CHAPTER 20: FAST WARMING AND LOW ENERGY CONSUMPTION

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.

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.

Figura 1: Proceso de Resin Transfer Molding (RTM) en detalle [1]

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.

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:

• 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.

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.

2 - DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA

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.

Figura 2: Aplicando un potencial eléctrico en las fibras de carbono se obtiene calor por efecto Joule [8] [9]

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

Tecnalia comenzó a trabajar en el Método Resistivo Directo para procesos de preformado o de calentamiento de materiales de fibra de carbono en el año 2009. Tras algunas pruebas exploratorias, esta tecnología se implementó en una celda de preformado automatizada que consistía en un utillaje de preformado equipado con electrodos para el calentamiento resistivo de la preforma.

A continuación, Tecnalia continuó evaluando diferentes tejidos de carbono dado que existen diferencias en el comportamiento eléctrico entre los distintos formatos textiles, si bien la mayoría de ellos son adecuados para la tecnología. Para ello, se llevó a cabo una caracterización eléctrica exhaustiva de algunos de los tejidos de carbono más utilizados en el sector aeronáutico. La caracterización incluyó no solo la resistividad de los tejidos en diferentes espesores y configuraciones, sino también la medición de la resistencia eléctrica de contacto entre los tejidos y los electrodos, ya que este es un parámetro clave para controlar el gradiente térmico en la preforma. Para ello, Tecnalia ha desarrollado un método para la caracterización eléctrica de tejidos de carbono y de las resistencias de contacto asociadas al proceso.

Posteriormente, se desarrolló un modelo térmico simple para el cálculo de la densidad de potencia necesaria. Junto con la caracterización eléctrica de los tejidos, el modelo permite una estimación rápida de los parámetros eléctricos que se aplicarán a una preforma específica, en función del tejido de carbono utilizado, las condiciones de contorno, la configuración del laminado y las dimensiones.

Figura 3: Herramienta de cálculo Isim-heat desarrollada por Tecnalia para dimensionar los parámetros eléctricos necesarios en un preformado de carbono

Inicialmente, la tecnología sólo podía aplicarse a determinadas geometrías de espesor y sección transversal uniformes, como vigas y largueros. Para hacerlo más universal, se desarrolló una técnica de compensación de resistencia utilizando resistencias variables y estrategia de multi-electrodos que permite su aplicación a geometrías más complejas.

A continuación, se muestran los desarrollos más relevantes llevados a cabo por Tecnalia en relación con el calentamiento resistivo directo.

3.1 - DESARROLLO DE UNA INSTALACIÓN DE FABRICACIÓN DE PREFORMAS DE CONSTILLAS AERONÁUTICAS PEQUEÑAS Y DE GEOMETRÍA VARIABLE

Para geometrías complejas de pequeño tamaño, Tecnalia ha desarrollado y validado el proceso de preformado resistivo empleando una estrategia de molde con múltiples electrodos, combinado con un sistema externo de compensación de la resistencia eléctrica para mejorar la uniformidad térmica en toda la geometría de la preforma. Para ello, Tecnalia ha desarrollado una célula de preformado basada en una pequeña mesa de compactación mediante vacío en la que se ha integrado un sistema de electrodos que permite adecuar moldes con geometrías variables. De esta manera es posible preformar en la misma mesa costillas aeronáuticas que requieren moldes diferentes (de forma secuencial). De esta manera, el trabajo necesario para el intercambio de moldes es mínimo.

En la siguiente figura puede apreciarse la célula de preformado resistivo para costillas desarrollada por Tecnalia, con uno de los moldes validados. A continuación, se incluye la imagen de termografía de una de las costillas y la rampa de calentamiento, en la que se aprecia que todo el ciclo de calentamiento y enfriamiento se realiza en aproximadamente solo 3 minutos.

Figura 4: Vista de la célula en las pruebas de validación (imagen superior) y ejemplo de termografía de costilla y curva de calentamiento con un ciclo < 3 minutos (imagen inferior)

3.2 - DESARROLLO DE UNA INSTALACIÍN DE FABRICACIÓN DE AERONÁUTICAS DE GRAN TAMAÑO

Tecnalia ha colaborado con Fagor-Arrasate para desarrollar una nueva línea de máquinas de hot drape forming (HDF) flexible que permita tanto el preformado tradicional basado en lámparas infrarrojas como el preformado resistivo. Fagor-Arrasate dispone en su catálogo de instalaciones HDF con soluciones de calentamiento tradicionales, pero quería diferenciarse añadiendo a su solución una tecnología de calentamiento rápida, barata y eficiente energéticamente. Es por ello por lo que Tecnalia y Fagor-Arrasate han colaborado en el desarrollo de una instalación HDF que permite el preformado de piezas de carbono de gran tamaño mediante calentamiento resistivo directo.

La validación de la solución se ha realizado sobre una viga aeronáutica representativa de 1500x300mm. Este demostrador tiene las características típicas que posee una viga de este tipo, transiciones bruscas en el número de telas, zonas de drop-off y reducciones de sección muy significativas. Todas estas complejidades de la viga han hecho que se hayan tenido que implementar diferentes estrategias de optimización de proceso con el fin de cumplir las estrictas uniformidades térmicas de calentamiento exigidas por el sector aeronáutico. El tejido de carbono empleado en el demostrador es el habitual aeronáutico Hexply G0926 0/90 5HS 390gsm de Hexcel, que lleva un binder que se activa a una temperatura de 80-100ºC y que admite un gradiente de temperatura de 15ºC en la fase de preformado.

La fase de desarrollo de la tecnología ha consistido en el habitual proceder de Tecnalia al implementar el calentamiento resistivo en procesos de preformado:

• Caracterización eléctrica de los tejidos de carbono en función del nº de capas de cada sección de la viga.
• Dimensionamiento de la potencia eléctrica global y de cada sección de la viga mediante la herramienta de cálculo Isim-heat desarrollada.
• 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.

Figura 5: Perfil térmico del preformado (arriba izq.), imagen del demostrador final (arriba dcha.) e imagen CAD de la instalación de HDF con la solución de calentamiento resistivo integrada (abajo)

3.3 - OTROS TIPOS DE APLICACIONES EN LOS QUE SE HA UTILIZADO EL CALENTAMIENTO RESISTIVO

Las siguientes imágenes demuestran que el calentamiento resistivo directo, no solo es aplicable al proceso del preformado, sino que podría tener muchas más aplicaciones. Las pruebas experimentales realizadas y mostradas aquí abajo corresponden a líneas de trabajo en las que Tecnalia está trabajando.

Figura 6: Curado de un laminado termoestable mediante calentamiento resistivo directo
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
Figura 8: Membrana autocalefactada para curado de pieza termoestable integrando en la propia membrana un circuito resistivo
Figura 9: Procesos de unión y soldadura mediante la tecnología del calentamiento resistivo

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.

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 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.

5 - BIBLIOGRAFÍA

[1] https://midwestcomposites.com.my/all-you-need-to-know-about-composites/

[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 & Composites Science, 1(2), 112–119. https://doi.org/10.1179/2055035915Y.0000000001

[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.

[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

[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) Espacenet - Datos bibliográficos

[6] 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)

[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

[8] Fibretemp GmbH & Co. KG (Recuperado el 6 de julio de 2023). The Idea. The Idea (fibretemp.de)

[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