Donde el arte y la ciencia del trenzado se encuentran

En la industria de los compuestos, hay algunos procesos de fabricación que, a primera vista, parecen relativamente sencillos y fáciles de realizar. El trenzado de refuerzos de fibra es, posiblemente, uno de ellos. El trenzado, de hecho, lo realiza un buen número de fabricantes. De hecho, la adquisición y el uso de un trenzador para fabricar preformas, mangas y / o telas de fibra de carbono o fibra de vidrio se pueden lograr sin una inversión monumental de dinero o tiempo.

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

¿Cuál es el nombre?

El A&P se deriva de Atkins &Pearce Manufacturing Co., fundada en 1817 para producir maquinaria de procesamiento de algodón. Atkins &Pearce finalmente comenzó a trenzar algodón para una variedad de mercados finales. Esto continuó hasta mediados del siglo XIX y hasta el siglo XX. En 1986, cuando la industria moderna de los compuestos comenzó a tomar forma, Atkins &Pearce vio la oportunidad de aplicar su conocimiento sobre el trenzado a la fabricación de compuestos y creó A&P Technology como una 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 una subsidiaria de propiedad total de Atkins &Pearce. En 1997, la empresa dio el paso adicional de escindir A&P Technology como empresa independiente. Hoy en día, es propiedad exclusiva de su presidente, Andrew Head.

A&P Technology se distribuye en cinco edificios en un campus ubicado en el lado este del área metropolitana de Cincinnati. Los visitantes son bienvenidos en el Tech Center de 1.255m2, un edificio cerca de la entrada principal del campus. Fue aquí donde Pam Schneider, COO, y Mike Braley, vicepresidente de ingeniería de aplicaciones, saludaron a CW para esta gira. Schneider remonta sus raíces A&P a más de 30 años, hasta la fundación de la empresa. Braley se incorporó a A&P hace más de 20 años, procedente de GE Aviation (Evendale, OH, EE. UU.), Uno de los clientes más antiguos de A&P.

Sentado en el último piso del Tech Center, entre muestras de piezas derivadas de los contratos de trenzado de A&P, junto con fotos heredadas de los primeros días de Atkins &Pearce, Schneider explica que el éxito de A&P se deriva principalmente de su capacidad para diseñar soluciones de materiales personalizadas para cumplir con innumerables 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 materiales que no se encuentran en ningún otro lugar de la industria de los compuestos. "Básicamente", dice, "podemos cambiar la arquitectura de la fibra para cumplir con cualquier dimensión específica y cualquier requisito mecánico específico".

Trenzado 101

Comprender esta afirmación requiere comprender el trenzado en sí. En el nivel más básico, una trenza es un sistema de fibras continuas entrelazadas mecánicamente de dos o tres orientaciones. El hilo se enrolla alrededor de una bobina cilíndrica y la bobina se monta en un portador. A continuación, se unen varios portadores a una placa trenzadora con una pista serpenteante que guía a los portadores. El hilo se extrae desde cada portador hasta el plano de formación por encima de la pista de trenzado. El trenzador se puede orientar horizontal o verticalmente, y su tamaño (número de soportes) dicta el diámetro de la parte trenzada terminada.

La geometría de la trenza terminada depende de la forma y el tamaño del mandril, así como de la configuración de la trenzadora, y se utiliza para hacer mangas, preformas 2D y telas planas. En todos los casos, el trenzado bien hecho ofrece una estructura de fibra que es continua, consistente y uniformemente distribuida, lo que transmite a la pieza compuesta terminada una excelente resistencia al impacto y a la propagación de grietas.

La personalización de la arquitectura de la tela a la que hizo referencia Braley es posible gracias a las variables que se pueden ajustar para una trenza:número de tipos de fibra (carbono, vidrio, aramida, natural, termoplástica o híbrida), arquitectura (biaxial, triaxial, triax / biax o unidireccional), número de portadores, ángulo del hilo (fijo o variable), tensión del hilo, velocidad de trenzado y forma del mandril.

A&P Technology, dice Schneider, opera máquinas trenzadoras que varían en tamaño de 3 a 800 transportadores, con más de 40 tamaños intermedios, produciendo una gama de preformas y productos que utilizan fibra de carbono, fibra de vidrio, fibra de aramida y más. La trenzadora de 800 transportadores es enorme, de más de 13 m de diámetro, la más grande del mundo. La línea de maquinaria de A&P está en constante evolución, y a menudo se agregan nuevos tamaños de máquina para cumplir con los requisitos específicos del cliente. En 2016, A&P produjo más de 453,6 TM de productos trenzados, y se espera un crecimiento anual del 15-20% durante los próximos años. El mercado final más grande de A&P es el aeroespacial, dice Schneider, pero la compañía también fabrica productos trenzados para aplicaciones automotrices, recreativas y de 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. La mayoría de las veces, dice, los clientes vendrán a A&P con una parte metálica que está fallando de alguna manera, y todas las demás soluciones se han quedado cortas. "Hemos estado extremadamente concentrados en esto durante mucho tiempo", dice sobre el trenzado. “Tenemos el equipo, la historia, el conocimiento y la experiencia para desarrollar soluciones personalizadas. De hecho ”, sostiene,“ algunos de nuestros clientes están un poco abrumados por nuestras capacidades personalizadas ”.

