1 Introducción
En el campo de la aeronáutica, los avances en automatización e industrialización de los procesos productivos son fundamentales para garantizar la fabricación de elementales en tiempo, coste y calidad, de forma que se atienda a la demanda mundial de nuevos aviones gaantizando los plazos de entrega dentro de esta industria.
Por tanto, es necesario buscar alternativas productivas y tecnologías de fabricación inteligente que permitan reducir los tiempos de ciclo y tener unos menores costes recurrentes garantizando la capacidad competitiva y asegurando el respeto por el medio ambiente.
En particular, el uso los materiales compuestos en las estructurales aeroespaciales es una ventaja primordial debido a la buena relación rigidez/peso de la fibra de carbono, lo que permite reducir el peso final de las piezas y en consecuencia, disminuye las emisiones de CO2 de las aeronaves así como el coste operativo durante la vida de la misma.
Para lograr estos hitos que exige el mercado, el proyecto LPA-IADP-WP1.2.5. Advanced Rear End Manufacturing, que se engloba dentro del programa de investigación del CleanSky2 de la Unión Europea Horizon 2020, tiene como objetivo el avance tecnológico de los materiales compuestos de fibra de carbono, mejorando los procesos de fabricación, la calidad de las piezas y reduciendo el consumo de energía de los componentes estructurales.
El consorcio LPA-IADP [WP1.2 advanced rear end] está formado por varios miembros, donde destacan como principales contribuidores: Aernnova (España), FIDAMC (Fundación para la Investigación, Desarrollo y Aplicación de Materiales Compuestos, Madrid, España) y con Airbus Group como líder del proyecto. Aernnova es el coordinador del proyecto y responsable del diseño detallado del demostrador, diseño y fabricación del utillaje, fabricación de elementales en material compuesto, inspección final de todos los elementos y montaje final y FIDAMC es el responsable de la fabricación del revestimiento con cuadernas de forma y larguerillos integrados del demostrador de la sección trasera de fuselaje.
2 Objetivo
El objetivo principal de este proyecto consiste en desarrollar nuevas tecnologías para obtener estructuras aeronáuticas altamente integradas que garanticen las cadencias de produccción de los entornos industriales, permitan reducir los costes recurrentes así como el peso de la estructura para minimizar las emisiones.
En particular, dentro LPA IADP [Platforma 1 D02 Rear Fuselage Demonstrator] este proyecto ha desarrollado y validado el proceso de fabricación de material compuesto para lograr una sección trasera de fuselaje altamente integrada a escala 1:1.
Las tecnologías de fabricación empleadas dentro del proyecto para la obtención final de esta sección trasera completa son las siguientes:
- Tecnología con material preimpregnado de fibra de carbono (prepreg CFRP) usando un proceso de cocurado que permite integrar la piel, cuadernas de forma semicuradas y los rigidizadores en autoclave.
- Tecnología con fibra seca de carbono (dry fiber CFRP) usando un proceso de RTM (Resin Transfer Moulding) de las cuadernas de carga por separado, fuera de autoclave. Y posterior proceso de ensamblaje para unirlas a la estructura integrada mediante remaches.
- Tecnología con material preimpregnado de fibra de carbono (prepreg CFRP) de las vigas laterales. Y posterior proceso de ensamblaje para unirlas a la estructura integrada mediante remaches.
- Tecnología con material termoplástico para la cuaderna de cierre. Y posterior proceso de ensamblaje para unirlas a la estructura integrada mediante remaches.
- Clips fabricados mediante la tecnología de ALM. Y posterior proceso de ensamblaje para unirlas a la estructura integrada mediante remaches.
En particular, este artículo se va a centrar en el desarrollo del proceso de fabricación del demostrador de sección trasera altamente integrado cocurado con la piel, fresca rigidizadores frescos y cuadernas de forma semicuradas en un solo paso.
Para este proceso de fabricación se han empleado las técnicas más avanzadas de laminación automática, reduciendo los costes recurrentes y garantizando un alto ratio productivo.
