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La tecnología detrás del Caza F-35

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Cuando la Administración Obama anunció a principios de este año que el programa de cazas de combate F-22 se recortaría del presupuesto del Departamento de Defensa de Estados Unidos (DoD) para 2010, el sentimiento entre los empleados de Lockheed Martin Aeronautics Co. en la planta de Fort Worth, Texas, era amargo y dulce.

La descomunal planta, 1 milla/1.6 km de largo y 0.25 millas/0.4 km de ancho, es el punto de reunión no solo para el F-22, sino también para el próximo F-35 Lightning II, un sobreviviente indemne del proceso de reducción de presupuesto del Departamento de Defensa (DoD).

Desde una perspectiva de presupuesto, la preferencia del DoD por el F-35, o Caza Conjunto de Ataque (JSF), es comprensible. Su costo de USD 83 millones (dependiendo de la variante), es una ganga relativa en comparación con los 143 millones de dólares del F-22.

Y el co-desarrollo del caza con los países socios de costo compartido asegura una larga lista de pedidos – Lockheed Martin planea entregar más de 3.000 F-35 hasta el año 2036.

A diferencia del F-22 aire-aire, el F-35 es un caza multipropósito, diseñado para el combate aire-aire y aire-tierra que los aviadores estadounidenses son más propensos a enfrentar, en el futuro.

El diseño multifuncional hace que el F-35 sea muy adaptable. Se presenta en tres variantes: el F-35A para el despegue y aterrizaje convencional (CTOL), el F-35B para el despegue corto y el aterrizaje vertical (STOVL), y el F-35C para el aterrizaje basado en portaaviones (CV).

La capacidad multipropósito le permite reemplazar los F-16, A-10, AV-8B y F-18 en los Estados Unidos, y el Sea Harrier y GR.7 en el Reino Unido. En los Estados Unidos, complementará las flotas existentes de F-22 y F-18E/F.

Desde el punto de vista de la fabricación, las variantes comparten un diseño común para más del 20% de la estructura del fuselaje, reduciendo así el coste del programa.

Desarrollo a lo largo de docenas de años

Lockheed Martin es el contratista principal del F-35, habiendo ganado la licitación en octubre de 2001. Northrop Grumman y BAE Systems son los principales socios del proyecto.

Las tres compañías están a más de la mitad de una fase de 12 años de Desarrollo de Sistemas y Demostración (SDD), que incluye la producción y prueba de 19 aeronaves.

Los compuestos han sido una parte importante del esfuerzo de fabricación. Northrop Grumman fabrica el fuselaje central en su planta de Palmdale, California; BAE Systems produce el fuselaje de popa y las colas en sus instalaciones de Samlesbury, Reino Unido.

ATK (Magna, Utah) fabrica las aletas; Lockheed Martin fabrica el fuselaje de proa y ensambla los aviones acabados en Fort Worth.

El primer F-35, una variante de CTOL, voló por primera vez el 15 de diciembre de 2006. Todas las aeronaves SDD están en producción o en la línea de vuelo para ser probados; los primeros 14 modelos de producción F-35 han comenzado a ensamblarse.

HPC fue invitado recientemente a visitar las enormes instalaciones de Fort Worth y ver de primera mano cómo se están formando los compuestos para este caza de nueva generación.

Un gran trabajo con un presupuesto ajustado

Uno de los retos de la fabricación de un caza que se comercializa, en parte, de forma económica, es que se debe tener especial cuidado para optimizar los costes de cada componente del caza.

Esto es quizás más cierto para los compuestos de fibra de carbono del F-35, que comprenden aproximadamente el 35 por ciento del peso estructural y la mayor parte de la superficie visible del caza.

Y con secciones de fuselaje, alas y colas procedentes de diferentes proveedores, el mayor desafío que enfrenta Lockheed es la gestión del grosor de la piel compuesta de la aeronave.

Don Kinard, subdirector técnico de Operaciones de Producción de JSF en Lockheed Martin Aeronautics, dice que la compañía dedicó un tiempo considerable a evaluar una variedad de tipos de materiales, compuestos, aluminio, titanio y acero, para el armazón y la piel de la aeronave con el fin de establecer una relación costo/beneficio que fuera la más rentable.

