Mecanizado de compuestos para el F-35

Mecanizado de compuestos para el F-35

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Las diferentes ramas de las fuerzas armadas de Estados Unidos han insistido históricamente en aviones distintos. La fuerza aérea, la marina y la armada tienen diferentes misiones y enfrentan exigencias distintas. Un avión caza que se ajuste a todo, obviamente, sería menos costoso de producir y mantener, pero el argumento siempre ha sido que se prefiere una cantidad considerable de ineficiencia en costos, para dar a cada rama del servicio el equipo más adecuado a su papel. El resultado ha sido una multiplicación de aviones militares en la cual diferentes modelos llenan usos traslapados.

Joel Malone afirma que la multiplicación se vuelve aún más elaborada en una época de mayor cooperación entre las fuerzas internacionales. Malone es un gerente sénior en el programa F-35 de la compañía aeronáutica de defensa Lockheed Martin. Él dice que ha visto el efecto de esta multiplicidad en todo su esplendor durante el conflicto en Bosnia en los años noventa. Un aeródromo de la coalición mantuvo un panorama de diferentes aviones de Estados Unidos y de otros países. Las diversas naves exigían distintas cadenas de suministro y procedimientos de mantenimiento diferentes para apoyarlas a todas en el campo de batalla.

Ahora, las mejoras de tecnología relacionadas con el diseño y desarrollo de aeronaves han posibilitado obtener una sola plataforma de avión que se adapta a muchas necesidades. El mismo avión, en diferentes configuraciones de modelos, puede darle las capacidades de un despegue corto y aterrizaje vertical a la marina, la elasticidad necesaria para aterrizajes en portaaviones a la armada, o la velocidad y maniobrabilidad valorada por la fuerza aérea.

El F-35 Lightning II (también conocido como el caza Joint Strike), producido por Lockheed Martin, es ese avión de uso versátil. De hecho, las posibles variaciones de esta nave también permiten adecuarla para los diferentes aliados militares de Estados Unidos.

Sin embargo, la economía sola no era suficiente para lograr que el servicio de Estados Unidos y sus aliados apoyaran un programa de una aeronave común, comenta Malone. La precaución para comprometerse con el mismo avión como otro servicio, con el diseño sujeto a las necesidades de ese servicio, era muy fuerte. Tenía que haber una zanahoria, una tentación que hiciera este avión especial. En el F-35, esta zanahoria es la VLO (Muy Baja Visibilidad). Por radar y otros medios de detección, este avión es muy difícil de detectar.

Los aviones secretos del pasado no podían hacer esa afirmación. Ya que el radar detecta los filos agudos, incluso las pequeñas discontinuidades entre las partes exteriores, en los aviones VLO viejos eran suavizadas con epóxico. El epóxico se seca, se endurece y se separa en el campo, lo cual significa que debía inspeccionarse a menudo y ser reemplazado.

En contraste, las partes adyacentes del F-35 se ajustan de forma tan fluida y precisa que no se requiere epóxico. El problema con los anteriores aviones secretos ha desaparecido.

Este beneficio —junto con las economías del uso versátil— ha ayudado a ganar el apoyo conjunto de los diferentes servicios militares. Ellos incluyen no solo las ramas militares de Estados Unidos, sino también los de ocho países aliados. Cada rama tiene influencia en proporción con su contribución, de modo que los países diferentes a Estados Unidos han comprometido más de US$4 mil millones para el desarrollo del avión. Dinero que los contribuyentes de impuestos estadounidenses no tienen que gastar.

Y la recompensa es casi directamente atribuible al mecanizado CNC. De nuevo, según Malone, la VLO soportable es una gran razón para el apoyo extranjero. Ella proporciona un ajuste estrecho entre las partes.

¿Y qué permite esos ajustes estrechos? Vi la respuesta en una reciente visita al campus de manufactura de Lockheed Martin en Fort Worth, Texas.

