AW | 2024 10 15 12:50 | INDUSTRY / AVIATION TECHNOLOGY

Airbus implementa tecnología estructura termoplásticos

El constructor aeronáutico Airbus Group continúa desarrollando las tecnologías de estructuras termoplásticas para los fuselajes de aeronaves comerciales. Las técnicas y los materiales novedosos están acelerando un replanteamiento de la producción de aeroestructuras. El ejemplar de una pieza de estructura del Demostrador de Fuselaje Multifuncional (MFFD) se encuentra suspendido entre discretas plantillas esqueléticas, no atraería una segunda mirada en una línea de montaje de aviones. Sin embargo, dentro de un hangar anónimo en el norte de Alemania, una sección de fuselaje de color negro mate o barril podría ser la forma super-eficiente de lo que está por venir en la industria del diseño de estructuras de fuselajes.

Clean Sky 2 es una ambiciosa asociación público-privada respaldada por la Unión Europea, cuyo objetivo general es ayudar a reducir el CO de las aeronaves2, óxidos nitrosos y emisiones sonoras hasta en un 30 %, en consonancia con el Pacto Verde Europeo. El objetivo declarado del Acuerdo es lograr que la UE sea climáticamente neutra para 2050. Lanzado en 2014 y perteneciente a la plataforma de aviones de pasajeros grandes de Clean Sky 2, ese cañón negro es el Demostrador de Fuselaje Multifuncional (MFFD). Con ocho metros de largo y cuatro metros de ancho, está hecho en gran parte de compuestos termoplásticos. Al examinar la viabilidad de estos polímeros como material estructural, el MFFD se ha convertido en un trampolín para acelerar la producción de aviones, mejorando así la competitividad de la industria aeroespacial europea.

Fuselajes más ligeros y rápidos
Un fuselaje no solo contiene pasajeros y carga. También lleva sistemas eléctricos, mecánicos, neumáticos e hidráulicos vitales. El montaje de los sistemas una vez que el fuselaje está completo agrega costos y tiempo a la producción. Los sistemas también son pesados. Un fuselaje más ligero y fácil de producir ayuda a contrarrestar estas penalizaciones. Los termoplásticos pueden permitir esto, en gran parte porque los pesados sujetadores que unen las secciones metálicas convencionales del fuselaje, actualmente no son necesarios o el número necesario es mucho menor.

Los termoplásticos, también conocidos como compuestos poliméricos termoplásticos reforzados con fibra de carbono (CFRTP), son moldeables a altas temperaturas. Luego se solidifican al enfriarse. Su introducción podría conducir a un ahorro de peso estructural de más del 10% por avión si una sección típica del fuselaje se combina de manera inteligente con tecnologías de cabina y carga. Los compuestos CFRTP también ofrecen una ventaja más inmediata: son más fáciles de reutilizar y reciclar que los componentes metálicos o de fibra de carbono.

El MFFD consta de dos carcasas de medio cilindro, o módulos, que forman el cañón del fuselaje. El módulo inferior está preequipado con sistemas y cableado, la superior con algunos elementos de la cabina. En términos puramente productivos, los termoplásticos permiten ensamblar estos módulos utilizando métodos novedosos, cada uno de ellos probado en el MFFD. Por ejemplo, sus carcasas se unen mediante soldadura ultrasónica o láser automatizada por puntos, en lugar de remacharse entre sí. Esto crea un entorno relativamente libre de polvo para los trabajadores de montaje. A continuación, el suelo del modelo inferior del fuselaje se fija en su lugar mediante soldadura por conducción automatizada.

Al concluir el proyecto a finales de 2024, el MFFD había superado su objetivo de ahorro de peso, a un coste neutro en comparación con un cañón metálico de fuselaje. Más de 40 ladrillos tecnológicos han sido probados con un alto nivel de preparación, desde la micromecánica a pequeña escala (el estudio del comportamiento de los compuestos) hasta nuevas plantillas, herramientas y, como se ha mencionado, técnicas de soldadura avanzadas.

Los métodos disruptivos de MFFD podrían permitir una tasa de construcción de fuselaje compuesto CFRTP de hasta 100 unidades por mes, que es la zona objetivo para un futuro avión de pasillo único. Además de los beneficios económicos, la arquitectura avanzada del nuevo fuselaje, el menor peso y la mayor eficiencia de fabricación contribuirían a reducir las emisiones del ciclo de vida, en línea con los objetivos de Clean Sky 2.

Una historia de éxito europea
Desde su finalización, el demostrador ha residido en el Centro de Investigación Aeronáutica Aplicada ZAL de Hamburgo, Alemania. De hecho, se ensambló en el Instituto Fraunhofer, cerca de Stade. Airbus cuenta con amplias instalaciones en ambas ciudades alemanas.