“¿Podemos hacer un caza de combate compuesto?”, pregunta Kinard. “Claro, pero no hacemos algo sólo porque podemos. Todo es un análisis de costo-beneficio.

¿Dónde están los mejores lugares para usar los compuestos de manera más eficiente?”, señala que las subestructuras compuestas fueron evaluadas para los F-16, F-22 y F-35, pero no proporcionaron el ahorro de peso necesario para justificar el costo.

“Necesitábamos ahorrar mucho más peso para que las subestructuras de materiales compuestos tuvieran sentido”, dice. Además, señala, en las subestructuras de los compuestos, “las propiedades z-direccionales son el problema. La resistencia de la resina tendrá que ser mejorada significativamente. Hay mucho que superar”.

Como resultado, los compuestos del F-35 se utilizan casi exclusivamente en aplicaciones superficiales.

Kinard señala que Lockheed, siempre que las temperaturas de servicio en vuelo lo permiten, utiliza fibra de carbono/epoxy de Cytec Engineered Materials (Tempe, Arizona), pero gran parte de la piel del avión requiere una mayor resistencia al calor, donde se utiliza la bismaleimida (IMC) CYCOM 5250-4 de Cytec. Aunque Lockheed está evaluando la nueva cosecha de resinas fuera de autoclave (OOA) para aplicaciones especiales, Kinard no prevé cambios a corto plazo en la matriz.

Durante la fase de adeudo directo SEPA del F-35, la producción de secciones de piel ha diferido, dependiendo del proveedor, de la complejidad de la pieza y de su rentabilidad. ATK, por ejemplo, utiliza la tecnología de colocación automatizada de fibra (AFP) para producir muchas de las piezas compuestas del ala.

Lockheed eligió internamente producir las pieles del fuselaje delantero usando la disposición de la mano.

A medida que el F-35 entró en producción, más proveedores aeroespaciales nacionales e internacionales estuvieron involucrados en la producción de piezas de materiales compuestos, incluyendo a Alenia Aeronáutica (Roma, Italia), Kongsberg Defence Systems (Kongsberg, Noruega), Terma A/S (Grenaa, Dinamarca), TAI (Estambul, Turquía) y otros.

“Estamos aprovechando la capacidad de todo el mundo en términos de fabricación de materiales compuestos”, afirmó Kinard.

Kinard dice que gran parte de la energía de sus compuestos F-35 y de Lockheed se centra en la gestión del grosor de las pieles compuestas.

Esto se logra mediante la adición y sustracción de capas compuestas basadas en una metrología cuidadosa en algunos casos y mediante el mecanizado de las piezas en otros.

Kinard dice que la consistencia del grosor de la piel compuesta es crítica para el F-35, que es consciente del peso, el rendimiento y el costo.

Lockheed y sus socios utilizan dos métodos para asegurarse de que las pieles cumplan con los objetivos de espesor: Mecanizado o adiciones de capas postmoldeadas.

En Lockheed Martin en Fort Worth, las pieles del fuselaje delantero se colocan a mano en las herramientas Invar 35 y se curan en uno de los tres grandes autoclaves construidos por Taricco Corp. (Long Beach, California).

Las telas de sacrificio curadas en los laminados se mecanizan posteriormente para controlar el grosor de las pieles.

En ATK, las pieles colocadas en fibra para el ala se curan y, después del curado, el grosor de la piel se mide con precisión mediante un proceso desarrollado por el personal de Tecnología de Fabricación e Ingeniería de Producción de Lockheed Martin.

Si es necesario, se colocan capas adicionales y se cura toda la estructura por segunda vez en un proceso llamado compensación de laminado curado (CLC). “El Santo Grial aquí es controlar el grosor”, dice, pero señala que el costo dicta la estrategia para hacerlo.

Centro de mecanizado masivo

Ubicado en el centro de las amplias instalaciones de Lockheed en Fort Worth, es un componente clave de esa estrategia: La operación de mecanizado y taladrado del F-35.

