Desde hace mucho tiempo depender de los materiales de fibra de carbono termoSet para hacer piezas estructurales compuestas muy fuertes para aeronaves, los OEM aeroespaciales ahora están adoptando otra clase de materiales de fibra de carbono, ya que los avances tecnológicos prometen la fabricación automatizada de nuevas piezas que no son de termosé a un alto volumen, bajo costo y, y peso más ligero.
Mientras que los materiales compuestos de fibra de carbono termoplástica "han estado alrededor de mucho tiempo", recientemente podrían recientemente los fabricantes aeroespaciales considerar su uso generalizado para hacer piezas de aeronaves, incluidos los componentes estructurales primarios, dijo Stephane Dion, vicepresidente de ingeniería de Collins Aerospace's Avanzed Structures.
Los compuestos termoplásticos de fibra de carbono potencialmente ofrecen a los OEM aeroespaciales varias ventajas sobre los compuestos de termoestable, pero hasta hace poco los fabricantes no podían hacer piezas con compuestos termoplásticos a altas tasas y a bajo costo, dijo.
En los últimos cinco años, los OEM han comenzado a mirar más allá de hacer piezas a partir de materiales termoestados a medida que se desarrolló el estado de la ciencia de fabricación compuesta de fibra de carbono, primero para usar técnicas de moldeo por infusión de resina y moldeo por transferencia de resina (RTM) para fabricar piezas de aeronaves, y luego emplear compuestos termoplásticos.
GKN Aerospace ha invertido mucho en el desarrollo de su tecnología de resina-infusión y RTM para la fabricación de grandes componentes estructurales de aeronaves de manera asequible y a altas tasas. GKN ahora fabrica un spar de ala compuesto de una sola pieza de 17 metros de largo con fabricación de infusión de resina, según Max Brown, vicepresidente de tecnología para la iniciativa de tecnologías avanzadas de GKN Aerospace 3.
Las grandes inversiones de fabricación compuesta de OEMS en los últimos años también han incluido el gasto estratégicamente en el desarrollo de capacidades para permitir la fabricación de piezas termoplásticas de alto volumen, según Dion.
La diferencia más notable entre el termoestable y los materiales termoplásticos radica en el hecho de que los materiales del termosé deben mantenerse en el almacenamiento en frío antes de ser formados en partes, y una vez en forma, una parte de termoestable debe sufrir curado durante muchas horas en un autoclave. Los procesos requieren una gran cantidad de energía y tiempo, por lo que los costos de producción de las piezas del termoestable tienden a seguir siendo altos.
El curado altera la estructura molecular de un compuesto termoestable de manera irreversible, dando a la parte su resistencia. Sin embargo, en la etapa actual del desarrollo tecnológico, el curado también hace que el material en la parte no sea adecuado para reutilizar en un componente estructural primario.
Sin embargo, los materiales termoplásticos no requieren almacenamiento en frío o hornear cuando se hacen en partes, según Dion. Se pueden estampar en la forma final de una parte simple, cada un soporte para los marcos de fuselaje en el Airbus A350 es una parte compuesta termoplástica, o en una etapa intermedia de un componente más complejo.
Los materiales termoplásticos se pueden soldar de varias maneras, lo que permite que las piezas complejas y altamente formadas se hagan de subestructuras simples. Hoy en día, la soldadura de inducción se usa principalmente, lo que solo permite que las piezas planas de espesor constante se hagan de subpartes, según Dion. Sin embargo, Collins está desarrollando técnicas de soldadura de vibración y fricción para unir piezas termoplásticas, que una vez certificadas que espera eventualmente le permite producir "estructuras complejas verdaderamente avanzadas", dijo.
La capacidad de soldar materiales termoplásticos para hacer estructuras complejas permite a los fabricantes eliminar los tornillos de metal, los sujetadores y las bisagras requeridas por las piezas del termoset para unirse y plegar, creando así un beneficio de reducción de peso de aproximadamente el 10 por ciento, estima Brown.
