Elbit Systems: Soluciones de compuestos líderes para Israel y EE. UU.

Elbit Systems Ltd. (Haifa) es el mayor contratista de defensa de Israel, con una facturación de 3.300 millones USD en 2017 y una cartera de más de 7.500 millones USD en 2018. Sus actividades incluyen sistemas y estructuras para aviones militares y comerciales, vehículos terrestres, seguridad nacional y una variedad de sistemas de inteligencia, electrónica y cibernéticos. De sus 12.500 empleados, casi 3.000 están en EE. UU., trabajando con su filial Elbit Systems of America, que mantiene múltiples ubicaciones, incluyendo en los estados de Utah y New Hampshire y en Ft. Worth, TX, EE. UU. Y Elbit Cyclone se ha expandido a un sitio adicional, llamado Aero-Structure Technologies Cyclone (ATC), cerca del aeropuerto internacional de Tbilisi, Georgia, construido en asociación con el gobierno georgiano. La construcción de una instalación de 12.000 m², equipada con dos autoclaves y capacidad de mecanizado CNC y END, está completa. "Estamos trabajando ahora para cualificar esta ubicación con los principales OEMs aeronáuticos", dice Jonathan Hulaty, gerente senior de desarrollo de negocio y marketing de Elbit Cyclone.

La filial Elbit Systems Cyclone está basada en el norte de Israel, y sirve como centro de diseño y producción para estructuras y ensamblajes de aviones metálicos y de compuestos. La empresa está en el mismo sitio, cerca de Karmiel, donde Cyclone se estableció en 1970, en un solo edificio, para proporcionar servicios de mantenimiento, reparación y revisión (MRO) para aviones y helicópteros de la Fuerza Aérea de Israel. El viento en espiral generado por las palas de rotor de helicóptero girando inspiró el nombre original de la empresa.

Cyclone había establecido capacidad en compuestos para los años 80, y comenzó a trabajar para clientes fuera de Israel, construyendo puertas metálicas para aviones de fuselaje ancho McDonnell Douglas DC-10 y MD-11, y piezas para jets militares F-15 y F-16 así como para el jet de negocios Gulfstream G-200.

Elbit adquirió Cyclone a finales de los 90, invirtió en la empresa, y para 2010 se había triplicado en tamaño. Para 2017, Cyclone había producido 11.000 puertas de aluminio para el 737 comercial de The Boeing Co. (Chicago, IL, EE. UU.), incluyendo puertas de entrada trasera, ambas puertas de galera y ambas puertas de carga delantera y trasera. Luego contrató directamente con Boeing para producción de ensamblajes de suelo compuestos y piezas de detalle para el 787 Dreamliner, y con Spirit AeroSystems (Wichita, KS, EE. UU.) para piezas de compuestos en la Sección 41 del fuselaje de ese mismo avión. También suministra vigas de suelo de pasajeros para la variante 787-8 de Boeing. La empresa es ahora reconocida como Proveedor Preferido Nivel Oro de Boeing, el mayor premio de proveedor de Boeing. Cyclone es una de las pocas que lo han logrado y la primera fuera de EE. UU.

La empresa también suministra piezas para los jets de negocios de largo alcance de Bombardier (Montreal, QC, Canadá) y diversas piezas para tres variantes del F-35 Lightning II anclado en EE. UU. Otros nombres notables en la larga lista de clientes de Cyclone incluyen Lockheed Martin, Sikorsky, GKN Aerospace, Textron, Triumph, Northrop Grumman y Bell Helicopter.

Hulaty, anfitrión de CW para la visita, recuerda: "A finales de los 90, teníamos 400 empleados. Ahora, somos cinco veces mayores en ventas, con 500 empleados. Esto es posible gracias a nuestro énfasis en procesos lean. La mayor parte de lo que hacemos es fabricar a plano, lo que puede no sonar glorioso, pero representa una gran parte de nuestra industria". Hulaty añade que los requisitos de calidad, repetitividad y competitividad, junto con la inversión en equipos y sistemas de calidad necesaria para cumplir la producción, hacen de esta una posición dura pero interesante en el mercado: "Ser proveedor Tier de compuestos aeroespaciales no es para los débiles de corazón".

Lejos de desfallecer, Cyclone vio su negocio de compuestos superar al metalúrgico el año pasado para comprender la mayoría de su producción, con una división aproximadamente 60/40. Hulaty pronostica que el crecimiento continuará: "Este año, probablemente pasaremos al 70 % de compuestos".