Entre los más grandes construidos por Dörries Scharmann Technologie GmbH (DST) (DST, Mönchengladbach, Alemania), el centro de mecanizado de 10 x 30 m en su corazón mecaniza y perfora algunas de las pieles, pieles de alas y otras partes compuestas del F-35.

“El recorte y el mecanizado son muy importantes para nosotros en este programa”, admite Kinard.

El sistema DST automatiza la mayor parte del trabajo que, históricamente, se ha realizado manualmente.

Una vez más, los ingenieros del grupo de Tecnología de Fabricación fueron decisivos para poner en marcha estos sistemas y desarrollar procesos de mecanizado fiables.

El sistema DST utiliza un pórtico aéreo flexible (FOG) con cambiador automático de herramientas para manejar el recorte, la perforación y el fresado por compresión.

La mayoría de los mecanizados que se hacen aquí son en las pieles del fuselaje delantero. El mecanizado de Wingskin ha sido transferido de nuevo a ATK, que contrata a Janicki Industries, Sedro-Woolley, Wash. para el mecanizado.

Las pieles del fuselaje delantero tardan unas ocho horas en mecanizarse, principalmente porque cada sección de piel requiere varias configuraciones.

La máquina trabaja en ambos lados de la estructura, con un cabezal mecanizando la línea interna del molde (IML, para controlar el espesor) y el otro taladrando agujeros y recortando el borde de la pieza (EOP).

Las pieles de las alas, cuando eran mecanizadas por Lockheed, normalmente tardaban menos en mecanizarse porque no hay mecanizado IML para controlar el grosor, las piezas de las alas utilizan el proceso CLC para cumplir con los parámetros de grosor.

La mayor parte del trabajo en el centro de mecanizado DST se realiza con herramientas de carburo diamantado suministradas por AMAMCO Tool (Duncan, S.C.; ver barra lateral, a la izquierda).

AMAMCO diseñó el router DST especialmente para esta aplicación.
Después del mecanizado, todas las estructuras de composite se extienden desde la máquina DST hasta una sala adyacente que alberga una empresa Carl Zeiss MicroImaging Inc. (Maple Grove, Minnesota), “el sistema de medición de alta tolerancia más grande del mundo, hasta donde sabemos”, dice Kinard.

Es aquí donde se comprueba la precisión de las dimensiones, los bordes y los orificios de las pieles.

En funcionamiento desde junio de 2008, el pórtico MMZ-B Plus coordina la envolvente de medición expansiva de la máquina de medición de coordenadas, 5m por 16m por 2.5m por 2.5m (16 pies por 52 pies por 8 pies), acomoda las aletas del F-35, así como las herramientas aerodinámicas, los modelos de túneles de viento, los módulos 1:1 y otros elementos del fuselaje de aeronaves.

Lockheed Martin también inspecciona sus estructuras de materiales compuestos en busca de vacíos y otros defectos internos con un sistema de inspección ultrasónico láser no destructivo (láser UT) que desarrolló internamente.

El láser de 400 MHz del sistema se dirige hacia las estructuras compuestas; las señales de ese láser que regresa a un sensor revelan vacíos, grietas, delaminación y otros defectos en las pieles. Con una velocidad de operación de 6 pies2/min (0.56m2/min), Kinard dice que es 10 veces más rápido que los sistemas tradicionales de inspección por aspersión y es una parte indispensable del proceso de fabricación del F-35.

Lockheed Martin patentó el sistema, pero licenció la tecnología a PaR Systems Inc. (Shoreview, Minn.).

Taladrar, taladrar, taladrar

Una vez que las pieles compuestas son moldeadas, recortadas e inspeccionadas, están listas para ser fijadas a las estructuras constitutivas del fuselaje. Esto se logra con sujetadores perforados a través de la piel y dentro del marco en lugares predeterminados.

La gestión y optimización de la perforación en el F-35 sensible al peso se ha convertido en un esfuerzo significativo, y parte del proceso SDD incluye la evaluación de las perforaciones, la geometría de la herramienta de perforación, la eficiencia de la herramienta, la vida útil de la herramienta, el tiempo de perforación, el coste por agujero perforado y otras variables.

