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Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje Autor: Amador Gómez Hidalgo Tutor: Fernando Más Morate Dep. Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje Autor: Amador Gómez Hidalgo Tutor: Fernando Más Morate Profesor sustituto interino Dep. Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 v Trabajo Fin de Grado: Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje Autor: Amador Gómez Hidalgo Tutor: Fernando Más Morate El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal vii Agradecimientos En primer lugar, quisiera agradecer este Trabajo Fin de Grado a mi familia, en especial, a mis padres. Su apoyo incondicional durante el desarrollo de este proyecto constituye solo la punta del iceberg, ya que gracias a ellos estoy a punto de poner fin a una andadura que hace poco más de cuatro años veía como imposible. Agradecer también a mis amigos y compañeros de la carrera porque me han ayudado a superar numerosas dificultades a lo largo de este periodo. A Fernando Más Morate, mi tutor, no solo por su disponibilidad y cordialidad, sino también por haber despertado en mí un mayor interés por el tema tratado en este Trabajo. Amador Gómez Hidalgo Sevilla, 2016 ix Resumen Este Trabajo refleja las principales actividades desarrolladas en el sector de la producción aeroespacial. Las altas exigencias en calidad y seguridad que caracterizan al producto aeronáutico hacen que se trate de una industria única, donde cada proceso productivo constituye un proyecto en sí. En el presente documento se detallará las decisiones tomadas por una empresa ficticia, la cual deberá organizarse para fabricar y montar la sección del fuselaje de una aeronave confeccionada en aluminio. xi Índice Agradecimientos vii Resumen ix Índice xi Índice de Figuras xiii Glosario xv 1 Introducción 1 1.1 Objetivos y justificación del proyecto 1 1.2 Contenido del documento 2 1.3 Request For Information. Sección fuselaje C-295 3 1.3.1 Introducción 3 1.3.2 Propósito 4 1.3.3 Objetivos del RFI 4 1.3.4 Acciones del suministrador 4 1.3.5 Statement of Work (SOW) 4 1.3.6 Requerimientos del RFI 4 1.4 La empresa. “We Airframe” 5 1.5 Forma de abordar el RFI 7 2 Maqueta electrónica 8 2.1 Bloques estructurales 10 2.1.1 Techo 11 2.1.2 Lateral derecho 13 2.1.3 Lateral izquierdo 14 2.1.4 Barquilla 15 2.2 Análisis ABC 16 3 Fabricación 17 3.1 Aluminio 17 3.1.1 Aluminio 2024-T3 19 3.1.2 Aluminio 2024-T4 19 3.2 Procesos de fabricación 19 3.2.1 Conformado plástico (forming processes) 19 3.2.2 Fresado químico (chemical milling) 26 3.2.3 Mecanizado (machining) 27 3.3 Elementos de fijación 29 3.4 Otros procesos 31 3.4.1 Anodizado (anodizing) 31 3.4.2 Pintura (painting) 32 3.4.3 Sellado (sealants) 34 4 Producción 35 4.1 Estrategia Core vs. Non-Core 36 4.1.1 Actividades Core 37 4.1.2 Actividades Non-Core 38 4.1.3 Análisis Multicriterio aplicado a la estrategia Core/Non-Core 39 4.2 Método de producción 41 4.3 Flujos de procesos 42 4.3.1 Flujos de procesos para piezas de chapa 42 4.3.2 Flujo de procesos para piezas mecanizadas 46 4.4 Distribución de la planta: layout 47 5 Montaje 53 5.1 Introducción 53 5.2 Proceso de montaje 55 6 Otras consideraciones 64 6.1 Gestión de calidad 64 6.1.1 Organización de producción 64 6.1.2 Ensayos No Destructivos (END) 65 6.2 Gestión de residuos 67 6.2.1 Desechos generados por mecanizado y corte 67 6.2.2 Desechos generados por anodizado 67 6.2.3 Desechos generados por pintura 67 6.2.4 Desechos generados por sellante y por glicol de la piscina 67 6.3 Aprovisionamiento 68 6.4 Almacenamiento 69 6.4.1 Recepción 69 6.4.2 Almacenamiento 69 6.4.3 Salida 70 6.5 Transporte 71 6.5.1 Transporte interno 71 6.5.2 Transporte externo 72 6.6 Recursos humanos 73 6.7 Costes 74 6.7.1 Costes recurrentes 75 6.7.2 Costes no recurrentes 78 6.7.3 Inversiones 79 6.7.4 Resumen de costes 81 7 Respuesta RFI 82 8 Conclusiones 83 Anexo: Flujos de procesos 85 Bibliografía 89 xiii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Aeronave C-295 perteneciente al Ejército del Aire de España 3 Figura 2. Calle Jacques Cousteau, Isla de la Cartuja, s/n 6 Figura 3. Polígono San Nicolás, calle Alcalá Futura Uno, naves 44-54 6 Figura 4. Sección de fuselaje del C-295 en perspectiva 8 Figura 5. Imagen real del lado izquierdo de la sección bajo estudio 9 Figura 6. Fuselaje semimonocasco 10 Figura 7. Alzado de la sección representado en 3DVIA Composer 11 Figura 8. Techo de la sección 11 Figura 9. Partes de una cuaderna del C-295 12 Figura 10. Unión piel-formero-larguerillos mediante clips 12 Figura 11. Interior del lateral derecho de la sección de fuselaje 13 Figura 12. Espesores máximos de distintas secciones del revestimiento 14 Figura 13. Refuerzos puerta 14 Figura 14. Vehículo dentro de un C-295 y barquilla de la maqueta 15 Figura 15. Principales elementos de la barquilla 15 Figura 16. Aluminio 2024 18 Figura 17. Mecanizado de chapa 20 Figura 18. Piezas obtenidas únicamente mediante corte 20 Figura 19. Plegadora 21 Figura 20. Diferentes tamaños de los larguerillos y perspectiva de uno de ellos 21 Figura 21. Prensa hidráulica 22 Figura 22. Útiles y actuación del conformado 22 Figura 23. Ejemplos de la gran variedad de escuadras 23 Figura 24. Piezas fabricadas mediante prensado 23 Figura 25. Plate roll bending 23 Figura 26. Roll bending aplicado sobre larguerillo y cuaderna 24 Figura 27. Proceso de doblado en agujeros y resultado 24 Figura 28. Planeado 24 Figura 29. Estirado de chapa 25 Figura 30. Detalle de los dos niveles de espesores que presenta el revestimiento del fuselaje 25 Figura 31. Revestimiento del fuselaje preparado para el fresado químico 26 Figura 32. Operaciones de fresado 27 Figura 33. Piezas mecanizadas con 3 ejes 28 Figura 34. Mecanizado mediante 5 ejes 29 Figura 35. Piezas de diversos tamaños mecanizadas con 5 ejes 29 Figura 36. Cabeza redonda y avellanada 30 Figura 37. Etapas del remachado 30 Figura 38. Cubas con distintos baños para el anodizado 32 Figura 39. Cabina de pintura y operario con EPI 34 Figura 40. Fresadora superficial 41 Figura 41. Corte inicial de la chapa y retira de protección tras operación de conformado 42 Figura 42. Diversos procesos de conformado sobre piezas de chapa 44 Figura 43. Revestimiento obtenido mediante estirado,mecanizado y fresado químico 46 Figura 44. Tabique fresado y perfil en T mecanizado posteriormente 47 Figura 45. Naves pertenecientes a “We Airframe” 49 Figura 46. Diseño conceptual del layout 50 Figura 47. Principales flujos de procesos 51 Figura 48. Instrucciones de trabajo: tradicional y generada con sistema MARS 54 Figura 49. Distribución de la zona de ensamblaje 55 Figura 50. Estructura destinada para la formación de los laterales de la sección de fuselaje 57 Figura 51. Fase de unión de los paneles del revestimiento 58 Figura 52. Operario referenciando posiciones, pinzas de sujeción, y larguerillos - revestimiento 58 Figura 53. Conjunto de piezas a unir mediante remachado 59 Figura 54. Uso de útil que simula la puerta 59 Figura 55. Carga de los laterales mediante útil de transferencia 60 Figura 56. Estructura de montaje del conjunto componente de la sección de fuselaje 60 Figura 57. Sección terminada apoyada sobre útil de soporte 61 Figura 58. Grada para montaje del techo 62 Figura 59. Robots remachando sobre una sección de fuselaje 62 Figura 60. Pulse Motion Line 63 Figura 61. Racks de normales, carro y maletín de herramientas 70 Figura 62. Estanterías para almacenamiento de piezas 70 Figura 63. Carro transportando revestimiento del fuselaje 71 Figura 64. Transporte de chapas sin necesidad de acuñar 71 Figura 65. Carro para el traslado de las secciones de fuselaje 72 xv GLOSARIO CASA – Construcciones Aeronáuticas S.A. CNC – Computer Numeric Control DMU – Digital Mock-up EADS – European Aeronautic Defence and Space END – Ensayo No Destructivo EPI – Equipos de Protección Individual FAL – Final Assembly Line FOD – Foreign Object Damage FTE – Full-Time Equivalent IT – Instrucción Técnica MRB – Material Review Board NRC – Non-Recurring Cost PLM – Product Lifecycle Management POA – Production Organisation Approval RFI – Request for Information SOW – Statement of Work TPM – Total Productive Maintenance 1 INTRODUCCIÓN 1.1 Objetivos y justificación del proyecto El objeto fundamental del presente Trabajo es dar una visión lo más completa posible del conjunto de actividades y consideraciones a tener en cuenta en proyectos destinados a la producción de aeroestructuras. Como bien indica su nombre, el término ‘aeroestructura’ hace referencia a cualquier componente que constituye el cuerpo de una aeronave. La aeroestructura elegida para este documento es una sección de fuselaje perteneciente al avión EADS CASA C-295, fabricada en aluminio. Tal y como se apreciará a lo largo de este TFG, son muchos los aspectos a valorar cuando se afronta proyectos de esta índole. Los productos aeronáuticos presentan una complejidad superior a cualquier producto de otro sector, fruto de las exigencias en calidad, fiabilidad y seguridad buscadas. Es por ello el alto coste de los desarrollos (inversión inicial, mano de obra…) y los altos porcentajes de valor añadido, así como el elevado ciclo de vida que experimenta el producto (superior a 25 años). Esta complejidad puede ser reflejada desde otro punto de vista, el de la estructura industrial, siendo un claro ejemplo de ello la corporación Airbus. Uno de sus actuales productos estrella, el A400M, es el resultado