Uso de diversos materiales en el Boeing 787 Dreamliner. [1]Los materiales compuestos W se utilizan ampliamente en la industria aeronáutica y han permitido a los ingenieros superar los obstáculos que se han encontrado al utilizar los materiales individualmente. Los materiales constituyentes conservan sus identidades en los compuestos y no se disuelven ni se fusionan completamente entre sí. Juntos, los materiales crean un material "híbrido" que tiene propiedades estructurales mejoradas.
El desarrollo de materiales compuestos ligeros y resistentes a altas temperaturas permitirá que se materialice la próxima generación de diseños de aviones económicos y de alto rendimiento. El uso de dichos materiales reducirá el consumo de combustible, mejorará la eficiencia y reducirá los costos operativos directos de las aeronaves.
Los materiales compuestos pueden adoptar diversas formas y, si se desea, las fibras se pueden enrollar firmemente para aumentar la resistencia. Una característica útil de los compuestos es que se pueden estratificar, y las fibras de cada capa discurren en una dirección diferente. Esto permite a un ingeniero diseñar estructuras con propiedades únicas. Por ejemplo, se puede diseñar una estructura de manera que se doble en una dirección, pero no en otra. [2]
Contenido
Síntesis de compuestos básicos.
Ejemplo de un material compuesto básico.En un compuesto básico, un material actúa como matriz de soporte, mientras que otro material construye sobre este andamio base y refuerza todo el material. La formación del material puede ser un proceso costoso y complejo. En esencia, se coloca una matriz de material base en un molde a alta temperatura y presión. Luego se vierte un epoxi o resina sobre el material base, creando un material resistente cuando se enfría el material compuesto. El compuesto también se puede producir incorporando fibras de un material secundario en la matriz base.
Los compuestos tienen buena resistencia a la tracción y a la compresión, lo que los hace adecuados para su uso en la fabricación de piezas de aviones. La resistencia a la tracción del material proviene de su naturaleza fibrosa. Cuando se aplica una fuerza de tracción, las fibras dentro del compuesto se alinean con la dirección de la fuerza aplicada, dando su resistencia a la tracción. La buena resistencia a la compresión se puede atribuir a las propiedades adhesivas y de rigidez del sistema de matriz base. La función de la resina es mantener las fibras como columnas rectas y evitar que se pandeen.
Aviación y compuestos
Los materiales compuestos son importantes para la industria de la aviación porque proporcionan una resistencia estructural comparable a las aleaciones metálicas, pero con un peso más ligero. Esto conduce a una mejora de la eficiencia del combustible y el rendimiento de un avión. [3] [4]
El papel de los composites en la industria de la aviación
Uso de diversos materiales en el Boeing 787 Dreamliner. [1]La fibra de vidrio es el material compuesto más común y consta de fibras de vidrio incrustadas en una matriz de resina. La fibra de vidrio se utilizó ampliamente por primera vez en la década de 1950 para barcos y automóviles. La fibra de vidrio se utilizó por primera vez en el avión de pasajeros Boeing 707 en la década de 1950, donde constituía aproximadamente el dos por ciento de la estructura. Cada generación de nuevos aviones construidos por Boeing tuvo un mayor porcentaje de uso de materiales compuestos; el más alto es el 50% de uso compuesto en el 787 Dreamliner .
El Boeing 787 Dreamliner será el primer avión comercial en el que los principales elementos estructurales estén hechos de materiales compuestos en lugar de aleaciones de aluminio. [1] En este avión se producirá un alejamiento de los arcaicos compuestos de fibra de vidrio hacia compuestos más avanzados de laminado de carbono y sándwich de carbono. Se han encontrado problemas con la caja del ala del Dreamliner, que se han atribuido a una rigidez insuficiente en los materiales compuestos utilizados para construir la pieza. [1] Esto ha provocado retrasos en las fechas de entrega iniciales del avión. Para resolver estos problemas, Boeing está endureciendo las cajas de las alas añadiendo nuevos soportes a las cajas de las alas ya construidas, al tiempo que modifica las cajas de las alas que aún están por construirse. [1]
Ensayos de materiales compuestos.
Se ha encontrado difícil modelar con precisión el desempeño de una pieza compuesta mediante simulación por computadora debido a la naturaleza compleja del material. Los compuestos a menudo se colocan en capas uno encima del otro para mayor resistencia, pero esto complica la fase de prueba previa a la fabricación, ya que las capas están orientadas en diferentes direcciones, lo que dificulta predecir cómo se comportarán cuando se prueben. [1]
También se pueden realizar pruebas de tensión mecánica sobre las piezas. Estas pruebas comienzan con modelos a pequeña escala, luego pasan a partes progresivamente más grandes de la estructura y finalmente a la estructura completa. Las piezas estructurales se colocan en máquinas hidráulicas que las doblan y tuercen para imitar tensiones que van mucho más allá de las peores condiciones esperadas en vuelos reales.