El F-35 ya tiene un buen comienzo con la perforación: Glenn Born, ingeniero de fabricación del personal de Lockheed Martin Aeronautics y uno de los gurús de perforación residentes en las instalaciones de Fort Worth, dice que el F-35 tiene menos de 50 bocetos de herramientas de corte para toda la embarcación.

El F-16, en comparación, tenía 9.000. Esta reducción se atribuye principalmente a los esfuerzos de estandarización integrados en los programas F-22 y F-35 para abordar los tamaños de orificios comunes, la reducción de tornillos y los métodos comunes de ensamblaje para el procesamiento de estructuras metálicas/compuestas. También ayuda a que la tecnología de perforación con materiales compuestos esté evolucionando rápidamente.

Hay tres tipos de perforación que se evalúan en el F-35: manual, de alimentación y automatizada (controlada numéricamente), aunque la mayoría de las perforaciones en Lockheed son automatizadas.

En la mayoría de los casos, el método de perforación F-35 es “apilado”, lo que significa que la piel compuesta se coloca en la subestructura y se perfora un agujero a través de la piel y la subestructura simultáneamente con una sola herramienta de perforación que taladra, fresa y avellana en un solo paso. Una de las operaciones de perforación más impresionantes en el F-35 es el fuselaje delantero, que tiene 750 agujeros en cada lado perforados en él por un cabezal tipo pórtico automatizado. (Ver foto, tercera desde arriba, a la derecha).

Born dice que la subestructura proporciona soporte a la piel y, por lo tanto, ayuda a prevenir la delaminación. La desventaja del método es la cantidad de tiempo que se tarda en producir un agujero, unos 30 segundos, dependiendo del grosor de la piel.

“Podría acelerar el proceso de montaje si perforamos la piel y la subestructura por separado”, admite Born, “pero las tolerancias exigen la perforación de la chimenea.

Esto es especialmente difícil cuando las piezas se fabrican en otro lugar y luego se acoplan en Lockheed Martin; con la reducción del espacio libre entre pernos y orificios en las condiciones máximas del material, hay demasiadas posibilidades de interferencias”.

Los Wingskins son apilados y perforados por un sistema automatizado de pórtico Cincinnati Milicron. Posteriormente, el equipo del F-35 utiliza un equipo de Virtek Vision International Inc.
(Waterloo, Ontario, Canadá) para proyectar los números de parte de los sujetadores sobre la superficie de las pieles durante la instalación de los sujetadores para eliminar la necesidad de referirse a dibujos complejos.

Cuando no es posible la perforación automatizada, la perforación manual implica una plantilla adherida a la piel que muestra dónde perforar los orificios. Kinard informa que el uso de sistemas de proyección tiene un gran potencial para reducir la mano de obra y la duración de las tareas.

Seguimiento de un umbral de cambio de herramienta

Dada la decisión de utilizar la perforación apilada, Lockheed se ha centrado en el desarrollo de parámetros para medir la calidad del agujero y la vida útil de la herramienta, principalmente para evaluar el coste del desgaste de la herramienta y la consiguiente reducción de la velocidad de perforación en comparación con el coste de una herramienta nueva y más rápida.

La mayoría de los motores de perforación utilizados en las instalaciones de Fort Worth utilizan aire y sistemas hidráulicos. Sin embargo, la nitidez de la herramienta determina la velocidad de taladrado. A medida que la herramienta de corte se apaga, el proceso toma más tiempo.

“Nuestro sistema de alimentación medirá el tiempo necesario para perforar. Cuando se alcanza el umbral, una luz indicadora avisa al operador para que cambie la herramienta”, dice Born.

En última instancia, dice, Lockheed está buscando una buena tolerancia de diámetro y un control excepcional del proceso que haga que los orificios que no cumplen con las normas sean prácticamente inexistentes.

El objetivo de Cpk (medida estadística de la capacidad del proceso) para la calidad del agujero F-35 es de 1,3; Born dice que Cpk ahora mismo es de aproximadamente 1.0 y está mejorando. “Nuestros primeros artículos tienen mejor calidad que algunos programas maduros”, afirma.

