Irastorza Arregui et al 2024a - Revision history

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 = '''1. INTRODUCCIÓN''' =
 En el mercado aeronáutico se está produciendo una transformación sin precedentes en su historia. Los fabricantes de aviones están utilizando tecnologías cada vez más avanzadas para mejorar la eficiencia y reducir el impacto medioambiental, por lo que el driver de sostenibilidad ambiental está transformando toda la cadena de valor de la industria aeronáutica, empujándola a invertir en tecnologías más limpias.
 Por otro lado, la competencia entre los fabricantes de aviones es cada vez más importante, lo que supone una mayor innovación y mejora continua en todos los ámbitos. La introducción de nuevos materiales y técnicas de fabricación transforma la construcción y el mantenimiento de aviones y todo ello, además, debe situarse en un escenario de creciente demanda de soluciones de movilidad aérea en el interior de la ciudad, junto con el auge del comercio electrónico y la entrega de paquetes que impulsa la demanda de aviones/ drones de reparto de mercancías.
 El proceso de fabricación de Resin Transfer Moulding (RTM), por ejemplo, está adquiriendo una creciente importancia en la industria aeronáutica. Su uso en la fabricación de aeroestructuras está aumentando por su capacidad para producir piezas ligeras y resistentes y porque permiten utilizar materias primas de menor coste y, al mismo tiempo, ofrece un gran potencial de automatización. El proceso de RTM requiere preformas para prevenir distorsiones de la fibra, con lo que la fase de producción de preformas se convierte en una etapa fundamental.
-El proceso de fabricación de preformas actual se basa en máquinas de hot drape forming (HDF) donde se instalan moldes pesados de aluminio. Los tejidos de carbono son apilados según la secuencia de laminación definida previo a su transferencia a la instalación de preformado. Los binders típicos utilizados para la consolidación de las preformas se activan en un rango de temperatura de entre 90ºC y 120ºC. La instalación de HDF da forma 3D a los tejidos utilizando membranas elastoméricas de alta elongación, mientras aplica calor mediante lámparas infrarrojas. En el proceso, una parte importante de la energía proporcionada se disipa a la membrana, al molde y a los accesorios metálicos circundantes de la máquina, haciendo que el calentamiento de los tejidos de carbono sea muy lento. Además, a medida que se acumula calor en las piezas metálicas, también se necesita un tiempo importante y una energía para enfriar las preformas antes de su desmoldeo.
+El proceso de fabricación de preformas actual se basa en máquinas de hot drape forming (HDF) donde se instalan moldes pesados de aluminio. Los tejidos de carbono son apilados según la secuencia de laminación definida previo a su transferencia a la instalación de preformado. Los binders típicos utilizados para la consolidación de las preformas se activan en un rango de temperatura de entre 90ºC y 120ºC. La instalación de HDF da forma 3D a los tejidos utilizando membranas elastoméricas de alta elongación, mientras aplica calor mediante lámparas infrarrojas. En el proceso, una parte importante de la energía proporcionada se disipa a la membrana, al molde y a los accesorios metálicos circundantes de la máquina, haciendo que el calentamiento de los tejidos de carbono sea muy lento. Además, a medida que se acumula calor en las piezas metálicas, también se necesita un tiempo y energía importante para enfriar las preformas antes de su desmoldeo.
 En el proceso global, la mayor parte de la energía consumida se utiliza para calentar elementos que no son necesarios. Por lo tanto, el sistema de refrigeración requiere energía adicional para acelerar el proceso. En consecuencia, el proceso de preformado actual está lejos de ser energéticamente eficiente.
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 |}
-En el Método Resistivo Directo de Preformado desarrollado y patentado por Tecnalia, los tejidos de carbono que forman la pieza son utilizados como circuitos eléctricos resistivos para conseguir su rápido calentamiento hasta la temperatura de activación del binder, obteniendo de esta manera la consolidación de las preformas. Se han desarrollado utillajes de preformado específicos y optimizados, basados en material altamente aislante a nivel térmico y eléctrico para minimizar la disipación de calor. Los utillajes también están equipados con electrodos para la aplicación de corriente eléctrica a la preforma de carbono. La corriente eléctrica, por efecto Joule, genera el calor exactamente donde se necesita, en los tejidos de carbono. El calentamiento es muy rápido y, en consecuencia, sólo una pequeña fracción de la energía total se disipa hacia el utillaje y la membrana. Esto, a su vez, también acelera la fase de enfriamiento y no es necesario utilizar un sistema de enfriamiento forzado, como pasa en el caso de las instalaciones convencionales de HDF.
