Fabricación mediante laminación automática en un paso con materiales termoplásticos de una estructura altamente integrada



<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
M. Zuazo, F. Chamorro, V.García-Martínez, S.Calvo, E.Lorenzo-Villafranca</div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">FIDAMC, Fundación para la Investigación, Desarrollo y Aplicación de Materiales Compuestos,</span></div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;"> Avda. Rita Levi Montalcini 29, 28906 Getafe, Madrid, Spain</span></div>

{| style="width: 87%;border-collapse: collapse;" 
|-
|  colspan='2'  style="vertical-align: top;"|<big>Fabricación mediante laminación automática en un paso con materiales termoplásticos de una estructura altamente integrada</big>
|-
|  style="border-bottom: 1pt solid black;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;"> [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image1.png|54px]] </span>
|  style="vertical-align: top;"|
|-
|  style="border-top: 1pt solid black;border-bottom: 1pt solid black;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Historia del artículo:</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Recibido 7 de Junio 2019</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">En la versión revisada 15 de Junio 2019</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Aceptado 5 de Julio 2019</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Accesible online 15 de Julio de 2020 </span>
|  rowspan='4' style="vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">En los últimos años se han discutido y defendido los beneficios de los materiales compuestos de matriz termoplástica (CTP) (resistencia a fatiga, mayor tenacidad, durabilidad, reprocesados, reciclabilidad, etc) como la futura tecnología innovadora capaz de fabricar estructuras altamente integradas, mejorando el aligeramiento y reduciendo costes energéticos al utilizar procesos fuera de autoclave. Por todo ello, los CTP pueden ser considerados futuros sustitutos de los materiales metálicos y de los materiales compuestos de matriz termoestables en aplicaciones aeroespaciales, automoción u otros sectores.</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">En el marco del proyecto OUTCOME (programa Clean Sky II) se está desarrollando el diseño y posterior fabricación del “Upper Skin” (revestimiento superior del ala rigidizada) para el avión militar C295, avión de transporte táctico medio de Aribus Defence and Space (ADS).</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">La materia prima seleccionada para este trabajo es un material compuesto con matriz de PEEK reforzado con fibra de carbono unidireccional suministrado por Solvay (APC2/AS4). Con este material se fabricaron diferentes paneles planos, elementos de detalle y subelementos que están siendo ampliamente caracterizados con el fin de obtener los admisibles de diseño. </span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Además, con el objetivo de reducir costes, tiempos de fabricación e impacto medioambiental, los procesos de fabricación seleccionados fueron: a) Conformados en caliente mediante estufas y/o útiles calefactados para la fabricación de larguerillos y b) Laminación automática en un solo paso para el proceso de integración de la piel a los larguerillos por co-consolidación.</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">El objeto principal a desarrollar en este artículo es el caso de la fabricación de un elemento de detalle para posterior ensayo estructural.</span>
|-
|  style="border-top: 1pt solid black;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Palabras clave:</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Termoplásticos</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">PEEK</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Outcome</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Fuera de autoclave</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Estructura integrada</span>
|-
|  style="border-top: 1pt solid black;vertical-align: top;"|
|-
|  colspan='2'  style="vertical-align: top;"|<big>One shot manufacturing of a highly integrated structure by automatic lamination with thermoplastic composite materials</big>
|-
|  style="border-bottom: 1pt solid black;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;"> [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image2.png|54px]] </span>
|  style="vertical-align: top;"|
|-
|  style="border-top: 1pt solid black;border-bottom: 1pt solid black;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Keywords:</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Thermoplastics</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">PEEK</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Outcome</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Out of Autoclave</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Integrated structure</span>
|  rowspan='2' style="vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">During the last years, the benefits of using carbon reinforced thermoplastic composite materials (CRTP) have been questioned and defended (higher fatigue resistance, greater toughness, better durability, reprocesability, recyclability and so on), they are considered as a future innovative technology allowing  highly integrated structures, impacting in weight reduction and reducing energetic costs by using out of autoclave processes. Therefore, (CRTP) could be considered as a future substitute of metallic materials and composite materials with thermoset matrices for aerospace applications, automotive and other industries.</span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Under the frame of the OUTCOME project (Clean Sky II), the design and analysis of the Upper Skin (upper coverage of a stiffened wing) for the militar aircraft C295 is developed, a medium tactical transport aircraft of ADS. </span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">The selected material for the work is the unidirectional composite material APC2/AS4, supplied by Solvay, with PEEK as the thermoplastic matrix and carbon fibre as the reinforcement. Flat panels, detailed elementals and subelementals have been manufactured, all of them have been widely characterized attempting to obtain the required design allowables.  </span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Moreover, with the goal of cost reduction, productivity increases and environmental impact control, the manufacturing selected processes have been: a)  Hot-forming in oven and/or self heated toolings for stringers manufacturing and b) Automatic lamination in one step for the co-consolidation (full-integration) of the skin with the stringers. </span>

<span style="text-align: center; font-size: 75%;">The main goal of this review is showing the different steps in the manufacturing of a detailed element for a later structural test. </span>
|-
|  style="border-top: 1pt solid black;vertical-align: top;"|
|}


==1 Introducción ==

La laminación automática mediante Automated Fibre Placement (AFP) para materiales termoplásticos es un proceso relativamente nuevo para la fabricación de estructuras en materiales compuestos [1,2].

Este proceso tiene beneficios potenciales; producción de estructuras altamente integradas, la reducción tiempo y coste al ser automático y al no requerir segundo proceso de curado en autoclave o estufa, aplicando presión y temperatura en un único paso [3].

El lento desarrollo de las materias primas termoplásticas de altas prestaciones con matrices tales como PEEK, PEKK o PEI, la baja madurez de los diferentes procesos de fabricación, así como la falta de base de datos de admisibles de diseño, son algunos de los factores que hacen que la inclusión de los CTP en grandes estructuras, no sea una realidad a día de hoy.

Para el diseño de nuevas estructuras altamente integradas mediante la consolidación en un paso, ''in situ consolidation'' (ISC) de materiales termoplásticos es necesario determinar los admisibles de diseño: valores mecánicos, valores físico-químicos (Cristalinidad, Vh%) y dimensionales [4].

En paralelo a la fabricación y caracterización de la pirámide de ensayos mediante ISC se ha desarrollado el proceso de fabricación de larguerillos, geometría en T, para su integración en estructuras de detalle, subelementos y demostradores finales.

==2 Objetivo==

Una de las líneas de trabajo del proyecto OUTCOME      (Clean Sky II)  es el desarrollo de la tecnología de fabricación de estructuras integradas de termoplástico sin la necesidad del uso del autoclave, en concreto la fabricación del “Upper Skin” para el avion militar C295.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image5.png|600px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 1.''' Esquema diseño “Upper Skin” de material termoplástico.</span></div>

Para la consecución de este objetivo se está realizando la pirámide de ensayos estructurales que da soporte a ADS al  diseño, análisis y cualificación del especimen final, del cual se realizarán ensayos en tierra y en vuelo.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image6.png|342px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 2.''' Pirámide ensayo estructural.</span></div>

En este artículo se describe de forma general la pirámide de ensayos del proyecto OUTCOME, y en particular los procesos de fabricación de elementales e integración, con el caso particular de la subestructura ‘''skin panel compression’''.

==3 Metodología==

===3.1 Materiales ===

El material usado ha sido cinta unidireccional consolidada, fabricada por SOLVAY, compuesta con fibra de carbono (AS4) y resina termoplástica semicristalina de altas prestaciones polieteretercetona (PEEK)

Material (APC2/AS4) suministrado en dos formatos: a) bobinas para laminación en AFP con ancho de 6.35 mm y espesor de 0.135 mm. b) bobinas para laminación manual con ancho de 300 mm y espesor nominal de 0.135 mm.

Ambos materiales con porcentaje másico de resina de 34%, densidad de 1.32 g/cm<sup>3</sup>, densidad de la fibra 1.79 g/cm<sup>3 </sup>y peso por unidad de área de la fibra 145 g/cm<sup>2</sup>.

===3.2  Caracterización===

Para cada uno de los elementales y demostradores fabricados se realizan probetas de control que aseguren la calidad de los mismos. Todos los ensayos han sido realizados en las instalaciones de FIDAMC, así como la preparación preliminar de las probetas.

Ensayos mecánicos: ''Plain Compression'' (PC) y ''Plain Tension'' (PT) mediante máquina MTS de 100kN.

Ensayos físico químicos: Volumen de huecos (V%), cristalinidad (α%) y micrografías.

La determinación de las temperaturas de trabajo y cristalinidad final de las piezas fabricadas fueron realizadas usando la técnica de ''Calorimetría Diferencia de Barrido'' (DSC) siendo el equipo utilizado un DSC Q2000 de TA Instruments. Los valores medios medidos fueron; temperaturas fusión  T<sub>M,S</sub>=330°C y T<sub>M,P</sub>=348°C y cristalinidad 35%.

El volumen de huecos (V%) ha sido determinado mediante dos métodos: a) Método de densidades utilizando XP205DR de Mettler Toledo y b) Mediante el método de digestión ácida.

El análisis microscópico ha sido realizado acorde con el standar  AITM 4-0005.

===3.3 Equipos===

Para la fabricación de los larguerillos se ha utilizado una estufa IDEC con control de IAC con capacidad de curado/consolidado hasta  450°C.

Los paneles de caracterización del proceso, las probetas de control y las pieles son fabricadas mediante AFP multitow de termoplásticos (Figura 3). El cabezal tiene incorporado un sistema de calentamiento que consiste en un láser de diodo de óptica fija y homogeneizador de LASERLINE con una longitud de onda de 900 nm a 1070 nm. Se requiere tal sistema de calentamiento porque permite alta densidad de energía, control y alta eficiencia para calentar el área objetivo. Para el control de la temperatura se ha incorporado al cabezal una máquina termográfica de FLIR y un sistema de control en bucle cerrado (CÍCLOPE) desarrollado por FIDAMC. Las bobinas van incorporadas en el propio cabezal, 8 en total.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image7-c.jpeg|444px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 3. '''AFP multitow termoplástico</span></div>

==4 Proceso de fabricación==

Todos los trabajos llevados a cabo en el Proyecto OUTCOME para la obtención del “Upper Skin” han sido posibles mediante el desarrollo de ingeniería concurrente entre ADS y FIDAMC.

===4.1 Pirámide de ensayos ===

La campaña de cupones de lámina y laminados característicos se ha realizado completamente en FIDAMC, tanto la parte de fabricación por ISC, como la de preparación de probetas y ensayos, el análisis ha sido realizado por ADS.

Las campañas se han realizado a diferentes condiciones de temperatura (RT, 70°C y 120°C) y humedad.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image8.png|342px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 4.''' Detalle modo fallo probetas bolted joint.</span></div>

Para ir alimentando la pirámide de ensayo se han fabricado elementos de detalle, ''stringer crippling'' (Figura 5) y ''stringer run out detail''.

Un total de 12 especímenes de ''stringer crippling'' en dos configuraciones, espesor fino y grueso. Al igual que en el caso anterior, la mitad se han ensayado en condiciones  RT/AR y la otra mitad en condiciones Hot/Wet.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image9.png|600px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 5.''' Crippling coupon.</span></div>

Para el ensayo de ''stringer run out'' detalle se fabricaron 7 especímenes de los cuales, el primero se utilizó para la determinación de la energía de impacto, tres de ellos se ensayaron en condiciones RT/AR, otros tres en condiciones Hot/Wet (Figura 6).

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image10-c.jpeg|600px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 6.''' Stringer run out coupon.</span></div>

En paralelo a la fabricación de estos especímenes de ensayo se ha ido ajustando el proceso de fabricación de larguerillos y el de posicionado de la primera capa, en el caso de la laminación automática.

===4.2 Fabricación de larguerillos ‘Skin panel compression’===

Los larguerillos utilizados en el desarrollo del proyecto tienen todos geometría en ‘T’, con diferentes secuencias de laminado, cambios de sección y espesores.

El proceso general de fabricación seguido se compone de 8 pasos:

:1. Diseño de útiles.

:2. Fabricación de utillaje.

:3. Laminado manual de las pieles que forman cada L.

:4. Consolidado de las L’s en estufa.

:5. Fabricación de los ''fillers'' en prensa.

:6. Integración de las L’s en estufa para generar H.

:7. Recanteos.

:8. Inspección de ultrasonidos y dimensional.

Los utillajes se diseñan y fabrican según requerimientos de pieza. Seguidamente se lamina en plano la secuencia de las L’s uniendo los patrones mediante puntos de soldadura para poder permitir el deslizamiento entre capas en el proceso de conformado en estufa.

Se consolidan las L’s en un único ciclo de estufa y en paralelo se conforman los filler en prensa (''Press forming''). El material del filler es el mismo que en el resto de componentes.

Se realiza un montaje, en ‘H’, con cuatro L’s y los fillers para la obtención de la geometría final. De cada una de las ejecuciones se extraen 2 rigidizadores.

