante bobinado basado en pines, sobrebobinado y conceptos innovadores de utillaje y materiales. El resultado es una fluidez en el proceso que a menudo alcanza nuevos niveles de rendimiento mediante hibridación, por ejemplo, con metales y métodos de fabricación como impresión 3D y su propia versión de colocación automática de fibra (AFL).

CompoTech produce piezas para una amplia gama de aplicaciones incluyendo equipo industrial (ensamblaje de pinza de vacío, arriba izquierda) y equipo agrícola (brazo de pulverizador, arriba derecha) desde sus instalaciones en Sušice, República Checa (abajo). FUENTE: Bilsing Automation (pinza, arriba izquierda), Hardi International (brazo pulverizador, arriba derecha) y CompoTech.

CompoTech (Sušice, República Checa) fue fundada en 1995 por Ondrej Uher y Vitek Sprdlik, ahora director de I+D y director técnico de la compañía, respectivamente. "Originalmente construyeron una máquina de bobinado por filamento para producir ejes de palas de kayak y canoa que integraban su propia tecnología para bobinado axial de fibras a 0°", explica Humphrey Carter, director de desarrollo de negocio de CompoTech. "Esto es ahora una competencia central. Hemos demostrado que esta construcción produce estructuras más fuertes y rígidas con mayor resistencia al pandeo de fibras".

La compañía también desarrolló la capacidad de bobinar aros compuestos integrales para conexiones. Estos se usan en piezas desde spars de ala delta hasta ejes de transmisión y componentes industriales. "CompoTech diseña las máquinas y el software de control", dice Carter. "Porque tenemos control total del proceso, podemos optimizar mejor el diseño. Desarrollamos la tecnología de proceso a medida para los criterios de diseño y podemos ponerla a disposición de nuestros socios tecnológicos así como de diseñadores y productores de compuestos. Por ejemplo, hemos licenciado la tecnología a Southern Spars/North Marine Group".

CompoTech bobina fibra alrededor de pines (izquierda) para producir estructuras
con conectores integrados (derecha). FUENTE: CompoTech

Diseñando herramientas de máquina

Actualmente, la compañía emplea unas 50 personas, con casi la mitad en diseño e ingeniería. También tiene fuertes vínculos con la Universidad Técnica Checa (CTU) en Praga y también con la Universidad de Bohemia Occidental (Pilsen, República Checa). CompoTech ha desarrollado soluciones compuestas para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo brazos para equipos de pulverización agrícola, ejes para puntas de palas eólicas, cuadros y ruedas de bicicleta, tubos y bastidores para pinzas de ensamblaje automotriz y componentes de pórtico ligeros para cortadoras láser y máquinas CNC.

"Hemos trabajado desde principios de los 2000 en el sector industrial y de herramientas de máquina debido a su prevalencia en la República Checa", explica Carter. "Es una industria muy conservadora que no conoce los compuestos. Así que vamos a ferias de herramientas de máquina y les educamos". Esa industria ya sabe que las vibraciones de partes aceleradas y de superficies de corte, como dientes de fresado, causan reducción en precisión de mecanizado y vida de herramienta. CompoTech explica que los armónicos de una herramienta de corte —su vibración basada en masa, rigidez y cargas/fuerzas aplicadas— son a menudo el factor limitante en rendimiento y productividad. No tan conocido es que el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) puede usarse en la estructura de máquinas y portaherramientas para reducir masa y aumentar rigidez vs. acero. Usando fibra de pitch, CompoTech reporta una reducción de peso del 25% y aumento de rigidez del 200% (400 GPa logrado con fibra unidireccional), respectivamente. Estas son las dos formas principales de aumentar la frecuencia natural de una estructura y prevenir resonancia. Esto es cuando la estructura vibra por sí misma, lo que exacerba problemas para partes rotativas ya propensas a vibración y maquinaria de velocidad variable.

CompoTech usa CFRP y materiales de amortiguamiento adicionales para reducir peso y aumentar rigidez y amortiguamiento vs. acero para prevenir vibración. Su tecnología también reduce la deriva de herramienta de máquina, lo que mejora rendimiento y productividad de mecanizado. FUENTE: CompoTech

"Usar nuestro proceso para CFRP también reduce la deriva de herramienta de máquina versus compuestos autoclaveados porque inducimos menos tensión térmica", añade Carter. "Los portaherramientas son a menudo vigas largas y esbeltas que pueden cambiar con el tiempo, dependiendo de su diseño y composición de material. Esto entonces afecta la posición relacional de la herramienta, reduciendo su precisión".

Para amortiguamiento, CompoTech ha ido más allá de las propiedades inherentes de compuestos de fibra y polímero para ser pionero en la inclusión de otros materiales, proporcionando 12 a 20 veces el amortiguamiento del acero, contrarrestando directamente la vibración y actuando para acelerar su decaimiento (ver gráfico arriba). "Tenemos más de una década de experiencia diseñando compuestos amortiguados para lograr las propiedades y rendimiento deseados", dice Carter. Un ejemplo es un nuevo diseño de plato de pieza de trabajo para que se requiera mucha menos fuerza de sujeción vs. un plato de acero. Otro es el accesorio modificado para el torneado de una carcasa de turbina de baja presión (LPT) de motor de avión hecha de aleación Inconel 718 difícil de mecanizar. Desarrollado a través del proyecto INTEFIX financiado por la UE, CompoTech desarrolló anillos CFRP para reemplazar anillos metálicos usados como localizadores en el accesorio. El resultado fue ninguna pérdida en rigidez o función mientras se mejoraba el comportamiento de la pieza y mejor rendimiento de mecanizado. En efecto, el accesorio se volvió inteligente, capaz de adaptar la sujeción de la pieza según sea necesario durante el proceso.

