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Diseño y construcción estructural de aeronaves

No hay duda de que el costo de producción de la “próxima generación” de aeronaves de transporte debe ser el más bajo posible, para que la aeronave se venda a un precio que permita una operación rentable de la aerolínea. Es necesario desarrollar conceptos de diseño avanzados para lograr el objetivo de reducir los costos de fabricación.

La práctica actual de diseño de estructuras de aluminio se basa en el uso de productos semielaborados y se compran principalmente cuatro categorías en la siguiente forma de producto:

– forjas 6%
– extrusiones 13%
– láminas finas 17%
– placas gruesas 64%

Claramente, el uso de placas gruesas mantiene una parte importante dentro de la cantidad total de productos de aluminio necesarios. Sin embargo, cantidades muy grandes de la materia prima que se mecaniza en la mayoría de las aplicaciones actuales terminan en una relación de compra por vuelo extremadamente alta.

El diseño rentable de componentes de aluminio tendería a reducir la utilización de placas gruesas de aluminio y a aumentar el uso de extrusiones y piezas forjadas o entrar en tecnologías de fabricación completamente nuevas para mantener la relación de compra por vuelo lo más baja posible. Hace algunos años se iniciaron extensos programas de investigación y tecnología, en todo el sistema de Airbus, para adquirir y validar los avances necesarios en las técnicas de fabricación más prometedoras, como

– fundición de aluminio
– paneles de ala y fuselaje extruidos integralmente
– estructuras soldadas.

Solo por mencionar algunos ejemplos predominantes:
La fundición es el proceso de “forma casi neta” más consistente. El potencial de ahorro de costos de las fundiciones de inversión es considerable para las aleaciones de aluminio. Debido a la buena calidad de la superficie, prácticamente no se requiere procesamiento de acabado.

El ejemplo exitoso es una puerta de carga a granel A320, que ahora ha resultado en un estudio de aplicación industrial para la puerta de pasajeros A340-600 de Airbus.

Los paneles extruidos para estructuras de fuselaje con largueros integrales o, alternativamente, largueros soldados se comparan muy positivamente con el proceso de remachado actual en términos de peso y reducción de costos. En las estructuras remachadas hay un volumen adicional sustancial de material de larguerillo y un espesor de piel adicional para compensar los orificios de los remaches.

En la actualidad, los socios de Airbus que tradicionalmente producen estructuras de fuselaje han realizado inversiones en grandes máquinas de soldadura por rayo láser de C02 capaces de producir paneles integrales, de unos 4 m de ancho y unos 10 m de largo. Se están fabricando paneles de prueba iniciales para optimizar el proceso y recopilar datos estadísticos. Altas velocidades de soldadura de hasta 15m/min y un alto grado de automatización permiten una reducción de los costes de fabricación del 20% respecto al proceso de remachado automático.

Paneles de aluminio extrusionado.

Para estructuras de ala, se está investigando la tecnología para paneles extruidos pesados ​​y muy largos. Este principio ha sido utilizado durante muchos años por la industria aeronáutica rusa, principalmente en grandes aviones de transporte diseñados por Antonov.

La gran estructura del ala An 124, por ejemplo, está construida a partir de 44 paneles extruidos, de hasta 28 m de largo. De hecho, el mecanizado sigue siendo necesario hasta cierto punto, pero las primeras investigaciones muestran un doble beneficio que podría obtenerse de valores reducidos de compra para volar, así como una mayor eficiencia estructural sobre las estructuras remachadas convencionales.

El diseño del ala de Airbus proporciona un rendimiento aerodinámico excepcional. Sin embargo, lograr esto requiere el uso de paneles laterales complejos de doble curvatura, particularmente cerca del extremo de la raíz donde el grosor es mayor. Esto presenta un desafío de fabricación exigente, ya sea considerando nuestras pieles actuales con refuerzos fijados o paneles reforzados integralmente. Un proceso llamado Adaptive Creep Forming (ACF) está siendo desarrollado por socios de Airbus Industrie en consorcio con varias organizaciones de investigación, que proporciona una formación rápida de paneles con un contorno preciso con control de software de herramientas adaptables. El proceso ACF también es compatible con nuestro proyecto de ensamblaje automatizado de cajas de alas. Este sistema, actualmente en la etapa de demostración, proporcionará un ensamblaje de alto rendimiento sin herramientas y sin plantillas, utilizando el reconocimiento de características visuales de la máquina y el escaneo de posición láser. Este proceso de fabricación promete un uso máximo de las instalaciones de la fábrica. Ofrece mayores tasas de producción y flexibilidad para introducir cualquier producto desarrollado o nuevo que esté dentro de la capacidad geométrica de la máquina, en principio solo mediante cambios de software.

Soldadura de estructuras de fuselaje delgadas, utilizando tecnología de rayo láser, para soldar paneles de alas gruesos, la tecnología de soldadura por fricción y agitación se está investigando actualmente con resultados muy prometedores.

La soldadura por fricción y agitación es un proceso de soldadura en fase sólida sin fusión basado en la investigación en un consorcio con TWI. Es un proceso continuo de cizallamiento en caliente. Una herramienta giratoria no consumible hecha de un material más duro que la pieza de trabajo se pasa a lo largo de una junta entre dos láminas estrechamente unidas a tope.

El calor de fricción crea una región plastificada alrededor del pasador de soldadura sumergido que se consolida detrás formando una unión de fase sólida.

Este proceso provoca una zona afectada por el calor más limitada que la soldadura convencional. Esto permite la retención de una alta proporción de propiedades del metal base para aleaciones de aluminio tratadas térmicamente de alta resistencia.

También es adecuado para juntas largas y altas velocidades de seguimiento, utilizando máquinas similares a las de fresado. Ofrece la posibilidad de ensamblaje de bajo costo y alta integridad de estructuras integrales de ala.

Estos pocos ejemplos de innovación en el diseño y la fabricación de fuselajes dan una idea de cómo Airbus puede mejorar la eficiencia general de los aviones.

El metal avanzado y los materiales compuestos combinados con las nuevas tecnologías de fabricación son los medios posibles para enfrentar el desafío económico para cumplir con las expectativas de las aerolíneas de una mejora de los costos operativos del 15% al ​​20% en comparación con los grandes aviones de transporte actuales.

Sin embargo, no se debe negar que se requerirán esfuerzos significativos en enfoques técnicos e industriales innovadores, en un mundo en el que el progreso se ha convertido en un proceso cada vez más autogenerado.

Con oportunidades limitadas en el clima actual, las empresas del Reino Unido como Marshall Aerospace se sustentan en algunos contratos a largo plazo. MA ha comenzado el diseño estructural y la construcción de las góndolas de motores aeronáuticos para el nuevo jet ligero avanzado, HondaJet.

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