Competencia en piezas

La visita de CW comienza en la sala de conferencias principal del sitio, donde Hulaty da una breve introducción. La producción de Cyclone, explica, se divide aproximadamente 50/50 entre militar y comercial. Piezas comerciales de compuestos incluyen puertas de tren de aterrizaje, piezas de nacela, pieles, carenados, superficies de control y rejillas estructurales de suelo. Compuestos militares incluyen pieles, puertas, tanques externos filament wound, pilones, superficies de control, patines de helicóptero y entradas de motor.

Cyclone también diseñó el ala exterior y la cola de boom para un vehículo aéreo no tripulado de media altitud y larga duración (MALE UAV) que vuela a altitudes de 3.048-9.144 m durante periodos extendidos (ej., 24-48 horas). Sin embargo, Hulaty señala que la empresa no hace mucho trabajo en UAVs. "Los UAVs son típicamente pequeños, usando estratificado húmedo, que no es nuestra experiencia", explica. Hay UAVs más grandes hechos con prepreg, pero Hulaty señala que estos se producen típicamente en cantidades menores o internamente por grandes OEMs de defensa como Boeing, General Atomics. "Preferimos producción en serie larga de piezas de prepreg vs. programas esporádicos".

Las capacidades de piezas de prepreg de Cyclone incluyen descompactado al vacío de múltiples estratificados vía conformado en caliente (HDF) y curado en autoclave. Inspección no destructiva (END) y mecanizado CNC de piezas curadas se completan in situ, y una experiencia especial es la producción a alta tasa de ensamblajes complejos metálicos y de compuestos. Cyclone ha completado todas las certificaciones de fabricación y calidad aeroespacial (ej., AS9100, Nadcap, ISO9001) y ha desarrollado capacidades en filament winding y moldeo por transferencia de resina (RTM).

El RTM fue, de hecho, la primera introducción de CW a Cyclone. El desarrollo por la empresa de una alternativa unitaria, totalmente de compuestos, a las puertas de pasajeros metálicas en aviones comerciales apareció en el artículo de CW 2013 "Reduciendo el coste de aeroestructuras compuestas integradas". La tecnología usaba RTM y accesorios compuestos geométricamente bloqueados para lograr una estructura certificable por la FAA con muy pocos sujetadores, 30 % de ahorro de peso y 25-35 % de reducción de coste vs. aluminio y diseños de compuestos "aluminio negro". La exitosa construcción por Cyclone de una puerta compuesta totalmente libre de sujetadores y la extensión de la tecnología a superficies de control de aviones compuestas de menor peso y coste fue descrita por CW en una actualización 2016 titulada "Puerta y superficies de control de avión compuestas, libres de sujetadores". Hulaty concluye sus comentarios introductorios señalando la Puerta #1 libre de sujetadores, expuesta en la sala de conferencias. La pieza es impresionante, con acabado de alta calidad. Luego guía el camino fuera del edificio.

Estratificado y pruebas optimizados

Hulaty guía la visita cuesta abajo, luego gira a la izquierda hacia la entrada del edificio de producción de compuestos de Cyclone. Varias piezas se exhiben aquí también: carenados de patín trasero de Boeing 767, winglet de Beechcraft King Air y piezas de compuestos F-35. Pasada la entrada, una sala blanca de acceso restringido para producción relacionada con defensa permanece cerrada a la izquierda. A la derecha, trabajadores en la sala blanca para piezas de Boeing 787 estratifican prepreg para una variedad de piezas, desde clips y puntales pequeños hasta complejas vigas en J, I y C, así como puertas de tren de aterrizaje delantero multi-pieza. El prepreg se corta usando un cortador automático de tela Bullmer Assyst (Wakefield, Reino Unido) y una máquina guillotina para cortar pilas gruesas en cualquier ángulo. El congelador de prepreg está adyacente a la sala blanca. Hulaty señala que a veces se cortan, kitean y vuelven a meter al congelador pilas de prepreg. Sistemas de proyección láser Aligned Vision (Chelmsford, MA, EE. UU.) ubicados por toda la sala blanca asisten el estratificado manual.