de labores de diseño, industrialización y ensamblaje de componentes llevadas a cabo por siete países distintos. Siguiendo con el ejemplo de Airbus, se va a usar un RFI (Request For Information) lanzado por la propia compañía como medio ordenado de presentar todos los puntos a considerar. Un RFI es una consulta abierta realizada por una empresa cuyo propósito es recoger información por escrito acerca de las capacidades de varios subcontratistas. Así, las empresas interesadas en el proyecto propuesto deben responder a la solicitud de información, detallando su plan de producción tal y como exija la empresa emisora del RFI. Es entonces cuando aparece “We Airframe”. “We Airframe” es una empresa española de tamaño medio especialista en trabajar como subcontratista de las grandes compañías aeroespaciales europeas y americanas. Esta empresa ficticia va a ser la vía para alcanzar el fin comentado en el párrafo inicial ya que para responder satisfactoriamente el RFI deberá abordar los distintos campos relacionados con el diseño industrial de una aeroestructura. En un caso real la tarea de contestar un RFI es realizada por varios ingenieros y el departamento financiero de la empresa, labor conjunta debido principalmente al factor cuantitativo. El interés de Airbus es conocer cuánto dinero cuesta fabricar la aeroestructura, por lo que realizar buenas estimaciones de los costes resulta decisivo a la hora de conceder estos proyectos, y es un trabajo para nada trivial. Sin embargo, hay otros muchos factores que influyen en la elección del subcontratista, como el relacionado con los riesgos, tanto tecnológicos como financieros. Como se contemplará, afinar en las estimaciones requeriría un estudio individual y muy completo de cada actividad, instalación o recurso. No obstante, se hará las suposiciones necesarias para poder afrontar la consulta elaborada por Airbus. Algunas de ellas serán de carácter cualitativo debido a la extensión del asunto: ¿Cuánto tiempo se tarda en realizar una determinada operación de conformado? ¿Y en completarse un proceso de anodizado? Estas cuestiones habría que abordarlas para un centenar de piezas distintas para así poder seguir haciendo evaluaciones. ¿Cuántas máquinas y operarios se necesitan para Introducción 2 cumplir la planificación? ¿Cuántas horas se requieren para ensamblar una aeroestructura en la que se precisan miles de remaches? Como se puede apreciar, la riqueza en contenido es notable. En definitiva, se considera que el verdadero valor que puede aportar este estudio es profundizando en la materia de cada cuestión y la toma de decisiones, más que en cifras basadas en cálculos más o menos convincentes. De esta forma se genera un documento que recopila contenido de diversas ramas relacionadas con la producción aeroespacial, algunas tratadas en otros proyectos de manera individual, pero en los que no se daba un enfoque conjunto que puede resultar de mayor interés a nivel académico. 1.2 Contenido del documento La estructura del proyecto se muestra a continuación. El presente capítulo introductorio va a ser completado con tres apartados más. Primero se mostrará el contenido del RFI, lo seguirá la presentación de la ya citada empresa “We Airframe”, y finalmente se hará una serie de aclaraciones acerca del modo en que se afrontará el RFI. Un segundo capítulo será reservado para el análisis de la maqueta electrónica aportada en el RFI. A través de ella será posible estudiar la geometría de los distintos componentes que forman la sección del fuselaje. Se mostrará los principales bloques estructurales y se explicará un método para la clasificación de las piezas. En el tercer capítulo se recogerá todos los procesos de fabricación necesarios para producir la aeroestructura. En primer lugar se hablará sobre el material principal del C-295, el aluminio, explicándose las distintas aleaciones usadas y tratamientos que serán requeridos. Seguidamente, se detallará cada operación destinada a transformar la materia prima en las piezas que constituyen la sección de fuselaje. Por último, se describirá otros procesos no ligados con el cambio de la geometría del material pero que también serán imprescindibles. El cuarto capítulo se centrará en organizar la producción. El primer punto será definir la estrategia de producción de “We Airframe”, teniéndose que decidir qué actividades va a realizar la propia empresa y cuáles van a ser externalizadas. Otro asunto a resolver seráestablecer el método de producción, analizando si interesa fabricar por lotes o ‘justo a tiempo’. Una vez tomadas estas decisiones, se detallará dos temas fuertemente ligados entre sí: los distintos flujos de procesos que siguen las piezas y la distribución de la planta, es decir, la forma en que los equipos están físicamente dispuestos en la fábrica. El quinto capítulo está dedicado al montaje de la aeroestructura. Se trata de procesos de unión mecánica entre partes, basados principalmente en el posicionado, taladrado y remachado. El estudio será centrado esencialmente en el elemento que diferencia al ensamblaje aeronáutico del de otros sectores: el utillaje. Una vez constituidas las secciones, éstas podrán ser llevadas a la línea de ensamblaje final (FAL, Final Assembly Line) tal y como se solicita en el RFI. En el sexto capítulo se comentará otros aspectos de menor relevancia pero que sin los cuales la empresa no podría desarrollar su actividad productiva ni dar respuesta al RFI. Por un lado, habrá que asegurar que aquello que se está fabricando, se está haciendo de la manera correcta, cumpliendo requisitos de calidad y restricciones medioambientales. Otro punto a considerar será el relacionado con la logística, siendo el aprovisionamiento, almacenamiento y transporte las principales actividades a gestionar. También se hará mención de los recursos más importantes de una empresa aeronáutica, que no son otros que los humanos. Por último, se clasificará y estimará los principales costes que conlleva realizar el proyecto. 3 3 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje En el séptimo capítulo se dará una respuesta oficial al RFI emitido por Airbus. En último lugar se recogerá los puntos más destacables del proyecto y se presentará un Anexo con los flujos de procesos que sigue cada pieza. 1.3 Request For Information. Sección fuselaje C-295 Figura 1. Aeronave C-295 perteneciente al Ejército del Aire de España wikimedia.org 1.3.1 Introducción El C-295 es un avión de transporte táctico medio que fue diseñado por la compañía española CASA en los años 1990 como un desarrollo del exitoso CASA CN-235. A partir del año 2000, con la incorporación de CASA al grupo aeronáutico europeo EADS, el avión pasó a ser designado EADS CASA C-295. Realizó su primer vuelo el 28 de noviembre de 1997 y entró en servicio con el Ejército del Aire de España en 2001. El C-295 es capaz de realizar gran variedad de misiones de manera efectiva: transporte táctico y logístico, lanzamiento de paracaidistas y de cargas, evacuación médica, dispone de una versión de patrulla marítima denominada C-295 Persuader y también se está desarrollando una versión apagafuegos. No se ha lanzado una versión comercial de este avión, aunque sí ha obtenido la certificación civil para poder ser empleado por agencias gubernamentales. Su designación como C-295 sigue el esquema de los aviones diseñados por CASA, con la C inicial del fabricante y a continuación un número de tres dígitos, de los que el primero indica el número de motores, dos en este caso, habiéndose elegido aquí los dos siguientes por la carga útil que se planteó como objetivo: 9,5 toneladas. Ha sido adquirido por diversos países además de España, entre los que destacan Egipto, Polonia, Brasil, México y Portugal por número de aeronaves adquiridas, y ha participado en numerosas operaciones internacionales, entre las que destacan las misiones en la antigua Yugoslavia, Afganistán, Irak, Líbano y Chad. Introducción 4 1.3.2 Propósito El propósito de este Request for Information (RFI) es tener información sobre la industrialización, fabricación de componentes y montaje de la sección de fuselaje que abarca la puerta trasera y las tres últimas ventanillas del C-295. 1.3.3 Objetivos del RFI La información proporcionada a Airbus como respuesta a este RFI tiene los siguientes objetivos: Identificar las capacidades de industrialización de secciones estructurales de aeronaves. Identificar las capacidades de fabricación y montaje de secciones estructurales de aeronaves. Estimar los costes y determinar una lista corta de suministradores. 1.3.4 Acciones del suministrador Airbus requiere una respuesta a este RFI antes del día 16 de enero de 2017. 1.3.5 Statement of Work (SOW) Descripción: Sección fuselaje del C-295 para producción. Material: Estructura metálica. Aluminio 2024-T3 para piezas de chapa y revestimientos. Aluminio 2024-T4 para piezas mecanizadas. Documentación: Maqueta electrónica de la sección. 1.3.6 Requerimientos del RFI 1.3.6.1 Confirmación de recepción e intención de responder Confirmar la recepción del RFI y la intención de dar una respuesta en el plazo establecido a Airbus, departamento de Subcontratación. 1.3.6.2 Capacidades Aporte toda la información sobre la disponibilidad interna y/o las opciones de subcontratación de las siguientes capacidades: - Mecanizado (Machining) - Fabricación de chapa (Sheet metal) - Estirado de chapa (Stretching) - Fresado Químico (Chemical milling) - Remachado manual o automático Describa las capacidades para producir 48 aviones/año durante los próximos 10 años. Incluya si estas capacidades son internas o externas. 