+=2 - CALENTAMIENTO RESISTIVO DIRECTO. ESTADO DEL ARTE=
-Pero, como se ha comentado, la tecnología del calentamiento resistivo directo no solo es aplicable al preformado de materiales de fibra de carbono, sino que podría utilizarse en otros procesos de fabricación de componentes de material compuesto de fibra de carbono. En este sentido, Tecnalia ha realizado pruebas de concepto para validar preliminarmente la aplicación del calentamiento resistivo en los siguientes procesos:
+La tecnología de calentamiento resistivo directo está basada en la aplicación directa de corriente eléctrica a las telas de fibra de carbono que forman la preforma [2], aprovechando que éstas son electro-conductoras. La conductividad de la fibra de carbono es mucho menor que la de los materiales metálicos como el aluminio o el cobre, siendo interesantes las fibras para calentamientos tecnológicos [3].
-* Calentamiento resistivo para curado de laminados termoestables. [2]
-* Calentamiento resistivo en el preformado de estructuras de tipo sándwich con pieles de carbono.
-* Calentamiento resistivo en las líneas de fabricación de towpregs. [3]
-* Calentamiento resistivo en aplicaciones de conformado de materiales termoplásticos. [4]
-* Calentamiento resistivo en aplicaciones de unión/soldadura de materiales termoplásticos con fibra de carbono.
-* Calentamiento resistivo en aplicaciones de cabezales de deposición de cinta tipo ATL o AFP. La solución de calentamiento resistivo vendría a sustituir a los costosos y menos eficientes energéticamente sistemas láser o de luz pulsada empleados habitualmente.
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-Adicionalmente, aunque no sea una aplicación de calentamiento resistivo directo, Tecnalia también ha trabajado intensamente en el desarrollo de utillajes rígidos o membranas flexibles autocalefactados 3D, optimizando (en tiempo de ciclo y consumo de energía) de esta manera los procesos de preformado o curado de materiales compuestos termoestables. En este caso, se fabrican circuitos resistivos de fibra de carbono o metálicos en una máquina automatizada de cosido, y posteriormente estos circuitos resistivos son embebidos cerca de la superficie de moldes de preformado/curado o en membranas flexibles elastoméricas.
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-=2 - DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA=
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-La tecnología de calentamiento resistivo directo, desarrollada y patentada [5] por Tecnalia, está basada en la aplicación directa de corriente eléctrica a las telas de fibra de carbono que forman la preforma [6], aprovechando que éstas son electro-conductoras. La conductividad de la fibra de carbono es mucho menor que la de materiales metálicos como el aluminio o el cobre, siendo interesantes las fibras para calentamientos tecnológicos [7].
 Para aplicar este potencial eléctrico es necesario poner en contacto unos electrodos de cobre al principio y al final de la fibra de carbono.
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 |  style="text-align: center;vertical-align: top;width: 0%;"|[[Image:Draft_AEMAC_978936204-image1-c.jpg|198px]]
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-|  colspan='2'  style="text-align: center;vertical-align: top;"|'''''Figura 2:''' Aplicando un potencial eléctrico en las fibras de carbono se obtiene calor por efecto Joule [8] [9]''
+|  colspan='2'  style="text-align: center;vertical-align: top;"|'''''Figura 2:''' Aplicando un potencial eléctrico en las fibras de carbono se obtiene calor por efecto Joule [4] [5]''
 |}
+Para la implementación del método resistivo directo en procesos de preformado, se desarrollan utillajes de preformado específicos y optimizados, basados en material altamente aislante a nivel eléctrico y térmico para minimizar la disipación de calor. En esos utillajes de preformado se insertan los electrodos que posibilitan el proceso de calentamiento resistivo de los tejidos de carbono.
-Para la implementación del método resistivo en diferentes aplicaciones de composites, Tecnalia ha tenido que desarrollar los conocimientos y herramientas complementarias que se mencionan en el siguiente apartado.
 =3 - FASE DE DESAROLLO DE LA TECNOLOGÍA EN TECNALIA=

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 =4 - CONCLUSIONES=
-La tecnología desarrollada resuelve uno de los inconvenientes asociados a los composites, la lenta y costosa fabricación, en concreto, optimizando los procesos de calentamiento involucrados. Este método de calentamiento de materiales de fibra carbono (por ejemplo, para un proceso de preformado) ultra eficiente energéticamente contribuye a reducir aún más la huella de carbono asociada a la fabricación de componentes en composite de aviones o de otros sectores. Además, permite aumentar la productividad al reducir el tiempo necesario para el proceso de preformado, identificado por la industria como uno de los obstáculos que impiden la difusión de tecnologías de moldeo vía liquida, de menor coste que los preimpregnados.
