New advanced manufacturing process for rear fuselage sections of highly integrated aerospace structures

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'''Titulo''': Nuevo proceso de fabricación avanzada para secciones traseras de fuselaje de estructuras aeroespaciales altamente integradas</div>

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'''Title''': <big>New advanced manufacturing process for rear fuselage sections of highly integrated aerospace structures</big></div>

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Autores: </div>

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G. Nuñez-Márquez, P. Tabarés-Fernández<sup>a</sup>, M. Mora-Mendías<sup>a</sup></div>

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;"><sup>a</sup>FIDAMC, Fundación para la Investigación, Desarrollo y Aplicación de Materiales Compuestos, Avda. Rita Levi Montalcini 29, 28906 Getafe, Madrid, España</span></div>

==RESUMEN: ==

CS2-LPA-IADP-WP1.2.5. Advanced Rear End Manufacturing es un proyecto europeo que se engloba dentro del programa de investigación del CleanSky2 de la Unión Europea Horizon 2020 (Grant Agreement nº 945583). Este paquete de trabajo se centra en diseñar, fabricar y ensayar nuevas tecnologías para la fabricación de estructuras aeronáuticas, integrando, en la parte trasera de una aeronave, diferentes elementales.

El trabajo que aquí se presenta, muestra el proceso de fabricación desarrollado para obtener un demostrador a escala real de una sección trasera de fuselaje en material compuesto de fibra de carbono preimpregnado, integrándose rigidizadores, cuadernas de forma y revestimiento en un solo paso. Los rigidizadores con sección en omega se realizan mediante encintado automático y posterior conformado, integrándose en fresco en el demostrador.Las cuadernas de  forma también se encintan en automático y conforman, realizando un semicurado de las mismas (para lo cual ha sido necesaria una campaña de ensayos de fabricabilidad junto con diferentes estudios de grado de curado). La integración de estas cuadernas semicuradas en el demostrador permite aunar las ventajas de una integración coencolada (sin remaches) a la vez que se consigue simplificar el utillaje de integración respecto a elementales en fresco ya que su espesor final ya ha sido consolidado.El encintado automático del revestimiento se realiza sobre un útil que alberga los rigidizadores en fresco y las cuadernas semicuradas. Finalmente, se realiza el curado en autoclave, obteniendo la sección completa de fuselaje altamente integrada.

Todas las tecnologías desarrolladas en este demostrador permiten la automatización dentro de un entorno industrial de altas cadencias de producción.
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==ABSTRACT: ==

CS2-LPA-IADP-WP1.2.5. Advanced Rear End Manufacturing is an European project, inside of the CleanSky2 research program of the European Union Horizon 2020 (Grant Agreement nº 945583). This work package focuses on design, manufacturing and testing of new technologies for the manufacturing of aeronautical structures, integrating different elements, at the rear end of an aircraft.

The work presented here shows the manufacturing process developed to obtain a full-scale demonstrator of a rear end section of the fuselage in prepreg carbon fiber composite material, integrating stiffeners, contour frames and skin in one-shot. The omega section stiffeners are made by automatic lay-up and forming, integrate them fresh into the demonstrator. The contour frames are also automatically lay-up and formed, carrying out a semi-curing cycle (for which a manufacturing test campaign has been necessary and different curing degree studies). The integration of these semi-cured frames in the demonstrator combines the advantages of a cobonded integration (without rivets) and the simplification of the tools respect to fresh elementals, since the final thickness has already been consolidated. The automatic lay-up of the skin is carried out on a tool where the fresh stiffeners and the semi-cured frames are located. Finally, the curing cyle is done in the autoclave, obtaining the full-scale highly integrated fuselage demonstrator.

All the technologies developed in this demonstrator allow automation within an industrial environment with high production rates.

PALABRAS CLAVE: Termoestable, Fuselaje, Fabricación automática, Alta integración, Industrialización

KEYWORDS: Thermoset, Fuselage, Automatic manufacturing, High integrated, Industrialization

==1 Introducción ==

En el campo de la aeronáutica, los avances en automatización e industrialización de los procesos productivos son fundamentales para garantizar la fabricación de elementales en tiempo, coste y calidad, de forma que se atienda a la demanda mundial de nuevos aviones gaantizando los plazos de entrega dentro de esta industria.

Por tanto, es necesario buscar alternativas productivas y tecnologías de fabricación inteligente que permitan reducir los tiempos de ciclo y tener unos menores costes recurrentes garantizando la capacidad competitiva y asegurando el respeto por el medio ambiente.