5 5 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje 1.3.6.3 Plan de recursos Detalle el plan de recursos necesarios para la tasa de producción especificada indicando especialmente: - Recursos (mano de obra) directa - FTE (Full-Time Equivalent) Blue Collars - Recursos (manos de obra) indirecta - FTE White Collars - Porcentaje de FTE internos versus externos 1.3.6.4 Utillaje y medios industriales Detalle el plan de utillaje y medios industriales, tanto del utillaje de montaje, el utillaje de piezas elementales y la maquinaria y los medios industriales necesarios. Incluya en este plan todo el utillaje adicional necesario (transporte, almacenaje, verificación, etc.). 1.3.6.5 Planificación y plan de fabricación Tomando como fecha de comienzo febrero de 2017, detalle la planificación necesaria para la entrega de los conjuntos en las instalaciones de Airbus en San Pablo Sur (cercanas al Aeropuerto de San Pablo – Sevilla). El primer componente se requiere el 1 de abril de 2018. 1.3.6.6 Costes Establezca los costes de cada unidad entregada en las instalaciones de Airbus. Los supuestos de coste son los siguientes: Costes no recurrentes (NRC) a cargo de Airbus. Costes no recurrentes (NRC) a cargo del subcontratista. 1.4 La empresa. “We Airframe” “We Airframe” se estableció a finales del siglo XX e inició el negocio tanto como fabricante de piezas como abordando montajes de pequeños subconjuntos. Es por esta última actividad por la que surge el nombre de la empresa: el término inglés airframe hace referencia a la estructura de una aeronave. En los primeros años del siglo XXI la compañía alcanzó un grado de madurez y actualmente cuenta con un Departamento de Ingeniería que le permite acometer proyectos. Airbus Group ha lanzado un RFI para la fabricación y el montaje de la sección de fuselaje que abarca la puerta trasera y las tres últimas ventanillas del C-295. El diseño funcional de este avión está congelado por Airbus Group y no admite modificaciones. “We Airframe” dispone de dos localizaciones dentro de la provincia de Sevilla. La oficina central de la empresa se encuentra situada en c/Jacques Cousteau s/n en la Isla de la Cartuja. Cuenta con dos despachos de 25 metros cuadrados y una sala de reuniones de 30 metros cuadrados. “We Airframe” cuenta con cuatro naves, cada una de 2000 m 2 , en las que se desarrolla la actividad industrial. Éstas se encuentran comunicadas interiormente y están situadas en el Polígono Industrial S. Nicolás de Alcalá de Guadaira, c/Alcalá Futura 1. Todas están equipadas con puente grúa. Introducción6 Figura 2. Calle Jacques Cousteau, Isla de la Cartuja, s/n Figura 3. Polígono San Nicolás, calle Alcalá Futura Uno, naves 44-54 El personal de “We Airframe” se compone de un grupo de 20 ingenieros, los cuales se reparten entre ingenieros aeronáuticos, industriales y mecánicos; y una plantilla de 30 mecánicos especializados en fabricación y montaje aeronáutico. Además “We Airframe” cuenta con un Director, un Subdirector encargado de Relaciones Laborales, un Jefe de Mantenimiento, un Jefe de Gestión de Calidad y Auditorias y un Jefe de Ingeniería. Todo este personal tiene contrato con “We Airframe”. La maquinaria principal de “We Airframe” se compone de una recanteadora CNC (Computer Numeric Control) de 2 ejes, un horno para tratamientos térmicos, una instalación de pintura y una fresadora CNC de 3 ejes. El resto de maquinaria es convencional para repaso y terminación de piezas (bancos de trabajo, taladros, lijadoras, rebarbadoras, etc.). “We Airframe” aprovechará este RFI para dotarse de maquinaria moderna automatizada e instalaciones que le permitan en el futuro acometer proyectos de mayor envergadura. 7 7 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje 1.5 Forma de abordar el RFI Tal y como se ha expuesto, a lo largo del documento se intentará meditar de la mejor forma posible la gran cantidad de aspectos a valorar. De esta manera se podrá dar respuesta a los principales problemas propuestos en el RFI, que recordando eran: identificar las capacidades de industrialización, fabricación y montaje de secciones estructurales de aeronaves; y estimar los costes de ello. Es en este segundo punto donde surge la dificultad cuantitativa, también comentada anteriormente. La forma de considerar este asunto se aclara a continuación. Para poder realizar una estimación del presupuesto, se necesita conocer los recursos de la empresa. El dimensionamiento debe realizarse principalmente en base a la demanda, definida en el RFI. Para satisfacerla, cumpliendo los plazos requeridos, se debe tener completamente definida la distribución y ejecución de las distintas labores a realizar. La secuenciación de las tareas es esencial, así como la duración de las mismas. Sabido esto, el número de trabajadores y máquinas quedaría fijado. Sin embargo, esta planificación resulta altamente laboriosa y compleja. Para reflejar esto, se puede poner como ejemplo un Trabajo Fin de Máster elaborado en esta Escuela, muy relacionado con el presente documento. Se trata de un proyecto dedicado exclusivamente a la programación y secuenciación de los trabajos que se realizan en el pre-ensamblado final del C-295 en las instalaciones de Airbus Military de Tablada. En él se explica detalladamente todas las operaciones llevadas a cabo en las instalaciones, acompañadas de sus respectivos tiempos de procesos y operarios. A buen seguro el lector quedará impactado cuando se le comunica que el equipado mecánico de la proa consta de 31 operaciones de montaje distintas y un total de 631 horas de trabajo. Visto esto, uno puede hacerse la idea del nivel de estudio que conllevaría proporcionar una planificación, con una base mínimamente sólida, de todo el programa que “We Airframe” quiere acometer. Es por ello, y al tratarse de un Trabajo académico, que para el desarrollo del mismo se partirá de un supuesto de operarios y máquinas, siguiendo una lógica acorde con el contexto. Estas partidas iniciales serán comentadas en los capítulos correspondientes y se asumirá que harán posible cubrir los pedidos exigidos (se tendría cierta flexibilidad a través de más turnos de trabajo, mayor número de operarios...). Maqueta electrónica 8 2 MAQUETA ELECTRÓNICA unto al documento RFI presentado en el capítulo anterior, Airbus proporciona un archivo que incluye la representación geométrica de los elementos que componen la sección del fuselaje. Se trata de una sencilla DMU (Digital Mock-up) implementada en 3DVIA Composer, aplicación desarrollada por la empresa líder en software de diseño 3D y PLM (Product Lifecycle Management), Dassault Systèmes. El producto insignia de esta multinacional es bien conocido en la industria aeronáutica, CATIA. Una vez asimilado el concepto de RFI, es evidente por qué la maqueta aportada no es un fichero CATIA. Con este RFI, Airbus pretende obtener una visión de las posibilidades de diversos subcontratistas para cumplir con el objetivo de producción propuesto. Por tanto, no interesa facilitar información más detallada que diera lugar a copias del diseño. La sección de fuselaje del C-295 que se va a estudiar en este trabajo se muestra en las figuras 4 y 5. Se denomina ‘fuselaje’ al cuerpo principal de la estructura de un avión ya que sirve de soporte al resto de sus componentes y su función principal es la de acoger a la tripulación, pasajeros y carga. Figura 4. Sección de fuselaje del C-295 en perspectiva J 9 9 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje Figura 5. Imagen real del lado izquierdo de la sección bajo estudio. Airbus DS Como se puede observar, se trata de la sección correspondiente a la puerta trasera y las tres últimas ventanillas. La sección tiene una longitud cercana a los 3 m, la altura de la cabina es de 1.9 m y el ancho es de 2.7 m. La maqueta de este subconjunto está compuesta por un total de 792 piezas. Por simplificación no se han incluído los elementos de fijación, aunque más adelante se tendrán en cuenta. Todas las piezas han sido analizadas una por una, tarea necesaria para cumplir con varios de los objetivos del RFI: - Procesos requeridos para su fabricación. El primer paso será distinguir los dos grandes grupos que determinan el tipo de aluminio para cada pieza: chapa y revestimientos en 2024-T3 y componentes mecanizados en 2024-T4. Seguidamente, según la geometría y dimensiones de cada pieza, habrá que decidir qué técnica es la más adecuada para obtener la configuración final. - Maquinaria necesaria. El hecho de establecer unos procesos de fabricación implica dotarse de unas máquinas e instalaciones que permitan realizar tal acción. La elección de estos bienes influirá fuertemente en el éxito de la empresa, ya que requieren una gran inversión. Contar con muchas máquinas de última tecnología resulta atractivo, pero el número y prestaciones de ellas irán en función del producto. - Flujo de procesos. Una vez conocido los procesos y los medios necesarios, es posible establecer las distintas fases por las que irán pasando las piezas. Por tanto, una correcta elección de la distribución en planta se presenta esencial de cara a una producción eficiente. - Materiales. El número de piezas y sus dimensiones fija la materia prima de la cual habrá que abastecerse. - Montaje de la aeroestuctura. Mediante el análisis de