+La tecnología desarrollada resuelve uno de los inconvenientes asociados a los composites, la lenta y costosa fabricación, en concreto, optimizando los procesos de calentamiento involucrados. Este método de calentamiento de materiales de fibra carbono (por ejemplo, para un proceso de preformado) ultra eficiente energéticamente contribuye a reducir aún más la huella de carbono asociada a la fabricación de componentes en composite de aviones o de otros sectores. Además, permite aumentar la productividad al reducir el tiempo requerido en el proceso de preformado, identificado por la industria como uno de los obstáculos que impiden la difusión de tecnologías de moldeo vía liquida, de menor coste que las tecnologías de los materiales preimpregnados.
 Las principales ventajas de esta tecnología de calentamiento resistivo son las siguientes:
-* En un proceso de preformado, se alcanzan ratios de calentamiento de entre 10-50ºC/min, mientras que en el proceso tradicional rondan los 5-6ºC/min.
+* En un proceso de preformado, se alcanzan ratios de calentamiento de entre 10- 50ºC/min, mientras que en el proceso tradicional rondan los 5-6ºC/min.
-* En un proceso de preformado, se alcanzan ratios de enfriamiento de entre 10-30ºC/min, mientras que en un proceso tradicional rondan los 4-5ºC/min.
+* En un proceso de preformado, se alcanzan ratios de enfriamiento de entre 10- 30ºC/min, mientras que en un proceso tradicional rondan los 4-5ºC/min.
 * En total, en un proceso de preformado, esta tecnología permite reducir los tiempos de ciclo más de un 60%.
 * Reducciones del consumo energético mayores que un 80%.
-* Tecnología de calentamiento no solo aplicable a procesos de preformado de carbono.
+* Tecnología de calentamiento no solo aplicable a procesos de preformado de tejidos de carbono.
 =5 - BIBLIOGRAFÍA=
-[1] [https://midwestcomposites.com.my/all-you-need-to-know-about-composites/ https://midwestcomposites.com.my/all-you-need-to-know-about-composites/]
+<nowiki>[1] https://midwestcomposites.com.my/all-you-need-to-know-about-composites/ </nowiki>
-[2] Hayes, S. A., Lafferty, A. D., Altinkurt, G., Wilson, P. R., Collinson, M., & Duchene, P. (2015). Direct electrical cure of carbon fiber composites. Advanced Manufacturing: Polymer &amp; Composites Science, 1(2), 112–119. [https://doi.org/10.1179/2055035915Y.0000000001 https://doi.org/10.1179/2055035915Y.0000000001]
+[2] Agencia (2022, 6 de junio). Preformado rápido y eficiente de fibra de carbono basado en calentamiento resistivo directo. Revista Dyna, Noticias de ingeniería. Preformado rápido y eficiente de fibra de carbono basado en calentamiento resistivo directo - REVISTA DE INGENIERIA DYNA (revistadyna.com)
-[3] Murat Çelik, James M. Maguire, Thomas Noble, Colin Robert & Conchúr M. Ó Brádaigh. (2023) Numerical and experimental investigation of Joule heating in a carbon fibre powder epoxy towpregging line. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 164, pages 107285.
+<nowiki>[3] L. C. Kontaxis, I. E. Chontzoglou, G. C. Papanicolaou (2021). Efficient Use of Carbon Fibers as Heating Elements for Curing of Epoxy Matrix Composites. Molecules 2021, 26, 5095. https://www.mdpi.com/1420-3049/26/16/5095 </nowiki>
-[4] Reese J, Vorhof M, Hoffmann G, Böhme K, Cherif C. Joule heating of dry textiles made of recycled carbon fibers and PA6 for the series production of thermoplastic composites. Journal of Engineered Fibers and Fabrics. 2020;15. doi:10.1177/1558925020905828
+[4] Fibretemp GmbH & Co. KG (Recuperado el 6 de julio de 2023). The Idea. The Idea (fibretemp.de)
-[5] M. Segura Moreno, R. Mezzacasa Lasarte, F.J. Estensoro Astigarraga, J.R. García Martínez, X. Irastorza Arregui, V. Collado Jiménez, O. Beloki Zubiri. Fundación Tecnalia Research&Innovation (2012). Device for the preparation of preforms of carbon fiber-reinforced components (número EP 2511080A1) [https://lp.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=lp.espacenet.com&II=0&ND=3&adjacent=true&locale=es_LP&FT=D&date=20130611&CC=BR&NR=102012008611A2&KC=A2 Espacenet - Datos bibliográficos]
+<nowiki>[5] D. Karthik, J. Militky, Y. Wang, M. Venkataraman (2023). Joule Heating of CarbonBased Materials Obtained by Carbonization of Para-Aramid Fabrics. C 2023, 9, 23. https://doi.org/10.3390/c9010023 </nowiki>
-[6] Agencia (2022, 6 de junio). Preformado rápido y eficiente de fibra de carbono basado en calentamiento resistivo directo. Revista Dyna, Noticias de ingeniería. [https://www.revistadyna.com/noticias-de-ingenieria/preformado-rapido-y-eficiente-de-fibra-de-carbono-basado-en-calentamiento-resistivo-directo Preformado rápido y eficiente de fibra de carbono basado en calentamiento resistivo directo - REVISTA DE INGENIERIA DYNA (revistadyna.com)]