La respuesta, por supuesto, es el mecanizado CNC. Las superficies de compuestos son fresadas y taladradas hasta unas tolerancias tan estrechas, que la superficie ensamblada del avión evita las discontinuidades que capta el radar.

En resumen, la precisión obtenida por el grupo de mecanizado CNC de esta compañía ha ayudado a lograr un avión tan efectivo y tan exigente en sus capacidades, que otros países quieren ayudarle a Estados Unidos a pagarlo.

FOG de guerra
Una sofisticada máquina fresadora de cinco ejes permite este fresado y taladrado preciso de las superficies de compuesto. Los proveedores de defensa adoran los acrónimos. Lockheed Martin llama a esta máquina la “FOG”. Esto significa un “Gantry Flexible Elevado”, por sus siglas en inglés.

De hecho, uno de los ítems más interesantes usados en la FOG es un dispositivo que también lleva un acrónimo, el Pinc. Quizás inevitablemente, el Pinc ha sido pintado de rosado (luego se hablará de este dispositivo).

La FOG fue suministrada por el fabricante de máquinas-herramienta DS Technology, que tiene su sede principal en Cincinnati, Ohio. La longitud de plataforma en el eje X de esta máquina fresadora de cinco ejes es de 15 metros. Las escalas de vidrio que proveen precisión de posición y un sistema propio de DS Technology para compensación volumétrica, ayudan a mantener una estrecha precisión en todo el amplio espacio de trabajo de la máquina. Don Kinard, suplente de operaciones técnicas para la producción global del F-35, piensa que esta es “la máquina-herramienta más precisa del mundo para su tamaño”.

Las partes con contornos complejos hechas de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) se mecanizan aquí, así como las igualmente complejas fijaciones de vacío en aluminio, que sostienen las partes durante el mecanizado. Alrededor de 56 números de partes en compuesto son fresadas, cortadas y taladradas en la máquina, aunque esa cantidad probablemente disminuya a medida que los números de parte se consoliden para toda la producción. Para el número de parte típico en CFRP, el proceso involucra mecanizado del IML (línea de molde interna o superficie interior) de la parte en compuesto, mientras la parte se adhiere a una fijación de vacío; luego el mecanizado de las características remanentes del OML (línea de molde exterior), después de que la parte ha sido adherida a una fijación de vacío en espejo adyacente.

Durante mi visita, los detalles más significativos que Lockheed Martin no reveló fueron las precisas tolerancias que el proceso de mecanizado F-35 es capaz de lograr. En su lugar, aprendí sobre los elementos de ese proceso.

Aquí, entonces, está algo de lo que permite lograr esas tolerancias no especificadas:

1. Enrutador de compresión

La delaminación representa el obstáculo más serio para la precisión en el mecanizado de partes en compuesto. Esto es particularmente cierto cuando se cortan bordes. El material está en capas, y la fuerza del mecanizado puede causar que las capas se separen.

Rick Denny es un líder técnico para los sistemas de mecanizado del caza Joint Strike. Él dice que una herramienta de corte anterior, usada para cortar compuestos —una herramienta con filos PCD— podía durar para mecanizar solo 21 pies. Después de esta distancia, el cambio en la fuerza por el desgaste de la herramienta causaba el inicio de la delaminación.

La solución fue una herramienta de carburo, dice. Específicamente, la solución fue un “enrutador de compresión” del proveedor de herramientas de corte Amamco (American Manufacturing and Marketing Company), desarrollado en asocio con el Centro Nacional para la Manufactura y Mecanizado de Defensa. La geometría especial de esta herramienta (véase foto) dirige las fuerzas de corte de forma tal que comprime las capas de la parte mientras están siendo cortadas. La herramienta cuesta un tercio del precio de la anterior herramienta, pero normalmente dura 100 pies antes de que el desgaste comience a ser un problema.

