Airbus y Boeing están acelerando las inversiones en métodos de fabricación de composites que evitan el autoclave tradicional, un cambio que podría transformar la manera en que se construye la próxima generación de aviones de pasillo único.

Ambos fabricantes afrontan un problema común.

El proceso actual para fabricar fuselajes de fibra de carbono no puede escalar hasta las tasas de producción requeridas por un sucesor de las familias A320 y 737.

Por qué el autoclave se ha convertido en un cuello de botella

Los autoclaves han definido la producción de aerostructuras compuestas durante décadas.

Estos grandes hornos presurizados curan los apilamientos de fibra de carbono impregnados de resina bajo calor y presión precisos, logrando las relaciones resistencia-peso que hicieron posibles el Boeing 787 y el Airbus A350.

Pero los autoclaves son lentos, consumen mucha energía y tienen capacidad limitada.

Para programas que actualmente producen entre cinco y diez fuselajes anchos al mes, ese ritmo funciona.

Para una línea de fuselaje estrecho que busque entre 70 y 100 aviones al mes, no funciona.

Los barriles de fuselaje compuestos para el 787 y el A350 requieren horas dentro de autoclaves masivos, seguidas de ciclos de inspección y acabado.

El coste de capital de estas instalaciones es considerable, y cada unidad representa un techo fijo de capacidad.

Aumentar la capacidad implica construir más autoclaves, ampliar naves e instalar la infraestructura de apoyo para la presurización y la gestión térmica.

Tanto Airbus como Boeing han concluido que escalar linealmente este enfoque no es viable ni económica ni operativamente para sus próximos programas de nueva plataforma.

Airbus ha indicado públicamente que su sucesor del A320, que se espera entre en servicio en la segunda mitad de la década de 2030, dependerá en gran medida de estructuras compuestas.

Boeing afronta una presión similar mientras evalúa un futuro reemplazo de pasillo único.

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Alternativas fuera del autoclave

Varias tecnologías compiten para sustituir al autoclave.

Cada una promete ciclos más rápidos, menor consumo energético y menor intensidad de capital, aunque todas conllevan riesgos técnicos.

Los composites termoplásticos están atrayendo especial atención.

A diferencia de los materiales termoestables, que requieren curado químico con calor y presión, los termoplásticos se ablandan al calentarse y se endurecen al enfriarse.

Esa propiedad permite soldar piezas en lugar de sujetarlas con tornillos o unirlas con adhesivos, lo que podría eliminar miles de remaches de un fuselaje.

Airbus ha estado desarrollando tecnología termoplástica a través de su programa Wing of Tomorrow y mediante asociaciones con proveedores con experiencia en esa clase de materiales.

El moldeo por transferencia de resina, o RTM, ofrece otra vía.

En este proceso, se colocan preformas de fibra de carbono seca en un molde cerrado y la resina se inyecta bajo presión.

El curado tiene lugar dentro del propio molde, sin necesidad de un autoclave separado.

Airbus ha usado RTM para componentes estructurales menores y está evaluando si el proceso puede escalar hasta secciones principales del fuselaje.

Boeing ha explorado sistemas de prepreg fuera del autoclave, en los que tejidos impregnados de resina se curan dentro de hornos convencionales a presiones más bajas.

La compañía demostró conceptos relacionados a través de su trabajo en Boeing Research and Technology y los anteriores programas Sugar Volt y transonic truss-braced wing realizados con la NASA.

"Lo fundamental sería aprovechar todo el conocimiento que tenemos y asegurarnos de poder replicarlo a gran velocidad," dijo Sue Partridge, responsable del programa Wing of Tomorrow de Airbus. “Hemos estado explorando distintas opciones fuera del autoclave, diferentes opciones de fibra seca. Esas decisiones se tomarán en el futuro.”

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La automatización como la segunda mitad de la ecuación

Eliminar el autoclave por sí solo no dará las tasas de producción que ambos fabricantes necesitan.

La automatización de los procesos de colocación, inspección y unión es igualmente importante.

Las máquinas de colocación automatizada de fibras ya depositan cinta compuesta a altas velocidades, pero las etapas posteriores, como el recorte, el taladrado y la inspección no destructiva, siguen siendo intensivas en mano de obra.

La soldadura de termoplásticos, si madura, podría permitir líneas de ensamblaje continuas que se parezcan más a la producción automotriz que al modelo aeroespacial actual.

Se están evaluando la soldadura por inducción, la soldadura ultrasónica y la soldadura por resistencia.

El objetivo es un fuselaje que se desplace de estación en estación en una línea móvil, con cada estación añadiendo una sección o completando una unión en minutos en lugar de horas.

Plazos de los programas y riesgo industrial

Airbus ha sido más explícito sobre sus ambiciones.

El fabricante ha declarado que las decisiones sobre la configuración y los materiales del sucesor del A320 deberán cerrarse a finales de la década de 2020 para apoyar una entrada en servicio alrededor de 2038.

Eso deja aproximadamente una década para industrializar el proceso compuesto que la compañía seleccione, un calendario comprimido dadas las exigencias de certificación de las estructuras primarias.

La situación de Boeing está complicada por su recuperación en curso de la crisis del 737 MAX y por problemas de calidad que han ralentizado las entregas del 787.

La compañía no se ha comprometido con un calendario firme para un nuevo avión de pasillo único, pero los directivos han reconocido que cualquier sucesor necesitará romper con los paradigmas de producción actuales.

La adquisición de Spirit AeroSystems por parte de Boeing, que suministra secciones de fuselaje tanto para el 737 como para el 787, le otorga un control más directo sobre las decisiones de fabricación con composites.

"Hay mucho trabajo por hacer incluso con los procesos en autoclave, con las herramientas... y los sistemas de materiales," dijo Lane Ballard, director de tecnología de Boeing. “Estamos trabajando en ambos frentes, al igual que lo están haciendo la industria de turbinas eólicas y la automotriz. ¿Cómo se puede idear una manera de producir calidad a la primera a un ritmo muy rápido sin tener esas enormes cantidades de infraestructura que actualmente demandan los composites? Así que estamos realizando mucha investigación en ambos lados, pero, definitivamente, fuera del autoclave es una de las áreas que nos interesa resolver.”

Ambas compañías también se enfrentan a consideraciones en la cadena de suministro.

Empresas como Toray, Hexcel y Solvay producen la fibra de carbono y los sistemas de resina que alimentarán cualquier nuevo proceso.

Las decisiones de inversión de estos proveedores marcarán qué tecnologías alcanzan primero la madurez industrial.

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Lo que sigue

Ninguno de los fabricantes se ha comprometido públicamente con una única ruta tecnológica.

Ambos llevan a cabo esfuerzos de desarrollo en paralelo, financian demostradores tecnológicos y colaboran con instituciones de investigación para reducir el riesgo de las opciones.

Airbus opera centros de investigación dedicados a composites en Stade, Alemania, y Bristol, Inglaterra.

Boeing realiza trabajos similares en Everett y St. Louis.

Las decisiones que se tomen en los próximos años definirán la fabricación de aeronaves comerciales durante las siguientes tres décadas.

La combinación de materiales, procesos y automatización que alcance primero la preparación para la producción probablemente establecerá el modelo de cómo se construirán los aviones comerciales hasta bien entrada la segunda mitad del siglo.

El alejamiento del autoclave representa una de las transiciones de fabricación más trascendentales desde la introducción de las estructuras primarias compuestas.