Factores del uso de material compuesto.
La reducción de peso es la mayor ventaja del uso de materiales compuestos y es uno de los factores clave en las decisiones relativas a su selección. Otras ventajas incluyen su alta resistencia a la corrosión y su resistencia al daño por fatiga. Estos factores desempeñan un papel a la hora de reducir los costes operativos del avión a largo plazo, mejorando aún más su eficiencia. Los compuestos tienen la ventaja de que pueden adoptar casi cualquier forma mediante el proceso de moldeo, pero esto agrava el ya difícil problema del modelado.
Una desventaja importante del uso de compuestos es que son un material relativamente nuevo y, como tal, tienen un coste elevado. El alto costo también se atribuye al proceso de fabricación, que requiere mucha mano de obra y, a menudo, es complejo. Los composites son difíciles de inspeccionar en busca de defectos, mientras que algunos absorben humedad.
Aunque es más pesado, el aluminio, por el contrario, es fácil de fabricar y reparar. Puede abollarse o perforarse y aún así mantenerse unido. Los composites no son así; si están dañados, requieren reparación inmediata, lo cual es difícil y costoso.
Ahorro de combustible con peso reducido
El consumo de combustible depende de varias variables, entre ellas: peso seco de la aeronave, peso de la carga útil, antigüedad de la aeronave, calidad del combustible, velocidad del aire, clima, entre otras cosas. El peso de los componentes de los aviones fabricados con materiales compuestos se reduce aproximadamente un 20%, como en el caso del 787 Dreamliner. [4]
A continuación se realizaráun cálculo de muestra del ahorro total de combustible con una reducción del peso en vacío del 20% para un avión Airbus A340-300.
Los valores de muestra iniciales para este estudio de caso se obtuvieron de una fuente externa. [5]
Dado:
- Peso en vacío en funcionamiento (OEW): 129.300 kg
- Peso máximo sin combustible (MZFW): 178.000 kg
- Peso máximo de despegue (MTOW): 275.000 kg
- Máx. Rango @ Máx. Peso: 10.458 kilómetros
Se pueden calcular otras cantidades a partir de las cifras dadas anteriormente:
- Peso máximo de carga = MZFW - OEW = 48,700 kg
- Peso máximo de combustible = MTOW - MZFW = 97.000 kg
Entonces, podemos calcular además el consumo de combustible en kg/km en función del peso máximo de combustible y la autonomía máxima = 97.000 kg/10.458 km = 9,275 kg/km.
A continuación se muestra el cálculo del ahorro de combustible previsto con una reducción de peso del 20 %, que solo reducirá el valor OEW en un 20 %:
- OEW (nuevo) = 129.300 kg * 0,8 = 103.440 kg, lo que equivale a un ahorro de peso de 25.860 kg.
Suponiendo que el peso de la carga y el combustible permanecen constantes:
- MZFW (nuevo) = MZFW - 25.680 kg = 152.320 kg
- MTOW (nuevo) = MTOW - 25.680 kg = 249.320 kg
La masa de combustible de 97.000 kg tiene un MTOW reducido y, por lo tanto, tendrá una mayor autonomía porque el peso máximo y la autonomía máxima son cantidades inversamente proporcionales.
Usando razones simples para calcular el nuevo rango:
249,320kgramo275,000kgramo=10,458kmetroXkmetro{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}
Resolver X da un nuevo rango de:
- X = 11.535,18 kilómetros
Esto da un nuevo valor de consumo de combustible con un peso reducido = 97.000 kg/11.535,18 km = 8,409 kg/km
Para poner esto en perspectiva, en un viaje de 10.000 kilómetros , habrá un ahorro de combustible aproximado de 8.660 kg con una reducción del 20% del peso en vacío.
Impacto medioambiental
Es posible reciclar piezas de aviones fuera de servicio. [6]Se está produciendo un cambio más destacado hacia la ingeniería verde . La sociedad actual presta mayor atención y atención a nuestro medio ambiente. Esto también se aplica a la fabricación de materiales compuestos.
Como se mencionó anteriormente, los compuestos tienen un peso más liviano y valores de resistencia similares a los de los materiales más pesados. Cuando se transporta o se utiliza el compuesto más ligero en una aplicación de transporte, existe una carga ambiental menor en comparación con las alternativas más pesadas. Los compuestos también son más resistentes a la corrosión que los materiales de base metálica, lo que significa que las piezas durarán más. [7] Estos factores se combinan para hacer que los compuestos sean buenos materiales alternativos desde una perspectiva medioambiental.