2. Fresado para el espesor

Las partes en CFRP están construidas con precisión mediante un proceso automatizado de ubicación de la fibra, pero incluso eso no controla el espesor con suficiente precisión. El espesor tiene que ser aún más controlado a través del fresado CNC. Un escariador con nariz esférica en PCD mecaniza la superficie interior de la parte (la IML) en un conjunto de patrones de herramienta paralelos y con pasos pequeños.

La operación de fresado toma alrededor de seis horas. Kinard ve esto como uno de los muchos aspectos del proceso que pueden ser más eficientes. El grupo de mecanizado investiga si la precisión necesaria puede obtenerse en su lugar usando herramientas de fresado con fondo plano en un patrón de cinco ejes, que podría retirar una franja más amplia de material en cada pasada.

3. Compensación incluso para el concreto

Una causa de la potencial variación son los cimientos del taller. Para estabilidad, la máquina se asienta en una fundación de 30 pies de profundidad. Sin embargo, incluso esta fundación está sujeta a un ligero movimiento con el tiempo. Para asegurar que cualquier cimiento no afecte las precisiones de la máquina, la FOG ofrece unas esferas de calibración en cerámica que están en cajas protectoras en las cuatro esquinas de los recorridos X-Y de la máquina. La máquina detecta estas esferas diariamente para monitorear el movimiento de la fundación.

4. Inspección en CMM

Para esas grandes piezas de trabajo y sus fijaciones, la inspección en la máquina puede parecer el medio más práctico de verificación. Esto significa dejar simplemente las partes en el sitio y medirlas en la máquina. Kinard resalta el problema con este enfoque: incluso una gran CMM sería de bajo costo si se compara con el costo y valor de la máquina FOG.

Por eso, el uso más efectivo de la FOG es liberarla de la inspección, incluso si esto implica mover las partes. Por medio de un sistema de entrega enorme de tres pallets, cada parte puede ser llevada a una CMM de Zeiss del tamaño de una habitación. Para asegurar que el vacío que sostiene la parte a las fijaciones no se rompa durante la transferencia, una serie de tanques de vacío independientes viaja en cada pallet.

5. Clase especial de operador

Entender los diferentes aspectos de este proceso de fina precisión requiere un entrenamiento especial, y esto ha significado una nueva clasificación de los técnicos de mecanizado en las instalaciones de Fort Worth. Ciertos operadores que trabajan en la FOG son clasificados como STEM, para máquinas equipadas con tecnología especial.

6. Atención al portaherramientas

Por supuesto, el portaherramientas es también un elemento vital que afecta la precisión del proceso. Cualquier taller que intente una precisión estrecha del centro de mecanizado aprecia esto. Una inadecuada concentricidad, sujeción o estabilidad del portaherramientas puede afectar el resto del proceso.

La FOG usa sujetadores hidráulicos con cada ensamble de herramienta y portaherramienta balanceado, utilizando una máquina de medición de balance de la herramienta de Haimer. Para un portaherramientas de largo alcance (un frecuente requerimiento, dados los retos de accesibilidad de las partes más contorneadas) el proceso usa extensiones Tribos en el herramental hidráulico. “Tribos” es un sistema de Schunk que usa la deformación elástica del metal del portaherramientas como una alternativa al ajuste por contracción activada térmicamente.

7. Control de avellanados

El mecanizado de avellanados solía ser uno de los retos más costosos del proceso. Debido a la precisión que los avellanados planos requieren en partes delgadas del F-35, los técnicos solían medir los agujeros manualmente con galgas para avellanados y actualizar las separaciones en la máquina de manera manual. El procedimiento era dispendioso y propenso a errores. Ahora, el trabajo manual se ha eliminado con un dispositivo que Lockheed Martin desarrolló internamente. El dispositivo es el Pinc para avellanados con presión, inducida de vector normal.