La primera parada del recorrido después de dejar el área de exhibición del Tech Center es en la planta baja, en el laboratorio de prototipos, donde la "tecnología" está realmente lista. A&P no fabrica piezas compuestas para la venta, sino que creó un espacio para que los clientes agilicen sus procesos de creación de prototipos. Aquí abajo, A&P hace prototipos para clientes, y también construye herramientas de laminado y realiza pruebas de rotura hidráulica. También se incluye una gran mesa de apoyo, una pequeña trenzadora disponible comercialmente, equipo de prueba no destructivo, un congelador para el almacenamiento de preimpregnaciones y un horno Wisconsin sin cita previa (East Troy, WI, EE. UU.).

En todas partes se ven una variedad de piezas en diferentes etapas de fabricación y evaluación. Entre ellos se encuentran una caja de ventilador de motor a reacción de próxima generación, un engranaje compuesto para un proyecto de helicóptero, una herramienta de góndola y algunos productos patentados que, curiosamente, no tienen nada que ver con los compuestos. Sin embargo, estos no están fuera de lugar, dice Braley:“Estamos diseñados para perseguir proyectos de alto riesgo y de alto rendimiento. Siempre estamos buscando oportunidades para poner nuestra tecnología a trabajar ”.

A puerta cerrada

Desde aquí, el recorrido continúa a puerta cerrada hasta un área CW se le permite realizar la visita con el entendimiento de que todas las observaciones específicas de las aplicaciones y la maquinaria se mantendrán confidenciales. A&P, de hecho, normalmente no permite visitas a las plantas para proteger la naturaleza patentada de los diseños de sus clientes y su tecnología de punta. De hecho, solo el astronauta estadounidense Neil Armstrong ha realizado un recorrido completo. CW's visita, una rara excepción, se había organizado para permitir que la industria a la que sirve comprenda mejor las amplias capacidades de A&P.

La siguiente parada es el edificio de Contratos a largo plazo, una instalación de 3250m2 en el extremo norte del campus. Es aquí donde encontramos los sistemas A&P en funcionamiento, como su nombre lo indica, en proyectos de trenzado para proyectos de varios años, aquellos que, dice Braley, son estáticos y no pueden cambiar. El primero a la vista involucra una impresionante y complicada variedad de trenzadoras y mandriles que fabrica preformas de fibra de carbono para marcos de fuselaje destinados al 787-8 Dreamliner de The Boeing Co. (Chicago, IL, EE. UU.) . A&P fabrica 290 cuadros por avión para Boeing, 161 de los cuales son únicos. En un turno, uno de estos sistemas de trenzadora / mandril A&P produce cuatro preformas, a partir de las cuales se fabrican ocho marcos, y el sistema que hace esto es operado por uno de los programas de software más complejos y altamente diseñados que la compañía ha desarrollado hasta ahora.

Schneider y Braley luego señalan una gran celda de trabajo con un trenzador en funcionamiento 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 alimenta a un entrepiso sobre la trenzadora, se aplana y se corta para crear una tela de dos capas, se enrolla en un carrete y luego se envía a las instalaciones de motores a reacción de GE Aviation en Batesville, MS. , EE. UU. (Consulte “Visita a la planta:GE Aviation”). Braley dice que la consistencia aquí es fundamental, porque la carcasa de un ventilador está diseñada para contener un evento de "aspa fuera", donde una aspa del ventilador se desprende durante el funcionamiento (algo raro) e impacta en la carcasa:"Cada capa debe ser, y es, la misma ," él dice. "Desde el punto de vista del impacto, es extremadamente consistente". Además del GEnx, A&P proporciona preformas de carcasa de ventilador trenzada para el GE CF6-80C2, la familia de motores HTF7000 de Honeywell Aerospace (Pheonix, AZ, EE. UU.) Y para el motor FJ44-4 de Williams International (Commerce Township, MI, EE. UU.).

El siguiente es un trenzador de 336 portadores, que fabrica preformas de fibra de carbono para los motores LEAP 1B / 2B, así como para el GEnx. A continuación, se encuentra un sistema complejo que trenza fibras de carbono y aramida para hacer preformas para las paletas del estator en un motor Honeywell. Este trenzador, CW se dice, admite siete variaciones de diseño, pero funciona completamente sin supervisión humana.