Piezas de vigas de suelo de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) se están estratificando en mandriles metálicos machos. Hulaty detalla el proceso optimizado: "Estratificamos primero las pilas de prepreg y luego las aplicamos al mandril. Esto ahorra una tonelada de tiempo vs. aplicar pieza a pieza sobre la herramienta. Los estratificados se cubren luego, con una contraplaca CFRP de nuestro diseño, que ayuda a asegurar 100 % repetibilidad en las piezas".

Una máquina de conformado en caliente está junto a la pared trasera de la sala blanca, permitiendo descompactado de muchas piezas por ciclo. "No sé cómo se hace este tipo de producción de piezas de prepreg a alta tasa sin conformado en caliente", dice Hulaty en referencia a piezas como vigas y puntales. Y sin embargo, reconoce que este paso no es el cuello de botella, ni el autoclave. "El mecanizado al final, tras el curado, es el cuello de botella", mantiene, explicando que para piezas de vigas de suelo largas, es más rápido estratificar una pila simple y mecanizarla tras el curado. "El autoclave no es el problema porque podemos apilar muchas piezas para curar a la vez", añade. "Así que, en realidad, obtenemos una buena tasa de producción por ciclo de curado".

En una gran zona adyacente, cuatro autoclaves se alinean junto a la pared trasera. "Obtener el tamaño correcto para tus autoclaves es complicado", sostiene Hulaty, "porque intentas equilibrar tasa de producción y conseguir suficientes piezas por ciclo, con no tener un volumen demasiado grande para calentar y enfriar, lo que lleva tiempo". Los autoclaves de 3 m de diámetro de Cyclone suministrados por Thermal Equipment Corp. (TEC, Rancho Dominguez, CA, EE. UU.) van desde 5 m y 10 m de largo hasta el más largo, de 11 m.

Un entrepiso sobre la bahía de autoclaves alberga un departamento de pruebas de aseguramiento de calidad. Aquí, probadores Zwick (Ulm, Alemania) tienen cámaras climáticas para ciclos de temperatura, requeridos para probar materiales usados en superficies de control de aviones. "Estos realizan ciclos de temperatura y carga, según especificaciones OEM", dice Hulaty. "Hacemos todas las pruebas internamente y podemos realizar cualificaciones de materiales porque casi todos nuestros clientes han visitado y cualificado nuestro laboratorio".

Muestra micrografías de un relleno de radio CFRP ("fideo") fabricado por Cyclone, usado en diversas construcciones de vigas de prepreg. "Este es un tema muy complejo cuando fabricas piezas donde el ala de la viga debe conectar al alma y se usa un fideo para permitir transferencia de carga y prevenir vacíos", explica Hulaty, guiando la visita a un segundo laboratorio de pruebas, donde pequeños discos se pulen y colocan en equipos de prueba Tegramin fabricados por Struers (Ballerup, Dinamarca). "Esto prueba la coherencia de nuestro proceso de estratificado", señala, enfatizando: "Lo probamos nosotros, no para cumplir requisitos de clientes, sino para asegurarnos de que lo hacemos bien con nuestros propios procesos, adhiriéndonos a nuestros propios estándares de calidad".

END y mecanizado

La visita continúa a una instalación adyacente, que alberga operaciones finales de aseguramiento de calidad (AQ) y mecanizado. El área de END de techo alto alberga una gran máquina de ultrasonido de transmisión a través (TTU) suministrada por Matec Instrument Cos. (Northborough, MA, EE. UU.) a la izquierda, completa con aspersor de agua para acoplar ondas sonoras a la superficie de la pieza. "Un lado del equipo TTU puede transmitir y recibir mientras el otro es solo receptor", explica Hulaty. "Con esto, podemos escanear piezas medianas a grandes, como un carenado ventral para un jet de negocios, en medio turno de ocho horas". Afirma que este es el sistema TTU más grande usado en Israel para END, añadiendo: "Escaneamos cada pieza de compuesto que fabricamos. Los carenados a veces pueden pasar a inspección basada en estadísticas después de un tiempo, porque son estructuras secundarias y no críticas de vuelo, pero aún preferimos escanear cada uno". En línea con esta preferencia, Hulaty señala que Cyclone emplea dos técnicos de nivel III en ensayos no destructivos (END) para compuestos.

Continuando por el laboratorio, a la derecha hay otra máquina de ultrasonido automatizada (UT), esta fabricada por ScanMaster Systems Ltd. (Rosh-Ha'ayin, Israel). Aunque las piezas de compuestos se sumergen en tanques de agua aquí también, esto no es para un sistema de escaneo C. En su lugar, los tanques sirven para UT de array en fase, un método muy rápido que proporciona mayor precisión que un escaneo C, pero para formas más simples.

