Boeing presenta la primera sección de fuselaje de compuestos para el 787 Dreamliner

En 2003, cuando The Boeing Co. (Chicago, IL, EE. UU.) anunció planes para desarrollar lo que sería su avión comercial 787, destacó que sería el primero en contar con fuselaje, alas, cola y otras estructuras principales fabricadas en compuestos de fibra de carbono, en lugar del aluminio estándar de décadas. Casi tan notable fue la decisión de Boeing de subcontratar la fabricación de estas estructuras a una red global de proveedores que construirían subconjuntos completos, unidos finalmente en la línea de montaje final de Boeing en Everett, WA, EE. UU. La lista de proveedores, hoy bien conocida, incluye a Mitsubishi Heavy Industries y Kawasaki Heavy Industries (Tokio, Japón), Alenia Aeronautica (Nápoles, Italia) y, sobre todo en EE. UU., Spirit AeroSystems.

Spirit fue elegida para fabricar toda la sección frontal del fuselaje del 787 —llamada Sección 41—, que incluye cabina, parabrisas, dos puertas, nueve ventanillas de pasajeros y toda la aviónica, asientos de cabina y cableado. Con 6,2 m de diámetro y 12,8 m de largo, la Sección 41 es, probablemente, la más compleja de las secciones del fuselaje.

La selección de Spirit no fue sorpresa. Su historia se remonta a 1927, cuando el pionero de la aviación Lloyd Stearman trasladó su Stearman Aviation Co. de California a Wichita. Dos años después, Boeing —entonces United Aircraft and Transport Corp.— adquirió Stearman. La planta de Boeing en Wichita fabricaría algunos de los aviones militares más icónicos de EE. UU., como el B-29 Superfortress, el B-47 Stratojet y el B-52 Stratofortress.

En 2005, cuando Boeing inició en serio el desarrollo de fabricación del 787, el campus de Wichita había sido vendido por Boeing y rebautizado como Spirit AeroSystems. Eric Hein, director senior de I+D y ManTech de Spirit, afirma que la empresa —ahora con ubicaciones adicionales en EE. UU. (Kansas, Oklahoma, Carolina del Norte), Escocia, Francia y Malasia— alberga la mayor capacidad mundial de fabricación de aviones comerciales. Además del 787, Spirit construye estructuras principales (mayormente metálicas) para el 737, 747, 767 y 777 de Boeing; el Airbus A320, A350 (también intensivo en compuestos) y A380; el Bombardier CSeries; el Mitsubishi MRJ; el Sikorsky CH-53K (helicóptero) y el Bell V-280 (tiltrotor). Spirit, dice Hein, tuvo ingresos de 7.000 millones USD en 2017 y disfruta de una cartera de 46.000 millones USD.

Fuselaje monolítico

La visita de CW a la zona de producción del 787 está guiada por José Sánchez, gerente senior de operaciones del 787 en Spirit. Spirit AeroSystems construye su parte del fuselaje del 787 como una estructura monolítica, combinando un proceso automatizado de colocación de fibra/cinta con largueros co-curados para formar un barril de una sola pieza. (Cabe destacar que Airbus diseñó posteriormente el A350 XWB con un fuselaje de paneles de compuesto de fibra de carbono, en lugar de una estructura de una pieza; Spirit fabrica paneles de fuselaje para el A350 en Kinston, NC, EE. UU., y los ensambla en Francia).

Los materiales compuestos para las estructuras principales del 787, como se ha informado ampliamente, provienen de Toray Industries (Tokio, Japón) y son preimpregnado (prepreg) Torayca serie 3900 reforzado con fibra de carbono de módulo intermedio T800S. El prepreg se suministra como cinta UD, cinta cortada (para colocación automatizada de fibra/cinta) y tejidos.

El diseño del fuselaje del 787 establece dos operaciones básicas de fabricación en compuestos: corte y conformado de largueros, y colocación de fibra en la piel del fuselaje. La clave está en combinar los largueros con la piel colocada por fibra para permitir una estructura co-curada. Por ello, Spirit y, por extensión, Boeing, dan gran importancia a los procesos realizados en la primera parada: fabricación de largueros.

