Descubra cómo Greene Tweed utiliza la tecnología de compuestos termoplásticos discontinuos para remodelar la fabricación aeroespacial
Aviation Week Network mantuvo una conversación con Travis Mease y Sébastien Kohler de Greene, Tweed and Co., el fabricante de componentes con 160 años de antigüedad que ofrece soluciones de confianza para las demandas críticas de rendimiento de la industria.
Conozca a los expertos:
Travis Mease es el director de productos termoplásticos de Greene Tweed para compuestos estructurales, especializado en aplicaciones de fibra cortada. Dirige el desarrollo de la estrategia de producto y la ejecución de la hoja de ruta tecnológica, impulsando la expansión de los compuestos termoplásticos en los mercados emergentes.
Sébastien Kohler es científico en Greene Tweed y trabaja en materiales compuestos estructurales y de ingeniería. Forma parte de un equipo multidisciplinar que desarrolla nuevos materiales compuestos, nuevos procesos y nuevas piezas, con especial atención a la industria aeroespacial.
P AW: ¿Cuáles son las ventajas de los compuestos de fibra larga discontinua (DLF) en la fabricación aeroespacial?
R TM: Una ventaja clave del compuesto termoplástico de fibra larga discontinua (DLF) Xycomp de GT es su proceso de moldeo por compresión altamente automatizado, que admite tanto geometrías complejas como la producción de grandes volúmenes para aplicaciones aeroespaciales. Podemos producir repetidamente piezas de alta calidad conformes a las normas GD&T, procesando a menudo múltiples componentes en el mismo palé para aumentar el rendimiento con una interacción mínima del operario. Greene Tweed ha ido introduciendo automatización adicional en todo este proceso, incluido el pesaje de la carga de material, la manipulación de prensas y moldes, y funciones avanzadas como el refuerzo automático de colocación de fibras (AFP) y el desbarbado cobot. Esto reduce la mano de obra táctil al tiempo que aumenta la calidad, el rendimiento y la fiabilidad. En comparación con los componentes de aluminio, este proceso ofrece un ahorro de peso de entre el 30 y el 50%, dependiendo de lo optimizados que estén esos componentes de aluminio, sin dejar de ser competitivo en costes con piezas sofisticadas y muy mecanizadas.
R SK: Los compuestos DLF constituyen un excelente punto intermedio entre el moldeo por inyección, que ofrece una gran complejidad de formas pero escasas propiedades mecánicas, y los compuestos tradicionales de fibra continua, que ofrecen grandes propiedades pero una capacidad limitada de drapeado en torno a formas complejas. El DLF suele alcanzar aproximadamente el 75% de la rigidez de un laminado cuasi isotrópico y la mitad de su resistencia. Por eso es ideal para sustituir piezas metálicas de formas complejas, sobre todo componentes de aluminio mecanizado. Las ventajas pueden ser aún más significativas en determinadas aplicaciones debido a la alta susceptibilidad al calor de la microestructura en muchas aleaciones típicas de aluminio de grado aeroespacial. Esto conduce a una reducción significativa de la resistencia, mientras que nuestro DLF es más estable dentro de su rango operativo, con capacidad para soportar altas tensiones continuas hasta al menos 180°C. En algunos casos, incluso hemos sustituido componentes de titanio o acero, con el consiguiente ahorro de peso.
P AW: Veamos un caso de uso específico. ¿Qué diferencia hay entre el peso y el rendimiento de un álabe de estator DLF con borde de ataque metálico y un álabe totalmente de aluminio?
R SK: Identificamos los álabes guía exteriores de los reactores de negocios -una pieza de forma compleja- como una aplicación excelente para DLF. Estas piezas no son estructurales, son totalmente flotantes y podemos moldearlas con el pie como un único componente moldeado en red. Sin embargo, la resistencia al impacto del granizo supuso un reto importante. El caso de carga de impacto de granizo a alta velocidad implica tanto un aplastamiento local bajo el punto de impacto como una flexión en tres puntos de la aleta, lo que hace que el grosor del perfil de la aleta sea crucial. Aunque aumentar el grosor de la aleta podría mejorar la resistencia al impacto del granizo, esto no era factible debido a los requisitos de geometría fija. Tras explorar varios enfoques de hibridación con materiales compuestos tanto de DLF como de fibra continua, desarrollamos un borde de ataque metálico que proporciona una protección excelente. Lo validamos mediante pruebas exhaustivas con nuestro propio banco de pruebas de impacto de granizo en Suiza. El diseño co-moldeado resultante -que combina un borde de ataque metálico con una aleta guía moldeada en red- ofrece una solución rentable que proporciona un ahorro de peso significativo: inicialmente de cuatro a seis libras por motor, ahora hasta ocho a 10 libras por motor en la versión más reciente.
