Cómo la fibra de carbono acelera el futuro de los eVTOL taxis aéreos

Este blog responde a un artículo de enero de 2019 en la revista WIRED, que afirma que la producción de compuestos de fibra de carbono está frenando el desarrollo de aviones eléctricos (EV)/despegue y aterrizaje vertical (VTOL) para el mercado de movilidad urbana y taxis aéreos. Voy a debatir esto, pero también ofreceré alguna tecnología potencialmente disruptiva, así que lean hasta el final.

Aunque aplaudo al autor por cubrir esta industria emergente rápidamente, y por señalar la necesidad de diseñar pensando en la fabricabilidad, a veces es engañoso, muy probablemente porque no está muy educado sobre la industria de compuestos. Por ejemplo:

Aunque eso es técnicamente cierto, Airbus está aumentando a 60 aviones A320/mes para mediados de 2019 y Boeing va camino a 57 aviones/mes para el B737, también en 2019. Para el A320, esto significa producir tres ensamblajes de plano vertical de cola de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) de 6.3 m de alto por día y también tres ensamblajes de plano horizontal de cola de 12.45 m de envergadura por día.

Ensamblaje automatizado FLEXMONT para producir planos verticales de cola CFRP para aviones A320 (arriba) y Pultrusión RTM (14 cm/min) para producir largueros de ala de aviones A350 (abajo). FUENTE: Fraunhofer y CTC Stade.

Además, Airbus ha estado calificando una tecnología tras otra —muchas usando compuestos, y todas apuntando a 60-70 aviones por mes— para la próxima iteración del A320, conocida como A320 Neo Plus. Estas tecnologías de compuestos abarcan una cartera que incluye moldeo por transferencia de resina (RTM), moldeo por compresión de compuesto de moldeo en lámina (SMC) y compuestos termoplásticos (TPC) que tienen tiempos de ciclo fácilmente capaces de 700+ aviones por año. Algunas de las tecnologías más nuevas en desarrollo están reduciendo los tiempos de ciclo de piezas CFRP de 4 horas a 15 minutos o menos. La mayoría de las nuevas tecnologías que Airbus ha calificado están altamente automatizadas, al igual que los nuevos métodos de ensamblaje.

La industria automotriz también ha allanado el camino hacia una producción en masa mayor que la que requerirán los eVTOL (WIRED citó una demanda proyectada de 23,000 vehículos para 2035). BMW está aumentando la producción de sus modelos i3 y i8 —ambos con celdas de pasajeros totalmente de CFRP— de 130 a 200 unidades/día y el proveedor de Audi Voith Composites está produciendo la pared trasera CFRP para el A8 a una tasa de 150-300 unidades/día. Nota que los módulos BMW i3 y i8 son muy similares al fuselaje que se muestra abajo para el Airbus Helicopters EC 135 —ambos fabricantes luego atornillan exteriores y componentes interiores a este marco.

Los marcos de carrocería BMW i3 e i8 son muy similares al de Airbus Helicopters EC135.
FUENTE: Milestones of the Leading-Edge Cluster – Review and Future Prospects, MAI Carbon, pp 36-7 (arriba), BMW y Airbus Helicopter (abajo).

Mientras tanto, la pared trasera del Audi A8 se hace con un tiempo de ciclo de 5 minutos usando RTM y colocación automatizada de cinta de fibra de carbono en seco, adaptada en longitud y orientación de fibra para cumplir cargas específicas, y variando desde una base de 6 capas (1.5 mm de espesor) hasta 19 capas (3.7 mm de espesor) donde se añade refuerzo local para cumplir cargas puntuales altas. Esta sola pieza proporciona el 33% de la rigidez torsional de la celda de conducción al 50% del peso vs. un ensamblaje de tres a cinco piezas de aluminio soldadas.

El Audi A8 2019 presenta una pared trasera CFRP hecha en 5 minutos desde cinta de fibra de carbono. FUENTE: Audi y Voith Composites.

Termoplásticos

Pero estos ejemplos ni siquiera están explotando la tecnología termoplástica, favorecida como la elección para el nuevo avión de tamaño medio de Boeing (NMA), que está programado para ser anunciado antes del 2T 2019. Las piezas termoplásticas han volado en aviones desde los años 90, mientras el desarrollo ha continuado, con Airbus y proveedores Tier 1 europeos prototipando secciones de ala y fuselaje cada vez más grandes (con refuerzos integrados), escalando a demostradores de fuselaje a tamaño real este año. Nota que los compuestos termoplásticos también permiten soldadura, dando más oportunidades para eliminar sujetadores y ensamblaje.