Esta línea altamente automatizada cuenta con una mesa de corte American GFM (Chesapeake, VA, EE. UU.) que corta el prepreg Torayca serie 3900 en capas. Estas se transfieren a una mesa de kitting, donde las capas se apilan manualmente, guiadas por un láser LAP Laser (Erlanger, KY, EE. UU.) superior, y se preparan para el conformado. Sánchez afirma que esta línea de fabricación de largueros encarna gran parte de la propiedad intelectual que Spirit desarrolló para la fabricación de la Sección 41 y es una parte crítica de la operación de la planta.

Los largueros preformados, al salir de la línea, son transferidos por operarios a un mandril adyacente de la Sección 41 que será el foco de todas las operaciones de fabricación de compuestos. El mandril, dice Sánchez, que tiene la forma y dimensiones de la sección frontal del fuselaje, está fabricado en compuesto de fibra de carbono/bismaleimida (BMI) y consta de seis segmentos. Cada segmento está dividido lateralmente a lo largo del mandril. En la superficie de cada sección se mecanizan ranuras, a lo largo de la herramienta, donde se colocan los largueros preformados, con la base plana del larguero hacia afuera.

Tras colocar todos los largueros en sus ranuras, los operarios recubren todo el mandril con una tela de alambre entrelazado (IWWF), fabricada por Toray Composites (America) Inc. (Tacoma, WA, EE. UU.), que proporciona protección contra rayos para todo el fuselaje del 787. Esta estructura se recubre luego con film de bolsado plástico. El film mantiene la IWWF y los largueros en su sitio mientras el mandril es trasladado vía vehículo guiado manualmente a la siguiente estación —colocación automatizada de fibra (AFP)— y luego se retira para el AFP.

Quizás ningún proceso simbolice más el uso de compuestos en el 787 que el sistema AFP usado para fabricar la piel del fuselaje. El AFP, incluso al amanecer del programa 787, se usaba desde hacía años, por lo que no era nuevo en la fabricación de compuestos. Lo nuevo, con el 787, fue la escala de la aplicación. Pocas estructuras de compuestos hechas con AFP se acercan al tamaño de incluso una sección de fuselaje del 787.

Cuando Spirit estableció la producción del 787 en Wichita, el AFP se realizaba con una máquina de 32 creels suministrada por Ingersoll Machine Tools Inc. (Rockford, IL, EE. UU.). Sin embargo, a principios de los 2000, Boeing comenzó a trabajar con el especialista en automatización Electroimpact (Mukilteo, WA, EE. UU.) en el desarrollo de una nueva máquina AFP con cabezales modulares e intercambiables. Cada cabezal almacenaría todas las bobinas de fibra de carbono para un tipo de operación y podría intercambiarse relativamente fácil según el ancho de cinta requerido.

Aunque Spirit conserva su máquina Ingersoll original, se usa como respaldo. Finalmente, Spirit adquirió dos máquinas Electroimpact para realizar la mayor parte de la fabricación de la piel de la Sección 41. Sánchez explica que las máquinas AFP Electroimpact, cada una equipada con un cabezal de 16 bobinas (anchos de 0,25 y 0,50 pulgadas / 6,35 y 12,7 mm), trabajan juntas para aplicar material al mandril. El mandril se monta horizontalmente y gira sobre un husillo, mientras los cabezales recorren cada lado, colocando tows, mayormente en tramos relativamente cortos y altamente prescritos. Los visitantes pueden ver fácilmente, bajo las luces brillantes de la planta, la diversa colección de tows multiángulo ya colocados en el mandril.

Sánchez no revela cuánto tardan las dos máquinas Electroimpact en colocar toda la fibra de una piel de fuselaje, salvo decir que es "muy rápido". Toda la operación AFP es gestionada por tres operarios en la máquina. Uno trabaja en una cabina de control que vigila el mandril, mientras los otros dos caminan por el suelo bajo y junto al mandril, con linternas, buscando huecos, solapes, irregularidades, arrugas y residuos de objetos extraños (FOD) en la superficie de los tows preimpregnados. Los defectos deben corregirse antes del curado.

