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Materiales Compuestos de Matriz Termoplástica: Aplicaciones Aeronáuticas (I)

23 agosto 2009

Como ya hemos comentado, estos materiales han sido ampliamente utilizados en el sector automovilístico y para ellos ha supuesto una inversión en tiempo y esfuerzo el llegar a controlar los usos y sus tecnologías. Actualmente, el sector aeronáutico sigue introduciendo materiales cada vez mas livianos en las aeronaves sin que ello acote las restricciones de resistencia y comportamiento.

Aircraft Parts
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Dada las peculiaridades mecánicas de las matrices termoplásticas (más dúctiles que las termoestables y lo que ello conlleva en cuanto a impacto) y el convulso mundo del reciclado en el que nos hallamos, han hecho que estos termoplásticos reutilizables se estén imponiendo cada vez con más fuerza en las aplicaciones aeroespaciales.

En este sentido, las aplicaciones aeronáuticas de estos materiales compuestos termoplásticos van en aumento. Como muestra, un botón: el famoso constructor de aeronaves Stork Fokker lleva años empleando estos composites en sus productos.  Bordes de ataque (leading edge, también conocidos como J-Nose) para los Airbus A340 con refuerzo de fibra de vidrio,  reemplazamiento de elementos metálicos en las D-noses por paneles sandwich con núcleo de Nomex (DuPont Advanced Fiber Systems),  paneles para el fuselaje, alas, superficies de control y cono de cola del Airbus A380, Boeing 747-8 y JSF así como para el Gulfstream G650 business jet. La lista suma y sigue.

Leading Edge A340 A380 by Fokker

Leading Edge A340 A380 by Fokker

Leading Edge A340 A380 by Fokker

De hecho, Airbus tomó la determinación de usar estas matrices en sus materiales compuestos, no solo para reducir peso, sino para reducir los daños por impactos con aves y abaratar costes de reparación y mantenimiento. Estas sustituciones han sido probadas y su éxito llevó a Airbus a que, en el dia del roll-out del A380, presentara estos 26 m de borde de ataque, que se extienden desde la turbina interna hasta el wingtip de cada ala. Por otro lado, dadas las propiedades de resistencia a mayores temperaturas que las resinas termoestables, hacen de que este material sea apropiado  para carenados de motores. En este sentido, las capas de preimpregnado cerámico serían menores o incluso sustituibles o eliminables.

Un poco de historia

En los 80s, las láminas de termoplásticos PEI comenzaban a ser usadas en los suelos de las aeronaves. Las terminaciones de estos suelos se hacían con fibra de vidrio y de carbono en los modelos Fokker 100 de cargo y Gulfstream G400, G500 y AirbusBeluga, respectívamente. Poco después, en los 90s estos materiales dejaron de ser usados exclusívamente en zonas de responsabilidad baja para ser empleados en costillas de las alas del G500.

Ya en el año 2000, cuando el programa de desarrollo de los bordes de ataque para el modelo de Airbus A340 comenzaba, Fokker moldeaba sus piezas con fibra de vidrio y matriz de PPS (suministrada en láminas consolidadas por Ten Cate Advanced Composites). El proceso utilizado era el de moldeado por compresión para costillas y rigidizadores, sin embargo los paneles para los bordes de ataque del A380 eran demasiado largos para que cupieran en una prensa común. Por otro lado, estos paneles debían ser recrecidos y reforzados en ciertas zonas de agarre. De esta manera, Fokker y Ten Cate desarrollaron los semipreg, tejidos con termoplásticos que imitaban la tecnología de lay-up de los compuestos de matriz termoestable para ser conformados a su forma definitiva en autoclave. La diferencia estriba en que los materiales auxiliares deben soportar mayores temperaturas de conformado (ojo, conformado. No curado). Con esta nueva manera de suministrar la materia, las tecnologías abrían un nuevo campo hasta ahora reservado a los prepreg de resinas termoestables.

