{{NOADS}}

En una era en la que fabricar un solo avión o helicóptero alcanza los millones de dólares, los fabricantes siempre están interesados en reducir costos y acelerar la producción sin disminuir el rendimiento. Un gran motor en esta área es la adopción continuada de materiales compuestos en cada vez más piezas, mientras los equipos de ingeniería buscan continuamente reducir el peso total de los nuevos diseños de aeronaves.

Un nuevo proceso se encuentra en las primeras etapas de desarrollo para aplicar protectores metálicos de borde de ataque a palas rotativas rellenas de fibra de carbono, y podría reducir drásticamente los costos además de disminuir significativamente los tiempos de fabricación.

Alpha Metalcraft Group, fabricante de productos para las industrias aeroespacial y de defensa, está trabajando con varias empresas de ingeniería de composites para renovar el proceso de aplicación de estos protectores de borde de ataque a palas de hélice basadas en composites, con el objetivo específico de atender lo que se pronostica será un crecimiento explosivo en segmentos del mercado como las aeronaves eVTOL.

El Dr. Luigi Cazzaniga, Director de Ingeniería de AMG, presentará información sobre este nuevo enfoque de fabricación propuesto en CAMX, la Exposición de Composites y Materiales Avanzados. La expo se celebrará del 21 al 24 de septiembre en Atlanta.

Los protectores de borde de ataque son críticos para el rendimiento de las palas rotoras. Las palas compuestas están sujetas a abrasión por el clima, la arena, la suciedad y otros elementos. Los protectores metálicos de borde de ataque protegen la pala y alargan su vida útil.

Aunque existen métodos establecidos para aplicar estos protectores metálicos fabricados por separado a palas compuestas, el proceso implica mano de obra extensa, inspección y costes de envío. Además, el proceso de fabricación estándar actual requiere el uso de costosas herramientas de acero inoxidable (mandriles) que duplican exactamente la forma de la pala rotora, con costos de inversión que alcanzan hasta $100,000 por herramienta. 

AMG busca desarrollar un enfoque diferente y está colaborando con proveedores aeroespaciales en el diseño de una nueva pala compuesta que permitiría la deposición directa de níquel. “La capacidad de depositar directamente una capa de níquel sobre una estructura compuesta rellena de carbono elimina la necesidad de múltiples procesos de montaje y puede reducir los costes generales de fabricación”, según el Dr. Cazzaniga.

El Dr. Cazzaniga explica que las palas rotativas compuestas rellenas de fibra de carbono ofrecen beneficios significativos para la industria aeroespacial. Los ensamblajes compuestos permiten obtener piezas de menor peso que mantienen el rendimiento estructural, demuestran una mayor durabilidad y permiten diseños complejos para reducir el ruido y la vibración.

Sin embargo, las palas compuestas carecen de suficiente resistencia a la abrasión, lo que puede causar daños excesivos y fallos prematuros de la pieza. Las palas son susceptibles a la degradación ambiental causada por entornos arenosos, el aire salino costero e incluso los impactos de rayos.

Los protectores de borde de ataque se fabrican mediante electroformado, un proceso químico comparable a la impresión 3D pero único en cuanto ofrece una flexibilidad considerable para abordar diferentes geometrías y requisitos de propiedades mecánicas. “Es crítico controlar las tolerancias estrictas, el peso total de la pieza, las propiedades a la tracción y la resistencia a la abrasión”, dijo el Dr. Cazzaniga. 

El proceso de electroformado es lento — apenas unos pocos milésimos de pulgada por hora por pie cuadrado — pero puede realizarse fuera del horario laboral y no requiere que los empleados supervisen continuamente el proceso. El mandril se coloca en una solución y se deja toda la noche. Al aumentar el tamaño de los tanques, el electroformado también ofrece la posibilidad de realizar grandes series de producción.

Después de un acabado adicional para cumplir con las estrictas tolerancias de perfil y espesor requeridas por los clientes aeroespaciales, los protectores de abrasión se envían a proveedores terceros para la preparación de la superficie antes de ser entregados al proveedor de composites para el montaje final en la pala rotativa.

El electrodepositado directo sobre composites evita muchos de estos pasos de proceso individuales al usar la propia pala compuesta como la herramienta de electrodeposición o mandril.  “El electrodepositado directo sobre una pieza compuesta lleva aún más lejos el beneficio de reparto/reducción de peso del electroformado: el borde de ataque todavía puede fabricarse muy grueso, donde ocurre la mayor parte de la abrasión, pero se eliminan las restricciones de manipulación en el borde de fuga, de modo que este puede hacerse aún más fino, reduciendo así más el peso total de la pieza”, explica el Dr. Cazzaniga. “El ahorro de peso adicional, así como la eliminación de múltiples procesos de montaje, proporcionarán ahorros de costos significativos.”

Uno de los desafíos principales que AMG encontró al desarrollar el proceso se centró en la adhesión de los protectores a la hélice. Existe una variedad de técnicas para el enchapado en plásticos, dirigidas principalmente a la apariencia, el blindaje contra la corrosión, los rayos y el blindaje contra la interferencia electromagnética (EMI).  Estos procesos multietapa son complicados, implican química peligrosa, son costosos y están pensados principalmente para la producción a gran escala de componentes más pequeños. AMG se ha centrado en las preocupaciones sobre la adhesión cuando el proceso se traslada a componentes pesados, como los protectores de abrasión que pesan hasta varias libras. 

“En lugar de trabajar desde la perspectiva de intentar modificar estructuras compuestas existentes para acomodar una solución de proceso de electrodeposición, nos hemos centrado en colaborar con proveedores aeroespaciales en el diseño de una pala compuesta preparada para el electrodepositado que permitiría la deposición directa de níquel, ofrecería una excelente adhesión y reduciría significativamente tanto el tiempo como el coste para fabricar diseños de palas de hélice listos para ensamblar”, dijo el Dr. Cazzaniga.

El proceso de electrodepositado directo sobre composites de AMG requerirá certificación para alcanzar la producción a escala completa. Desarrollar este proceso en paralelo a la adopción de una estrategia estándar de protectores de borde de ataque podría ser extremadamente beneficioso para apoyar el mercado eVTOL, que se espera que crezca significativamente en la próxima década. Los expertos del sector proyectan que el mercado podría alcanzar $41.8 billion entre 2030 y 2034, con cada aeronave individual requiriendo 30-50 palas de hélice individuales. 

“La deposición directa de protectores de abrasión de níquel sobre estructuras de palas compuestas rellenas de carbono representa un avance emocionante en el campo de la ingeniería de materiales y el diseño de palas rotativas”, dijo el Dr. Cazzaniga. “La capacidad de depositar directamente una capa de níquel sobre una estructura compuesta rellena de carbono elimina la necesidad de múltiples procesos de montaje y puede reducir los costos generales de fabricación, al tiempo que garantiza la adhesión adecuada del protector de abrasión de níquel a la superficie compuesta. Los trabajos futuros se centrarán en optimizar los parámetros de electrodeposición y en explorar la escalabilidad de esta tecnología para la fabricación de palas eVTOL en volumen elevado.”