Schneider y Braley abren el camino para salir del edificio LTC y se dirigen al edificio de productos básicos. Construido hace solo 2 años, es el más nuevo de A&P. Aquí hay 20 trenzadoras de diferentes tamaños (la más grande equipada con 400 transportadores), múltiples de muchos tamaños, y la mayoría están funcionando en un momento dado. El constante "clac-clac" de los transportadores giratorios lo convierte en una de las instalaciones más ruidosas del campus. El equipo completamente nuevo alojado aquí se enfoca en el trenzado de mangas a alta velocidad para una variedad de aplicaciones, incluido el aislamiento de emisiones de camiones por carretera, estructuras de alas de aviones, prótesis, palos de hockey y bates de béisbol.

La siguiente parada es el edificio de telas, donde A&P fabrica sus cuatro telas trenzadas listas para usar, QISO, Bimax, ZERO y TX-45, para una variedad de aplicaciones. QISO, en el mercado desde hace unos cinco años, es un tejido cuasi-isotrópico diseñado para herramientas compuestas, reparación de infraestructura y aplicaciones automotrices. Las combinaciones de materiales varían según la aplicación e incluyen fibra de carbono de grado aeroespacial e industrial. Las telas vienen en varios pesos y anchos de área.

Bimax es un material estabilizado de ± 45 ° que se usa comúnmente en palos de hockey, antenas grandes de señal de radio y piezas de automóviles. El tipo de fibra aquí es un híbrido de carbono y vidrio, con axiales termoplásticos agregados para estabilizar la arquitectura de la tela durante la colocación. 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, la única tela sin trenzar de A&P, fue diseñada originalmente para el programa F-22. Esta tela unidireccional no tejida prácticamente no tiene rizado y se ofrece en varios gramajes de onzas.

TX-45 es el tejido más nuevo de A&P, una sarga de ± 45 °, 193 g / m2, 2x2 entregada en papel de soporte para permitir un fácil manejo y una orientación uniforme de la fibra. Braley dice que el TX-45 fue desarrollado por A&P para un cliente aeroespacial interesado en un sustituto del preimpregnado de tejido plano de ± 45 °.

También en el edificio Fabrics, A&P fabrica una preforma termoplástica trenzada para la marca registrada TiSeat (Titanium Seat) de Expliseat (París, Francia). Con un peso de solo 4 kg, Expliseat lo llama el asiento de avión más liviano del mundo. Cuenta con preformas compuestas fabricadas mediante el trenzado de cintas termoplásticas de hendidura estrecha, que según Braley tienden a ser más rígidas que el hilo y, por lo tanto, son más difíciles de trenzar. TiSeat se está equipando para el Airbus A320, lo que le ahorra a Airbus unos 2.090 kg por avión en comparación con los materiales y productos de la competencia.

La estructura más grande en el campus de A&P es el Business Development Building, una instalación de 7.430m2 que sirve como centro de fabricación para una variedad de proyectos militares, industriales y aeroespaciales, particularmente relacionados con motores. En el recorrido, Braley señala los sistemas de trenzado en desarrollo para los espaciadores de trayectoria de flujo del motor GE, un sistema de preforma del motor GE9X en proceso de calificación (el GE9X impulsará el próximo Boeing 777X), las capas del cuerpo GEnx, un trenzador de caja de ventilador para un Williams motor y una preforma de la caja del ventilador del motor Honeywell.

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

Asistir adelante

De vuelta en el Tech Center, CW conoce a Andy Head, a quien se describe universalmente como la fuerza motriz técnica y mecánica de A&P. Cuando se le pide que describa el lugar de A&P en la cadena de suministro de materiales compuestos, enumera cuatro puntos fuertes:fuerte control numérico, buen diseño digital, excelente capacidad mecánica interna y flexibilidad inherente al proceso de trenzado en sí.

Esta combinación de capacidades, dice Head, ha colocado a A&P en una posición única en la industria de los compuestos:una fuente de soluciones trenzadas avanzadas de alta ingeniería que son difíciles de encontrar en otros lugares debido a la alta barrera de entrada del trenzado.

“Nuestra organización se basa en el interés mutuamente convincente de hacer que nuestro cliente tenga éxito”, añade. “Nuestra capacidad para diseñar y fabricar maquinaria internamente nos permite ofrecer a nuestros clientes soluciones óptimas en un plazo breve. Esta flexibilidad de diseño coloca a A&P a la vanguardia de la tecnología de trenzado, una posición que nos tomamos muy en serio ”.

“Es cierto”, 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 cumple. Nos enorgullecemos de nuestra capacidad no solo para cumplir con estos requisitos, sino también para superar las expectativas de calidad y servicio de nuestros clientes ".

Mirando hacia atrás en lo lejos que ha llegado A&P, y en el enfoque de la industria de los compuestos, hoy, en la velocidad de fabricación, el tiempo de ciclo, la automatización, el control de procesos y la consistencia, Schneider ve que A&P está bien alineado con estos objetivos y listo para satisfacer las necesidades de preformado en la industria aeroespacial. , automotriz e industrial y más allá. "Han sido 20 años fantásticos", dice, "pero no hemos terminado".