Los materiales compuestos producidos convencionalmente están hechos de fibras y resinas a base de petróleo y no son biodegradables por naturaleza. [8] Esto presenta un problema importante ya que la mayoría de los compuestos terminan en un vertedero una vez que finaliza su ciclo de vida. [8] Se están realizando importantes investigaciones sobre compuestos biodegradables que están hechos de fibras naturales. [9] El descubrimiento de materiales compuestos biodegradables que puedan fabricarse fácilmente a gran escala y que tengan propiedades similares a los compuestos convencionales revolucionará varias industrias, incluida la industria de la aviación.
Una opción alternativa para ayudar a los esfuerzos medioambientales sería reciclar piezas usadas de aviones fuera de servicio. La "desingeniería" de un avión es un proceso complejo y costoso, pero puede ahorrar dinero a las empresas debido al alto coste de la compra de piezas de primera mano. [6]
Materiales compuestos del futuro
Compuestos de matriz cerámica
Se están realizando importantes esfuerzos para desarrollar materiales compuestos livianos y de alta temperatura en la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) para su uso en piezas de aviones. Según cálculos preliminares, se prevén temperaturas de hasta 1.650 °C en las entradas de las turbinas de un motor conceptual. [3] Para que los materiales resistan tales temperaturas, se requiere el uso de compuestos de matriz cerámica (CMC). El uso de CMC en motores avanzados también permitirá un aumento en la temperatura a la que se puede operar el motor, lo que conducirá a un mayor rendimiento. [10] Aunque los CMC son materiales estructurales prometedores, sus aplicaciones son limitadas debido a la falta de materiales de refuerzo adecuados, dificultades de procesamiento, vida útil y costo.
Fibras de seda de araña
Hasta el momento, los científicos no han podido resintetizar perfectamente la seda de araña.La seda de araña es otro material prometedor para el uso de materiales compuestos. La seda de araña exhibe una alta ductilidad, lo que permite estirar una fibra hasta el 140% de su longitud normal. [11] La seda de araña también mantiene su fuerza a temperaturas tan bajas como -40°C. [11] Estas propiedades hacen que la seda de araña sea ideal para su uso como material de fibra en la producción de materiales compuestos dúctiles que conservarán su resistencia incluso a temperaturas anormales. Los materiales compuestos dúctiles serán beneficiosos para una aeronave en partes que estarán sujetas a tensiones variables, como la unión de un ala con el fuselaje principal. La mayor resistencia, tenacidad y ductilidad de dicho compuesto permitirá aplicar mayores tensiones a la pieza o unión antes de que ocurra una falla catastrófica. Los compuestos sintéticos a base de seda de araña también tendrán la ventaja de que sus fibras serán biodegradables.
Se han hecho muchos intentos infructuosos de reproducir la seda de araña en el laboratorio, pero aún no se ha logrado una resíntesis perfecta. [12]
Chapas de acero compuestas híbridas
Otro material prometedor puede ser el acero inoxidable construido inspirándose en compuestos, fibras nanotecnológicas y madera contrachapada. Las láminas de acero están hechas del mismo material y se pueden manipular y mecanizar exactamente de la misma manera que el acero convencional. Pero es un porcentaje más ligero para las mismas fortalezas. Esto es especialmente valioso para la fabricación de vehículos. La empresa sueca Lamera, pendiente de patente, es una escisión de la investigación realizada en Volvo Industries.
Conclusión
Debido a sus mayores relaciones resistencia-peso, los materiales compuestos tienen una ventaja sobre los materiales metálicos convencionales; aunque actualmente resulta caro fabricar composites. Hasta que se introduzcan técnicas para reducir los costos de implementación iniciales y abordar la cuestión de la no biodegradabilidad de los compuestos actuales, este material relativamente nuevo no podrá reemplazar completamente a las aleaciones metálicas tradicionales.
Referencias
- ↑Saltar a:1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Modelado de superficies para materiales compuestos - SIAG GD - Recuperado en http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ^ Materiales de la A a la Z - Compuestos: una introducción básica - Recuperado en http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑Saltar a:3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Recuperado en http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑Saltar a:4.0 4.1 El 787 Dreamliner de Boeing tiene un problema compuesto - Zimbio - Recuperado en http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+compuesto+problema
- ^ Peeters, PM y col. - Eficiencia de combustible de aviones comerciales (pág. 16) - Recuperado en http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Saltar a:6.0 6.1 National Geographic Channel - Hecho por el hombre: Avión - Obtenido de http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ^ Un estudio del impacto ambiental de los compuestos - Recuperado en http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Saltar a:8.0 8.1 Textile Insight - Compuestos textiles ecológicos - Recuperado en http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ^ Materiales de la A a la Z: materiales compuestos de alto rendimiento producidos a partir de plásticos reforzados con fibras naturales biodegradables - Recuperado en http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ^ R. Naslain - Université Bordeaux - Ceramic Matrix Composites - Recuperado en http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Saltar a:11.0 11.1 Departamento de Química - Universidad de Bristol - Recuperado en http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ^ Wired Science - Las arañas fabrican seda dorada - Consultado en http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
