domingo, 1 de junio de 2008

MATERIALES COMPUESTOS


Ya hemos comentado muchas veces que las ambiciones humanas en términos aeronáuticos casi pueden resumirse en una sola idea: el ahorro de peso. Hemos visto cómo este criterio domina el diseño de todos los aviones actuales y por qué (dinero, obviamente). Y, últimamente, la mejor forma de ahorrar peso que han encontrado los humanos son los materiales compuestos, o composites.


Tejido CFRP

En realidad los materiales compuestos son muy antiguos. La naturaleza tiene los suyos, como el hueso (formado por fibras de colágeno y una matriz de hidroxiapatita) o la madera (fibras de celulosa en una matriz de lignina), pero los propios humanos llevan siglos utilizándolos sin saberlo (no sé por qué no me sorprende). Las antiguas casas de adobe, que ya se hacían en la época del imperio egipcio, son un buen ejemplo de material compuesto, junto con el hormigón, introducido por los romanos.


Ciudadela de Arg-é Bam, del 500 A.C., en Irán

Pero los humanos sólo comenzaron a darse cuenta de las verdaderas posibilidades de este tipo de material hasta hace bien poco, hacia la segunda mitad del siglo XX. Y es que las propiedades de los composites son verdaderamente asombrosas, si se comparan con las de los elementos que los constituyen. La mayoría de los materiales compuestos están formados por una matriz y un agregado que se refuerzan mutuamente.


Distribución típica de materiales compuestos en un avión de transporte de psasajeros

En la industria aeroespacial se suelen utilizar FRP's (Fiber Reinforced Plastics): fibras de alta resistencia (fibra de carbono, de vidrio o aramidas) en una matriz de polímero, normalmente una resina termoplástica o termoestable (casi siempre termoestable, y particularmente resina epoxy). Intuitivamente todos sabéis que las fibras funcionan muy bien para aguantar fuerzas de tracción, pero que no sirven para aguantar compresiones. Es decir, cualquier chorlito me diría que una cuerda es perfectamente adecuada para atarle un peso y dejarlo colgar, pero seguro que casi nadie sugeriría utilizarla para sostener algo a modo de columna.


Comparativa de propiedades mecánicas de distintos materiales

En el caso de las fibras de alta resistencia esto también se cumple, con la diferencia de que la fuerza de tracción que pueden llegar a aguantar es bastante mayor que la que soportaría una cuerda normal y corriente (para que os hagáis una idea: una fibra de carbono de las más resistentes, de un milímetro de diámetro, soportaría unos 450 kilos). Impregnadas con resina posteriormente endurecida (o curada, que es lo mismo, pero queda mejor), no pierden sus buenas propiedades para resistir las tracciones, y además la resina se encarga de soportar las cargas de compresión, con lo que se tiene un material que puede trabajar en cualquier condición de carga. Y, sobre todo, muy ligero, bastante más que cualquier metal.


Comparación de un filamento de carbono de 6 μm con un cabello humano

Sin embargo, no todo son ventajas. Los materiales compuestos deben ser fabricados desde cero y atendiendo a sus peculiaridades, que son muchas. Los procesos de fabricación son la mayoría de las veces complejos y costosos, y en muchos casos deben hacerse a mano, algo que suele fastidiar bastante a los humanos, porque son conscientes de lo propensos que son a meter la pata (al menos lo reconocen).


Rollos de tejido de fibra de carbono
Rollo de tejido de fibra de vidrio

Alguien que quiera fabricar algo con materiales compuestos tiene varias opciones entre las que escoger. La fibra puede comprarse en forma de tejido (trenzada como si fuera una tela) o cinta (con todas las fibras alineadas en la misma dirección), seca o ya preimpregnada con la resina apropiada (sin curar, claro). En el caso del preimpregnado, lo que suele hacerse es apilar varias capas unas encima de otras, sobre un molde que les dé la forma necesaria. Algunas veces se hace con máquinas, pero es frecuente que el apilado sea manual, y además el número de capas y la orientación que se les dé influyen muchísimo en la resistencia final que tendrá la pieza (y si el operario se deja una arruga, por pequeña que sea, ya está el lío armado). Después habrá que curar la resina para que la pieza tome su consistencia y sus propiedades finales, para lo que suele ser necesario introducirla en un autoclave (un horno que, además de las altas temperaturas, también somete a la pieza a grandes presiones).


horno autoclave industrial

Otro método muy empleado, y cada vez más, es el moldeo por transferencia de resina, o RTM. En este caso se utiliza un tejido seco al que ya se le ha dado la forma de la pieza, metido en un molde hermético en el que se hace el vacío y se inyecta la resina a presión. El objetivo es que la resina se distribuya uniformemente y en el menor tiempo posible por toda la preforma, para después curarla y sacar la pieza hecha. Montar un sistema de fabricación por RTM es complejo, pero una vez hecho el ritmo de producción y los costes son bastante mejores que en el caso del apilado (y, además, se hace todo con máquinas, con lo que los humanos no meten las manazas en el proceso).