3 Descripción de los trabajos
Para lograr el objetivo de este proyecto, en primer lugar, se ha realizado un diseño detallado del demostrador teniendo en cuenta los principales requerimientos para desarrollar las tecnologías de fabricación anteriormente mencionadas.
Teniendo en cuenta estas necesidades, se ha definido el utillaje y los procesos de fabricación a emplear para obtener la sección trasera altamente integrada a escala 1:1.
3.1 Concepto utillaje
Diferentes utillajes han sido necesarios para fabricar todas las elementales que forman la sección trasera de fuselaje integrada. El utillaje se ha diseñado pensando en el proceso de fabricación ; cocurado de material preimpregnado en autoclave de piel fresca y rigidizadores frescos así como cuadernas de forma semicuradas. Además, se ha diseñado y fabricado el utillaje necesario para obtener las cuadernas semicuradas.
Los principales útiles empleados han sido los siguientes:
- Útil para el conformado y semicurado de las cuadernas de forma en sección de J.
- Útil para el conformado de los rigidizadores en sección de Ω.
- Útil de encintado y curado del demostrador integrado que ubica los rigidizadores y cuadernas de forma, y permite laminar de forma automática la piel. Este mismo útil se emplea para el cocurado de todos los elementos en autoclave en un solo paso.
- Soporte para el desmoldeo.
3.1.1 Útil conformado y semicurado cuadernas de forma
El útil se ha diseñado para ser usado en el conformado y semicurado de las cuadernas de forma de sección en J.
3.1.2 Útil conformado rigidizadores
El útil se ha diseñado para ser usado en el conformado de los rigidizadores en sección de Ω.
3.1.3 Útil encintado y curado demostrador integrado
El útil se ha diseñado para laminar la piel de forma automática mediante una máquina AFP (Automatic Fiber Placement) El diseño permite integrar los rigidizadores en sección de Ω y las cuaderrnas de forma en sección en J, para poder realizar el cocurado en autoclave de todo el conjunto (piel, rigidizadores y cuadernas de forma)
Las cuadernas semicuradas han permitido simplificar el utillaje de curado respecto a haber empleado elementales en fresco ya que su espesor final está consolidado.
3.2 Materiales
Como se ha comentado anteriormente, se ha fabricado el demostrador de sección trasera altamente integrado usando las siguientes tecnologías:
- Tecnología con material preimpregnado de fibra de carbono (prepreg CFRP) usando un proceso de semicurado para obtener las cuadernas de forma.
- Tecnología con material preimpregnado de fibra de carbono (prepreg CFRP) usando un proceso de cocurado en autoclave para obtener el conjunto altamente integrado de piel, rigidizadores y cuadernas de forma.
El material preimpregnado usado para este proyecto ha sido fibra de carbono preimpregnada en resina epoxy unidireccional suministrado por el fabricante Hexcel. Se han empleado dos tipos, de formato de 300mm de ancho para los rigidizadores y cuadernas de forma en máquina de ATL y 6.4mm de ancho para la laminación de la piel en AFP.
En primer lugar, se han realizado piezas a escala real de las cuadernas de forma para optimizar el proceso de fabricación y obtener el grado de semicurado óptimo para poder continuar con las tareas de integración en el demostrador. Para ello, ha sido necesaria una campaña de ensayos de fabricabilidad junto con diferentes estudios de grado de curado. Posteriormente, se ha fabricado el demostrador de sección trasera altamente integrado con la piel, rigidizadores en forma de Ω y cuadernas semicuradas de sección en J.
A continuación, se describe el proceso de fabricación para obtener este demostrador.
3.3 Proceso de fabricación demostrador sección trasera altamente integrado
Para la fabricación del demostrador integrado en material preimpregnado se ha usado un proceso de cocurado en autoclave, integrando las cuadernas de forma semicuradas, rigidizadores en fresco y piel en fresco.
3.3.1 Fabricación cuadernas de forma semicuradas
Las cuadernas de forma tienen sección en J. Se definen dos laminados independientes para poder obtener la geometría en J tras los procesos de conformado.
En primer lugar, se laminan las preformas de forma automática en una maquina de ATL (Automatic Tape Lay-up).