CompoTech ha desarrollado, en colaboración con CTU, KIMM y Samyang Reduction Gear, una caja de cambios híbrida metal/compuesto para vehículo eléctrico y ejes de engranajes ofreciendo peso y ruido reducidos. FUENTE: CompoTech

CompoTech también tiene trabajo en curso en una caja de cambios híbrida metal/compuesto para vehículo eléctrico, con el objetivo de reducir masa en un 25 por ciento y también reducir ruido aumentando la frecuencia natural y el amortiguamiento. Este proyecto (2016 a octubre 2019) es en colaboración con la Universidad Técnica Checa (CTU) en Praga, Instituto Coreano de Maquinaria y Materiales (KIMM, Daejeon, Corea del Sur) y Samyang Reduction Gear Co. Ltd. (Inchon, Corea del Sur). El cuerpo principal de la caja de cambios será compuesto con inserciones metálicas para superficies de cojinetes. CompoTech diseñó y produjo la caja de cambios superior e inferior, así como los ejes de engranajes. Todos comprenden múltiples piezas, que se unen adhesivamente. CTU ha proporcionado pruebas y análisis FE, mientras que los socios coreanos del proyecto proporcionan la especificación técnica y terminarán, ensamblarán y probarán las cajas de cambios.

CompoTech ha desarrollado un alerón de una pieza usando bobinado por filamento y costillas longitudinales —en lugar de costillas de mamparo convencionales, prepeg y unión adhesiva— resultando en una estructura ligera, resistente al deslaminado, especialmente en el borde de salida.
FUENTE: Ginger Gardiner, CW en JEC 2019

Alerón resistente al deslaminado

Carter explica que gran parte de la I+D que CompoTech realiza para herramientas de máquina se aplica luego a nuevas aplicaciones, como el alerón para el jet de entrenamiento L-39NG de Aero Vodochody AEROSPACE (Odolena Voda, República Checa). "Esta es una aplicación exigente, con presiones muy altas en el borde de salida", dice. Además de cargas de vuelo, la versión armada del avión experimenta ondas de presión cuando se disparan cohetes montados en el ala. "Con construcción compuesta convencional, había deslaminado en el borde de salida del alerón", señala Carter. "Eliminamos toda la unión adhesiva y en su lugar creamos una estructura integral usando bobinado por filamento en húmedo y co-curado. Pasamos meses desarrollando el diseño y pasos de proceso. Primero, nuestro bobinador asistido por robot se usa para bobinar las cuatro vigas de caja que forman los spars del alerón. Estos son trapezoides y luego formas en D en los bordes de ataque y salida. El borde de salida también tiene una pieza separada puesta sobre él para crear una superficie más aerodinámica".

"Luego unimos todas estas piezas en sus mandriles juntas y sobrebobinamos para crear las superficies exteriores sobre las costillas longitudinales", continúa Carter. Toda la estructura se embolsa al vacío y cura a temperatura ambiente con un post-curado a 90°C.

"Este proyecto es un buen ejemplo de cómo trabajamos con un cliente desarrollando la tecnología de proceso y diseño. Nuestra idea no es producir en masa alerones u otras piezas. Produciríamos las máquinas y nuestros clientes bobinarían las piezas". El alerón ya está volando y Aero Vodochody tiene un pedido pendiente de 4 años para entrenadores jet L-39NG.

En general, el proceso de bobinado en húmedo de CompoTech se basa en precisión, básicamente creando towpreg sobre la marcha. "Usamos principalmente resinas epoxi y curado a 100°C", dice Carter. "Para aplicaciones que requieren un Tg más alto, como algunas herramientas de fondo de pozo que produjimos para uso en la industria de petróleo y gas, podemos curar a 140°C".

Ejemplos de compuestos celulares 3D para alta rigidez axial, secciones gruesas y complejas. FUENTE: CompoTech

Procesos novedosos

Compuesto celular 3D (3Dc) es el nombre de CompoTech para una serie de procesos que producen un compuesto con refuerzo tridimensional. Resultando en una sección transversal con apariencia celular, esta construcción logra alto contenido de fibra axial en la dirección x interconectado con fibras en las direcciones y e z, que forman las paredes de la celda. "Creamos este proceso para piezas gruesas que requieren rigidez axial muy alta", dice Carter. Esa rigidez es creada por el muy alto contenido de fibra a 0° (axial). Las paredes de la celda también transportan carga de cizalladura a través de la sección vía las paredes de la celda y permiten secciones más interesantes, como la ranura en T mostrada arriba.

La compañía también está imprimiendo en 3D mandriles y soportes para cumplir requisitos de torsión y frecuencia natural sin laminados más gruesos. "Este es otro proyecto trabajando con CTU", dice Carter, "donde estamos desarrollando diseño automatizado interno de estructuras". Señala que el bobinado de compuestos termoplásticos está despegando masivamente. "Ese es nuestro próximo paso, combinar nuestro bobinado en termoplásticos con impresión 3D y usar plegado para crear herramientas de moldeo innovadoras para compuestos así como estructuras de herramientas de máquina".

CompoTech usa procesos hibridados para crear estructuras de pórtico CFRP rígidas y ligeras que mejoran precisión y velocidad de máquina. FUENTE: CompoTech, Eagle Laser.