Simulación de inyeccyión de resina en la fabricación de un barco por RTM

Otra de las grandes pegas de los materiales compuestos es que, aunque son bastante resistentes cuando están intactos, esa resistencia disminuye drásticamente si ya hay daños en el material. Un simple golpe producido por la caída accidental de una herramienta desde la mano de nuestro hábil operario podría mellar el material lo suficiente como para que no soportara las cargas en vuelo. Si el golpe es visible, puede repararse y no hay mucho problema, pero muchas veces no queda apenas marca que el ojo (humano) pueda distinguir, lo que se llama BVID (Barely Visible Impact Damage). Por eso las piezas de material compuesto se diseñan con un criterio de tolerancia al daño: la seguridad del avión no debe verse comprometida por la presencia de fallos que no se puedan detectar a simple vista bajo determinadas condiciones. La pieza debe aguantar.


Panel de material compuesto con varios impactos

Recientemente han «inventado» un material que podría solucionar este problema en las futuras generaciones de aviones, algo muy importante si se tiene en cuenta que ya tanto el B-787 como el A350 tienen estructuras primarias fabricadas con material compuesto: los composites que se reparan solos. Por supuesto, como siempre, el invento está sacado directamente de la naturaleza, y esta vez ni se molestan en disimularlo. La idea es utilizar fibras huecas como capilares, a semejanza de los vasos sanguíneos de los animales, por los que circulen resina epoxy y endurecedor por separado, de tal manera que el material «sangre» al producirse el daño y ambos agentes se mezclen, endureciéndose y «cicatrizando» la herida. Un tinte mezclado en la resina ayuda a localizar las posibles cicatrices.


Material compuesto auto-reparable

Y, por supuesto, quieren llevarlo más allá, integrando una red completa de vasos sanguíneos, un sistema circulatorio que pudiera ser rellenado o que incluso sirviera para distribuir energía o regular el calor (ya que se ponen a imitar, que lo hagan en condiciones, ¿no?). En unos cuatro años, calculan, estos materiales estarían disponibles para su uso comercial.


Morro del Boeing 787 hecho íntegramente en material compuesto

Como curiosidad añadida sobre el tema de los materiales compuestos os dejo un vídeo en el que se hacen pruebas con Pykrete, una mezcla de serrín y hielo que durante la Segunda Guerra Mundial estuvo a punto de utilizarse para fabricar un gigantesco portaaviones. Si será por ideas absurdas…



Imagen del nuevo composite auto-reparable: Engineering and Physical Sciences Research Council. Gracias a jcea y a gizmo por enviar la noticia ;)


21 piopíos:

Francisco dijo...

Como siempre. GRACIAS!

UnAngel dijo...

Hay algo mejor que aprender, y es hacerlo divirtiéndose. Siempre espero tus post porque me resultan amenamente educativos. :-)

Giz dijo...

Se que tienes poco tiempo y espacio, asi que solo para los que quieran aprender 1 poco más, proponer que investiguen algo más...

además de tejido y cinta hay otro tipo de tela utilizado: el 'mat' o fieltro.

Los materiales que describes son los llamados 'monolíticos'. Hay otros que son los llamados tipo sandwich, el más conocido el 'panel de abeja o honeycomb'.

Y un pasito más, hay quien apuesta por matrices metálicas y fibras, por ejemplo el llamado 'ARAL' que no es más que láminas de fibra de vidrio y delgadas placas de aluminio.

Sobre los que se reparan solos, no es cierto del todo, solo se hace 1 costra superficial, y sirve para daños muy someros, reparaciones llamadas 'cosméticas', es decir, en las que se dañan las capas superficiales y la reparación es eliminarlas localmente y dar masilla encima. Lo bueno es, que al ser de otro color, una inspección visual ayuda a detectar daños que de otra forma habría que detectar tal vez por ultrasonidos.

Como curiosidad, un daño grande se soluciona recortando el daño, y reponiendo telas, si hay capacidad para ello, o parcheando con aluminio, acero o titanio, si no hay capacidad para reponer telas.

Ale, al que le interese un poco más, que tire de google y del hilo. Al que no, ya saben que hay todo un mundo detrás de esto :)

Lyd dijo...

Hola a todos! Gracias por estar ahí y no haber desesperado conmigo, últimamente estoy realmente muy liada (a un paso de terminar la carrera por fin) y, entre unas cosas y otras, con poco tiempo para dedicarlo al blog (pero no pocas ganas!). De aquí a que acabe junio el ritmo de publicación será lentillo, como habréis comprobado, pero espero que al menos me dé para escribir otro par de entradas.

