IAI: El líder aeroespacial de Israel se prepara para la expansión global

Israel Aerospace Industries (IAI) se estableció como Bedek Aviation Co. en 1953, cinco años tras la creación del Estado de Israel. Entonces situada junto al Aeropuerto de Lod (hoy Ben Gurion International, sureste de Tel Aviv), la empresa comenzó con 70 empleados. A medida que Israel se desarrollaba, IAI avanzaba en tecnología y operaciones hasta su facturación anual actual de 4.000 millones USD, una cartera de 11.000 millones USD y más de 15.000 empleados (6.000 son ingenieros). Es el mayor complejo industrial de Israel y líder mundial en una gama de tecnologías de defensa.

Aunque la empresa es reconocida por sus capacidades de producción build-to-print (BTP)/build-to-spec (BTS), es un OEM completo de defensa y aeroespacial y puede diseñar aviones completos, hasta la certificación de vuelo completa. Un ejemplo: IAI tuvo responsabilidad total por diseño y análisis, pruebas en tierra y vuelo, fabricación y ensamblaje de los jets de negocios G150 y G280 para Gulfstream Aerospace Corp. (Savannah, GA, EE. UU.). IAI logró certificación conjunta del jet de negocios G150 con autoridades de aviación de EE. UU., Europa e Israel.

Las operaciones de compuestos de IAI abarcan fabricación de piezas y ensamblajes para jets de negocios y aviones comerciales, vehículos aéreos no tripulados (UAVs) y aviones militares. Piezas producidas incluyen estabilizadores verticales y horizontales, timones, estructuras de alas, nacelas de motor, vigas de suelo, marcos de puerta, mamparos estructurales, nervios y rigideces, superficies de control, carenados y radomos. Entre sus capacidades de fabricación están: estratificado manual de prepreg y colocación automática de cinta (ATL), conformado en caliente, curado en autoclave y fuera de autoclave (OOA) incluyendo procesos de moldeo líquido, como infusión de resina y moldeo por transferencia de resina (RTM), además de pegado complejo y ensamblaje. La empresa también diseña y construye su propio utillaje, posee todas las certificaciones clave de calidad aeroespacial y de compuestos y proporciona aseguramiento de calidad vía ensayos no destructivos e inspección completos.

IAI se promociona como ventanilla única, ofreciendo diseño y análisis completos, ingeniería, prototipado y servicios de producción así como gestión de cadenas de suministro complejas. Su campus abarca muchas hectáreas y numerosos edificios, 17 de los cuales albergan su fabricación y ensamblaje relacionados con compuestos.

La visita de CW fue guiada por el director de marketing y negocio de IAI, Eitan Shalit, el director de programas de I+D, Hary Rosenfeld, y el Dr. Zev Miller, gerente de materiales y procesos de compuestos dentro del Grupo de Ingeniería y Desarrollo de IAI. La visita fue precedida por una visión general de la empresa en el nuevo edificio de producción de compuestos de la División Aero-ensamblajes de IAI.

Operaciones de aviones militares y UAVs

Uno de los programas clave de compuestos de IAI es la producción de pieles superior e inferior de fibra de carbono reforzada con bismaleimida para las alas exteriores del jet F-35 Lightning II. Una línea de ensamblaje totalmente automatizada construida específicamente para este programa se inauguró en 2014 (Fig. 1). IAI celebró la entrega del 10º kit de estructuras de ala a Lockheed Martin (Bethesda, MD, EE. UU.) en julio de 2016 y está previsto producir más de 800 pares para 2034.

La relación de la empresa con Lockheed Martin comenzó con el avión militar F-16. IAI fabricó el estabilizador vertical para varias variantes del F-16. Las pieles para esta pieza crítica de fractura se fabrican a plano, usando prepreg de fibra de carbono unidireccional estratificado a mano y curado en autoclave.

La empresa también produjo el estabilizador vertical y timón para el jet de caza McDonnell Douglas F-15, ahora soportado por Boeing, que usa compuestos de boro/epoxi. Para el estabilizador horizontal del helicóptero Sikorsky (Stratford, CT, EE. UU.) UH-60 Black Hawk, IAI desarrolló un proceso de una sola inyección de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) prepreg para la caja integral de compuestos de 2 m de largo. Esta estructura crítica de vuelo logró un ahorro del 20 % en peso y coste vs. el ensamblaje metálico anterior. IAI llevó la pieza de diseño a primera entrega en 9 meses en 2003 y ha producido 1.500 kits hasta la fecha en su división RAMTA en Be'er Sheva, al sur.