R TM: Estos requisitos de rendimiento son especialmente críticos porque cada motor suele contener entre 55 y 60 álabes colocados directamente detrás de las aspas del ventilador. Esto los somete a importantes exigencias de impacto y durabilidad. Reconocemos tanto los puntos fuertes como las limitaciones de la tecnología DLF de Xycomp, razón por la cual estamos innovando continuamente y trabajando para DLF 2.0, que abordará algunos de estos retos.
R TM: La certificación puede ser una barrera de entrada importante a la hora de introducir nuevos materiales en el sector aeroespacial. Los materiales deben estar totalmente caracterizados, razón por la cual trabajamos con materiales probados y validados a fondo en lugar de experimentar con otros nuevos. Esto es esencial en sectores como el de la movilidad aérea avanzada (AAM), en el que las empresas, debido a los compromisos de los inversores y a los ajustados plazos, necesitan soluciones materiales completamente validadas. Una de las principales ventajas de Greene Tweed es que ofrecemos un paquete completo que incluye no sólo la caracterización de materiales, sino también capacidades de análisis predictivo del diseño, y contamos con un historial de rendimiento demostrado. Esto reduce el riesgo, acorta los plazos y reduce los costes para nuestros clientes, ya que podemos predecir con exactitud cómo se comportarán estos materiales en situaciones de prueba.
R SK: El proceso de certificación implica un amplio conjunto de pruebas sobre múltiples parámetros. Realizamos pruebas exhaustivas en cupones bajo diversas condiciones ambientales y de carga, utilizando diferentes lotes de materiales y configuraciones de piezas. Debido a la capacidad que ofrece DLF para variar el grosor de las piezas e incorporar refuerzos complejos, también hemos caracterizado el rendimiento en diferentes grosores de material. El resultado es una extensa matriz de pruebas: aproximadamente 200 paneles con entre cinco y siete muestras cada uno, incluida la caracterización de la fatiga, que conlleva largos ensayos. Esta amplia base de datos sobre propiedades de los materiales y rendimiento tiene un valor incalculable para nuestros clientes, ya que pueden utilizar nuestros datos admisibles para sus propios procesos de certificación, eliminando la necesidad de duplicar ellos mismos estas pruebas.
P AW: Según la experiencia de Greene Tweed, ¿cuáles son las consideraciones de reciclabilidad de los compuestos termoplásticos?
R SK: El proceso de certificación implica un amplio conjunto de pruebas sobre múltiples parámetros. Realizamos pruebas exhaustivas en cupones bajo diversas condiciones ambientales y de carga, utilizando diferentes lotes de materiales y configuraciones de piezas. Debido a la capacidad que ofrece DLF para variar el grosor de las piezas e incorporar refuerzos complejos, también hemos caracterizado el rendimiento en diferentes grosores de material. El resultado es una extensa matriz de pruebas: aproximadamente 200 paneles con entre cinco y siete muestras cada uno, incluida la caracterización de la fatiga, que conlleva largos ensayos. Esta amplia base de datos sobre propiedades de los materiales y rendimiento tiene un valor incalculable para nuestros clientes, ya que pueden utilizar nuestros datos admisibles para sus propios procesos de certificación, eliminando la necesidad de duplicar ellos mismos estas pruebas.