===4.3 Laminación de la piel por ISC===

Los utillajes utilizados para integración tienen dos sistemas a destacar, a) Sistema de vacío que ayuda al posicionado de la primera capa y posterior sujección de la pieza durante la laminación y b) Sistema de calentamiento que permite aliviar parte de las tensiones residuales inherentes al proceso de consolidación en un único paso [5].

Una vez recanteados e inspeccionados, a los rigidizadores se les realiza una preparación superficial mediante lijado, para mejorar la adherencia en la laminación de la primera capa. Finalizada esta etapa se colocan los rigidizadores sobre el útil, de tal forma que se lamine la primera capa sobre los pies de los mismos. Una vez lijados y posicionados se pone un film de PEEK para mejorar la unión por consolidación.

La piel/revestimiento se lamina de forma automática con una AFP multitow, en este caso en particular se emplearon 6 tows y una velocidad de encintado de 1m/min.

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image11-c.jpeg|336px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 7.''' Detalle desmoldeo ''skin panel compression''.</span></div>

===4.4 Ensayos no destructivos===

Una vez desmoldeada la pieza (Figura 7) y recanteada, se realiza una inspección por ultrasonidos mediante la técnica pulso-eco (Figura 8).

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 [[Image:Draft_Compuestos_612536623-image12-c.png|600px]] </div>

<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 8.''' C-Scan especímenes fabricados.</span></div>

Por último se realiza un análisis dimensional: espesores, dimensiones relativas de posicionado, deformaciones.

===4.5 Ensayos destructivos===

En paralelo a la laminación de la piel se laminan las probetas de control para la determinación de los ensayos mecánicos de PC, PT y los ensayos físico-químicos, cristalinidad, Vh% y micrografías [6].

==5 Conclusiones==

La tecnología de laminación automática de materiales en un paso sin consolidados posteriores en autoclave es un hecho tanto para paneles de caracterización planos como para subestructuras rigidizadas.

Los valores obtenidos en la caracterización del ''skin panel compression'' indican que la calidad es óptima para su ensayo.

La problemática actual al ir incrementando el tamaño de los especímenes son las tensiones residuales inherentes al proceso de ISC que dan lugar a ciertas deformaciones en las piezas finales. Dicho análisis se plantea como un trabajo futuro a ejecutar en FIDAMC.

==Agradecimientos==

En primer lugar agradecer a ADS su colaboración en el proyecto OUTCOME en particular y en el desarrollo de la tecnología de consolidación en un paso para materiales termoplásticos de alto rendimiento.

Agradecer al equipo de termoplásticos de FIDAMC por la perseverancia, el trabajo constante por sacar adelante nuevos procesos, realizando en ocasiones pruebas sin sentido que dan resultados inesperados. Muchas gracias a todos por no rendiros en momentos complicados y hacer de cada reto algo personal.

==Referencias==

[1] Z. Qureshi Z, T. Swait, R. Scaife, H.M. El-Dessouky, ''In situ consolidation of thermoplastic prepreg tape using automated tape placement technology: Potential and possibilities'', Composites Part B: Engineering 66 (2014), pp.255–67.

[2] F.O. Sonmez, M. Akbulut, Process optimization of tape placement for thermoplastics composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 38 (2007), pp.23

[3] Z. August, G.Ostrander, J. Michasiow, D. Hauber, ''Recent Developments in Automated Fiber Placement of Thermoplastic Composites''. SAMPE Journal, 50 (2014), pp.30–7.

[4] A.J. Cormer, D. Ray, W.O. Obande, D. Jones, J. Lyons, I.Roscal et al, ''Mechanical characterization of carbon fibre-PEEK manufactured by laser-assisted automated-tape-placement and autoclave'', Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 69 (2015), pp.10-20.

[5] A.K. Bandaru, G. Clancy, D. Peeters, R.O. Higging, P.M. Weaver, ''Interface Characterization of Thermoplastics Skin-Stiffener Composite Manufactured Using Laser-assisted Tape Placement'', SciTech Conference, 8 a 12 de enero 2018, Gaylord Plams, Kissimmee, Florida.

[6] D. Saenz-Castillo, M.I. Martín, S. Calvo, F. Rodriguez-Lence, A. Güemes, ''Effect of processing parameters and void content on mechanical properties and NDI of thermoplastic composites'', Composites Part A, 121 (2019), pp.308-330.