En particular, el uso los materiales compuestos en las  estructurales aeroespaciales es una ventaja primordial debido a la buena relación rigidez/peso de la fibra de carbono, lo que permite reducir el peso final de las piezas y en consecuencia, disminuye las emisiones de CO<sub>2</sub> de las aeronaves así como el coste operativo durante la vida de la misma.

Para lograr estos hitos que exige el mercado, el proyecto LPA-IADP-WP1.2.5. Advanced Rear End Manufacturing, que se engloba dentro del programa de investigación del CleanSky2 de la Unión Europea Horizon 2020, tiene como objetivo el avance tecnológico de los materiales compuestos de fibra de carbono, mejorando los procesos de fabricación, la calidad de las piezas y reduciendo el consumo de energía de los componentes estructurales.

El consorcio LPA-IADP [WP1.2 advanced rear end] está formado por varios miembros, donde destacan como principales contribuidores: Aernnova (España), FIDAMC (Fundación para la Investigación, Desarrollo y Aplicación de Materiales Compuestos, Madrid, España) y con Airbus Group como líder del proyecto. Aernnova es el coordinador del proyecto y responsable del diseño detallado del demostrador, diseño y fabricación del utillaje, fabricación de elementales en material compuesto, inspección final de todos los elementos y montaje final y FIDAMC es el responsable de la fabricación del revestimiento con cuadernas de forma y larguerillos integrados del demostrador de la sección trasera de fuselaje.

==2 Objetivo==

El objetivo principal de este proyecto consiste en desarrollar nuevas tecnologías para obtener estructuras aeronáuticas altamente integradas que garanticen las cadencias de produccción de los entornos industriales, permitan reducir los costes recurrentes así como el peso de la estructura para minimizar las emisiones.

En particular, dentro LPA IADP [Platforma 1 D02 Rear Fuselage Demonstrator] este proyecto ha desarrollado y validado el proceso de fabricación de material compuesto para lograr una sección trasera de fuselaje altamente integrada a escala 1:1.

Las tecnologías de fabricación empleadas dentro del proyecto  para la obtención final de esta sección trasera completa son las siguientes:

:* Tecnología con material preimpregnado de fibra de carbono (prepreg CFRP) usando un proceso de cocurado que permite integrar la piel, cuadernas de forma semicuradas y los rigidizadores en autoclave.

:* Tecnología con fibra seca de carbono (dry fiber CFRP) usando un proceso de RTM (Resin Transfer Moulding) de las cuadernas de carga por separado, fuera de autoclave. Y posterior proceso de ensamblaje para unirlas a la estructura integrada mediante remaches.

:* Tecnología con material preimpregnado de fibra de carbono (prepreg CFRP) de las vigas laterales. Y posterior proceso de ensamblaje para unirlas a la estructura integrada mediante remaches.

:* Tecnología con material termoplástico para la cuaderna de cierre. Y posterior proceso de ensamblaje para unirlas a la estructura integrada mediante remaches.

:* Clips fabricados mediante la tecnología de ALM. Y posterior proceso de ensamblaje para unirlas a la estructura integrada mediante remaches.

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 1.'''</span> <span style="text-align: center; font-size: 75%;">Demostrador final sección trasera de fuselaje LPA IADP.</span></div>

En particular, este artículo se va a centrar en el desarrollo del proceso de fabricación del demostrador de sección trasera altamente integrado cocurado con la piel, fresca rigidizadores frescos y cuadernas de forma semicuradas en un solo paso.

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 2.''' Demostrador de sección trasera de fuselaje altamente integrado LPA IADP.</span></div>

Para este  proceso de fabricación se han empleado las técnicas más avanzadas de laminación automática, reduciendo los costes recurrentes y garantizando un alto ratio productivo.

==3 Descripción de los trabajos==

Para lograr el objetivo de este proyecto, en primer lugar, se ha realizado un diseño detallado del demostrador teniendo en cuenta los principales requerimientos para desarrollar las tecnologías de fabricación anteriormente mencionadas.

Teniendo en cuenta estas necesidades, se ha definido el utillaje y los procesos de fabricación a emplear para obtener la sección trasera  altamente integrada a escala 1:1.

==='''3.1''' Concepto utillaje ===

Diferentes utillajes han sido necesarios para fabricar todas las elementales que forman la sección trasera de fuselaje integrada. El utillaje se ha diseñado pensando en el proceso de fabricación ; cocurado de material preimpregnado en autoclave de piel fresca y rigidizadores frescos así como cuadernas de forma semicuradas. Además, se ha diseñado y fabricado el utillaje necesario para obtener las cuadernas semicuradas.