A TM: Actualmente estamos realizando trabajos preliminares con empresas de AAM y grandes OEM aeroespaciales para explorar opciones de reciclabilidad. Estamos probando pequeñas cantidades de materiales reciclados - procedentes de chatarra, residuos o, potencialmente, aviones retirados del servicio - para evaluar su compatibilidad con nuestros procesos de moldeo y desarrollar recetas y procedimientos adecuados. requisitos de geometría fija. Tras explorar varios enfoques de hibridación con materiales compuestos tanto de DLF como de fibra continua, desarrollamos un borde de ataque metálico que proporciona una excelente protección. Lo validamos mediante pruebas exhaustivas con nuestro propio banco de pruebas de impacto de granizo en Suiza. El diseño co-moldeado resultante - que combina un borde de ataque metálico con una aleta guía moldeada en red - ofrece una solución rentable que proporciona un ahorro de peso significativo: inicialmente de cuatro a seis libras por motor, ahora hasta ocho a 10 libras por motor en la versión más reciente. A TM: Estos requisitos de rendimiento son especialmente críticos porque cada motor suele contener entre 55 y 60 álabes colocados directamente detrás de las aspas del ventilador. Esto los somete a importantes exigencias de impacto y durabilidad. Reconocemos tanto los puntos fuertes como las limitaciones de la tecnología DLF de Xycomp, razón por la cual estamos innovando continuamente y trabajando para DLF 2.0, que abordará algunos de estos retos.
P AW: ¿Cuáles son algunos de los retos normativos y de certificación asociados a los nuevos materiales compuestos termoplásticos y a los procesos aeroespaciales?
R TM: La certificación puede ser una barrera de entrada importante a la hora de introducir nuevos materiales en el sector aeroespacial. Los materiales deben estar totalmente caracterizados, razón por la cual trabajamos con materiales probados y validados a fondo en lugar de experimentar con otros nuevos. Esto es esencial en sectores como el de la movilidad aérea avanzada (AAM), en el que las empresas, debido a los compromisos de los inversores y a los ajustados plazos, necesitan soluciones materiales completamente validadas. Una de las principales ventajas de Greene Tweed es que ofrecemos un paquete completo que incluye no sólo la caracterización de materiales, sino también capacidades de análisis predictivo del diseño, y contamos con un historial de rendimiento demostrado. Esto reduce el riesgo, acorta los plazos y reduce los costes para nuestros clientes, ya que podemos predecir con exactitud cómo se comportarán estos materiales en situaciones de prueba.
P AW: Según la experiencia de Greene Tweed, ¿cuáles son las consideraciones de reciclabilidad de los compuestos termoplásticos?
R TM: Actualmente estamos llevando a cabo trabajos preliminares con empresas de AAM y grandes OEM aeroespaciales para explorar opciones de reciclabilidad. Estamos probando pequeñas cantidades de materiales reciclados - procedentes de chatarra, residuos o, potencialmente, aviones retirados del servicio - para evaluar su compatibilidad con nuestros procesos de moldeo y desarrollar recetas y procedimientos adecuados. Curiosamente, algunas empresas de AAM están empezando a ver el valor de los aspectos medioambientales de los materiales reciclados más allá de las meras consideraciones de coste, sino que lo ven como una característica comercializable para sus plataformas. Aunque todavía se encuentra en una fase inicial, esto sugiere un creciente reconocimiento de la propuesta de valor más amplia de los materiales reciclables en las aplicaciones aeroespaciales.
A SK: Aunque los compuestos termoplásticos son teóricamente reciclables mediante refundición, su aplicación práctica en el sector aeroespacial se enfrenta a varios retos, sobre todo en el caso de polímeros de alto valor y alta temperatura como el PEEK y el PEKK. La rentabilidad del reciclado de estos materiales aún no está totalmente definida, en gran parte porque es difícil justificar el sobreprecio de las versiones recicladas de estos materiales, ya de por sí caros. Los materiales reciclados plantean nuevos problemas de certificación, sobre todo para las piezas estructurales de los aviones. Esto lleva a menudo a rebajar la calidad de los materiales reciclados para componentes interiores no estructurales o incluso para aplicaciones no aeroespaciales, como el equipamiento deportivo. Ya estamos apoyando este tipo de actividades en aplicaciones industriales y médicas, donde reciclamos nuestro propio material de desecho. De cara al futuro, esperamos que las normativas y los incentivos gubernamentales impulsen el desarrollo de cadenas de suministro circulares, obligando a los fabricantes a cualificar los materiales reciclados y a definir flujos de reciclaje internos. Nuestras capacidades técnicas son idóneas para ayudar a la industria a desarrollar estas soluciones de reciclaje de compuestos termoplásticos.
Innovadores en soluciones termoplásticas desde hace más de 160 años:
Enfoques innovadores de las técnicas de moldeo por compresión y conformado de fibras:
Caracterización y certificación de materiales IEffective con el apoyo de NIAR: