Avances en soldadura de compuestos termoplásticos: De la investigación al uso comercial

Este blog acompaña al artículo de septiembre 2018 "Soldadura de compuestos termoplásticos". Es una compilación de imágenes y detalles que no encajaban en el artículo impreso, incluyendo una cronología de desarrollos de soldadura por inducción y detalles sobre calificación para futuras aeronaves comerciales, así como secciones cortas sobre reparación, desarrollos para automoción y soldadura termoplástico-termoestable (TS-TP).

Para reiterar por qué los ensamblajes de compuestos termoplásticos (TPC) soldados son de interés tanto para aeroespacial como automoción en estructuras ligeras, compare las dos imágenes abajo del mamparo trasero de presión del Airbus A320. La imagen superior es la versión actual de aluminio. Observe el gran número de remaches. Ahora compare con el demostrador TPC soldado presentado por Premium Aerotec en la feria aérea ILA 2018 en Berlín. Observe la ausencia de remaches. Para compuestos, esto no solo elimina el peso, tiempo y coste de fijadores, sino también el tiempo y coste de posicionar y taladrar agujeros, más limpieza e inspección de esos agujeros. También significa estructuras mucho más ligeras sin los refuerzos de laminado requeridos para compensar cortes a través de fibras portantes de carga.

Mamparo trasero de presión A320 de compuesto termoplástico soldado (abajo) ofrece solución sin remaches vs. construcción actual de aluminio (arriba).
FUENTE: RUAG (arriba) y Premium Aerotec (abajo), Centro DLR para Tecnología de Producción Ligera (Augsburg, Alemania)

"Otro beneficio es que la inspección para estructuras soldadas es más fácil versus ensamblajes unidos con adhesivo", dice Dr. Hans Luinge, director de I+D y desarrollo de producto de compuestos termoplásticos para proveedor de materiales TPC TenCate-Toray Group. "C-scan funciona bien, mostrando si no hay porosidad en el laminado, lo que significa que la soldadura es buena. Para estructuras unidas con adhesivo, puedes tener un beso de unión o contaminantes que son difíciles de detectar". Aunque TenCate-Toray no desarrolla tecnología de soldadura en sí, apoya una variedad de proyectos de industria y clientes. "Optimizamos nuestros materiales según sea necesario", dice Luinge, "e intentamos guiar desarrollos en la dirección correcta basándonos en nuestra participación prolongada en esfuerzos como TAPAS y con socios como KVE Composites, el TPRC, proveedores Tier y OEMs."

Desarrollos de soldadura por inducción

KVE Composites ha desarrollado soldadura por inducción para TPCs desde 2001. Aplicaciones tempranas usaron laminados de tela de fibra de carbono/PPS, incluyendo elevadores y timón para aviones de negocio Gulfstream G650 y Dassault Falcon 5X.

KVE Composites ayudó a desarrollar la producción de elevadores y timón soldados por inducción de GKN Fokker (izquierda) para el Gulfstream G650 (derecha) y aviones Dassault Falcon 5X.
FUENTE: KVE Composites, GKN Fokker (izquierda) y Gulfstream (derecha).

Otras aplicaciones TPC soldadas por inducción incluyen puertas de acceso a tanque de combustible producidas por AVIACOMP S.A.S. (Launaguet, Francia y ahora parte de Grupo Sogeclair) para el ala del Airbus A220 (previamente Bombardier CSeries). (Aviacomp también produjo los largueros para el fuselado TPC soldado de STELIA mostrado en el Salón Aeronáutico de París 2017.)

Aviacomp usa tecnología de soldadura por inducción desarrollada por KVE Composites en su producción de puertas de acceso a tanque de combustible TPC para el avión de fuselaje estrecho Airbus A220.
FUENTE: Aviacomp, parte de Grupo Sogeclair.

Esta categoría general de puertas de acceso es una oportunidad para la soldadura TPC de ahorrar costes, mostrada en un estudio de diseño y fabricación completado por KVE Composites. Incluso aviones más pequeños pueden tener hasta 60 de estos paneles de acceso, todos de forma diferente, y típicamente hechos usando construcción de sándwich compuesto con núcleo de panal mecanizado. "Si usas ensamblaje termoplástico soldado, puedes hacer todos los diferentes paneles de acceso para un avión con solo $100,000 en costes de utillaje, lo que es un ahorro dramático", dice Harm van Engelen, director gerente de KVE Composites. "No necesitamos mecanizar núcleo, solo usamos componentes 'tipo lego' —láminas planas y rigidizadores estampados— soldados juntos para formar las diversas formas. Además, nuestro utillaje es más como un útil de soldadura, así que coste relativamente bajo vs. lo que usan hoy. Todos los paneles de acceso para un avión podrían hacerse en una sola celda de soldadura."

Ensamblaje termoplástico soldado para paneles de sobrevuelo de avión puede hacerse usando celdas automatizadas de formado y soldadura y ahorrar $100,000 en costes de utillaje. FUENTE: KVE Composites.

KVE Composites continúa su desarrollo de tecnologías de soldadura TPC, como se ilustra en las cronologías abajo. La celda de producción mostrada abajo para 2019 es la máquina Falko ATL (colocación automática de cinta), producida por Boikon (Leek, Países Bajos) usando un efectors final de soldadura ultrasónica desarrollado por GKN Fokker. "Esta celda robótica permite un proceso y sistema de control más eficiente para el siguiente nivel de producción de piezas TPC en volumen vs. los métodos pick-and-place usados hoy", explica Maarten Labordus, jefe de I+D de KVE Composites. "Por ejemplo, puedes hacer layup totalmente automático de los laminados de piel y nervio para una superficie de control de jet regional (que es aproximadamente 60mm x 3m), aplicar un paso de consolidado y formado fuera de autoclave, y luego completar el ensamblaje en una celda de soldadura adyacente". La máquina Falko ATL también demuestra control de bucle cerrado ya desarrollado por GKN Fokker para soldadura ultrasónica. "La máquina es capaz de controlar el nivel de energía según necesidad por tipo de material, espesor y forma, sin embargo, la consolidación total de fundido del preformado plano se requiere después durante el moldeo de la pieza TPC terminada", explica Arnt Offringa, jefe de I+T de Aeroestructuras para GKN Fokker.

FUENTE: KVE Composites

Calificación

Mostrado arriba como iniciativa clave de desarrollo en 2017, la calificación de procesos de soldadura por inducción para aeroestructuras TPC es una prioridad continua. Según el resumen para la próxima presentación de KVE Composites en la 4ª Conferencia Internacional y Exposición sobre Compuestos Termoplásticos (ITHEC, 30-31 oct 2018 en Bremen, Alemania), en los últimos años la soldadura de compuestos termoplásticos (TPC) ha visto un cambio desde polímeros como PPS y PEI hacia polímeros de gama alta como PEEK, PEKK y ahora PAEK de Bajo Fundido (LM PAEK, leer más en mi blog "PEEK vs. PEKK vs. PAEK..."), así como hacia cintas UD colocadas automáticamente y laminados más gruesos para estructuras más cargadas. En respuesta, KVE Composites ha buscado mejorar y estandarizar utillajes y equipos así como modelos de simulación basados en FEA.

Configuración estandarizada para calificación de soldadura por inducción con nuevos materiales.
FUENTE: KVE Composites

Para asistir en la maduración y calificación del proceso de soldadura por inducción con estos nuevos laminados compuestos, KVE Composites ha desarrollado una configuración estandarizada para soldar cupones de cizalla simple y también de arranque en L y T. Esta configuración incluye:

• Un marco rígido para tomar cargas de la aplicación de presión al laminado durante la soldadura.
• Un bloque de herramienta inferior que puede posicionarse bajo el marco para permitir soldadura reproducible de paneles estándar.
• Un mandril inflable (fuelle de presión en la figura superior) en el bloque de herramienta inferior que puede expandirse solo en una dirección para comprimir el laminado soldado contra un disipador de calor especial ("material KVE" en la figura superior) para confinar el calor en la interfaz de soldadura.