Los principales útiles empleados han sido los siguientes:

:* Útil para el conformado y semicurado de las cuadernas de forma en sección de J.

:* Útil para el conformado de los rigidizadores en sección de &#x03a9;&#x00a0;.

:* Útil de encintado y curado del demostrador integrado que ubica los rigidizadores y cuadernas de forma, y permite laminar  de forma automática la piel. Este mismo útil se emplea para el cocurado de todos los elementos en autoclave en un solo paso.

:* Soporte para el desmoldeo.

====3.1.1 Útil conformado y semicurado cuadernas de forma====

El útil se ha diseñado para ser usado en el conformado y semicurado de las cuadernas de forma de sección en J.

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 [[Image:Draft_Martinez_663951325-image3.png|252px]] </div>

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 3.''' Útil conformado y semicurado cuadernas de forma.</span></div>

====3.1.2 Útil conformado rigidizadores====

El útil se ha diseñado para ser usado en el conformado de los rigidizadores en sección de &#x03a9;&#x00a0;.

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 4.''' Útil conformado rigidizadores</span></div>

====3.1.3 Útil encintado y curado demostrador integrado====

El útil se ha diseñado para laminar la piel de forma automática mediante una máquina AFP (Automatic Fiber Placement) El diseño permite integrar los rigidizadores en sección de &#x03a9;&#x00a0; y las cuaderrnas de forma en sección en J, para poder realizar el cocurado en autoclave de todo el conjunto (piel, rigidizadores y cuadernas de forma)

Las cuadernas semicuradas han permitido simplificar el utillaje de curado respecto a haber empleado elementales en fresco ya que su espesor final está consolidado.

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 [[Image:Draft_Martinez_663951325-image5.png|288px]] </div>

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 5.''' Útil encintado y curado demostrador integrado</span></div>

==='''3.2''' Materiales===

Como se ha comentado anteriormente, se ha fabricado el demostrador de sección trasera altamente integrado usando las siguientes tecnologías:

:* Tecnología con material preimpregnado de fibra de carbono (prepreg CFRP) usando un proceso de semicurado para obtener las cuadernas de forma.

:* Tecnología con material preimpregnado de fibra de carbono (prepreg CFRP) usando un proceso de cocurado en autoclave para obtener el conjunto altamente integrado de piel, rigidizadores y cuadernas de forma.

El material preimpregnado usado para este proyecto ha sido fibra de carbono preimpregnada en resina epoxy unidireccional suministrado por el fabricante Hexcel. Se han empleado dos tipos, de formato de 300mm de ancho para los rigidizadores y cuadernas de forma en máquina de ATL y 6.4mm de ancho para la laminación de la piel en AFP.

En primer lugar, se han realizado piezas a escala real de las cuadernas de forma para optimizar el proceso de fabricación y obtener el grado de semicurado óptimo para poder continuar con las tareas de integración en el demostrador. Para ello, ha sido necesaria una campaña de ensayos de fabricabilidad junto con diferentes estudios de grado de curado. Posteriormente, se ha fabricado el demostrador de sección trasera altamente integrado con la piel, rigidizadores en forma de &#x03a9; y cuadernas semicuradas  de sección en J.

A continuación, se describe el proceso de fabricación para obtener este demostrador.

==='''3.3''' Proceso de fabricación demostrador sección trasera altamente integrado===

Para la fabricación del demostrador integrado en material preimpregnado se ha usado un proceso de cocurado en autoclave, integrando las cuadernas de forma semicuradas, rigidizadores en fresco y piel en fresco.

====3.3.1 Fabricación cuadernas de forma semicuradas====

Las cuadernas de forma tienen sección en J. Se definen dos laminados independientes para poder obtener la geometría en J tras los procesos de conformado.

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 [[Image:Draft_Martinez_663951325-image6.png|246px]] </div>

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 6.''' Diseño cuadernas de forma semicuradas</span></div>

En primer lugar, se laminan las preformas de forma automática en una maquina de ATL (Automatic Tape Lay-up).

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 [[Image:Draft_Martinez_663951325-image7.png|210px]] </div>

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 7.''' Encintado laminados cuadernas de forma.</span></div>

A continuación los laminados son conformados en un sistema de membrana para obtener la sección en J.