los componentes de la maqueta se establece un procedimiento para el ensamblaje del subconjunto. Los recursos que principalmente definen esta etapa son el utillaje y los trabajadores. - Costes. Todo lo comentado hasta ahora supone un gasto para la empresa. Algunos elementos requieren de una gran inversión inicial mientras que el coste de otros dependerá o no del número de aeroestructuras entregadas a Airbus, como se detallará en capítulos posteriores. Maqueta electrónica 10 En primer lugar se va a presentar la maqueta, haciendo distinción de los principales bloques estructurales. Así, se podrá tener una visión clara de la aeroestructura bajo estudio. En segundo lugar se va a realizar una clasificación de las piezas siguiendo un Análisis ABC, el cual agrupa piezas según su valor. Los procesos de fabricación requeridos y el tamaño serán algunos de los parámetros que midan dicha importancia. Antes de entrar en detalle con el análisis de la maqueta, se va a daruna breve explicación de la estructura típica usada en los fuselajes de las aeronaves actuales como es el C-295. Figura 6. Fuselaje semimonocasco La configuración mostrada en la figura se denomina semimonocasco. Consiste en el uso de una piel delgada (en inglés, skin) soportada por diferentes elementos estructurales como son las cuadernas (frames), que dan forma a las diferentes secciones transversales del fuselaje, y los larguerillos (stringers), que son los elementos rigidizadores longitudinales. Las funciones principales de la estructura son transmitir y resistir las cargas aplicadas y proporcionar la forma aerodinámica. Estos requisitos ya se cumplían con la configuración usada anteriormente, la monocasco (“todo de una pieza”), con la desventaja de que el peso era mayor que en semimonocasco (espesor de chapa elevado). 2.1 Bloques estructurales Mediante la DMU se ha ido estudiando los diversos bloques estructurales que componen la sección de fuselaje del C-295. En la siguiente figura se muestra la sencilla interfaz de 3DVIA Composer. A la izquierda se puede observar desplegado el “árbol” (Assembly Tree), en el que aparece el part number de cada pieza o conjuntos superiores. 11 11 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje Figura 7. Alzado de la sección representado en 3DVIA Composer La aeroestructura puede dividirse en cuatro bloques principales: techo, barquilla, lateral izquierdo y lateral derecho. 2.1.1 Techo El techo está compuesto por un total de 78 piezas. Figura 8. Techo de la sección Maqueta electrónica 12 En la figura se puede apreciar los principales elementos que se comentaron anteriormente en la explicación de una estructura semimonocasco. Se observa que las cuadernas no están formadas de una sola pieza, sino que las constituyen elementos denominados formeros. En la figura presentada a continuación se muestra las cuatro partes en que se divide una cuaderna. Figura 9. Partes de una cuaderna del C-295 El techo está compuesto por cinco formeros superiores ya que la sección bajo estudio está formada por ese número de cuadernas. Perpendicularmente a los formeros se encuentran los larguerillos, sobre los que se coloca el revestimiento. La unión entre estos elementos es mediante remaches y para ello se usan escuadras (clips / shear ties), representadas en color verde en la próxima figura: Figura 10. Unión piel-formero-larguerillos mediante clips 13 13 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje La pieza representada en color dorado en las anteriores imágenes es un suplemento. Son componentes de chapa de muy reducido espesor cuya función es ajustar espesores en zonas de unión, las cuales son concentradoras de tensiones debido al remachado. En este caso se trata de la unión con la cola de la aeronave. 2.1.2 Lateral derecho Este bloque estructural está formado por 208 piezas. Figura 11. Interior del lateral derecho de la sección de fuselaje En este bloque aumenta la variedad de piezas (el techo es el más sencillo de los cuatro). Aparte de las ya comentadas, en este subconjunto se puede destacar otras familias de componentes que surgen debido a la presencia de la puerta. Como ya se ha comentado, interesa que el espesor de los revestimientos sea lo más reducido posible para aligerar el peso de la aeronave. Sin embargo, hay zonas donde se requiere un espesor de chapa mayor. Teniendo en cuenta la Teoría de Láminas, es sabido que agujeros en las mismas suponen concentración de tensiones. Por este motivo las zonas con ventanas y puertas necesitan un diseño especial. En la figura 12 puede observarse como la presencia de ventanas, o de ventanas y puerta, conllevan un aumento del espesor de las láminas de aluminio. A su vez, se puede apreciar como todas las esquinas están redondeadas, evitándose así fisuras descontroladas. Maqueta electrónica 14 Figura 12. Espesores máximos de distintas secciones del revestimiento Al mismo tiempo, la puerta, al tener una dimensión considerable respecto a la propia lámina y un peso superior, requiere elementos adicionales que refuercen la zona. Un tipo de piezas que cumplen esta función en el interior de la estructura se destaca en la siguiente imagen: Figura 13. Refuerzos puerta Este bloque también cuenta con varias piezas de mayor volumen que las consideradas hasta ahora, las cuales requerirán un proceso de mecanizado como se detallará más adelante. 2.1.3 Lateral izquierdo El lado izquierdo de la sección de fuselaje es prácticamente simétrico al derecho, por lo que lo comentado en el apartado anterior es aplicable al presente. La simetría implica que la gran mayoría de las piezas no son iguales, hecho importante de cara a la fabricación de las mismas. Este bloque cuenta con 206 piezas, dos menos que el anterior. 15 15 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje 2.1.4 Barquilla Se denomina barquilla a la parte inferior del fuselaje. Este último gran bloque estructural está formado por 300 piezas, siendo por tanto el más numeroso de los cuatro bloques. Esto no es de extrañar ya que este conjunto de piezas constituye el suelo de la aeronave, debiéndose soportar cargas más exigentes como puede ser la debida a vehículos militares. Figura 14. Vehículo dentro de un C-295 (izq., wikimedia.org) y barquilla de la maqueta (dcha.) Los principales elementos estructurales de la barquilla son los ya comentados formeros inferiores y los tabiques perpendiculares a ellos que permiten formar el suelo. A diferencia de los formeros pertenecientes a los bloques anteriores, los inferiores no están formados de una sola pieza. En la siguiente figura se muestra la configuración de estos componentes junto a otros elementos: Figura 15. Principales elementos de la barquilla Maqueta electrónica 16 2.2 Análisis ABC Se trata de un método de categorización de inventario que establece que los artículos (piezas) de una organización no tienen el mismo valor. Está basado en el principio de Pareto: el 80% del valor de consumo total se basa solo sobre el 20 % de los artículos totales. El análisis ABC no sigue un criterio exacto y propone que una empresa debería clasificar sus artículos de la A a la C siguiendo las siguientes reglas [1]: - Los artículos A son bienes cuyo valor de consumo es el más elevado. El principal 70-80% del valor de consumo anual de la empresa generalmente representa solo entre el 10 y el 20% de los artículos de inventario totales. - Los artículos C son, al contrario, artículos con el menor valor de consumo. El 5% más bajo del valor de consumo anual generalmente representa el 50% de los artículos de inventario totales. - Los artículos B son artículos de una clase intermedia, con un valor de consumo medio. Ese 15-25% de valor de consumo anual generalmente representa el 30% de los artículos de inventario totales. La aeronáutica es un campo tan complejo que no le basta con este tipo de métodos clásicos. Por eso hoy en día se cuenta con potentes software estadísticos que proporcionan una optimización exhaustiva del inventario. Sin embargo, al estar tratando con un RFI, resulta útil hacer una adaptación del análisis ABC al caso bajo estudio. - Aquellas piezas que sean complejas constituirán la clase A. Requerirán procesos de fabricación más costosos aunque el número de unidades será inferior que el de las otras clases. - La clase B estará compuesta por familias de piezas. La geometría, el tamaño y los procesos requeridos serán los responsables de la variedad de familias. - La clase C estará formada por todas las normales. Este tipo de piezas estándar se caracterizan por ser numerosas y baratas. Como ya se ha comentado, éstas no fueron incluidas enla maqueta proporcionada, pero se realizará una estimación del número de ellas. Puesto que ha habido que seguir una serie de criterios para realizar esta clasificación, siendo el principal los procesos de fabricación requeridos, se ha decidido establecer el siguiente guión de cara a facilitar el seguimiento del trabajo: se va a explicar cada proceso requerido para la fabricación de los componentes del fuselaje; a continuación, se pondrá como ejemplo un tipo de piezas cuyo proceso de fabricación característico sea el explicado, justificándose así la clase a la que pertenece. Este primer paso es fundamental, ya que en próximos capítulos se dará detalle de los flujos seguidos por cada grupo de piezas. Debido a la enorme variedad de las mismas, es evidente que no todas van a ser incluidas en la próxima sección. Todas las piezas han sido analizadas una por una para deducir cuántos procesos distintos son necesarios, por lo que se destacará aquellas piezas que sean más representativas. 