Intercambiando los bloques de herramienta inferiores, se pueden soldar una variedad de cupones estándar y luego inspeccionar ultrasónicamente, tras lo cual se pueden cortar cupones más pequeños y probar mecánicamente. Esta configuración estandarizada ya ha sido instalada por:

• Centro de Investigación de Compuestos Termoplásticos (TPRC, Enschede, Países Bajos)
• Centro McNair en la Universidad de Carolina del Sur (Columbia, SC, EE. UU.)
• Centro Aeroespacial de Países Bajos (NLR, Marknesse, Países Bajos).

Configuración estandarizada de soldadura por inducción en KVE (izquierda) y muestra de fibra de carbono UD/PEKK soldada con termopares para registrar temperatura en línea de soldadura (derecha). FUENTE: KVE Composites.

Reparación

Otra área clave de desarrollo es cómo reparar aeroestructuras TPC. "Nos centramos primero en estructuras de tela CF/PPS que están calificadas y volando", dice Labordus. "El proceso es básicamente el mismo que el usado para reparaciones de compuestos termoestables: retirar el material dañado, preparar esa zona con un escarpe cónico y luego unir un parche de preimpregnado. Labordus dice que uno de los problemas es que el preimpregnado termoplástico a temperatura ambiente es rígido y no se pega, "así que es difícil que la geometría coincida". Sin embargo, cree que los sistemas de reparación robóticos desarrollados por Airbus, Lufthansa y otros ofrecen una solución.

Como parte de su desarrollo continuo de reparaciones estructurales de compuestos termoplásticos soldados, KVE Composites ha logrado uniones cónicas lineales 2D soldadas por inducción en laminados de tela CF/PPS con espesor uniforme y 90% de propiedades del material virgen.
FUENTE: KVE Composites.

Tales sistemas usan metrología para medir con precisión escarpes cónicos mecanizados robóticamente y luego unir un parche prefabricado que ha sido mecanizado cónicamente robóticamente para coincidir. "Queremos usar soldadura por inducción para soldar un parche termoplástico a la estructura original", dice Labordus, pero aún hay problemas por resolver. "Dependiendo de la forma de la pieza y el parche, las corrientes de Foucault no se forman en todas partes, así que podemos obtener zonas de frio o sobrecalentamiento. KVE Composites ha trabajado en esto y logró una unión cónica lineal 2D en laminados de tela CF/PPS con espesor uniforme y soldadura perfecta. "Estuvimos dentro del 10% de las propiedades del material virgen", dice Labordus.

El siguiente paso será soldar por inducción dos piezas rectangulares cada una con borde escarpado y luego soldar un parche cónico a un agujero circular/elíptico con escarpe cónico, que es esencialmente el método usado para reparaciones de compuestos termoestables. "Si eso funciona, pasaremos a laminados UD hechos con PEEK y PEKK", dice Labordus. Señala que un sistema para usar una bobina de inducción para hacer reparaciones en campo no se ha demostrado aún, "pero se puede hacer en el laboratorio". Otro problema es cómo aplicar presión para contacto suficientemente cercano entre el parche de reparación y la superficie cónica. "Ahora mismo, la presión usada en la herramienta de laboratorio es 5 bar. No estoy seguro si la presión de solo bolsa de vacío es suficiente, pero con material UD más plano, 1 bar de solo bolsa de vacío puede estar bien."

Soldadura por inducción bajo bolsa de vacío —un posible habilitador para futuras reparaciones en campo de compuestos termoplásticos— está siendo desarrollada por Michel van Tooren y su equipo en el Centro McNair de la Universidad de Carolina del Sur. FUENTE: Michel van Tooren.

Este trabajo en KVE Composites se está extendiendo por Michel van Tooren, director del Centro SmartState para Materiales y Estructuras Multifuncionales, parte del Centro McNair en la Universidad de Carolina del Sur (Columbia, SC, EE. UU.). "Estamos soldando compuestos termoplásticos por inducción bajo una bolsa de vacío, que es muy similar a cómo se hacen hoy las reparaciones de compuestos en campo con un calentador y manta térmica", explica. "La bolsa de vacío se comporta como utillaje blando para compresión de las dos piezas. Aplicas corriente de inducción y logras una reparación por fundido. Solo necesitas tener definidos los límites y parámetros del proceso. En algunos aspectos es más fácil que la reparación termoestable porque siempre puedes refundir la reparación si es necesario, incluso al otro lado del mundo o después de 20 años de servicio. Y el resultado no es una unión adhesiva sino una pieza cohesiva, así eliminas todos los problemas de unión y cómo saber si tienes una buena unión en una reparación termoestable". Él también cree que con las tecnologías de reparación robótica automatizada que se desarrollan ahora, "la soldadura por inducción de una reparación sería relativamente sencilla".