IAI tiene amplia experiencia en diseño y producción de UAVs, comenzando con su sistema de avión pilotado remotamente (RPAS) Scout en 1978. Scout fue seguido por los aviones Pioneer, Ranger y Hunter, todos con estructuras 100 % de compuestos, hechos con estratificado húmedo de tejido de carbono/epoxi y núcleo de panal. Esto luego transitó a prepreg de CF y núcleo de espuma Rohacell polimetacrilimida (PMI) de Evonik (Essen, Alemania).

La producción actual incluye el Searcher Mk III, la familia Bird Eye, Panther Fixed Wing y Hovermast 100 aviones de despegue y aterrizaje vertical (VTOL) y la familia Heron de aviones no tripulados. La variante más avanzada, el Heron TP, mide 14 m de largo con 26 m de envergadura. Es un UAV de media altitud y larga duración (MALE), capaz de volar a 13.716 m de altitud durante 40 horas. "Todas nuestras aeroestructuras de UAV son 100 % compuestas", señala Miller.

Compuestos para aviones comerciales

IAI es proveedor Tier 1 para OEMs de aviones comerciales y contratista principal para el jet de negocios Gulfstream G280. Construye el avión en verde y lo vuela al centro de completación de Gulfstream en Dallas, TX, EE. UU. En 2009, CW escribió sobre el desarrollo por IAI de un timón RTM para lo que ahora es el G280 (ver "Exhibición RTM: Timón de una pieza"). IAI había, de hecho, diseñado y construido el jet ejecutivo Galaxy/Astra, cuyos derechos adquirió Gulfstream en 2001, renombrándolos G100 y G200, respectivamente. El G280, el más reciente de esta línea, acomoda de 2 a 10 pasajeros. Su superficie exterior es 35 % compuesta comparado al 12 % del G100.

El estabilizador horizontal del G280 es una estructura integral curada en autoclave. Comprende largueros precurados co-pegados con adhesivo a una piel de prepreg CF/epoxi. El estabilizador vertical es una estructura híbrida de aluminio y prepreg autoclavada, mientras el elevador es construcción sándwich, usando pieles de prepreg CF/epoxi y núcleo de panal Nomex. Los componentes del timón ahora se producen en NCC (North Coast Composites, Cleveland, OH, EE. UU.) y se ensamblan en la división RAMTA de IAI, en Be'er Sheva. Los carenados ala-fusela del G280 usan una preforma de CF hecha con tejido liso en un lado y tejido sin rizado en el otro, con las dos capas cosidas. Esta preforma y núcleo de espuma Rohacell se infunden con resina epoxi y curan solo con bolsa de vacío (VBO) en horno a 180 °C.

Equipados para mayor producción

IAI tiene seis salas blancas. Cinco de ellas (superficie total de 3.010 m²) pertenecen a su División Aero-ensamblajes, principal instalación de IAI para fabricación de piezas de compuestos y ensamblajes. Aunque cada sala blanca está especializada para las necesidades únicas de producción de sus clientes, todas están equipadas con tecnologías avanzadas de estratificado: ya sea con una máquina de colocación de cinta contorneada (CTL) de 16 por 3 m de Fives Cincinnati (Hebron, KY, EE. UU.), una máquina de colocación automática de cinta (ATL) de 15 por 3 m de MTorres (Navarra, España) o, para fines de estratificado manual, un sistema de proyección láser, suministrado por Virtek Vision (Waterloo, ON, Canadá).

En otras partes de la instalación:

• IAI tiene capacidad de almacenamiento en congelador de prepreg de 193 m². La empresa también ha invertido en el software Total Production Optimization (TPO) de Plataine (Waltham, MA, EE. UU.) para optimizar no solo el corte y anidado de prepreg, sino también el uso de material, reduciendo desperdicio de prepreg y consumo de materia prima en un 5 %. Además, el software ha automatizado la producción, reduciendo tareas manuales y el riesgo asociado de errores.
• La capacidad de producción de IAI es significativa, con 10 autoclaves, siete de los cuales pertenecen a la División Aero-ensamblajes y van desde 4,5 m de largo y 2 m de diámetro, hasta el mayor de 14 m de largo y 4,7 m de diámetro.
• Los estratificados de prepreg se descompactan antes del curado usando una máquina de conformado en caliente (6,9 por 2,7 por 3,1 m) de Electrotherm Industry (Migdal HaEmek, Israel).
• Para inspección no destructiva de piezas de compuestos, la división tiene diferentes máquinas y técnicas: cuatro máquinas con tanque de inmersión de array en fase UT, dos máquinas gantry de ultrasonido de transmisión a través (TTU) y dos sistemas robóticos 3D que ofrecen opción de TTU array en fase de área amplia con aspersores de agua, array en fase de eco de pulso con burbujas de piel (bajo flujo de agua para acoplamiento a superficie de pieza) o UT array en fase acoplado por aire.