Al pasar por estanterías de piezas en varias fases del proceso AQ, Hulaty señala utillaje almacenado junto a la bahía de END. "Diseñamos y construimos la mayoría de nuestras herramientas internamente, tanto metálicas como de compuestos, pero algunos clientes prefieren suministrar las suyas. También podemos hacer cambios al diseño del utillaje para mejorar la producción, por supuesto, solo con aprobación del cliente".

Tras una puerta y corto pasillo, la visita entra en operaciones CNC, que albergan dos centros de mecanizado CNC de 5 ejes gemelos suministrados por Breton (Castello di Godego, Italia), empresa originalmente establecida en la industria del corte de piedra. "Los componentes de máquinas Breton se construyeron con protección contra polvo de piedra", dice el gerente de ingeniería CNC Trevor Hutson. "Así, funcionan bien con CFRP. Encontramos que las máquinas CNC para carpintería no eran lo suficientemente robustas para nuestras necesidades de producción".

Hulaty señala que la temperatura del edificio se mantiene a 26 °C ±1 °C. "Cada máquina se detendrá si cualquiera de sus parámetros está fuera de especificación", explica. Las máquinas pueden manejar piezas de hasta 5 m de largo y 2,2 m de ancho con 1 m de recorrido en dirección z. Su precisión volumétrica se cita en 50 micras (0,002 pulgadas).

Una vez completado el mecanizado, se cambia una cabeza de máquina de medición por coordenadas (CMM) y realiza CMM en la pieza para AQ final. Esto se reporta e incluye con la pieza a través del sistema de control digital de la máquina para ahorrar tiempo de inspección. "Calibramos la sonda CMM, luego tomamos las medidas de la pieza", dice la ingeniera CNC Karin Hartman, quien, junto a Hutson, funciona como segunda experta en mecanizado CNC de Cyclone. "Esto proporciona resultados en tiempo real, así que podemos lidiar con cualquier problema antes de que migren a más de una pieza", añade Hutson. "También ahorra tiempo, permitiendo cualquier re-mecanizado de inmediato".

Ensamblaje e I+D

Aquí, la visita sale del edificio END/CNC para un paseo cuesta arriba pasando el edificio que albergaba la sala de conferencias a una estructura adyacente, que aloja operaciones de ensamblaje. Hulaty señala las muchas estaciones de ensamblaje, que producen las vigas de suelo, viga de cubierta de vuelo, viga de alma de corte y bahía de equipo electrónico (aviónica) para la Sección 41 del 787. Estas, junto con la puerta de rueda delantera (NWWD), se envían a Spirit AeroSystems en EE. UU., listas para integrar en la línea de producción de esa empresa para la Sección 41 del 787, la sección frontal del fuselaje.

Examinando la estación de ensamblaje de alma de corte en mayor detalle, Hulaty explica que soporta el suelo de carga de la Sección 41, proporcionando soporte transversal a lo largo del vientre del avión. El ensamblaje incluye dos vigas longitudinales más seis puntales, todos ensamblados boca abajo. Un simple goteo giratorio mantiene las piezas juntas para facilitar el atornillado de los puntales.

"Los compuestos entran aquí ya taladrados", señala Hulaty. "Solo el metal se taladra en este edificio". El metal también se anodiza y pinta en la parte trasera del edificio. Las instrucciones de ensamblaje se muestran en un monitor de computadora en cada estación, usando un sistema estándar. "Pero las instrucciones son nuestras", dice. "Lo modificamos para hablar con los modelos CATIA de cada pieza, y luego nuestro departamento de ingeniería creó las instrucciones de ensamblaje". Explica que el color rojo indica un cambio o error cometido en el pasado. "Es un entorno casi sin papel, habilitado por infraestructura de pantallas táctiles. Las tarjetas de ruta siguen la pieza electrónicamente".

Avanzando, Hulaty señala un sistema antimisiles para aviones comerciales, llamado C-MUSIC (medida de contraespectro infrarrojo comercial-multiespectral). Fue desarrollado por la división ISTAR de Elbit Systems, y Cyclone diseñó la estructura del sistema, incluyendo allowables generados internamente. Aunque los mecanismos y la estructura interior del sistema son metálicos, su carenado/radomo es de compuestos.