La siguiente parada para la Sección 41, tras otro bolsado completo, es el autoclave. Spirit Wichita opera dos autoclaves masivos de Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, EE. UU.). La sección de fuselaje se cura durante la noche, tras lo cual se desbolsa y el mandril de seis partes se desmonta y retira, sección por sección, por el extremo ancho del fuselaje.

Acabado posterior al curado

Lo que sigue para la Sección 41 son varios días moviéndose de estación en estación mientras la estructura avanza hacia su finalización. Esto incluye una visita a una fresadora/taladradora de pórtico de 5 ejes MTorres (Torres de Elorz, España), que taladra agujeros para los cuadernas del fuselaje y otras estructuras interiores, así como aberturas de puertas, ventanillas y tren de aterrizaje delantero. El fuselaje también pasa por inspección no destructiva por eco de pulso, preparación para pintura, pintura, instalación de cristales de ventanillas, instalación de puertas y toda la instalación de estructuras/sistemas interiores. Las primeras estructuras interiores instaladas son los cuadernas circulares (metálicos y de compuestos), que se unen a los largueros y a la piel del fuselaje. En todos estos procesos, la Sección 41 se trabaja en cada estación con la quilla arriba o abajo, según la actividad.

Durante la visita de CW, se observaron aproximadamente 30 puestos de trabajo, cada uno con una estructura de Sección 41 en algún estado de ensamblaje, y cada sección sale de Wichita lista para integración inmediata en la línea de montaje final (FAL) de Boeing en Everett. Boeing construye actualmente 12 787 al mes y se compromete a 14 al mes para 2019 —un número inusualmente grande para un avión de fuselaje ancho.

Sánchez señala que Spirit lleva casi una década trabajando en la fabricación de la Sección 41 —ya sea en desarrollo o en producción real—. Cualquier error, problema o idiosincrasia que pudiera existir se identificó y resolvió hace tiempo. Cumplir esa tasa de 14 kits al mes, dice, no será un problema.

I+D de próxima generación

Al salir de la instalación de fabricación de la Sección 41, CW es guiado al exterior a un edificio vecino para reunirse con Pierre Harter, director de investigación avanzada en Spirit. Anteriormente ingeniero en la ya desaparecida Adam Aircraft (Denver, CO, EE. UU.) y en Bombardier (Montreal, QC, Canadá), y graduado en la Universidad Estatal de Wichita, Harter conduce a CW a lo que parece un edificio anodino, de múltiples pasillos y puertas, que rápidamente se revela como el centro de la investigación y desarrollo de compuestos de Spirit.

Por sofisticada que sea la línea de fabricación de la Sección 41 de Spirit, el hecho innegable es que utiliza tecnología de fabricación de compuestos que era nueva hace más de una década. Las realidades de la cualificación aeroespacial (tanto en coste como en tiempo) y de fabricación obligan a Spirit y proveedores similares a decidirse por una tecnología de fabricación para una estructura aeronáutica desde el principio y mantenerla durante la duración del programa. La capacidad de actualizar equipos y materiales, por tanto, a menudo es limitada, independientemente de lo ventajosos que puedan ser avances más recientes en tecnología de fabricación de compuestos.

El trabajo de Harter, por tanto, es evaluar nuevos materiales y tecnologías de compuestos emergentes y determinar cuáles probablemente tendrán cabida en aviones de próxima generación. De hecho, con el 787 y el Airbus A350 en producción, toda la cadena de suministro aeroespacial comercial está ocupada anticipando el próximo gran programa comercial y sus miembros se aseguran de adquirir el conocimiento y la experiencia que los OEM necesitan de ellos.