Actualmente los bordes de ataque del A340 y A380 se fabrican por lay-up usando capas de 8-harness semipreg. Las capas se cortan de manera automatizada con máquinas de corte Lectra basándose en los modelos préviamente definidos en Catia Composite Covering (ó también FiberSim de Vistagy). Luego se posicionan en los útiles de conformado ayudados por laser (Virtek Vision International) siguiendo la secuencia de diseño hasta conseguir el laminado definitivo. Con esto conseguimos un panel de espesor variable por zonas (de 5 a 12 capas, dependiendo de la zona). Para fijar las capas entre ellas según se va laminando, se usa un equipo manual de soldadura por ultrasonido. Recordemos que estos semipregs vienen consolidados y no tienen la pegajosidad característica de los tejidos con resina preimpregnada. Una vez laminado, se cierra con una bolsa de curado resistente a altas temperaturas (482ºC-662ºC) y se introduce en un autoclave con capacidad para alcanzar las temperaturas de transición vítrea de la matriz (valor típico 300ºC-400ºC). Dado que no se produce ninguna reacción química de curado, los ciclos son más cortos y más flexibles en cuanto a las rampas de calentamiento y enfriamiento. De hecho, si el producto no posee la configuración deseada, se puede dar un segundo ciclo de autoclave hasta conseguir la forma deseada.

J-Nose ribs conformed by Fokker

J-Nose ribs conformed by Fokker

Para los J-Nose, costillas, rigidizadores y larguerillos, Fokker sigue usando los productos preconsolidados de Cetex. Ten Cate lamina cinco capas de semipreg y las envía con una preforma de manera que Fokker tan solo tiene que meterlos en la prensa para conformarlos a la forma definitiva con calor.  Así, Fokker obtiene 4 costillas en cada ciclo de prensa que no dura más de 1.5 minutos (sin contar con precalentamientos). De igual manera se producen los larguerillos y otros rigidizadores pero con mayor productividad, dado el tamaño menor de estos elementos.

Caso del Airbus A380

Un A380 posee 16 ensamblajes en el borde de ataque. Cada parte mide entre 3 y 4 m. Para el obtener el conjunto, se comienza por posicionar el panel revestimiento en un útil de montaje. A continuación, los larguerillos se colocan y se sueldan térmicamente al revestimiento por resitencia o por ultrasonido. Las costillas van a continuación siguiendo el mismo proceso de soldadura y eliminando la necesidad de remaches. Seguidamente, Airbus reporta la información acerca de los ensayos pertinentes sobre estos elementos y pasan al siguiente punto en la cadena de montaje.


Futuro para los Thermoplastic Composites: el TPRC

Conocido por las siglas TPRC (Thermoplastic Composites Research Center), este centro pretende ser un referente en la investigación con materiales compuesto de matriz termoplástica. Los socios son Boeing, TenCate Advanced Composites BV, Stork Fokker y la Universidad de Twente, en  los Países Bajos. Los motivos estan claros, apoyar estos materiales a través de sus propiedades medioambientas, menores costes de fabricación, ahorro energético en la conservación y comportamiento mecánico ante los impactos.

La puerta esta abierta a las nuevas aplicaciones. ¿Quién da más? Es el momento.

2 comentarios leave one →
  1. Fabio Hernan permalink
    7 abril 2010 22:10

    Cordial saludo

    Me parece muy interesante el tema tratado acerca de los nuevos materiales aplicados a la aeronautica me gustaria saber si existe investigacion en los procesos de delaminacion en estos materiales. Este tema lo estoy trabajando en mi proyecto de matesria y me gustaria saber si usted me pueden ofrecer alguna informacion sobre las junturas T.

    Gracias

  2. 9 junio 2010 17:33

    Por favor, lean bien sus comentarios antes de publicar a fin de no tener que revisarlos gramaticalmente uno a uno. Es su responsabilidad hacer un buen uso del lenguaje.

    Gracias.

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