17 17 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje 3 FABRICACIÓN n este capítulo se va a abordar todos los procesos necesarios para producir la sección de fuselaje del C-295. Lo que materializa este objetivo, producir algo útil, es la Fabricación. Este concepto puede ser entendido desde dos perspectivas. Bajo el punto de vista técnico, la fabricación es la aplicación de procesos físicos y químicos para modificar la geometría, propiedades y/o apariencia de un material de partida para generar piezas o productos. La otra visión es desde el lado económico, donde fabricación adquiere el significado de transformación de materiales en productos con mayor valor [2]. La segunda de las definiciones es más que evidente en el contexto de este Trabajo. A partir de chapas y tochos de aluminio, materia prima asequible en general para cualquier persona de clase media, se consigue producir una sección de fuselaje que formará parte de un avión valorado en más de veinte millones de euros. Pero lo que verdaderamente interesa en este punto del trabajo es lo referente a la primera definición. Como ya se comentó en el primer capítulo del documento, una de las principales características del producto aeronáutico son las más que obvias exigencias en calidad, fiabilidad y seguridad. Como consecuencia, todas las piezas deben ser fabricadas siguiendo el proceso más adecuado posible, con una maquinaria y utillaje que garanticen la precisión exigida y siempre buscando el menor coste posible. En primer lugar se va a tratar sobre la materia prima, el aluminio, explicándose las principales propiedades de las dos aleaciones que se usan en el C-295. En segundo lugar se seguirá el esquema comentado al final del capítulo anterior. Se va a definir los procesos de fabricación requeridos, cada uno de ellos acompañados por piezas características de la clase A o B (la clase C se reserva para las normales) que sirvan de ejemplo aclaratorio. Como se comentó, las piezas que se consideren importantes constituirán la clase A mientras que las distintas familias formarán la clase B. Por último, se detallará otros procesos no ligados con el cambio de la geometría del material pero que también son necesarios, como son el anodizado, la pintura y sellante. 3.1 Aluminio Tal y como viene reflejado en el RFI lanzado por Airbus, el material usado para fabricar la sección de fuselaje del C-295 es aluminio 2024-T3 para piezas de chapa y revestimientos; y aluminio 2024- T4 para piezas mecanizadas. Como puede observarse, ambos proceden del aluminio 2024 al que se le realiza posteriormente diferentes tratamientos térmicos para obtener el estado T3 o T4. El primer dígito (2) indica que se trata de aluminio aleado principalmente con cobre. Este tipo de aleación se adapta a piezas y estructuras que necesiten altas relaciones de resistencia/peso y temperaturas de hasta 150ºC, por eso se usa en la industria aeroespacial para la fabricación de sistemas de suspensión, en las llantas de los aviones, el recubrimiento de alas y en el fuselaje, como es el caso bajo estudio. En cuanto al resto de E Fabricación 18 dígitos, el segundo (0) está reservado a modificaciones sucesivas de la aleación, mientras que las dos últimas cifras (24) sirven solamente para identificar la aleación [3], [4]. En la siguiente figura se muestra las principales características de la aleación 2024: Figura 16. Aluminio 2024. delmetal.com.ar Como se ha comentado, este tipo de aleación es muy adecuada para el ámbito aeronaútico, pero hay que prestar especial cuidado en un punto: en la figura se puede apreciar que las aleaciones de la serie 2xxx no alcanzan tan buena resistencia a la corrosión como en otros casos. Para solucionar este problema se realiza un proceso de anodizado que será tratado en detalle en la sección 3.4.1. El tratamiento térmico de las aleaciones de aluminio está íntimamente relacionado con la composición del material y los procesos de deformación. De hecho, para aumentar las tensiones internas, elevar la resistencia a la tensión y el esfuerzo de fluencia, el material debe recibir procesos combinados de temperatura y deformación física, junto a un reposo o maduración al medio ambiente o en ambientes artificiales. La diferencia entre cada tratamiento estriba en la secuencia y la combinación de dichos procesos. [5] Las aleaciones usadas en la sección de fuselaje siguen un tratamiento –Tx que es conocido como envejecimiento, revenido o maduración. 19 19 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje 3.1.1 Aluminio 2024-T3 El proceso seguido para obtener este tipo de aleación es el de solución, temple, acritud y maduración natural. Es la condición de mayor resistencia mecánica y resistencia a la fatiga de esta aleación, de ahí su uso en piezas como el revestimiento del fuselaje. Presenta un límite elástico de 289 MPa, una resistencia a la tensión de 440 MPa y una elongación de entre 10 y 15% [5], [6]. Como ya se ha comentado, este tipo de material se usa para piezas de chapa y revestimiento, las cuales se obtienen mediante procesos de conformado. Para facilitar estas operaciones el material es llevado a estado W, inestable. El proceso consiste en introducir el material en un horno a unos 400ºC. A continuación se hace enfriar el material hasta una temperatura de -40°C, previo paso por una piscina. Es entonces cuando el material se hace más dúctil y, por tanto, las operaciones de doblado/estirado de chapa se pueden realizar de una manera más eficaz. El estado T3 se recupera mediante una etapa de envejecimiento natural. 3.1.2 Aluminio 2024-T4 El tratamiento térmico T4 es similar al T3, con la diferencia que dentro de sus etapas no se lleva a cabo el proceso de acritud o deformación en frío. Es decir, luego que la pieza fue sometida a disolución y temple, se deja a temperatura ambiente para que adquiera su dureza final [5]. El aluminio del que la empresa parte es T3, como se justificará más adelante. Para obtener el estado T4 hay que realizar una maduración artificial: en primer lugar llevar el material hasta 40°C para después dejar enfriar a temperatura ambiente. 3.2 Procesos de fabricación Una vez llegado a este punto, queda claro los dos grandes grupos en que se pueden dividir las piezas que constituyen la sección de fuselaje: las que requieren procesos de conformado (en T3) y aquellas que serán sometidas a procesos de mecanizado (en T4). 3.2.1 Conformado plástico (forming processes) Se denomina chapa al material de partida que presenta una relación área/volumen alta: el espesor va desde 0.4 a 6 mm. Se obtiene por laminaciones y tratamientos térmicos sucesivos del material. Los productos aeronáuticos de chapa se obtienen por deformación plástica del metal. La chapa conformada presenta características idóneas para estesector industrial como son una buena resistencia mecánica y una alta relación resistencia/peso. El coste de la maquinaria y utillaje es caro por eso solo se justifica en series largas o productos con altos porcentajes de valor añadido, como el presente caso de una aeronave [7]. A continuación se explica los distintos procesos en frío (lo más habitual en chapas de espesor reducido como en el caso bajo estudio) que serán necesarios para obtener las piezas de la sección de fuselaje. Se incluirán imágenes que muestren los útiles necesarios para cada operación. Fabricación 20 3.2.1.1 Corte de chapa (cutting) El corte es la primera operación a realizar en todas las chapas ya que la forma de partida es en general un rectángulo. El corte puede producirse de diversas maneras aunque en la aeronaútica predomina uno de ellos. La opción corte por láser no es viable. El aluminio es reflectante, por lo que el proceso térmico afectaría al material. Otra posibilidad sería corte por agua a presión, pero produce un acabado con concentrados no deseado. La opción más interesante es por mecanizado, a través de una máquina de control numérico de 2 ejes que permite obtener el contorno requerido de la pieza y cavidades interiores si fuera necesario. Figura 17. Mecanizado de chapa En la próxima figura se representa las piezas más sencillas que se pueden encontrar en la maqueta ya que el único proceso que requieren es el de corte para obtener la forma final (un recanteado). Se trata de una familia (clase B) de chapas de mismo espesor (1.2 mm) y tamaño bidimensional similares (solo una de ellas tiene dimensiones que supera los 20 cm). Figura 18. Piezas obtenidas únicamente mediante corte 3.2.1.2 Doblado (bending) Una vez que ya se tiene la chapa con las dimensiones requeridas, ésta será sometida a un proceso de doblado que la haga adoptar la configuración definitiva. Las diversas operaciones de doblado se producen en general mediante prensas y sobre piezas con simple curvatura. A continuación se explica los diversos tipos de doblado que deberán realizarse para la fabricación de numerosas piezas del fuselaje. 