La sabiduría convencional dice que el próximo programa anunciado formalmente será el Nuevo Avión de Mercado Medio (NMA, o 797) de Boeing, monomotor de pasillo único, que sustituiría al 757. Se espera que este avión entre en el mercado alrededor de 2025. Aunque ciertamente usará compuestos, las preguntas para el equipo de I+D de Spirit son: ¿cuánto? ¿Dónde? ¿Y qué tipo? Nadie conoce las respuestas aún, así que Harter y su equipo evalúan todas las opciones. Así, la variedad de materiales, equipos y proyectos en desarrollo en Spirit es actualmente mareante. "Estamos trabajando en una variedad de proyectos", dice Harter. "Fuera de autoclave, RTM rápido, termoplásticos, utillaje innovador, inspección en línea, orientación de fibra. Queremos estar listos para lo que los OEM necesiten".

La pieza central del laboratorio de compuestos de Spirit en Wichita es una máquina AFP Electroimpact de 16 bobinas (tows de 0,125, 0,25, 0,5 pulgadas), que Harter dice que se usa para realizar estudios de intercambio sobre el uso de inspección automatizada en línea, así como para diversas actividades, incluido el prototipado. El objetivo del sistema de inspección automatizada, dice Harter, es eliminar el trabajo laborioso y lento que presenciamos antes en la visita, viendo a técnicos de AFP con linternas buscando solapes, huecos, arrugas y FOD problemáticos.

Spirit, dice Harter, está evaluando un sistema LASERVISION de Aligned Vision (Chelmsford, MA, EE. UU.), que obliga a Spirit a repensar qué es y qué no es un defecto real, "y a repensar cómo caracterizamos los defectos". Dice que el sistema podría estar en operación en la planta a finales de este año.

Más allá del sistema AFP, Spirit tiene una variedad de otros proyectos en marcha en diversos niveles de preparación tecnológica (TRL). Estos incluyen:

• Una herramienta de polímero con memoria de forma (TRL 6),
• Una sección de larguero hecha con HiTape de Hexcel (Stamford, CT, EE. UU.) (fibra seca) usando RTM (TRL 6),
• Un larguero infundido con sensores embebidos para control de proceso in situ, curado con autoclave u horno (TRL 4),
• Un cuaderna hecha con AFP de fibra orientada y conformado en caliente (TRL 6),
• Y utillaje impreso en 3D fabricado en la máquina Big Area Additive Manufacturing (BAAM) de la Universidad Estatal de Wichita, suministrada por Cincinnati Inc. (Harrison, OH, EE. UU.).

Otras áreas de investigación, dice Harter, incluyen preformas cosidas, AFP/ATL robótico e innovación en cabezales AFP. Esta última surgió de un desafío a finales de 2016 en Spirit para duplicar las tasas de deposición AFP en dos años. Harter dice que él y sus asociados han encontrado, en los esfuerzos por cumplir este desafío, que "una vez optimizados los procesos robóticos, se topa con los límites de la tecnología de cabezal/máquina", lo que significa que el factor limitante de la velocidad del AFP se convierte en la eficiencia de dispensación de tows de fibra. Spirit trabaja con Electroimpact y proveedores de materiales en tecnologías diseñadas para aumentar el rendimiento total.

La última parada en la visita a Spirit Wichita es la prueba de materiales y componentes. No sorprende que Spirit tenga una capacidad robusta aquí, incluyendo 15 máquinas de ensayo mecánico (capacidad 11-50 kip) suministradas por MTS Systems Corp. (Eden Prairie, MN, EE. UU.), cámaras de ensayo ambiental, capacidad de extensómetros, sistemas de metrología y espacio de gran altura para pruebas de componentes a escala real —estructuras de alas y reversores de empuje estaban bajo estrés activo durante la visita de CW.

Al concluir la visita, con despedidas intercambiadas y el enorme campus de Spirit AeroSystems en Wichita alejándose, es fácil, dadas las considerables capacidades de compuestos de Spirit, preguntarse cómo será la próxima década para este gran fabricante aeroespacial. En el mundo aeroespacial global, su conjunto de capacidades es, probablemente, sin igual. Spirit AeroSystems, parece, está preparada para lo que el futuro depare.