Automated Dynamics, ahora parte de Trelleborg Group, produjo este cola de helicóptero de tamaño completo, rígidamente reforzada con CF/PEEK en 2012 usando consolidación in-situ durante colocación automática de fibra, eliminando largos ciclos de autoclave así como sujetadores y adhesivos.
FUENTE: Automated Dynamics, Trelleborg

La cadena de suministro para materiales y procesamiento TPC se ha coalescido rápidamente en los últimos tres años, con todos los principales proveedores de fibra de carbono ahora produciendo cintas termoplásticas y piezas sobremoldeadas de bajo tiempo de ciclo demostradas por múltiples empresas para aplicaciones aeroespaciales y automotrices. La soldadura termoplástica también ha sido demostrada por múltiples empresas.

Extracto de "Sobremoldeo como habilitador para compuestos, aeroespacial a automotriz", entrevistando a Scott King en el fabricante de compuestos CCP Gransden:

CCP Gransden ha refinado su tecnología de termoformado en un paso y sobremoldeo de compuestos termoplásticos para producir componentes ligeros y complejos con típicamente < 2 min tiempos de ciclo, usando una amplia gama de polímeros y fibras. FUENTE: CCP Gransden

Tecnología más nueva

Pero la tecnología ha avanzado desde 2014 para ahora incluir varios desarrollos interesantes:

Termoplásticos sobremoldeados sobre termoestables

El proyecto OPTO-Light en AZL Aachen demostró costillas y clips de compuesto termoplástico (TPC) sobremoldeados sobre una pieza compuesta de fibra de carbono/epoxi.

Sobremoldeo + Pultrusiones UD portantes de carga

El proyecto MAI Skelett ha demostrado pultrusiones TPC sobremoldeadas en un proceso de dos pasos, 75 segundos, para producir un miembro estructural de techo/marco de parabrisas que supera todos los requisitos de piezas BMW i3 mientras integra sujetadores y clips, así como cambiando el comportamiento de fallo de frágil a dúctil para mayor resistencia residual BIW.

El socio del proyecto SGL Carbon ahora suministra fibra de carbono con dimensionado apropiado para soluciones de matriz única usando familia PP o PA6, incluyendo pultrusiones, organolámina y compuesto de sobremoldeo, así como experiencia en diseño y proceso para desarrollo de piezas, esta última a través de su Centro de Aplicaciones Ligero (LAC, Meitingen, Alemania).

El nuevo sistema patentado de fijación de alta precisión de BMW usa clips moldeados por inyección o sobremoldeados (abajo) y bolas impresas en 3D (arriba) sin sujetadores, agujeros taladrados o adhesivo. Las imágenes de abajo muestran cómo este sistema permite que el acabado interior personalizado impreso en 3D se "encaje" como parte del programa 2019 MINI Yours Customised.

FUENTE: Patente DE 10 2013 214 269 B3 (arriba)
https://www.youtube.com/watch?v=1pyxNKw-nf8 (abajo)

Volviendo al artículo de WIRED y sus afirmaciones no informadas:

Es cierto que este método de producción CFRP se ha usado por muchos años, pero también es cierto que tanto fabricantes de aviones como automotrices ya han cambiado a materiales y procesos más automatizados, de desperdicio cercano a cero, así como termoplásticos con ventajas probadas en eliminación de sujetadores, permitiendo reciclabilidad/contenido reciclado y reparabilidad.

Al final, el autor de WIRED contradice su tesis completa porque el pionero eVTOL ICON planea no solo avanzar con su fuselaje CFRP sino también fabricar piezas para aviones más grandes. La fibra de carbono obviamente no va a dejar en tierra los eVTOLS sino que ya está jugando un papel clave en empresas que impulsan ingeniería inteligente para una amplia gama de vehículos futuros, tanto en el aire como en la carretera. Usar la última tecnología tiene sentido porque todos estos nuevos vehículos tienen que ser certificados de todos modos.

Un punto clave sí se hizo en el artículo por el CEO de BetaTechnologies, Kyle Clark:

El CEO de Blue Force Technologies, Scott Bledsoe, también enfatizó la importancia de tener equipos de aerodinámica, propulsión, estilo, estructuras y fabricación, cada uno con un asiento igual en la mesa durante cada paso de diseño y desarrollo.

Pero quizás lo más importante es mantenerse al día sobre hacia dónde se mueve la fabricación de compuestos y conectar con los muchos proveedores de materiales, equipos y tecnología que quieren compartir su experiencia y ayudar a desarrollar aplicaciones futuras. Contáctenos en CompositesWorld porque eso es lo que hacemos — proporcionar conexiones e información técnicas y confiables.