La División Aero-ensamblajes también tiene tres máquinas CNC, de hasta 7 por 3,5 m, para recorte y taladrado de piezas de compuestos y equipo CMM compartido para inspección dimensional. Las tres cabinas de pintura y cinco salas de ensamblaje de la división cubren un área total de 2.350 m².

Automatizando RTM

Directamente frente a la instalación de producción de compuestos de la División Aero-ensamblajes está el edificio que alberga el laboratorio de I+D de IAI para RTM, incluyendo una celda de preformado automatizada (ver Más información). "Esto se desarrolló originalmente para asientos de helicóptero Bell 525", dice Rosenfeld, "pero podríamos adaptarlo para otras plataformas similares". IAI desarrolló la tecnología de preformado con Techni-Modul Engineering (Coudes, Francia) para reemplazar el estratificado manual de prepreg. El diseño del asiento, desarrollado para cumplir requisitos de choque de helicóptero, usa una combinación de refuerzos. Rosenfeld explica: "El asiento se deforma con el suelo durante el impacto y luego debe soportar cargas de aceleración máximas. La fibra de vidrio aporta la flexibilidad y resistencia al impacto necesarias, mientras la fibra de carbono proporciona la resistencia".

"Este asiento de helicóptero buscaba paridad con la base de prepreg, pero podemos optimizarlo más para rendimiento y peso ligero", dice Miller. La celda está configurada con una estación de alimentación automatizada de materiales que suministra refuerzos a una máquina de corte automatizada. Un robot pick-and-place de ABB (Zurich, Suiza) mueve luego las capas de tejido seco sobre una herramienta de preformado. Se desarrollaron pinzas especiales, que incluyen un sensor para verificar si la capa está unida. El brazo del robot también tiene sensores para verificar la posición de cada capa al colocarse usando proyección láser. Una cámara valida la orientación y posición de la capa vs. imágenes estándar grabadas en una base de datos de referencia.

Una bolsa de silicona fundida proporciona una membrana de vacío reutilizable durante el descompactado, que se realiza seis veces. Luego, el preformado compactado se transfiere a una herramienta donde se realiza corte ultrasónico. No hay corte tras el moldeado. Finalmente, el preformado recortado se coloca en un conjunto de moldes RTM de acero emparejados.

La resina usada es el epoxi endurecido monocomponente Prism EP-2400 de Solvay (Bruselas, Bélgica). Se desgasifica primero y luego se inyecta usando una unidad suministrada por Isojet Equipments (Corbas, Francia). "Normalmente se gasta mucho tiempo limpiando líneas y moldes, pero hemos mantenido la configuración de inyección muy simple para tener mínimo que limpiar", dice Rosenfeld. La resina se calienta a 80 °C para reducir viscosidad y mejorar flujo e impregnación de fibra durante la inyección. "Esto es totalmente automatizado y sincronizado con la prensa", señala Rosenfeld. El molde, precalentado a 120 °C, se cierra, se aplica vacío y se inyecta la resina. Solo se usa vacío para fluir la resina a través del preformado. Tanto temperatura como presión aumentan en el molde, alcanzando 180 °C y presión de 6 bar durante un ciclo de moldeo de 2 horas. El molde se enfría a 50 °C, se abre y se retira la pieza terminada.

Avanzando compuestos futuros

Una sala adyacente en el laboratorio de RTM alberga equipos de prueba, incluyendo máquinas de inyección de dos componentes para probar nuevas resinas RTM: I+D es un foco significativo para IAI. Tiene experiencia en más de 86 colaboraciones multi-socio financiadas por la UE, incluyendo:

• El proyecto TANGO, que demostró estructuras de fuselaje, ala y caja central de ala de compuestos. Como parte de TANGO, IAI diseñó y fabricó tres grandes nervios de ala de CFRP, hasta 1,7 m de largo, con rigideces de onda seno integral y alas moldeadas de una vez, usando tejido sin rizado y RTM.
• CONDICOMP, organizado para desarrollar gestión de estado de material durante procesos de curado de compuestos.
• ALCAS, que buscaba reducir costes de fabricación de componentes de aviones de compuestos.
• IFATS, establecido para aumentar autonomía de aviones.

Tres otros programas merecen mención especial. Dentro del proyecto MAAXIMUS de 8 años, liderado por Airbus para mejorar fuselajes de compuestos, IAI fue encargada de estudiar detalles estructurales —incluyendo caídas de capas y terminaciones de largueros (típicas en rupturas de producción, como juntas circunferenciales principales del fuselaje)— e investigar opciones para mejorar resistencia y peso. Para cada detalle, IAI realizó predicciones de resistencia, usando diseño e ingeniería asistidos por computadora (CAD/CAE) y análisis FEM, diseñó y fabricó especímenes de prueba relevantes y luego comparó resultados de pruebas con análisis. Los resultados finales se usaron en el programa general para ayudar recomendaciones para diseño y producción de futuros aviones.