+<nowiki>[6] https://www.fibretemp.de/en/about_fibretemp/application_examples/ </nowiki>
-[7] L. C. Kontaxis, I. E. Chontzoglou, G. C. Papanicolaou (2021). Efficient Use of Carbon Fibers as Heating Elements for Curing of Epoxy Matrix Composites. Molecules 2021, 26, 5095. [https://www.mdpi.com/1420-3049/26/16/5095 https://www.mdpi.com/1420-3049/26/16/5095]
+<nowiki>[7] Hayes, S. A., Lafferty, A. D., Altinkurt, G., Wilson, P. R., Collinson, M., & Duchene, P. (2015). Direct electrical cure of carbon fiber composites. Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, 1(2), 112–119. https://doi.org/10.1179/2055035915Y.0000000001 </nowiki>
-[8] Fibretemp GmbH & Co. KG (Recuperado el 6 de julio de 2023). ''The Idea. ''[https://www.fibretemp.de/en/about_fibretemp/idea/ The Idea (fibretemp.de)]
+[8] Murat Çelik, James M. Maguire, Thomas Noble, Colin Robert & Conchúr M. Ó Brádaigh. (2023) Numerical and experimental investigation of Joule heating in a carbon fibre powder epoxy towpregging line. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 164, pages 107285.
-[9] D. Karthik, J. Militky, Y. Wang, M. Venkataraman (2023). Joule Heating of Carbon-Based Materials Obtained by Carbonization of Para-Aramid Fabrics. C 2023, 9, 23. [https://doi.org/10.3390/c9010023 https://doi.org/10.3390/c9010023]
+[9] Reese J, Vorhof M, Hoffmann G, Böhme K, Cherif C. Joule heating of dry textiles made of recycled carbon fibers and PA6 for the series production of thermoplastic composites. Journal of Engineered Fibers and Fabrics. 2020;15. doi:10.1177/1558925020905828

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 |  style="text-align: center;vertical-align: top;"|'''''Figura 1:''' Proceso de Resin Transfer Molding (RTM) en detalle [1]''

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 |  colspan='3'  style="text-align: center;vertical-align: top;"|'''''Figura 7:''' Calentamiento de cintas UD de fibra seca o termoplástica en continuo mediante calentamiento resistivo directo para aplicaciones de cabezales tipo AFP o ATL''
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-|  style="vertical-align: top;"|'''''Figura 3:''''' ''Herramienta de cálculo Isim-heat desarrollada por Tecnalia para dimensionar los parámetros eléctricos necesarios en un preformado de carbono''
+|  colspan='2'  style="text-align: center;vertical-align: top;"|'''''Figura 3:''''' ''Herramienta de cálculo Isim-heat desarrollada por Tecnalia para dimensionar los parámetros eléctricos necesarios en un preformado de carbono''
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 * Calentamiento resistivo en aplicaciones de unión/soldadura de materiales termoplásticos con fibra de carbono.
 * Calentamiento resistivo en aplicaciones de cabezales de deposición de cinta tipo ATL o AFP. La solución de calentamiento resistivo vendría a sustituir a los costosos y menos eficientes energéticamente sistemas láser o de luz pulsada empleados habitualmente.
 Adicionalmente, aunque no sea una aplicación de calentamiento resistivo directo, Tecnalia también ha trabajado intensamente en el desarrollo de utillajes rígidos o membranas flexibles autocalefactados 3D, optimizando (en tiempo de ciclo y consumo de energía) de esta manera los procesos de preformado o curado de materiales compuestos termoestables. En este caso, se fabrican circuitos resistivos de fibra de carbono o metálicos en una máquina automatizada de cosido, y posteriormente estos circuitos resistivos son embebidos cerca de la superficie de moldes de preformado/curado o en membranas flexibles elastoméricas.
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 * Optimización del calentamiento de la preforma de la viga en plano. Se han empleado distintas estrategias de optimización con el objetivo de obtener una densidad de potencia uniforme en cada una de las secciones de la viga. La potencia total necesaria para calentar la preforma con un ratio de calentamiento de 15ºC/min es de solo 1600W, manteniendo el voltaje por debajo de los 25v.
 * Diseño y optimización del utillaje 3D de preformado con la estrategia de electrodos y demás elementos disipadores desarrollados en la fase anterior.
 El proceso de preformado desarrollado para esta viga de 1500x300mm, teniendo en cuenta la fase de calentamiento y enfriamiento previo a su desmoldeo, dura solamente 22min.