"Todas las aerolíneas israelíes deben equiparse con esto", dice. "Es un sistema autónomo montado en el vientre del avión vía un kit plug-and-play. Diseñado para contrarrestar misiles portátiles, lanzados desde el hombro, guiados por calor, se dispara un láser al misil entrante si el sistema se activa". Desplegado por primera vez en un Boeing 737 en 2013, Hulaty dice que los sistemas C-MUSIC tienen miles de horas operativas en aviones comerciales y han sido probados en el Embraer 170 y 190 así como en la mayoría de plataformas comerciales Boeing y varios modelos de Airbus (Toulouse, Francia).

Al otro lado de la calle en el laboratorio de I+D, el pasillo de entrada muestra una variedad de piezas, incluyendo algunas hechas de titanio impreso en 3D. CW aprende que esto resultó de las actividades de un consorcio israelí liderado por el jefe de I+D de Elbit-Cyclone, Lior Zilberman. El objetivo del consorcio era avanzar la tecnología de fabricación aditiva para producción de aeroestructuras. "También nos interesa su potencial para aumentar nuestras capacidades de ensamblaje", dice Hulaty. Usos adicionales pueden incluir piezas para programas de actualización de helicópteros, que señala son tiradas notoriamente pequeñas (ej., cinco helicópteros), "así que hacer utillaje no es opción asequible". Otras piezas en la exposición de I+D incluyen una hélice marina hecha con RTM y un winglet desarrollado con un cliente para reemplazar un ensamblaje de panal de dos piezas con una pieza simple e integrada.

El desarrollo de estructuras compuestas unitarizadas se ha convertido en una de las fortalezas de Cyclone. El winglet usa prepreg de carbono/epoxi monolítico procesado fuera de autoclave (OOA) para reducir peso, coste y plazo. Las mismas ventajas se logran en una superficie de control integrada, libre de sujetadores, hecha en un proceso RTM de una sola inyección. Zilberman también ha liderado a la empresa en desarrollo de estructuras multifuncionales con recolección de energía embebida, capacidad de cambio de forma y sistemas de monitorización de salud estructural/END en alas rotativas y fijas, así como alas rotativas y fijas auto-adaptativas de compuestos.

El laboratorio de I+D comprende una sala de corte, sala de mecanizado y sala de desarrollo RTM. Esta última contiene una prensa de 360 toneladas de Lauffer Pressen (Horb am Neckar, Alemania) con sistema de potencia de 700 kW para calentar moldes para piezas de hasta 2 por 2 m. Cyclone trabajó con Polymer G (Halutza, Israel) para desarrollar el sistema de inyección de resina para la tecnología de puerta de pasajero integrada libre de sujetadores y superficie de control. También hay un gran horno para precalentar moldes RTM y/o post-curar piezas de resina epoxi.

Inversión en producción futura

Al concluir la visita, Hulaty señala que la producción y ensamblaje a alta tasa requieren inversión. A través de la visita, hemos visto ejemplos de esto en los laboratorios de pruebas y capacidad END de Cyclone, así como en su enfoque al mecanizado. La empresa también implementó el software Total Production Optimization (TPO) de Plataine (Waltham, MA, EE. UU.), usado para lograr ahorros de material de doble dígito en sus operaciones de corte de prepreg. TPO reemplazó el corte y anidado secuencial previo de prepreg con un sistema automatizado digital que optimiza nidos de corte a través de múltiples piezas usando los mismos materiales. Este sistema también ha ayudado a mejorar el rendimiento de fabricación y reducir el tiempo requerido para corte y configuración de máquina.

"Confían en nosotros para entregar piezas de alta calidad, pero también debemos buscar constantemente formas de gestionar costes y permitir tasas de producción mayores", dice Hulaty. Elbit Cyclone sigue buscando nuevas oportunidades y ve un futuro brillante, aunque lleno de retos. "Tenemos una estrategia firme, que se está probando, como se ve por el crecimiento de la empresa", dice Hulaty. "Dicho esto, nuestra estrategia evoluciona constantemente, adaptándose a cambios de mercado". La impresión que perdura es una confianza pragmática basada en conocimiento y experiencia, una empresa que seguirá cumpliendo su papel de convertir la promesa de tecnología avanzada en producción confiable de compuestos aeroespaciales.