Dominando el refuerzo de fibra: El arte y la ciencia del trenzado

En la industria de compuestos, hay algunos procesos de fabricación que, a primera vista, parecen relativamente sencillos y fáciles de realizar. El trenzado de refuerzos de fibra es, probablemente, uno de ellos. De hecho, el trenzado lo realizan bastantes fabricadores. En efecto, adquirir y usar una trenzadora para hacer preformas, mangas y/o tejidos de fibra de carbono o vidrio puede lograrse sin una inversión monumental de dinero o tiempo.

Sin embargo, hay pocas empresas en el mundo que hayan hecho del trenzado el foco de toda su atención, experiencia, inversión y estrategia. Menos aún disfrutan de la reputación establecida por A&P Technology Inc. (Cincinnati, OH, EE. UU.) por excelencia técnica y artística y amplitud de experiencia con prácticamente todos los refuerzos de fibra en uso hoy.

¿Qué hay en el nombre?

La A&P proviene de Atkins & Pearce Manufacturing Co., fundada en 1817 para producir maquinaria de procesamiento de algodón. Atkins & Pearce eventualmente comenzó a trenzar algodón para diversos mercados finales. Esto continuó a mediados del siglo XIX y hasta el XX. En 1986, cuando la industria moderna de compuestos comenzó a tomar forma, Atkins & Pearce vio una oportunidad para aplicar su conocimiento del trenzado a la fabricación de compuestos y creó A&P Technology como unidad de I+D para evaluar el trenzado de fibras técnicas. El negocio de A&P Technology creció durante la década siguiente y, en 1995, se convirtió en filial de propiedad total de Atkins & Pearce. En 1997, la empresa dio el paso adicional de escindir A&P Technology como empresa independiente. Hoy, es propiedad total de su presidente, Andrew Head.

A&P Technology se extiende por cinco edificios en un campus en el lado este del área metropolitana de Cincinnati. Los visitantes son recibidos en el Centro Tecnológico de 1.255 m², un edificio cerca de la entrada principal del campus. Allí, Pam Schneider, COO, y Mike Braley, VP de ingeniería de aplicaciones, recibieron a CW para esta visita. Schneider rastrea sus raíces en A&P a más de 30 años, a la fundación de la empresa. Braley se unió a A&P hace más de 20 años, proveniente de GE Aviation (Evendale, OH, EE. UU.), uno de los clientes históricos de A&P.

Sentados en la planta superior del Centro Tecnológico, entre muestras de piezas derivadas de contratos de trenzado de A&P, junto con fotos históricas de los primeros días de Atkins & Pearce, Schneider explica que el éxito de A&P deriva principalmente de su capacidad para diseñar soluciones de materiales a medida para cumplir multitud de requisitos mecánicos y físicos. Y esto es posible porque el equipo de trenzado de A&P se desarrolla y fabrica internamente, lo que significa que la empresa está íntimamente ligada a su tecnología, desde el concepto hasta el desarrollo y la fabricación.

Braley afirma que el trenzado de refuerzos de fibra ofrece un conjunto de capacidades de materiales que no se encuentra en ningún otro lugar de la industria de compuestos. "Básicamente", dice, "podemos cambiar la arquitectura de la fibra para cumplir cualquier dimensión específica y cualquier requisito mecánico específico".

Trenzado 101

Entender esta afirmación requiere comprender el propio trenzado. En el nivel más básico, un trenzado es un sistema de fibras continuas, mecánicamente entrelazadas, de dos u tres orientaciones. El hilo se enrolla en una bobina cilíndrica y la bobina se monta en un portador. Múltiples portadores se unen a una placa de trenzado con una pista serpenteante que guía los portadores. El hilo se extrae de cada portador al plano de formación sobre la pista del trenzado. El trenzado puede orientarse horizontal o verticalmente, y su tamaño (número de portadores) dicta el diámetro de la pieza trenzada terminada.