Soldadura termoestable a termoplástico

Van Tooren también está desarrollando soldadura por inducción para unir compuestos termoestables y termoplásticos. "Introducimos termoplástico en un compuesto termoestable, pero solo donde queremos soldar", explica. "Injertamos una nanopartícula y hacemos una pequeña polimerización cruzada. El resultado es una isla de termoplástico implantada y co-fundida químicamente con el compuesto termoestable. Luego puedo soldar sobre la isla termoplástica". De nuevo, la visión es métodos alternativos para unión y ensamblaje de compuestos que eviten taladrar agujeros y los problemas asociados con unión adhesiva convencional.

Esquema de unión TSC-TSC vía capa de acoplamiento termoplástico PVB antes de soldar (arriba). Configuraciones (abajo) para soldadura por inducción (izquierda) y soldadura ultrasónica (derecha).
FUENTE: "Soldadura híbrida de compuestos basados en CF/epoxi".

La soldadura de laminados de compuestos termoestables (TSC) a laminados TPC (o soldadura TS-TP) está siendo perseguida por múltiples organizaciones de investigación. Irene Fernandez Villegas en TU Delft —mencionada en el artículo impreso como líder en desarrollo de soldadura ultrasónica continua de TPCs— co-autoreó un artículo de 2017 titulado "Soldadura híbrida de compuestos reforzados con fibra de carbono basados en epoxi" junto con Francesca Lionetto en la Universidad de Salento (Lecce, Italia), Silvio Pappadà en CETMA Composites (Brandisi, Italia), y otros. Los fundamentos son:

• Polivinilbutiral (PVB) es un polímero termoplástico semicristalino, de bajo coste, con temperatura de fundido 150-170 °C caracterizado por excelente capacidad de unión y formación de película y adhesión a muchas superficies.
• PVB (Mowital, suministrado por Kurakay) se usó como capa de acoplamiento, añadida y co-curada a un laminado TSC de tela de fibra de carbono/epoxi de 14 capas (preimpregnado Hexcel 3501-6 con contenido de fibra 58% y curado a 180 °C).
• Entrelazado macro-mecánico entre la capa de acoplamiento PVB y el compuesto CF/epoxi se logró mediante penetración parcial de la resina PVB en la primera capa del TSC (típicamente entre 10 y varios cientos de micras de espesor) durante co-curado y difusión de monómeros epoxi en la película termoplástica PVB.
• Procesos de soldadura por inducción y ultrasónica resultaron en uniones soldadas adecuadamente fuertes, con las uniones CF/epoxi a CF/epoxi soldadas a través de capas de acoplamiento PVB mostrando resistencia a cizalla de ≈25 MPa, que está dentro del rango típico de valores de resistencia para uniones CF/epoxi unidas adhesivamente.

Automoción

Casi todas las empresas incluidas en el artículo impreso de soldadura termoplástica están mirando automoción así como aeroespacial. "La soldadura ayuda a hacer compuestos competitivos versus aluminio", dice Offringa en GKN Fokker. "Automoción también mira la soldadura como alternativa rápida al pegado. Hemos hablado con varias empresas automotrices sobre procesamiento rápido de compuestos". Señala que las carrocerías de coche de fibra de carbono son mayormente termoestables, unidas con un espesor especificado de adhesivo. "Si pudieras hacer estas piezas usando compuestos termoplásticos y eliminar huecos entre componentes soldando el ensamblaje, entonces puedes hacer una estructura de carrocería más rígida, lo que aporta beneficios de peso, coste y rendimiento."

Configuración de proceso de soldadura por inducción dinámica de Composite Integrity.
FUENTE: Composite Integrity.