A continuación los laminados son conformados en un sistema de membrana para obtener la sección en J.
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Una vez obtenida la preforma, se realiza la bolsa de vacío colocando los materiales auxiliares requeridos sobre el útil de la figura 3 para realizar el ciclo de semicurado. Durante este ciclo se aplica presión, temperatura y vacío para garantizar la correcta extracción de volátiles y evitar defectos en la pieza como porosidades.
Una vez desmoldeada y recanteada la pieza final, se realizan la inspecciones para garantizar que se cumplen los requerimientos de calidad. En primer lugar, la inspección por ultrasonidos mediante la técnica de pulso-eco teniendo un umbral y área mínima reportable para determinar las indicaciones a reportar y en segundo lugar un análisis dimensional.
3.3.2 Conformado rigidizadores frescos
Los rigidizadores tienen sección de Ω.
En primer lugar, se laminan las preformas de forma automática en una máquina de ATL (Automatic Tape Lay-up).
A continuación los laminados son conformados en un sistema de membrana para obtener la sección en Ω.
3.3.3 Encintado piel
El siguiente paso del proceso de fabricación es la integración de las cuadernas de forma semicuradas y los rigidizadores frescos en el útil de encintado que es el mismo que el de curado.
A continuación, se realiza el encintado de la piel con fibra de carbono preimpregnada en resina epoxi mediante una máquina de laminación automática AFP de formato de material 6.4mm.
3.3.4 Co-curado
Una vez realizado el encintado de la piel fresca en el útil de curado, se realiza la bolsa de vacío colocando los materiales auxiliares requeridos.
El ciclo de curado se realiza en el autoclave aplicando presión, temperatura y vacío para garantizar la correcta calidad de la pieza.
A continuación se realiza el desmoldeo, realizando el volteo del útil y aproximación al soporte de desmoldeo
Una vez desmoldeado, se realiza el recanteado y taladrado para el posterior posicionamiento en montaje. Por último, se realizan las inspecciones dimensionales y por ultrasonidos (pulso eco) para garantizar la calidad de la estructura altamente integrada.
Una vez terminada la sección trasera altamente integrada es enviada a Aernnova Composites para continuar con las tareas de fabricación y montaje final del demostrador LPA IADP [Platforma 1 D02 Rear Fuselage Demonstrator].
4 Conclusiones
Los hitos logrados en el proyecto LPA-IADP-WP1.2.5. Advanced Rear End Manufacturing han permitido desarrollar la sección trasera de fuselaje altamente integrada a escala 1:1 que se integrará en el demostrador final de Fuselaje LPA IADP del líder del proyecto Airbus Group, empleando la tecnología de fabricación automática para fibra de carbono preimpregnada altamente integrada y la tecnología de semicurado.
Por tanto, con estos logros se ha alcanzado el objetivo principal dentro del LPA IADP [Platforma 1 D02 Rear Fuselage Demonstrator] del marco europeo.
Por último, estos desarrollos han permitido evolucionar la tecnología de fabricación en materiales compuestos, dando un paso adelante en la aplicación a escala industrial de producción en serie.
Agradecimientos
Agradecer la financiación recibida para poder desarrollar este proyecto a través del programa de investigación e innovación Clean Sky 2 de la Unión Europea Horizon 2020 bajo la subvención Grant Agreement n° 945583.
Agradecer la colaboración y liderazgo de Airbus Group y Aernnova que ha permitido el desarrollo del proyecto a través del soporte continuo, la comprensión y el trabajo en equipo para superar los desafíos acontecidos en el avance de un proyecto de estas características.
Igualmente agradecer a todo el equipo del consorcio LPA-IADP-WP1.2.5. Advanced Rear End Manufacturing la implicación y dedicación mostrada en el proyecto durante estos años de trabajo.
Document information
Published on 30/10/22
Accepted on 30/10/22
Submitted on 30/10/22
Volume 06 - AEMAC en PROYECTOS EUROPEOS (2022), Issue Num. 2 - Monográfico Proyectos Europeos (2), 2022
DOI: 10.23967/r.matcomp.2022.11.04
Licence: Other
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