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Los materiales compuestos,naturaleza, pros y contras en elámbito de la fabricación avanzada
Bilbao, 5 Junio 2014Miguel Á. Castillo Acero
Director Desarrollo Tecnológico Aernnova
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• Más resistencia y rigidez específica que los metales
• Posibilidad de adecuar la resistencia y rigidez, ingenierizando los apilados, a las
necesidades, en términos de cargas internas, de cada parte de la pieza
– Complejidad de analizar todos sus modos de fallo y su acoplamiento con
producción y vida en servicio
• Capacidad para funcionar a temperaturas de operación media y máximas altas
– Depende de temperatura de transición vítrea de la resina
– resina Epoxy hasta 120 º C Bismilamide 180 º C
• Resistente a la corrosión. Inerte en los ambientes más corrosivos
• Aislamiento eléctrico y posibilidad de customizar propiedades en función del
dopaje que se haga a la resina:
– es posible hacer materiales compuestos conductora o no según sea necesario;
– Customización de respuestas a frecuencias del espectro de radiación
Propiedades más relevantes de los materiales compuestos
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• Los materiales compuestos habilitan geometrías complejas y diferentes acabados
superficiales
– Uno de los acabados que estamos explorando en SFWA de CLEANSKY es el
flujo laminar natural
– Se puede reducir el número de partes a través de la integración (ahorros de
tiempos de montaje posteriores)
• Customización de la respuesta en frecuencia
• Durabilidad con ciertos añadidos en el caso de desgaste por contacto y resistencia
a la erosión
• No presentan fatiga, siempre que estén bien diseñados, incluso en entornos
agresivos
• Fragilidad y en general mal comportamiento frente a impactos
Propiedades más relevantes de los materiales compuestos (y 2)
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La resistencia y rigidez específicas: una de las claves del MaterialCompuesto
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0,0%
10,0%
20,0%
30,0%
40,0%
50,0%
60,0%
70,0%
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Composite structural weight % evolutioncomposite % structural weight
DC-9747
DC-10L-1011 MD-80
757767737 A300
A310
A320
747-400MD-11
A340A330A321
MD-90
777
A319
A380
787-800 A350-900
first flight year
Aumento constante del porcentaje de peso de compuesto respecto altotal en vacío de los aviones comerciales
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• incremento constante utilización de compuestos en la práctica totalidad de los
sectores industriales,
• de forma muy significativa desarrollado en España en sector aeroespacial
• este aumento en la utilización de compuesto se debe a su elevada eficiencia
estructural
• posibilita fabricar aeronaves y otros sistemas de transporte para alcanzar un
considerable ahorro en costes operativos directos
– tanto por el ahorro de combustible debido a disponer de estructuras más ligeras,
– como derivado de la disminución considerable de problemas de corrosión y
deterioro de estructuras.
• el empleo de estos materiales hace factible la realización de nuevas arquitecturas y
formas
Situación de utilización de los materiales compuestos en el
sector Aeroespacial
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• Eficiencia de costes fabricación de material compuesto
• Procesos productivos robustos, repetitivos y fiables
• Calidad de la producción
• Cadencias de producción altas y cambiantes
• Integración de partes
• Aviones de pasillo único: ¡500 aviones año!-> 1000 alas año,
si contamos con 250 días hábiles de producción son 4 alas al día
Retos para la fabricación avanzada en el sector aeroespacial
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Technology: ATL + HOT DRAPE FORMING
Insertion Targets:
SKINS (Wings, CWB, HTP/Elevators,
VTP/Rudder)
Technology Challenges and Results
• Several stringer configurations evaluated (blades, U-shape, interconnected foot caps)• Stiffener integration process details studied:
- Co-bonding- Co-curing
• Key Process Parameters and Production Means defined• Process limits and capabilities established:
Tecnologías de Aernnova en Fabricación Avanzada de Compuesto
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Technology: ATL + HOT DRAPE FORMING
Insertion Targets:
SPARS (Wings, CWB, HTP/Elevators, VTP/Rudder)
Technology Challenges and Results
• Several tooling options consider (IML/OML)• Integrally stiffened configurations:
- Longitudinal (span wise) stiffeners- Spar web anti-buckling stiffeners
• Key Process Parameters and Production Means defined• Process limits and capabilities established:
Tecnologías de Aernnova en Fabricación Avanzada de Compuesto
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Technology: ATL + HOT DRAPE FORMING
Insertion Targets:
RIBS (Wings, CWB, HTP/Elevators, VTP/Rudder)
Technology Challenges and Results
• OML tooling for mating surface tolerances• Integrally stiffened configurations • Key Process Parameters and Production Means defined• Process limits and capabilities established:
Tecnologías de Aernnova en Fabricación Avanzada de Compuesto
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Technology: COLD / HOT FORMING
Insertion Targets:
CONTROL SURFACE LEADING EDGES
Technology Challenges and Results
• Key Process Parameters and Production Means defined• Process limits and capabilities established:
Determination of root cause and corrective action for wrinkles prior to production phase
Tecnologías de Aernnova en Fabricación Avanzada de Compuesto
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Technology: RTM / Resin Infusion
Insertion Targets:
INTEGRATED LEADING EDGES (Wing, HTP, VTP)
Technology Challenges and Results
• Single shot structure• Integrates ribs• Different material solutions evaluated :
- Kevlar-Carbon hybrid L/E- All-Carbon structure
• RTM production means and Key Process Parameters defined• Process limits and capabilities established
Tecnologías de Aernnova en Fabricación Avanzada de Compuesto
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Technology: Automation Capabilities (SERRA)
Insertion Targets:
Industrial Applications (Internal & External)
Technology Objectives
• To continue development in Composites Automated Processing Equipment (e.g. hot drape forming equipment)• To continue development on Composites Automation Equipment (robotic and PHKM machines for automatic drilling, countersinking and fastener installation)• To continue development of machines and equipment for assembly (BestFit, handling systems, etc.)• To continue development on automatic Multifunctional Platforms (e.g. crawler robot)• To continue development on 5-D artificial vision technology
Tecnologías de Aernnova en Fabricación Avanzada de Compuesto
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• Aernnova posee gran capacidad de diseño y producción de material compuesto en
sector aeroespacial : 4 plantas especializadas con una superficie total 76800 m2, mas de
60 proyectores láser y 9 autoclaves
• Desde esa posición podemos desplegar la tecnología a otros sectores: automoción,
eólico, ferroviario, naval:
• Desarrollo de nuevos materiales y procesos de compuesto para menor coste
• Mayor flexibilidad y disminución de tiempos en la cadencia de producción con
procesos para alta cadencias
• Fabricación estructuras más integradas, eliminar uniones y reducir tiempo montaje
• Mayor automatización en los procesos corte y posicionamiento de telas, inspección,
montaje, etc.
• Tecnologías de procesado fuera de autoclave, nuevos procesos de infusión de
resina. Resinas termoplásticas
• Conocemos la economía de la fabricación de compuesto
Aernnova, material compuesto y otros sectores
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Aernnova y el material compuesto
10 20 30 40 50años
cash-flow acumulado
LANZAMIENTODEL PROGRAMA
INVERSIÓNINICIAL EN I+D
PRODUCCIÓNEN SERIE
FIN DEPRODUCCIÓN
MANTENIMIENTOY REPARACIONES
RETIRADA
programas anteriores
programas más recientes
PRIMERASUNIDADES
CICLO DE VIDA INDICATIVO DE UN PROGRAMA AERONÁUTICO
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Esquema Colaboración Aernnova con Univ. y Centros Tecnológicospara desarrollo Tecnológico
El OEM, con Aernnova como socio a riesgo, completa la certificación, producción en serie y vida económica operativa del producto alcanzando TRL 8 & 9
Aernnova propone el uso del nuevo producto con la nueva tecnología incorporada, en competición: el nuevo producto debe ser o más barato (ciclo de desarrollo, PLC), o de mayor calidad, o de ventaja competitiva mejorada. Cuando se gana
la oferta y en conjunción con el OEM se desarrolla el producto con la nueva tecnología . TRL 7
Aernnova completa la validación de la tecnología para los requerimientos del sector aeronáutico, fundamentalmente pre-certificación y esquema de costes viable. TRL 6
El proyecto tecnológico tiene como objetivo la adaptación de la tecnología emergente a los requerimientos del producto concreto. Se alcanza TRL 4 y 5
Se completa el conocimiento de los principios básicos del descubrimiento. Se comparte el conocimiento con la industria para usos en productos concretos. Se alcanza TRL 3
Descubrimientos, Tecnologías Emergentes, TRL1 y 2
100
10
5
1
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