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{|
|-
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| [[Image:Draft_Martinez_663951325-image10.png|center|138px]]
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 [[Image:Draft_Martinez_663951325-image11.png|288px]] </div>

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 8.''' Conformado cuadernas de forma.</span></div>

Una vez obtenida la preforma, se realiza la bolsa de vacío colocando los materiales auxiliares requeridos sobre el útil de la figura 3 para realizar el ciclo de semicurado. Durante este ciclo se aplica presión, temperatura y vacío para garantizar la correcta extracción de volátiles y evitar defectos en la pieza como porosidades.

Una vez desmoldeada y recanteada la pieza final, se realizan la inspecciones para garantizar que se cumplen los requerimientos  de calidad.  En primer lugar, la inspección por ultrasonidos mediante la técnica de pulso-eco teniendo un umbral y área mínima reportable para determinar las indicaciones a reportar y en segundo lugar un análisis dimensional.

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 9.''' Cuaderna de forma semicurada</span></div>

====3.3.2 Conformado rigidizadores frescos====

Los rigidizadores tienen sección de &#x03a9;.

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 [[Image:Draft_Martinez_663951325-image13.png|234px]] </div>

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 10.''' Diseño rigidizador.</span></div>

En primer lugar, se laminan las preformas de forma automática en una máquina de ATL (Automatic Tape Lay-up).

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 11.''' Encintado rigidizadores.</span></div>

A continuación los laminados son conformados en un sistema de membrana para obtener la sección en &#x03a9;.

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 12.''' Conformado rigidizadores.</span></div>

====3.3.3 Encintado piel ====

El siguiente paso del proceso de fabricación es la integración de las cuadernas de forma semicuradas y los rigidizadores frescos en el útil de encintado que es el mismo que el de curado.

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 13.''' Integración cuadernas y rigidizadores en el útil de encintado.</span></div>

A continuación, se realiza el encintado de la piel con fibra de carbono preimpregnada en resina epoxi mediante una máquina de laminación automática AFP de formato de material 6.4mm.

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 14.''' Encintado automático piel.</span></div>

====3.3.4 Cocurado====

Una vez realizado el encintado de la piel fresca en el útil de curado, se realiza la bolsa de vacío colocando los materiales auxiliares requeridos.

El ciclo de curado se realiza en el autoclave aplicando presión, temperatura y vacío para garantizar la correcta calidad de la pieza.

A continuación se realiza el desmoldeo, realizando el volteo del útil y aproximación al soporte de desmoldeo

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 15.''' Desmoldeo del demostrador altamente integrado.</span></div>

Una vez desmoldeado, se realiza el recanteado y taladrado para el posterior posicionamiento en montaje.  Por último, se realizan las inspecciones dimensionales y por ultrasonidos (pulso eco) para garantizar la calidad de la estructura altamente integrada.

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<span style="text-align: center; font-size: 75%;">'''Figura 16.''' Demostrador altamente integrado de sección trasera de fuselaje con material preimpregnado.</span></div>

Una vez terminada la sección trasera altamente integrada es enviada a Aernnova Composites para continuar con las tareas de fabricación y montaje final del demostrador LPA IADP [Platforma 1 D02 Rear Fuselage Demonstrator].

==4 Conclusiones==

Los hitos logrados en el proyecto LPA-IADP-WP1.2.5. Advanced Rear End Manufacturing han permitido desarrollar la sección trasera de fuselaje altamente integrada a escala 1:1 que se integrará en el demostrador final de  Fuselaje LPA IADP del líder del proyecto Airbus Group, empleando la tecnología de fabricación automática para fibra de carbono preimpregnada altamente integrada y la tecnología de semicurado.

Por tanto, con estos logros se ha alcanzado el objetivo principal dentro del LPA IADP [Platforma 1 D02 Rear Fuselage Demonstrator] del marco europeo.

Por último, estos desarrollos han permitido evolucionar la tecnología de fabricación en materiales compuestos, dando un paso adelante en la aplicación a escala industrial de producción en serie.

==Agradecimientos==

Agradecer la financiación recibida para poder desarrollar este proyecto a través del programa de investigación e innovación Clean Sky 2 de la Unión Europea Horizon 2020 bajo la subvención Grant Agreement n° 945583.

Agradecer la colaboración y liderazgo de Airbus Group y Aernnova que ha permitido el desarrollo del proyecto a través del soporte continuo, la comprensión y el trabajo en equipo para superar los desafíos acontecidos en el avance de un proyecto de estas características.

Igualmente agradecer a todo el equipo del consorcio LPA-IADP-WP1.2.5. Advanced Rear End Manufacturing la implicación y dedicación mostrada en el proyecto durante estos años de trabajo.