21 21 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje Plegado (press brake forming) Esta operación se realiza para producir doblados en chapas de gran longitud, como puede ser en ciertos larguerillos y refuerzos. La configuración de la prensa se muestra en la siguiente figura: Figura 19. Plegadora [8] Una familia de piezas (B) que requiere el proceso de plegado son los larguerillos del techo y laterales del fuselaje. Se trata de piezas obtenidas a partir de chapa de reducido espesor (0.8, 1 o 1.2 mm según la zona) y que se pueden agrupar a su vez en tres subfamilias según longitudes típicas de las mismas. Figura 20. Diferentes tamaños de los larguerillos y perspectiva de uno de ellos donde se aprecia el resultado del plegado Estampación (stamping/pressing) La estampación es un tipo de proceso de fabricación por el cual se somete un metal a una carga de compresión entre dos moldes. La carga puede ser una presión aplicada progresivamente o una percusión, para lo cual se utilizan prensas y martinetes. Los moldes son estampas o matrices de acero, una de ellas deslizante a través de una guía (martillo o estampa superior) y la otra fija (yunque o estampa inferior) [9]. Fabricación 22 Figura 21. Prensa hidráulica Una pieza típica de chapa del C-295 que requiere un proceso de estampado es el clip de cuaderna (B) que se muestra en la siguiente figura. En ella se muestra los distintos útiles necesarios para la correcta fabricación de la pieza. Figura 22. Útiles y actuación del conformado [10] Un aspecto a destacar del estampado es la necesidad de contar con un útil (molde) para cada pieza distinta. Este hecho es importante puesto que la variedad y número de piezas que requieren este proceso son considerables. De hecho, mucho de los larguerillos obtenidos mediante plegado requieren también varias pasadas con prensas, cada una con un útil adecuado, ya que presentan tramos donde la sección varía. 23 23 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje Figura 23. Algunos ejemplos de la gran variedad de escuadras que se pueden encontrar en el fuselaje del C-295 Otras familias que se fabrican mediante este proceso son los formeros y tabiques pertenecientes a la barquilla del fuselaje y una clase de refuerzos usados en las esquinas de la puerta. Figura 24. Piezas fabricadas mediante prensado Doblado con rodillos (plate roll bending) Con este proceso se induce a la chapa una curvatura simple, controlada ajustando la distacia entre los rodillos. Como ejemplo de familia (B) fabricada mediante este proceso son los suplementos de chapa usados en las uniones, los cuales deben ajustarse a la curvatura del fuselaje. Al tratarse de elementos con diferentes geometrías de tan reducido espesor (la representada en la figura 26 tiene espesores desde los 0.3 a 2 mm), se verá que éstos serán obtenidos directamente de un proveedor. Figura 25. Plate roll bending Fabricación 24 Curvado de perfiles (section roll bending) Mismo proceso que el anterior aplicado a vigas. Las dos principales familias de piezas (B) que requieren un curvado son los larguerillos pertenecientes a la barquilla, así como algunas cuadernas pertenecientes al fuselaje. Figura 26. Roll bending aplicado sobre larguerillo (arriba) y cuaderna (abajo) Perforado abocardado (flared holes) En esta operación se troquela primero un agujero mediante el punzón perforador y después se expande formándole un reborde. Este tipo de acabado es común en varias piezas de la barquilla. Figura 27. Proceso de doblado en agujeros (izq.) y resultado (dcha.) [8] 3.2.1.3 Planeado (rolling) Este proceso será requerido en aquellas piezas de chapa que en algún momento de su proceso de fabricación necesiten corregir una posible deformación o un determinado espesor. El término ‘laminación’ se reserva para el proceso industrial que permite la obtención de la materia prima de aluminio. Figura 28. Planeado scirp.org 25 25 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje 3.2.1.4 Estirado (stretch forming) Este proceso es el usado para proporcionar la característica forma que presentan los revestimientos de las aeronaves, así como otro tipo de piezas con doble curvatura. Los extremos de la chapa se sujetan mediante unas mordazas, y sobre esta configuración actúa la matriz con la forma de la pieza deseada. El material se deforma plásticamente de forma más uniforme que en el doblado, por eso el efecto de recuperación elástica es menor (springback) [8]. Figura 29. Estirado de chapa airliners.com Los revestimientos van a ser clasificados como de clase A ya que, aparte del mencionado estirado, requieren de otro proceso que permita obtener los distintos niveles de espesores que presentan, operación compleja y como se verá bastante costosa. Esto se consigue mediante el denominado fresado químico, el cual se explica a continuación para completar el análisis de este tipo de piezas. Figura 30. Detalle de los dos niveles de espesores que presenta el revestimiento del fuselaje Fabricación 26 3.2.2 Fresado químico (chemical milling) Se trata de una técnica de eliminación de material por ataque de una sustancia química activa, como puede ser una solución acuosa ácida o alcalina. Las partes que no se desee que sean atacadas han de ser protegidas con recubrimientos aislantes. El tiempo que la pieza está sumergida en la solución corrosiva es el factor a controlar puesto que de él depende la cantidad de material eliminado. Se observa sin embargo que la actividad de dicha sustancia va disminuyendo conformeavanza el tiempo, lo cual se trata de paliar en parte mediante la agitación de la misma con el fin de renovar la sustancia activa en las zonas de ataque. Además, para conseguir una mejor evacuación de los residuos de material eliminado se suelen disponer las piezas en posición vertical, ya que por gravedad se depositarán dichos restos en el fondo de la cubeta de inmersión [11]. El fresado químico puede dividirse en las siguientes fases [12]: 1- Eliminación de tensiones residuales en la pieza previa al fresado químico para prevenir alabeos tras el proceso. 2- Desengrase, para asegurar una buena adhesión entre el enmascarante y el material. 3- Chorreado. 4- Aplicación del producto enmascarante. 5- Trazado de la máscara (manual o mediante láser). 6- Pelado de la misma. 7- Ataque con la sustancia activa. 8- Una vez finalizado el mecanizado, se procede a retirar la máscara, y a lavar concienzudamente la pieza a fin de evitar el ataque de posibles agentes residuales. 9- La parte fresada químicamente puede ser posteriormente mecanizada mediante otros procesos de acabado (el orden de operación es indiferente en general). Figura 31. Revestimiento del fuselaje preparado para el fresado químico. Se puede observar las zonas donde se ha retirado la máscara con el fin de lograr una reducción de espesor. pfonline.com 27 27 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje Como se indicó anteriormente, se puede apreciar la complejidad del proceso. Una de las decisiones más importantes que debe tomar una empresa es definir en qué quiere y en qué no especializarse. Esta filosofía denominada Core vs. Non-Core será tratada en profundidad en la sección 4.1, pero ya puede entreverse que el fresado químico será conveniente externalizarlo en el presente caso. 3.2.3 Mecanizado (machining) En la sección de fuselaje del C-295 hay otro tipo de piezas que se obtienen a partir de eliminación de material mediante una herramienta de corte afilada. Este proceso se denomina mecanizado y es en la actualidad el más difundido en la industria debido, entre otras razones, a su gran versatilidad en la obtención de diferentes tipos de geometría y al nivel de precisión dimensional obtenido en comparación con otros procesos. Estas prestaciones son posibles hoy en día gracias a las Máquinas- Herramienta de Control Numérico. Los principales elementos de este tipo de máquinas son: la máquina-herramienta (encargada de producir los movimientos necesarios para el corte), las herramientas de corte (deben producir viruta discontinua, evacuar el calor producido y soportar las fuerzas producidas) y el utillaje auxiliar (elementos que permiten la sujeción pieza-máquina [se suele hacer por vacío] y herramienta- máquina); todos ellos gobernados por una unidad de control que procesa los diversos programas de códigos alfanuméricos para cada pieza. Las piezas mecanizadas se obtienen a partir de un tocho de material, es decir, no hay una dimensión que sea muy inferior a las otras dos como ocurría en las chapas. Los principales procesos de mecanizado que tendrán que realizarse se pueden agrupar en dos bloques: 3.2.3.1 Taladrado (drilling) Es la obtención de agujeros por arranque de viruta. El trabajo se realiza con una broca, herramienta de filo multiple con doble movimiento: uno de rotación y otro axial. 3.2.3.2 Fresado (milling) En esta operación el mecanizado se produce a través de una herramienta con movimiento circular y corte múltiple. Dentro del fresado se puede distinguir varios subprocesos, los cuales se pueden visualizar en la siguiente figura: Figura 32. Operaciones de fresado sandvik.coromant.com Fabricación 28 Estas operaciones realizadas por una máquina de 5 ejes (interpolan a la vez 3 motores lineales y 2 angulares) permiten mecanizar cualquier tipo de pieza perteneciente al fuselaje. 