Aún así, los compuestos termoplásticos se unen mejor a los metales que los compuestos termoset, según Brown. Si bien la I + D industrial dirigida a desarrollar aplicaciones prácticas para esa propiedad termoplástica sigue siendo "en un nivel de preparación tecnológica de madurez temprana", eventualmente podría permitir que los ingenieros aeroespaciales diseñen componentes que contienen estructuras integradas híbridas termoplásticas y metales.
Una aplicación potencial podría, por ejemplo, ser un asiento de pasajero de aviones de avión de una pieza y ligero que contenga todos los circuitos basados en metal necesarios para la interfaz utilizada por el pasajero para seleccionar y controlar sus opciones de entretenimiento a bordo, iluminación del asiento, ventilador superior , recline de asiento controlado electrónicamente, opacidad de sombra de ventana y otras funciones.
A diferencia de los materiales termoestables, que necesitan curado para producir la rigidez, la resistencia y la forma requeridas de las partes en las que se hacen, las estructuras moleculares de los materiales compuestos termoplásticos no cambian cuando se hacen en partes, según Dion.
Como resultado, los materiales termoplásticos son mucho más resistentes a la fractura sobre el impacto que los materiales termoestables, al tiempo que ofrecen resistencia y resistencia estructurales similares, si no más fuertes. "Por lo tanto, puede diseñar [piezas] a los medidores mucho más delgados", dijo Dion, lo que significa que las piezas termoplásticas pesan menos que las piezas de termoestables que reemplazan, incluso aparte de las reducciones de peso adicionales resultantes del hecho de que las piezas termoplásticas no requieren tornillos de metal o sujetadores .
Las piezas termoplásticas de reciclaje también deben demostrar un proceso más simple que las piezas del termoset de reciclaje. En el estado actual de la tecnología (y durante algún tiempo), los cambios irreversibles en la estructura molecular producidas al curar los materiales del termoestable evitan el uso de material reciclado para hacer nuevas partes de resistencia equivalente.
El reciclaje de las partes del termoestable implica moler las fibras de carbono en el material en pequeños longitudes y quemar la mezcla de fibra y resina antes de reprocesarlo. El material obtenido para el reprocesamiento es estructuralmente más débil que el material termoset del que se hizo la parte reciclada, por lo que el reciclaje de las partes del termoset en otras nuevas generalmente convierte "una estructura secundaria en una terciaria", dijo Brown.
Por otro lado, debido a que las estructuras moleculares de las partes termoplásticas no cambian en los procesos de fabricación de piezas y unir piezas, simplemente pueden derretirse en forma líquida y reprocesarse en partes tan fuertes como los originales, según Dion.
Los diseñadores de aeronaves pueden elegir entre una amplia selección de diferentes materiales termoplásticos disponibles para elegir en el diseño y la fabricación de piezas. "Una gama bastante amplia de resinas" está disponible en la que se pueden incrustar filamentos de fibra de carbono unidimensionales o tejidos bidimensionales, produciendo diferentes propiedades de materiales, dijo Dion. "Las resinas más emocionantes son las resinas de baja fusión", que se derriten a temperaturas relativamente bajas y, por lo tanto, pueden formarse y formarse a temperaturas más bajas.
Según Dion, diferentes clases de termoplásticos también ofrecen diferentes propiedades de rigidez (alta, media y baja) y de calidad general. Las resinas de mayor calidad cuestan más, y la asequibilidad representa el talón de Aquiles para termoplásticos en comparación con los materiales termoset. Por lo general, cuestan más que los termosets, y los fabricantes de aviones deben considerar ese hecho en sus cálculos de diseño de costos/beneficios, dijo Brown.
En parte, por esa razón, GKN Aerospace y otros continuarán enfocándose más en los materiales de termoestable cuando se fabriquen piezas estructurales grandes para aviones. Ya usan materiales termoplásticos ampliamente para hacer piezas estructurales más pequeñas como empenadas, timones y spoilers. Pronto, sin embargo, cuando la fabricación de piezas termoplásticas livianas de alto volumen y de bajo costo se convierte en rutina, los fabricantes los usarán mucho más ampliamente, particularmente en el floreciente mercado EVTOL UAM, concluyó Dion.
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Tiempo de publicación: agosto-08-2022