La geometría del trenzado final depende de la forma y tamaño del mandril, así como de la configuración del trenzado, y se usa para hacer mangas, preformas 2D y tejidos planos. En todos los casos, el trenzado bien hecho ofrece una estructura de fibra continua, consistente y uniformemente distribuida, que confiere a la pieza de compuesto terminado excelente resistencia al impacto y a la propagación de grietas.

La personalización de la arquitectura del tejido que menciona Braley es posible gracias a las variables que pueden ajustarse para un trenzado: número de tipos de fibra (carbono, vidrio, aramida, natural, termoplástico o híbrido), arquitectura (biaxial, triaxial, triax/biax o unidireccional), número de portadores, ángulo de hilo (fijo o variable), tensión del hilo, velocidad de trenzado y forma del mandril.

A&P Technology, dice Schneider, opera máquinas de trenzado que van desde 3 a 800 portadores, con más de 40 tamaños intermedios, produciendo una gama de preformas y productos usando fibra de carbono, vidrio, aramida y más. La trenzadora de 800 portadores es masiva —más de 13 m de diámetro— la mayor del mundo. La línea de maquinaria de A&P evoluciona constantemente, añadiéndose nuevos tamaños a menudo para cumplir requisitos específicos de clientes. En 2016, A&P produjo más de 453,6 TM de productos trenzados, con crecimiento anual del 15-20 % esperado en los próximos años. El mayor mercado final de A&P es aeroespacial, dice Schneider, pero la empresa también hace productos trenzados para automoción, recreativo e infraestructura.

Braley dice que A&P debe gran parte de su éxito a su capacidad para trenzar bien y, en el proceso, ayudar a los clientes a resolver problemas difíciles. A menudo, dice, los clientes llegan a A&P con una pieza metálica que falla de alguna manera, y todas las demás soluciones han fallado. "Hemos estado extremadamente enfocados en esto por mucho tiempo", dice del trenzado. "Tenemos el equipo, historia, conocimiento y experiencia para desarrollar soluciones personalizadas. De hecho", sostiene, "algunos de nuestros clientes se sienten un poco abrumados por nuestras capacidades personalizadas".

La primera parada de la visita tras salir del área de exposición del Centro Tecnológico es abajo, en el laboratorio de prototipos, donde se hace la "tecnología". A&P no fabrica piezas de compuestos para venta, sino que creó un espacio para que los clientes aceleren sus procesos de prototipado. Aquí, A&P hace prototipos para clientes, y también construye herramientas de estratificado y realiza ensayos de explosión hidráulica. También incluye una gran mesa de estratificado, una trenzadora comercial pequeña, equipos de ensayos no destructivos, un congelador para almacenamiento de prepreg y un horno de paso Wisconsin Oven (East Troy, WI, EE. UU.).

Visibles por todas partes hay una variedad de piezas en distintas fases de fabricación y evaluación. Entre ellas, una carcasa de ventilador de motor de próxima generación, un engranaje de compuesto para un proyecto de helicóptero, una herramienta de nacela y algunos productos propietarios que, curiosamente, no tienen nada que ver con compuestos. No están fuera de lugar, sin embargo, dice Braley: "Estamos diseñados para perseguir proyectos de alto riesgo y alta recompensa. Siempre buscamos oportunidades para poner nuestra tecnología a trabajar".

Tras puertas cerradas

Desde aquí la visita procede tras puertas cerradas a un área que CW puede visitar con el entendimiento de que todas las observaciones específicas a aplicaciones y maquinaria se mantendrán confidenciales. A&P, de hecho, normalmente no permite visitas a la planta para proteger la naturaleza propietaria de los diseños de sus clientes y su tecnología de vanguardia. De hecho, solo al astronauta estadounidense Neil Armstrong se le ha dado una visita completa. La visita de CW, una rara excepción, se organizó para permitir a la industria a la que sirve comprender mejor las amplias capacidades de A&P.

Siguiente parada es el edificio de Contratos a Largo Plazo, una instalación de 3.250 m² en el borde norte del campus. Aquí encontramos sistemas de A&P en funcionamiento, como implica el nombre, en proyectos de trenzado para proyectos multi-año —aquellos que, dice Braley, son estáticos y no pueden cambiar. El primero a la vista involucra un impresionante y complicado conjunto de trenzadoras y mandriles que fabrica preformas de fibra de carbono para cuadernas de fuselaje destinadas al 787-8 Dreamliner de The Boeing Co. (Chicago, IL, EE. UU.). A&P fabrica 290 cuadernas por avión para Boeing, 161 de las cuales son únicas. En un turno, uno de estos sistemas trenzadora/mandril de A&P produce cuatro preformas, de las que se hacen ocho cuadernas, y el sistema que hace esto es operado por uno de los programas de software más complejos y altamente ingenierizados que la empresa ha desarrollado.

Schneider y Braley señalan luego una gran celda de trabajo con una trenzadora en operación para hacer preformas de carcasa de ventilador de fibra de carbono para el motor GEnx de GE Aviation. Esta preforma sale de la trenzadora como un cilindro, que luego se lleva a un entrepiso sobre la trenzadora, se aplana y corta para crear un tejido de dos capas, se enrolla en una bobina y se envía a la instalación de motores de GE Aviation en Batesville, MS, EE. UU. (ver "Visita a planta: GE Aviation"). Braley dice que la consistencia aquí es crítica, porque una carcasa de ventilador está diseñada para contener un evento de "pala salida", donde una pala se desprende durante la operación (ocurrencia rara) e impacta la carcasa: "Cada capa debe ser, y es, la misma", dice. "Desde el punto de vista del impacto, es extremadamente consistente". Además del GEnx, A&P proporciona preformas de carcasa de ventilador trenzadas para el GE CF6-80C2, la familia de motores HTF7000 de Honeywell Aerospace (Phoenix, AZ, EE. UU.) y para el motor FJ44-4 de Williams International (Commerce Township, MI, EE. UU.).

Siguiente es una trenzadora de 336 portadores, fabricando preformas de fibra de carbono para los motores LEAP 1B/2B, así como el GEnx. Tras eso, un sistema complejo trenzando fibras de carbono y aramida para hacer preformas de álabes estatores en un motor de Honeywell. Esta trenzadora, dice CW, admite siete variaciones de diseño, pero funciona totalmente sin supervisión humana.

Schneider y Braley guían fuera del edificio LTC y se dirigen al Edificio de Productos Principales. Construido hace solo 2 años, es el más nuevo de A&P. Hay 20 trenzadoras de diferentes tamaños (la mayor equipada con 400 portadores), múltiples de muchos tamaños, y la mayoría funcionan en cualquier momento. El constante "clac-clac" de los portadores giratorios lo convierte en una de las instalaciones más ruidosas del campus. El equipo totalmente nuevo aquí se centra en el trenzado de alta velocidad de mangas para diversas aplicaciones, incluyendo aislamiento de emisiones para camiones de carretera, estructuras de alas de aviones, prótesis, palos de hockey y bates de béisbol.

Siguiente parada es el Edificio de Tejidos, donde A&P fabrica sus cuatro tejidos trenzados estándar: QISO, Bimax, ZERO y TX-45, para diversas aplicaciones. QISO, en el mercado desde hace unos cinco años, es un tejido cuasi-isotrópico diseñado para utillaje de compuestos, reparación de infraestructura y aplicaciones de automoción. Las combinaciones de materiales varían según la aplicación e incluyen fibra de carbono grado aeroespacial e industrial. Los tejidos vienen en varios pesos y anchos areales.

Bimax es un material estabilizado ±45° usado comúnmente en palos de hockey, platos de radio de gran tamaño y piezas de automoción. El tipo de fibra aquí es un híbrido de carbono y vidrio, con axiales termoplásticos añadidos para estabilizar la arquitectura del tejido durante el estratificado. Bauer Hockey Corp. (Exeter, NH, EE. UU.), nos dice A&P, cambió de fibra de carbono tejida a Bimax para sus palos de hockey y, en el proceso, redujo el uso de material en un 7 %.

ZERO, el único tejido no trenzado de A&P, fue diseñado originalmente para el programa F-22. Este tejido unidireccional no tejido tiene virtualmente cero rizado y se ofrece en varios pesos por onza.

TX-45 es el tejido más nuevo de A&P, un ±45°, 193 g/m², sarga 2x2 entregado en papel soporte para facilitar manipulación y orientación consistente de la fibra. Braley dice que TX-45 fue desarrollado por A&P para un cliente aeroespacial interesado en un sustituto del prepreg de tejido liso ±45°.

También en el Edificio de Tejidos, A&P fabrica una preforma termoplástica trenzada para el TiSeat (Asiento de Titanio) de Expliseat (París, Francia), marca registrada. Con solo 4 kg de peso, Expliseat lo llama el asiento de avión más ligero del mundo. Cuenta con preformas de compuestos hechas trenzando cintas termoplásticas estrechas, que Braley dice tienden a ser más rígidas que el hilo y, por tanto, más difíciles de trenzar. El TiSeat se está equipando para el Airbus A320, ahorrando a Airbus unos 2.090 kg por avión frente a materiales y productos competitivos.

La estructura más grande en el campus de A&P es el Edificio de Desarrollo de Negocio, una instalación de 7.430 m² que sirve como centro de fabricación para una variedad de proyectos militares, industriales y aeroespaciales —especialmente relacionados con motores. En el recorrido, Braley señala sistemas de trenzado en desarrollo para espaciadores de trayectoria de flujo de motor GE, un sistema de preforma de motor GE9X en cualificación (el GE9X propulsará el próximo Boeing 777X), capas de cuerpo GEnx, una trenzadora de carcasa de ventilador para un motor Williams y una preforma de carcasa de ventilador de motor Honeywell.

Aquí también está la Sala de Automatización, donde A&P evalúa robótica y tecnologías similares para acelerar las tasas de producción de trenzado. Esto incluye un robot multi-eje para asistir la carga de mandril y desarrollo de técnicas de sobretrenzado más avanzadas. También se evalúa software de programación dinámica con retroalimentación en tiempo real de la trenzadora y sistemas de visión para inspección en proceso. "Sentimos que estamos a la vanguardia de la capacidad de trenzado", señala Braley, "pero siempre hay oportunidad de mejorar, y tenemos que impulsar eso".

Avanzando

De vuelta en el Centro Tecnológico, CW conoce a Andy Head, descrito universalmente como la fuerza técnica y mecánica impulsora de A&P. Preguntado por describir el lugar de A&P en la cadena de suministro de compuestos, enumera cuatro fortalezas: Fuerte control numérico, buen diseño digital, excelente capacidad mecánica interna y flexibilidad inherente al proceso de trenzado.

Esta mezcla de capacidades, dice Head, ha puesto a A&P en una posición única en la industria de compuestos: fuente de soluciones trenzadas avanzadas y altamente ingenierizadas que son difíciles de encontrar ailleurs debido a la alta barrera de entrada del trenzado.

"Nuestra organización se basa en el interés mutuamente convincente de hacer exitoso a nuestro cliente", añade. "Nuestra capacidad para diseñar y construir maquinaria internamente nos permite proporcionar a nuestros clientes soluciones óptimas en un plazo corto. Esta flexibilidad de diseño pone a A&P a la vanguardia de la tecnología de trenzado, una posición que tomamos muy en serio".

"Admitidamente", dice Head, "nuestra posición de fuente única es única, pero tenemos una larga historia de apoyo a programas de gran volumen, programas con requisitos que solo nuestra maquinaria puede cumplir. Nos enorgullece nuestra capacidad no solo para cumplir estos requisitos, sino para superar las expectativas de nuestros clientes en calidad y servicio".

Mirando atrás cuánto ha avanzado A&P, y el foco de la industria de compuestos hoy en velocidad de fabricación, tiempo de ciclo, automatización, control de proceso y consistencia, Schneider ve a A&P bien alineada con estos objetivos y lista para satisfacer necesidades de preformado en aeroespacial, automoción, industrial y más allá. "Han sido 20 años geniales", dice, "pero no hemos terminado".