Las innovaciones del MFFD son una historia de éxito totalmente europea. Airbus es uno de los 13 principales socios que componen el consorcio, entre los que se encuentran SAAB, GKN Fokker, el laboratorio aeroespacial alemán DLR, la Universidad Tecnológica de Delft, así como una red de subcontratistas.

«El MFFD es un ejemplo fantástico de lo que se puede lograr si el mundo académico, los centros de investigación y los actores de la industria se alinean en torno a un objetivo común. Un solo jugador nunca habría sido capaz de entregar un demostrador a gran escala tan complejo», dice York Roth de Airbus, líder de la plataforma Clean Sky 2 Large Passenger Aircraft.

Airbus thermoplastic structure

Airbus deploys thermoplastic structure technology

Aircraft manufacturer Airbus Group continues to develop thermoplastic structure technologies for commercial aircraft fuselages. Novel techniques and materials are accelerating a rethinking of aerostructure production. The example of a Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD) structure part is suspended between discrete skeletal templates, it would not attract a second glance on an aircraft assembly line. However, inside an anonymous hangar in northern Germany, a matte black fuselage section or barrel could be the super-efficient form of what is to come in the fuselage structure design industry.

Clean Sky 2 is an ambitious public-private partnership backed by the European Union, the overall aim of which is to help reduce aircraft CO2, nitrous oxides and noise emissions by up to 30%, in line with the European Green Deal. The stated goal of the Agreement is to make the EU climate neutral by 2050. Launched in 2014 and belonging to Clean Sky 2’s large passenger aircraft platform, that black cannon is the Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD). Eight metres long and four metres wide, it is largely made of thermoplastic composites. By examining the viability of these polymers as a structural material, the MFFD has become a stepping stone to speeding up aircraft production, thereby improving the competitiveness of the European aerospace industry.

Lighter, faster fuselages
A fuselage doesn’t just hold passengers and cargo. It also carries vital electrical, mechanical, pneumatic and hydraulic systems. Assembling the systems once the fuselage is complete adds cost and time to production. The systems are also heavy. A lighter, easier-to-produce fuselage helps to counteract these penalties. Thermoplastics can enable this, largely because the heavy fasteners that join conventional metal fuselage sections together are currently not needed or the number needed is much lower.

Thermoplastics, also known as carbon fiber-reinforced thermoplastic polymer (CFRTP) composites, are moldable at high temperatures. They then solidify upon cooling. Their introduction could lead to structural weight savings of more than 10% per aircraft if a typical fuselage section is intelligently combined with cabin and cargo technologies. CFRTP composites also offer a more immediate advantage: they are easier to reuse and recycle than metal or carbon fiber components.

The MFFD consists of two half-cylinder shells, or modules, that form the barrel of the fuselage. The lower module is pre-equipped with systems and wiring, the upper with some cabin elements. In purely production terms, thermoplastics allow these modules to be assembled using novel methods, each of them tested at the MFFD. For example, its shells are joined by spot-welding, rather than riveted together using automated ultrasonic or laser welding. This creates a relatively dust-free environment for assembly workers. The floor of the lower fuselage model is then fixed in place using automated drive welding.

By the end of the project in late 2024, the MFFD had exceeded its weight-saving goal, at a cost-neutral level compared to a metal fuselage barrel. More than 40 technology bricks have been tested at a high level of readiness, from small-scale micromechanics (the study of the behavior of composites) to new jigs, tooling, and, as mentioned, advanced welding techniques.

The disruptive methods of MFFD could enable a CFRTP composite fuselage build rate of up to 100 units per month, which is the target area for a future single-aisle aircraft. In addition to the economic benefits, the new airframe’s advanced architecture, lower weight and increased manufacturing efficiency would contribute to reduced life-cycle emissions, in line with Clean Sky 2 goals.

A European success story
Since its completion, the demonstrator has resided at the ZAL Applied Aeronautics Research Centre in Hamburg, Germany. In fact, it was assembled at the Fraunhofer Institute near Stade. Airbus has extensive facilities in both German cities.

The MFFD innovations are a fully European success story. Airbus is one of 13 major partners that make up the consortium, which includes SAAB, GKN Fokker, the German aerospace laboratory DLR, Delft University of Technology, as well as a network of subcontractors.

“The MFFD is a fantastic example of what can be achieved if academia, research centres and industry players align around a common goal. A single player would never have been able to deliver such a complex large-scale demonstrator”, says Airbus’ York Roth, platform leader for Clean Sky 2 Large Passenger Aircraft.

PUBLISHER: Airgways.com
DBk: Airbus.com / Airgways.com
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OWNERSHIP: Airgways Inc.
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