Jérôme Raynal, gerente de desarrollo de negocio para Composite Integrity también ve potencial. Su empresa trabajó con STELIA Aerospace para desarrollar el proceso de soldadura por inducción dinámica usado para unir largueros de cinta UD CF/PEKK y pieles de fuselaje en el demostrador TP, presentado en el Salón Aeronáutico de París 2017. "Hemos desarrollado soldadura resistiva para automoción con tanto poliamida [PA, nailon] como polipropileno [PP] compuestos", dice Raynal. "Tenemos una variedad de diferentes tecnologías para esto. Por ejemplo, podemos incrustar un hilo metálico en una pieza, ponerla en contacto con otra e inyectar corriente. También podemos colocar un parche resistivo de fibra de carbono en la interfaz de soldadura para generar el calor de soldadura requerido". En un desarrollo, dos componentes de CF/PA fueron soldados usando un parche resistivo especialmente diseñado hecho con el mismo polímero y un vellón de fibra de vidrio para aislar eléctricamente el laminado adyacente y concentrar la energía en la línea de soldadura. ¿Qué pasa con inserciones metálicas que son muy típicas en piezas automotrices? "Piezas con inserciones metálicas no son problema con soldadura resistiva, y con soldadura por inducción usarías una bobina especialmente diseñada o modificarías los campos electromagnéticos y corriente de alguna otra forma", responde Raynal. "Esto habría que desarrollarlo, pero es similar a lo que ya hemos demostrado para producción automatizada de estructuras de aeronaves."

Desarrollos adicionales y otros proyectos

Una nota sobre la imagen inicial. Muestra un render CAD del proceso automatizado desarrollado por el Centro DLR para Tecnología de Producción Ligera (DLR ZLP, Augsburg, Alemania) usando una cabeza de soldadura ultrasónica en un robot industrial KUKA Quantec KR210 para unir ocho secciones TPC en un mamparo trasero de presión (RPB) para un avión tipo A320. En el artículo impreso adjunto sobre soldadura TPC, discutí el desarrollo de DLR ZLP de un método de soldadura resistiva que se usó en el demostrador A320 RPB de Premium Aerotec exhibido en la feria aérea ILA 2018 en Berlín. Según Lars Larsen, gerente de grupo para tecnologías de ensamblaje y unión en DLR ZLP, "En paralelo al proceso de soldadura resistiva usando un 'puente de soldadura', también hemos desarrollado una cabeza de soldadura ultrasónica actuada robóticamente. Hemos completado pruebas preliminares para determinar los parámetros de proceso de soldadura relevantes, y en los próximos meses refinaremos la integración de ese efectors final de soldadura ultrasónica en nuestro robot. Nuestro objetivo es desarrollar un único proceso industrial para soldar tanto largueros de fuselaje de aeronave como mamparo trasero de presión hechos con compuestos termoplásticos."

Otros proyectos que no tuve oportunidad de cubrir esta vez incluyen EireComposites y su participación en los proyectos Ybridio e Innova, persiguiendo el potencial de la soldadura para reducir coste y aumentar automatización. La empresa reporta capacidad de soldadura por inducción y resistiva para compuestos CF/PEEK, CF/PEKK y GF/PP y que la soldadura termoplástica fue evaluada para el ala del Bombardier CSeries (ahora Airbus A220).

Tods Aerospace, ahora parte de Unitech Aerospace, participó en un Programa Nacional de Explotación de Tecnología Aeroespacial (NATEP) patrocinado por Rolls-Royce que analizó desarrollo de una técnica de soldadura resistiva que no use implantes metálicos incrustados. TenCate-Toray y el Centro Nacional de Compuestos (Bristol, Reino Unido) también fueron socios.

Este demostrador de proceso exploró un método para fabricar estructuras TPC con rigidizadores en forma de sombrero. FUENTE: Unitech Aerospace (comenzar en Sección 6, p. 39)

Estén atentos, ya que planeo cubrir los desarrollos de Laser Zentrum Hannover (LZH) con soldadura láser de compuestos termoplásticos en el futuro próximo.

FUENTE: LZH Laser Zentrum Hannover e.V.