En LOCOMACHS, IAI fue una de 31 empresas enfocadas en reducir significativamente o eliminar las operaciones más consumidoras de tiempo y, por tanto, costosas pero sin valor añadido en ensamblaje de fuselajes de compuestos, como ensamblaje temporal para verificar huecos, shimming, desmontaje y manejo de herramientas. IAI trabajó con el coordinador del proyecto SAAB Aeronautics (Linköping, Suecia) y socios GKN Aerospace (Redditch, Reino Unido), Turkish Aerospace Industries (Ankara) y Centro Aeroespacial Neerlandés (NLR, Amsterdam) para construir los demostradores Lean Assembled Wing Box (LAWiB) y More Integrated Wing Box (MIWiB) (ver Más información). Produjo largueros de CF/epoxi usando tejido sin rizado (NCF) suministrado por SAERTEX (Saerbeck, Alemania). Estos largueros se co-pegaron a la piel NCF. Las piezas resultantes eliminaron shimming en la interfaz piel-spar superior y redujeron cuenta de sujetadores para un recorte del 30 % en coste de mano de obra de ensamblaje. Miller ve uso potencial para estos conceptos en otras estructuras, incluyendo alas y colas más pequeñas.

Actualmente, IAI lidera dos proyectos Clean Sky 2 intensivos en compuestos: OPTICOMS (Estructuras de Compuestos Optimizadas para Aviones Pequeños) y ECOTECH eco-friendly innovative airframe. Como coordinador, IAI trabaja con el equipo OPTICOMS, que incluye Piaggio Aircraft (Génova, Italia), Coriolis Composites (Quévén, Francia), DANOBAT (Elgoibar, España) y TechniModul Engineering —para demostrar automatización en estructuras de compuestos de bajo volumen para reducir coste. El demostrador de ala de Piaggio Aircraft de 7 m de largo presenta una construcción integral spar/skin producida de una vez. Varias tecnologías se evalúan para determinar el proceso de fabricación más rentable. Un método novedoso es Final Pressure Transfer Molding (FPTM). Desarrollado por TechniModul Engineering, socio de IAI para su celda RTM automatizada, el proceso FPTM inyecta aire o gas en una cavidad cerrada para aplicar hasta 10 bar de presión mientras cura prepreg termofijo en moldes emparejados calentados. Las piezas OOA resultantes están, según informes, a la par con prepreg curado en autoclave pero sin requerir inyección de resina adicional, como en el proceso Same Qualified Resin Transfer Molding (SQRTM) (ver "SQRTM permite piezas net-shape").

Para ECOTECH, IAI junto con Invent (Braunschweig, Alemania) lidera un consorcio de 12 miembros encargado de desarrollar nuevos materiales, procesos y tecnologías de reciclaje para reducir la huella ambiental de la producción de aviones. Como parte del proyecto Eco-Design previo, IAI ayudó a seleccionar y desarrollar tecnologías para reducir peso, coste, consumo de energía, emisiones, materiales peligrosos y residuos, validadas en tres demostradores en 2017, logrando reducción de peso del 10-20 % y reducción potencial de calentamiento global en más de 50 % comparado a práctica actual. En la fase final de ECOTECH, mayor desarrollo en tecnologías de materiales y procesos novedosos se validará en la fabricación de cuatro demostradores —termoplásticos, termofijos, metálicos y biomateriales. Estos demostradores, más los de OPTICOMS, se integrarán en el Demostrador de Tecnología Integrada de Fuselaje (ITD) de Clean Sky 2, liderado por Dassault Aviation (Biarritz, Francia), Airbus DS (Madrid, España) y SAAB (ver "Demostradores de compuestos termoplásticos — hoja de ruta UE para futuros fuselajes").

La empresa también explora fabricación aditiva, monitorización de salud estructural y alas morfantes, así como establecer su posición en propulsión eléctrica —lo que ve como la próxima era de la aviación.

Todo esto augura bien para el futuro de IAI. "Tenemos una combinación única de experiencia de producción de décadas, capacidad para desarrollar e implementar tecnología avanzada de compuestos y relación de larga data con las industrias aeroespaciales de EE. UU. y Europa", dice Shalit. "Los mercados aeroespaciales comercial y militar son cada vez más competitivos, y los compuestos son una competencia clave. IAI seguirá proporcionando soluciones y ayudando a satisfacer las necesidades de nuestros socios para el crecimiento futuro".