Todos estos sistemas de corte y maquinado y procesos de perforación están siendo evaluados en cuanto a eficiencia, costo, velocidad y otras variables para determinar las mejores prácticas para todo el proceso de producción de compuestos F-35. Lockheed Martin ha establecido un Centro de Excelencia de perforación y mecanizado en las instalaciones de Fort Worth para continuar el desarrollo de herramientas y tecnologías de corte.

Y si la vida útil del F-35 es cierta, parece que Lockheed Martin y todos sus proveedores también tienen décadas de optimización y gestión de materiales compuestos por delante.

Comprobación de la geometría de la herramienta y de los materiales

Cuando Lockheed Martin comenzó a evaluar las fresadoras y herramientas de perforación para la producción de F-35 en su centro de mecanizado DST (Dörries Scharmann Technologie GmbH, Mönchengladbach, Alemania), utilizó una fresadora de diamante policristalino (PCD) con insertos de diamante cocido.

Presentaba flautas rectas y producía demasiada delaminación en las estructuras de composite, lo que obligaba a retrabajar y aumentaba los costes de utillaje.

Además, las herramientas carecían de la durabilidad necesaria para esta aplicación exigente, una sección de piel de alas de 0.375 pulgadas/9.5 mm de grosor normalmente requería 24 herramientas para fresar (esto fue cuando el F-35 tenía una piel superior grande y continua para cubrir ambas alas; el diseño actual presenta tres pieles superiores).

Lockheed acudió en busca de ayuda al Centro Nacional de Fabricación y Mecanizado de la Defensa (NCDMM, Latrobe, Pa.), un consorcio de investigación y desarrollo de empresas asociadas que trabajan con contratistas de la defensa para optimizar los métodos de fabricación.

Lockheed finalmente adoptó un enrutador de compresión con revestimiento de diamante suministrado por AMAMCO Tool (Duncan, S.C.), miembro de la NCDMM, y probó la herramienta en el centro de mecanizado DST.

Andrew Gilpin, gerente de desarrollo de negocios de AMAMCO, dice que los resultados de las pruebas con la herramienta de composite recubierta de diamante eran prometedores: El número de herramientas necesarias para mecanizar una piel de alas entera se redujo de 24 a 2, y la trayectoria que una sola herramienta podía mecanizar en un compuesto se incrementó de 9 a 57 pies lineales (2.7 a 17.4 m).

Gilpin dice que la clave del éxito de la herramienta está en su diseño, que utiliza dos canales opuestos (ver foto superior) que unen las capas de compuesto sándwich, en lugar de tirar de todas ellas en una sola dirección: “Como tijeras, no una pala”, dice. “Da un efecto de cizallamiento limpio y agradable”.

AMAMCO desarrolló las geometrías y fabrica las herramientas. El recubrimiento de diamante, de 12µ de espesor, es proporcionado por Diamond Tool Coating LLC (North Tonawanda, N.Y.). Lockheed Martin estaba tan satisfecho con la herramienta AMAMCO que la aprobó para la producción y la calificó con el estado de envío a stock para su uso en el F-35.

Lockheed utiliza actualmente otras herramientas diamantadas AMAMCO en otras aplicaciones de perforación en el F-35. Gilpin dice que, en una aplicación, una herramienta diamantada AMAMCO proporcionó una vida útil de 1.200 agujeros (foto inferior), en comparación con la vida útil de 275 agujeros de una herramienta PCD de la competencia que perforaba un agujero a un tercio de la profundidad de la herramienta diamantada AMAMCO.

Aunque Lockheed informa que las herramientas diamantadas funcionan a unas 8.500 rpm, en comparación con las 5.000 de las herramientas PCD, Gilpin dice que, en general, las herramientas diamantadas giran más lentamente que las herramientas PCD, pero proporcionan un avance más rápido. Lockheed está evaluando una gama de herramientas AMAMCO, con diámetros que van de 0.125 a 0.4 pulgadas (3.2 a 10.1 mm).