Como siempre, muchas gracias por los apuntes, Giz. Invariablemente, siempre que escribo algo me quedan cosas por contar, porque yo sólo suelo dar una visión superficial para meterle el gusanillo a la gente. Esta vez me he centrado principalmente en lo que recordaba de la asignatura de materiales compuestos, pero es verdad que el tema es enorme y daría para varios libros. Y puede que para algún que otro post en el futuro, quién sabe ;)

aergenium dijo...

Un artículo muy interesante.
Suerte con los exámenes.

Albatros dijo...

Interesante articulo, como todos a mi parecer.

sandglasspatrol dijo...

Cómo van esos exámenes? SUERTE

alexwrc dijo...

Hay aulas en las que no se explican los conceptos con tanta claridad. Una delicia de miniartículos en voz del pajarillo, dale la enhorabuena cuando lo veas volar por ahí ;)

moitodubai dijo...

unos post's excelentes..

Enhorabuena por unas explicaciones amenas, claras e interesantes.

Un PPL chorlito :)

Alwar dijo...

otro otro otro!!!

Que pena que se me den tan mal las matemáticas, pero leyendo tu blog me entran unas ganas de hacerme ingeniero aeronáutico!!

Cada día me gustan mas los aviones!

Anónimo dijo...

@Alwar: si te gustan cada día mas los aviones... NO te hagas ingeniero aeronáutico...

(y te lo aconsejan muchos ingenieros aeronauticos :))

El Otro dijo...

Los materiales compuestos se usan para miles de cosas y me parecen una idea genial (sea de la naturaleza o no):

- Carcasas de portátiles: Asus Ferrari, en vez del plátisco o el titanio
- Decoración: por ejemplo en salpicaderos de coches
- Música: hay arcos instrumentos de cuerda frotada que son de fibra, con calidades superiores a los de la madera pero comportamientos diferentes


El Otro

zephyr dijo...

wow!! acabo de toparme con este blog y te juro que llevo 3 horas pegado a estas paginas!!! estudio ingenieria aeronautica en Colombia y estoy seguro q esto me va a ser de mucha utilidad... además me encantaron tus tiras cómicas...
gracias

M0M0 dijo...

Hola Lydia, soy Guillem. Me paso por tu blog de vez en cuando pero nunca me he parado a dejar comentarios.

Me estoy pasando el verano dando charlas por ahí sobre programación (lo se, mi vida es muy triste) y la gente termina preguntandome sobre la aeronautica. En vez de hacerme pesado les he estado recomendando que lean tu blog.

Felicidades por tus ratos dedicados a esto, haces que nuestro trabajo no parezca tan aburrido. Pídele a GT ingresos por publicidad, que no se la merece.

Lyd dijo...

Hola a todos!

Menuda locura de días!... suele pasar que cuando se acaban los exámenes se tiene aún menos tiempo que cuando se está estudiando. Tengo un artículo a medias desde hace ni sé el tiempo, espero que seáis comprensivos conmigo :P (prometo que en cuanto pare un poco volveré a publicar)

Muchas gracias por vuestros comentarios, como siempre! Y por la suerte, que me va venido genial, porque me ha ido muy bien en los exámenes (ya queda menos para ser una ingeniera de verdad!). Y por los apuntes, claro!

Lyd dijo...

Alwar: Como dice anónimo, si estudias ingeniería aeronáutica verás pocos aviones (durante la carrera, es muy posible que cuando acabes tengas la suerte de trabajar con ellos). Tienes que ser un poco masoca para estudiar esto, pero yo creo que merece la pena. Es una carrera dura, pero bonita... aunque quizá demasiado teórica. Hay que estar dispuesto a trabajar muy duro.

El Otro: Yo sueño con un protector de fibra de carbono para mi ordenador como el que vi aquí :)

zephyr: Me alegro mucho! Espero verte por aquçi de vez en cuando. Un saludo, colega colombiano! ;)

m0m0: Cuánto tiempo! Espero que todo te esté yendo bien, y que te tomes al menos unas vacaciones cortas en plan relax, que siempre hacen falta. Muchas gracias por la publicidad... y, oye, qué es GT, que no caigo?

M0M0 dijo...

GT == Gómez Tierno flamante nuevo director de la ETSI Aeronáuticos.

Lyd dijo...

Ah, ok! xD

Manu dijo...

Me encanta tu blog, eres muy bueno.
Yo estoy empezando con este

http://llegaprimero.blogspot.com/

Miliño dijo...

Hola, me gusta mucho tu blog. Llegué a él buscando información sobre materiales compuestos. Soy profe y tengo una web para los alumnos con la que quisiera conseguir precisamente el mismo efecto que he sentido yo al leer tu blog. Un saludo

Lyd dijo...

miliño: Pues me halaga mucho que un profesional de la enseñanza piense eso de mi blog. Muchísimas gracias! Espero que consigas tus objetivos con esa web ;)



Template Designed by Douglas Bowman - Updated to Beta by: Blogger Team
Modified for 3-Column Layout by Hoctro