El técnico Rick Luepke y la ingeniera de aplicaciones Jamie Smith (en la foto) lideraron el desarrollo de esta herramienta, que se monta en el husillo de la FOG. Contiene la herramienta de corte (una combinación de herramienta de taladrado/avellanado) y ofrece una pieza de nariz de precisión ajustable que hace contacto con la superficie de la parte antes de que el cortador lo haga. A través de medios puramente mecánicos, que involucran la pieza de nariz y compensación lineal integral, el dispositivo le permite a la máquina indexarse fuera de la superficie de la parte, de modo que puede ubicar los avellanados con precisión y automáticamente. Ya que no requiere retroalimentación electrónica a la máquina, puede usarse en máquinas existentes sin actualizaciones.

El dispositivo está disponible comercialmente, dice Smith. Lockheed Martin dio la licencia para su venta a Jay Enn Corporation en Troy, Michigan. La versión propia del Pinc de Lockheed Martin es en sí parcialmente rosada (véase foto), pero el acuerdo de licencia no especifica el color.

La segunda máquina
Un pero muy serio: el impacto del Pinc en el costo del mecanizado del F-35 se ha aumentado, dice Kinard. El dispositivo ilustra simplemente qué tanto puede lograr una pequeña, en apariencia, mejora de manufactura. El mecanizado automático de avellanados se ha traducido en una mayor disponibilidad de la máquina, porque esta ya no espera la medición manual del agujero y no pierde tiempo en errores de ubicación del avellanado. Gracias a esto, cuesta menos producir cada parte, y las instalaciones de Fort Worth pueden, potencialmente, satisfacer sus necesidades con menos máquinas FOG.

Una FOG más está próxima a llegar. El apique para la próxima fundación de 30 pies de profundidad ya se ha excavado. Con la eventual ayuda de otras innovaciones para ahorrar tiempo y capacidad, junto con las líneas del sistema de avellanados, la compañía espera que estas dos máquinas sean suficientes para satisfacer la demanda de mecanizado gantry de compuestos para toda la producción F-35.

Esta parte en el área de ensamble de Lockheed Martin ilustra el número de agujeros que algunos de los componentes de avión necesitan normalmente.

¿Cómo puede el mecanizado de precisión ser menos costoso? Esa pregunta, de una u otra forma, ocupa gran parte de la atención de varios ingenieros de Lockheed Martin. Si la misma clase de precisión usada en el fresado de cinco ejes para las partes de superficie del F-35 pudiera ser aplicada de forma rentable en todo el avión, el resultado sería un mayor desempeño de la aeronave, que resultaría mucho menos costoso de ensamblar. La compañía espera el día en que la tecnología de máquinas-herramienta avance hasta allá.

Mientras tanto, Don Kinard, suplente de operaciones técnicas de Lockheed Martin para la producción global del F-35, describe una solución de manufactura diferente que puede tener un vasto impacto de forma similar, si solo pudiera encontrarse. Según él, en el ensamble, las partes sufren un extenso trabajo de taladrado. La foto muestra cuántos agujeros pueden estar involucrados en solo un componente. Parte del trabajo se hace en máquinas de taladrado CNC y otra parte es hecha con herramientas manuales. En cada caso, muchos o la mayoría de agujeros taladrados tienen que ser inspeccionados.
Pero ¿qué pasaría si hubiera una forma de taladrar el agujero e inspeccionarlo al mismo tiempo, en una sola pasada?

Específicamente, dice Kinard, ¿podrían confirmarse el diámetro del agujero y la profundidad del avellanado como parte de la misma pasada que produce estas características?

Él no sabe cómo podría trabajar tal sistema. ¿Quizás usando un campo eléctrico para detección? Sea cual sea el mecanismo, encontrar la solución a este reto reduciría el costo de hacer agujeros en aviones que tienen miles de agujeros críticos, cada uno.

© 2011. Modern Machine Shop. Derechos reservados.
© 2011. Metalmecánica Internacional. Derechos reservados sobre la versión en español.

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