3.2.3.3 Elección de la Máquina-Herramienta La elección de la máquina-herramienta adecuada depende del tipo de piezas a fabricar. Mientras que las piezas sencillas pueden fabricarse con 3 ejes controlados, las piezas más complejas requieren dos ejes adicionales. Por tanto, siguiendo el Análisis ABC establecido, las primeras pertenecerán a la clase B y las segundas a la A. Dentro de cada grupo, a su vez, se crean subfamilias según el tamaño de las piezas. Piezas clase B. 3 ejes Las máquinas-herramienta con 3 ejes (3 motores lineales) son adecuadas para piezas sencillas (superficies planas) o para el mecanizado de superficies sin forma (aquellas que pueden formarse en cualquiera de las direcciones del espacio) con curvaturas uniformes o lo más planas posibles. Al contar con 3 ejes, la pieza o la herramienta no pueden inclinarse, es decir, la herramienta se alinea siempre paralelamente a un eje de la máquina. Como consecuencia, en superficies sin forma, las condiciones de corte en el extremo de la fresa a menudo no son óptimas. Para paliar estas limitaciones, a las actuales máquinas se les permite la posibilidad de inclinar la máquina o la herramienta, según valores fijos y en general manualmente. De esta forma se consigue mecanizar nuevos planos [13]. En la próxima figura se muestra la configuración de varias familias de piezas que pueden obtenerse mediante un mecanizado de 3 ejes, aunque posteriormente algunas de ellas puedan recibir unas pasadas de acabado con la máquina de 5 ejes. Figura 33. Piezas mecanizadas con 3 ejes a partir de tochos de 10 cm de aristas Piezas clase A. 5 ejes En máquinas-herramienta con 5 ejes controlados pueden mecanizarse superficies sin forma con condiciones de corte óptimas, lográndose una elevada calidad de superficie. El mecanizado de piezas complejas puede ser más rápido y preciso en comparación con máquinas con menos ejes controlados. De hecho algunos mecanizados complejos sólo son posibles con 5 ejes controlados [13]. 29 29 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje A diferencia del caso de 3 ejes, durante todo el mecanizado se puede alinear la herramienta de forma óptima sobre la superficie de la pieza. Todos los ejes lineales y de giro pueden desplazarse simultáneamente. Las superficies complejas a menudo no pueden programarse en el control numérico, sino que deben generarse mediante un sistema CAD/CAM, como por ejemplo CATIA. En la siguiente figura se ilustra el potencial de mecanizado que dispone estas máquinas-herramienta. Figura 34. Mecanizado mediante 5 ejes heidenhain.com Como ejemplo de piezas complejas que requieren una mayor precisión se muestra las siguientes: Figura 35. Piezas de diversos tamaños mecanizadas con 5 ejes 3.3 Elementos de fijación La estructura de una aeronave está formada por multitud de piezas fabricadas a partir de chapas, perfiles extruídos, tubos, piezas forjadas, moldeadas, mecanizadas, etc. que deben unirse entre sí para constituir subconjuntos. Fabricación 30 Para dar satisfacción a las distintas necesidades que se presentan en la construcción de estructuras, se han desarrollado infinidad de elementos. Una posible clasificación de ellos es considerarlos permanentes o desmontables. En los primeros la separación entre las piezas no puede realizarse salvo que se rompa alguna de las piezas, mientras que en los segundos el desmontaje puede realizarse sin deteriorar ninguna de ellas y por tanto se pueden volver a montar. Dentro de los elementos desmontables destacan los tornillos y los pernos; en los permanentes, los remaches [14]. La maqueta facilitada por Airbus en el RFI no contiene información acerca de los elementos de fijación, por eso se procede a hablar de ellos. En este trabajo solo se van a considerar los remaches, ya que son los más usados hoy en día en el ámbito aeronáutico por un motivo principal: su bajo coste de fabricación e instalación en comparación con los elementos roscados.Esta razón también justifica el hecho de que constituyan la clase C de piezas. La utilización de los remaches en cuanto a su empleo principal es para absorber esfuerzos de cortadura. Los dos tipos de remaches que se van a considerar se muestran en la próxima figura. Están normalizados por lo que serán adquiridos de una empresa especializada en su fabricación. Figura 36. Cabeza redonda (izq.) y avellanada (dcha.) El remache con cabeza redonda se usa en partes interiores. La cabeza está dimensionada de forma que puede sorportar esfuerzos a tracción. En cuanto al remache con cabeza avellanada, éste es usado en fijación de chapas sobre chapas así como en superficies exteriores por su baja resistencia aerodinámica [14]. La secuencia de remachado es: (1) realización de un taladro de diámetro ligeramente superior al del remache a través de las dos piezas a unir, (2) introducción del remache, (3) deformación del extremo del remache. Figura 37. Etapas del remachado El remachado se produce alojando la cabeza en un útil llamado buterola y unido a una herramienta que dependiendo del procedimiento utilizado puede golpear repetidamente, girar manteniendo 31 31 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje presión o simplemente deformar por presión al aplicar en el otro extremo una sufridera. Para que el remachado sea posible, es necesario que exista acceso a los dos lados de la unión. Existen casos en los que esto no es posible, siendo la solución el uso de remaches ciegos [14]. 3.4 Otros procesos Una vez que las piezas han sido fabricadas, resulta de vital importancia proteger las mismas. Una de las máximas en la aeronaútica es asegurar una vida útil del producto que permita recuperar las grandes inversiones realizadas en las primeras etapas de su producción. Por tanto, todo debe ser diseñado de forma que las reparaciones y sustituciones de piezas sean mínimas. Un aspecto muy importante a tener en cuenta son los distintos tipos de ambiente en los que se va a mover la aeronave, siendo la temperatura y la salinidad los principales factores de desgaste de los materiales. Claros ejemplos de esto son el C-295 Firefighter (lucha contra incendios) así como la versión Persuader (patrulla marítima). En este apartado se procede a detallar los procesos necesarios para llevar a cabo lo comentado anteriormente. Anodizado, pintura y un correcto sellado son fundamentales de cara a la protección de la aeroestructura. 3.4.1 Anodizado (anodizing) El objetivo del anodizado es proporcionar una mayor resistencia y durabilidad del aluminio ante la corrosión, decandencias de este metal como se comentó en el punto 3.1. Principio del anodizado [15] Si se llena una cuba con agua hecha conductora por la adición de una pequeña cantidad de ácido, de base o de sal, y si en este electrolito se dispone de un cátodo (polo negativo), inatacable (níquel o plomo) y un ánodo de aluminio, se observa un desprendimiento de hidrógeno en el cátodo y ningún desprendimiento en el ánodo. Se observa, por otra parte, que el ánodo de aluminio se ha recubierto de una película de alúmina. El oxígeno procedente de la disociación electrolítica del agua ha sido utilizado para oxidar el aluminio del ánodo; de aquí la expresión ’Anodizado’. La naturaleza del electrolito tiene una importancia capital sobre los fenómenos que se desarrollan en la superficie anódica. En los electrolitos que no tienen acción disolvente sobre la capa de óxido se forma una película muy adherente y no conductora. El crecimiento de la película se realiza hasta que su resistencia eléctrica es tan elevada que impide la circulación de la corriente hacia el ánodo. Varios electrolitos son usados para producir la oxidación del metal. Los más corrientes son el ácido sulfúrico y el ácido crómico, siendo éste último el elegido para este proyecto. Según un estudio sobre la influencia de los tratamientos superficiales en la vida útil a fatiga del aluminio 2024 T3, el anodizado crómico afecta negativamente la vida a fatiga, pero de forma más moderada que el anodizado sulfúrico, ocasionando poco daño superficial [16]. Proceso [17] 1. Limpieza manual de la pieza con butanona. 2. Desengrase alcalino de la pieza. Fabricación 32 3. Enjuague de la pieza en un baño de agua desmineralizada. 4. Limpieza ácida en baño de desoxidado. 5. Enjuague con agua desmineralizada. 6. Anodizado crómico de las piezas. 7. Enjuague con agua desmineralizada. 8. Sellado. La capa de óxido es porosa. Si se hidrata dicha capa y se cierra los poros se conseguirá una mayor protección. Una planta de anodizado requiere tener un sistema de agua desmineralizada que consiste en un equipo de ósmosis inversa. Figura 38. Cubas con distintos baños para el anodizado gruposopena.com 3.4.2 Pintura (painting) El pintado es necesario en la aeronaútica por diversos motivos. El primero que se viene a la mente es el de decoración en aviones civiles o camuflaje en militares (como puede ser el caso del C-295). En cambio, este tipo de pintado no es requerido por Airbus ya que es realizado en las últimas fases, cuando ya se ha ensamblado el avión por completo. Pero también hay otro tipo de pintado que es fundamental: el pintado de protección contra agentes tanto químicos como físicos. El primer grupo abarca la corrosión, los combustibles o líquidos hidráulicos; mientras que el segundo lo constituyen partículas de polvo o granizo. Un proceso típico seguido es el que se muestra a continuación [18]: - Limpieza y desengrase. - Washprimer: imprimante transparente de dos componentes a base de polímeros vinílicos, pigmento inhibidor sin plomo y un reactivo ácido orgánico; especial para preparar supercicies de aluminio. - Primer: pintura base, para la protección contra corrosión y hongos. - Intermediate coat: capa de pintura para refuerzo de la protección contra la corrosión, por el establecimiento de un efecto barrera y facilitando así la adherencia de la capa final. - Top coat: esta fase no se requiere en este caso ya que se trata de la capa final de pintura que confiere las cualidades de resistencia exterior y aspecto. 