Nicho pionero: La innovación de Van Horn Aviation en compuestos aeroespaciales

Como muchas empresas que fabrican piezas y estructuras de compuestos, Van Horn Aviation (VHA, Tempe, AZ, EE. UU.) llegó al material con poca experiencia y conocimiento, pero con un deseo intrínseco de ayudar a los clientes a resolver problemas, disposición para aprender e impulso para hacer avanzar la empresa. Irónicamente, para Van Horn Aviation, comenzó con una hélice —o, más precisamente, una pala de rotor.

Jim Van Horn fundó la empresa en Tempe en 2000, y su plan de negocio era simple: diseñar y fabricar palas de rotor metálicas de repuesto (cola y principal) para helicópteros aún en servicio pero ya no fabricados. Parecía una buena idea. El UH-1 Huey de Bell (Ft. Worth, TX, EE. UU.), por ejemplo, uno de los helicópteros más vendidos del mundo, ya no se producía, pero quedaban miles de unidades en servicio. VHA examinó la pala de rotor de cola de este avión y vio una oportunidad lucrativa no solo de diseñar un reemplazo, sino uno mejor. Sin embargo, cuanto más tiempo dedicaba VHA al diseño de palas de rotor, más evidente se volvía que un diseño verdaderamente óptimo requería materiales compuestos.

Había un solo problema, dice el presidente de VHA, Dean Rosenlof, quien se unió a la empresa poco después de su apertura hace 18 años: "Teníamos cero experiencia en compuestos. Para controlar nuestro destino, sabíamos que teníamos que internalizar esta capacidad. Éramos responsables del diseño; teníamos que ser responsables de fabricarlo".

¿Cómo transforma una oficina de diseño en un fabricante de compuestos sin experiencia en fabricación de compuestos? "Todo giraba en torno al suministro de materiales y proveedores", señala Rosenlof. En efecto, VHA dependió de unos pocos proveedores conocidos de materiales compuestos para lanzar su experiencia en compuestos: Toray Composite Materials America Inc. (Tacoma, WA, EE. UU.), Evonik Foams Inc. (Theodore, AL, EE. UU.) y adhesivos 3M (St. Paul, MN, EE. UU.). En última instancia, dice Rosenlof, VHA tuvo que resolver los compuestos por su cuenta y construyó gradualmente su propia experiencia.

VHA, señala Rosenlof, ha pasado más de una década perfeccionando sus capacidades en compuestos. En el proceso, ha construido una reputación por diseñar y fabricar palas de rotor de alta calidad, alto rendimiento y alta eficiencia que superan las especificaciones OEM. Como resultado, VHA es proveedor certificado por Bell de palas de repuesto —una bendición del fabricante de helicópteros que se guarda celosamente y es muy codiciada. Hoy, VHA tiene tres productos consolidados: la pala de rotor principal para el Bell 206B3 Jet Ranger, la pala de rotor de cola para el Bell 206B3/OH-58 Jet Ranger, y la pala de rotor de cola del legado UH-1 Huey.

En la planta de producción

Tras revisar la estrategia y posición de negocio de VHA, Rosenlof guía a CW a la planta de producción, donde trabaja la mayoría de los 28 empleados de la empresa. En el camino, señala a algunos ingenieros de diseño que representan la "salsa secreta" de VHA. Señala que VHA se ha vuelto especialmente hábil optimizando diversos parámetros de diseño que hacen notables sus productos. Estos incluyen el coeficiente de sustentación y arrastre, el momento de paso y la vibración.

Los pilotos de helicóptero, explica Rosenlof, son muy sensibles al "tacto" que una pala de rotor transmite a la operación y vuelo del helicóptero, por lo que VHA dedica mucho tiempo a pruebas de vuelo para verificar el rendimiento.

"Las palas giratorias son un campo de tensión —centrífuga—", señala. "Y un compuesto se comporta de forma distinta en ese campo que una pala metálica". De hecho, las palas de rotor de helicóptero son una de las pocas estructuras de compuestos en el mundo que pierden ventaja al perder peso. Rosenlof lo llama el "fantasma del peso", es decir, una pala de rotor que no es lo suficientemente pesada se comporta de forma distinta que la alternativa totalmente metálica. Por ello, dice Rosenlof, todas las palas de VHA están sobrediseñadas para añadir peso al sistema.

Encima de eso, dice, "A la gente en aeroespacial le odia el cambio", lo que significa que el cambio de una pala de rotor metálica a una de compuestos debería, idealmente, preservar las características de rendimiento a las que el piloto está acostumbrado. Es un equilibrio delicado, pero VHA lo ha manejado hábilmente. La línea base, sin embargo, es la seguridad, y en ese aspecto la empresa ha sobresalido. "Los fallos durante las pruebas y el desarrollo nos ayudan a rediseñar mejores palas", dice Rosenlof. "Somos buenos en eso. Cuando salimos al mercado, primero no debemos dañar a la aeronave ni a la tripulación, y luego buscar mejoras de rendimiento. Ese es nuestro trabajo".

La visita deja a los ingenieros atrás y emerge en la zona de producción de palas de rotor. Como en muchos talleres de compuestos, la fabricación en VHA comienza con el corte de capas, realizado en un sistema automatizado de corte plano de 3 m suministrado por Eastman Machine (Buffalo, NY, EE. UU.). La mayor parte del prepreg que usa VHA es la versión unidireccional de Torayca 2510, basada en fibra de carbono Toray T700G 12K. En la capa exterior de sus palas de rotor, VHA usa la versión de tejido liso de Torayca 2510, basada en fibra de carbono Toray T700S 12K. Rosenlof dice que VHA ha tenido buena experiencia con el prepreg 2510, que puede procesarse dentro o fuera de autoclave, se suministra de stock por Toray como producto commodity y está fácilmente disponible del fabricante de fibra.

Las capas, al salir de la mesa, se kittean y preparan para el estratificado, siguiente paso, realizado en una sala blanca adyacente. Todas las palas de rotor de VHA presentan construcción sándwich, con núcleo de espuma Evonik Rohacell rodeado por capas UD de Torayca. VHA mecanizaba inicialmente los núcleos internamente, pero eventualmente subcontrató eso a Evonik, que realiza el trabajo en su instalación en Mobile, AL, EE. UU.

El estratificado se hace a mano. Las palas de rotor principal se estratifican en un gran molde de compuestos en el centro de la sala. Las palas de rotor de cola se colocan en bancos de trabajo verticales. La colocación de capas se guía por marcas en el molde. En áreas donde la fibra de carbono contacta directamente con la espuma, como refuerzos y largueros, hay áreas recortadas en la espuma para guiar la colocación. VHA usa contraplacas en todas sus palas de rotor, incluyendo, en algunas áreas, goma no siliconada Airpad de Airtech (Huntington Beach, CA, EE. UU.), que puede formarse en láminas de contraplaca a presión y mandriles flexibles.

Cada pala de rotor que VHA fabrica incluye un accesorio de titanio para unir la pala al mástil del rotor, y este accesorio es parte crítica de cada estratificado. Fabricados internamente por VHA, los accesorios requieren acumulaciones de capas adicionales alrededor para mantener la integridad de la pala.

Los estratificados terminados se transfieren a uno de los dos autoclaves de VHA, cada uno de unos 7,3 m de largo. El prepreg epoxi Torayca que usa VHA requiere un curado estándar a 121 °C.

Tras el curado, las palas de rotor pasan al taller de mecanizado, donde se recortan a dimensiones finales. También en el taller de mecanizado VHA fabrica casi todas las piezas metálicas usadas en las palas, incluyendo los accesorios de titanio y tiras de abrasión de níquel para el borde de ataque. VHA opera dos CNC verticales, dos horizontales y una cortadora por chorro de agua OMAX (Kent, WA, EE. UU.). Tres CNC son de Haas Automation Inc. (Oxnard, CA, EE. UU.); uno de DMG Mori Seiki (Nagoya, Japón).

Finalmente, VHA realiza pruebas rigurosas de las palas que fabrica, con diversos utillajes y máquinas para evaluar desde el balance de la pala hasta propiedades de resistencia y rigidez. VHA también tiene su propio helicóptero Bell 206B, que usa para evaluar propiedades dinámicas de las palas, incluyendo el "tacto" tan importante para los pilotos.

Cuando CW preguntó sobre inspección no destructiva (END), Rosenlof señala que VHA no la hace. "Tenemos calidad dependiente del proceso", dice. "Monitorizamos temperatura, presión y tiempo, y mientras estemos dentro de especificación con esos, fabricamos buenas palas de rotor". Rosenlof también destaca que gran parte del control de proceso y calidad de VHA se centra en tolerancias de la superficie superior de la pala, porque es el lado "funcional" y el más crítico para el rendimiento.

Próximos pasos

El trabajo de palas de rotor de VHA no ha terminado. La empresa ya desarrolla nuevos productos, incluyendo palas de rotor de cola y principal para el bimotor de dos palas Bell 212, y el bimotor de cuatro palas, clase Huey, Bell 412. Rosenlof añade que VHA trabaja en tecnologías de co-curado que podrían aportar mayores eficiencias de fabricación.

Al concluir la visita, Rosenlof señala que aunque VHA es una operación relativamente pequeña (su personal directivo y plantilla suman 30), la empresa ha creado un nicho para sí misma como pocos otros, y lo ha hecho implementando capacidad de fabricación de compuestos con audacia y confianza. Este nicho, tan robusto como es para VHA, no se construyó de forma simple y, en ese sentido, está bien ganado. "Somos", bromea, "un éxito de la noche a la mañana de 18 años".