33 33 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje El tipo de pintura que generalmente se usa con fines protectores es la epoxy. Se trata de pinturas formadas por resinas que poseen una buena flexibilidad, proporcionan una excelente adherencia, resistencia a la abrasión y a los agentes químicos. El método más habitual de aplicación de pintura es el pulverizado aerográfico mediante una pistola basada en efecto Venturi. Para dicha etapa se colocarán las piezas delante de una cascada de agua para facilitar la evacuación de la pintura pulverizada sobrante, así como facilitar las tareas de limpiado y posible emanación de gases por parte de la pintura. Las diversas operaciones que requiere el pintado deben ser realizadas en zonas habilitadas para ello [19]: - Cabina de preparación. Cabina donde se realizarán las operaciones necesarias para una correcta aplicación de pintura. Operaciones de lijado, limpieza de superficies, enmascarado, entre otras. Se instalará una mesa de apoyo horizontal de las piezas, así como los útiles de manipulación. - Cabina de pintura. Cabina donde se procede al pintado de las superficies, y posterior evaporación de los disolventes que contienen la pintura así como el utilizado para la limpieza de los elementos. - Almacén de productos. Se habilita una zona de las instalaciones como almacén para las piezas que se utilizan en las distintas etapas del proceso, herramientas y productos necesarios para los procesos como pinturas, disolventes, lijas, etc. - Sala de mezclas. Sala ubicada junto al almacén de productos, dedicada a la preparación de las pinturas a aplicar. Son salas donde sólo tienen acceso los operarios cualificados. Estazona deberá estar limpia, exenta de polvo y otros contaminantes, disponiendo de aspiración independiente debido a los intensos olores de estos productos. - Área de transferencia. Zona destinada a la manipulación de los elementos entre las distintas etapas del proceso de pintura. También se puede utilizar para realizar pequeñas operaciones que no necesiten condiciones especiales, tales como verificación de piezas, subconjuntos acabados, repaso y retoque. - Estufas. Dedicadas al secado y curado acelerado de las imprimaciones y acabados. A su vez, estas instalaciones deben contar con diversos sistemas como el de iluminación, protección contra incendios o ventilación. Este último es de mucha importancia ya que en todo momento debe mantener la temperatura y humedad relativa dentro de los límites exigidos. Para ello la instalación debe contar con instalaciones de climatización y termohigrómetros. A su vez, un sistema de extractores permitirá renovar el total de aire de la nave cada cierto tiempo. Las puertas y ventanas se mantendrán cerradas, para impedir la entrada de polvo y suciedad, durante la aplicación y secado de las pinturas. En cuanto a la seguridad de los operarios, éstos deben contar con equipos de protección individual (EPI): guantes, mascarilla, gafas, traje de buzo… Fabricación 34 Figura 39. Cabina de pintura y operario con EPI [18] 3.4.3 Sellado (sealants) Este proceso se realiza durante y después del ensamblaje de la sección del fuselaje. Mediante el sellado se pretende evitar la penetración de aire, gas, polvo, fuego, ruido, humo o líquidos desde un sitio a otro a través de la barrera sellada. La principal diferencia entre los sellantes y los adhesivos (cola, pegamento) es que normalmente los primeros presentan una menor fuerza de fijación pero experimentan una mayor deformación, siendo esto lo que los hace idóneos para piezas aeronáuticas. El primer paso a realizar es la limpieza de la superficie en cuestión. A continuación, se procede a aplicar el sellante. El tiempo de operación depende de las especificaciones del fabricante del sellante. El mezclado se puede realizar de forma manual como automatizada. Tras ello, el sellante estará listo para su aplicación mediante las correspondientes pistolas dispensadoras, una vez se haya comprobado que la mezcla es uniforme. Es recomendable realizar el proceso barriendo áreas pequeñas y que la superficie sea correctamente secada antes de que el disolvente empiece a evaporarse para prevenir, de este modo, la deposición de contaminantes sobre el sustrato. Dos tipos de productos que son de utilidad para el fuselaje son el PR-2050 B (diseñado para aportar suavidad aerodinámica y para tareas de llenado de espacios) y el P/S 870 B (diseñado para prevenir la corrosión de la superficie de aplicación). 35 35 Diseño industrial de una aeroestructura: fuselaje 4 PRODUCCIÓN na vez se ha analizado los diversos procesos a los que debe someterse las piezas, llega el momento de organizar la ejecución de ellos. Aunque en muchas ocasiones los términos Fabricación y Producción sean usados para conceptos similares, el sentido de cada uno es distinto. Ya se ha visto que el primero de ellos hace referencia a la elaboración de componentes a partir de unos materiales de partida. Es decir, a partir de una materia prima se obtienen piezas. La Producción, en cambio, va más allá: es la elaboración de conjuntos de componentes ensamblados; en otras palabras, productos terminados como la sección de fuselaje que requiere Airbus. Para conseguirlo, la empresa debe estudiar si todos los procesos van a ser ejecutados por ella, en qué orden y dónde van a ser llevados a cabo. El primer punto que se va a tratar en este capítulo es definir la estrategia que va a seguir la empresa. Son muchos y de índole muy distinta los procesos necesarios para obtener las piezas finales, por lo que se presenta esencial decidir qué actividades va a realizar la propia empresa y cuáles van a ser llevadas a cabo por un subcontratista. Se trata de una estrategia con vistas a largo plazo, aunque en determinados casos habrá que tomar decisiones a corto plazo como también se comentará. Otro tipo de decisión que hay que tomar es cómo se va a realizar la producción, analizando si resulta más interesante fabricar por lotes o ‘justo a tiempo’. En segundo lugar, se presenta necesario comprender los flujos de procesos que van a seguir las distintas piezas. Intrínsecamente ligado a esto se encuentra la distribución de la planta, o sea, la forma en que los equipos están físicamente dispuestos en la fábrica. Se ha decidido seguir este orden para los puntos del capítulo por el siguiente motivo: los flujos y el layout son asuntos que están estrechamente ligados, por lo que es interesante presentarlos uno a continuación del otro. Sin embargo, para hacer un correcto estudio del layout es un requisito básico el tener definido la filosofía producir-subcontratar. Obviamente, no tendría sentido organizar una maquinaria e instalaciones que finalmente no van a correr a cargo de la empresa. U Producción 36 4.1 Estrategia Core vs. Non-Core Una de las principales preguntas que hay que hacerse cuando se va a crear una empresa o bien cuando ésta quiere crecer y expandirse en el mercado (como en el caso de “We Airframe”) es la siguiente: ¿en qué debe especializarse la empresa? O bien, ¿qué debe hacer para diferenciarse del resto de empresas del sector? Para responder adecuadamente a esta pregunta hay que pensar en el largo plazo y para ello surgen los conceptos Core y Non-Core. Las actividades Core son aquellas esenciales para el éxito de la empresa. Una buena gestión de ellas determinará en gran medida la posición que ocupe la empresa en el mercado, por lo que son tareas en las que debe focalizarse el trabajo. Por otro lado están las actividades Non-Core. Se trata de labores necesarias para el correcto funcionamiento del negocio, pero que no aportan una ventaja competitiva. Por tanto, para que la empresa pueda centrase en su sector, aparece la necesidad de subcontratar (outsourcing). En este trabajo ya se ha expuesto un ejemplo de ello, puesto que el RFI lanzado es un trabajo que Airbus cede a otra empresa menor. Una vez comentado lo anterior, las dos principales ventajas de subcontratar se resumen a continuación: - Focalización en el negocio crítico de la empresa, pudiendo así competir con el resto de compañías del sector. - Reducción de costes y mejor calidad. La empresa subcontratada, a su vez, compite contra otras de su sector, por lo que están especializadas en esa actividad. Para ello, deben ofrecer sus servicios a buen precio y calidad. El hecho de subcontratar una actividad también supone otro ahorro para la empresa ya que no debe impartir cursos de formación para esa labor. A su vez, subcontratar supone tener en cuenta otras consideraciones. Depender de una empresa externa conlleva generalmente un aumento del tiempo de producción ya que estará localizada en otro emplazamiento. Por tanto, se necesita de un medio de transporte (propio o ajeno según estrategia), un utillaje que permita la carga de los componentes y un sistema de protección que garantice la integridad de los mismos (ambos elementos requieren diseño y mantenimiento). “We Airframe”, como empresa que es, debe establecer su filosofía de producción. Se va a analizar cada una de las atividades necesarias para cumplir con el objetivo del RFI, tanto las principales como puede ser un proceso de conformado como otras no relacionadas con la fabricación pero igualmente importantes en las instalaciones como el transporte o la limpieza. Como se ha comentado en la introducción de este capítulo, a lo largo de un proyecto también se tienen que tomar decisiones
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