Termoplásticos: reinventando la fbra de carbono

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1 Octubre 2010

En junio de 2009, Domingo Ureña, con su nombramiento como Presidente de Airbus Military aún reciente, presentó sus reflexiones sobre el 'Presente y futuro de la industria aeronáutica española y andaluza' en la sede de la Cámara de Comercio, Industria y navegación de Sevilla.

Entre otros asuntos, Ureña destacó la fortaleza de nuestra comunidad en el campo de los materiales compuestos, aunque también advirtió de la necesidad de continuar innovando. La fibra de carbono es una tecnología que ha alcanzado la madurez. Se puede seguir desarrollando para exprimirla aún más y optimizarla al máximo, pero llegados a un punto las mejoras son incrementales.

La pregunta es: ¿Qué es lo que viene después? ¿Termoplásticos, nuevas aleaciones? ¿Hacia dónde se deben dirigir los esfuerzos de investigación, desarrollo e innovación?

En aquel momento, Ureña anunció la elaboración de un plan de desarrollo tecnológico de I+D+i por parte de Airbus Military para establecer unas líneas estratégicas que sirviesen de guía a la industria auxiliar e identificar socios para los próximos 10 años. Las conclusiones de este plan todavía no se han hecho públicas, pero dentro del panorama que ofrecen los nuevos materiales aeroespaciales, llama la atención el creciente interés de la industria por los termoplásticos, materiales compuestos que hoy en día son la gran esperanza y una oportunidad para seguir en la punta de lanza de la aplicación de los materiales compuestos en la aeronáutica

Termoplásticos, algo nuevo bajo el sol

Un material compuesto o composite es el resultado de la asociación de uno o varios reforzantes (fibras, partículas, láminas,…) y un ligante o matriz, sin que se produzca reacción química entre ellos. Las ventajas que los materiales compuestos presentan en la fabricación de estructuras aeronáuticas son bien conocidas. Por citar sólo algunas, tienen una elevada relación resistencia/peso, son inmunes a la corrosión, presentan un buen comportamiento a fatiga, y la facilidad para reproducir geometrías complicadas reduce drásticamente el número de componentes en los montajes. Los materiales compuestos pueden clasificarse según el tipo de refuerzo o el tipo de matriz, entre otros criterios.

Si miramos los diferentes tipos de matrices, los más conocidos y utilizados en aeronáutica son los polímeros termoestables (o simplemente termoestables). Quizás el mejor ejemplo son las resinas epoxi reforzadas con fibra de carbono. Sin embargo también es posible utilizar polímeros termoplásticos (o simplemente termoplásticos) como matriz. La matriz confiere al material compuesto propiedades relacionadas con su comportamiento frágil, elástico o plástico, y su porosidad. Habitualmente condiciona el rango de temperaturas de servicio. Por lo tanto, la elección de matriz se basa en criterios como la temperatura de servicio, las condiciones humedad en las que el material ha de trabajar, o la tenacidad y resistencia química que se requieran al producto final. Y por supuesto, la rentabilidad de su proceso de fabricación.

En pocas palabras, los termoestables son polímeros cuyo curado es irreversible. Sin entrar en detalles, una de las propiedades que condicionan el uso de las matrices termoestables es que al calentarlas se queman, por lo que no se pueden refundir o soldar. La baquelita, la melamina, el poliuretano, o las resinas epoxi, son ejemplos de este grupo de materiales. Por otra parte, la matriz termoplástica puede reblandecerse con el calor hasta llegar a fundirse, sin degradarse irreversiblemente. Son por tanto polímeros remoldeables y soldables mediante calor, y al enfriarlos por debajo de una temperatura crítica Tg (temperatura de transición vítrea, o glass transition) se endurecen y fragilizan comportándose como un cristal. Ejemplos de este tipo de polímeros son el polietileno, el poliestireno, el nylon, el polipropileno, o el teflón.

Debilidades, Fortalezas, Amenazas, y… una gran Oportunidad

Las matrices termoestables se han venido utilizando más que las termoplásticas en la industria actual por razones de rentabilidad. Su procesado es más sencillo, y la materia prima y los equipos industriales necesarios no son menos caros. Adicionalmente, su excelente fluidez facilita la penetración de la resina y el mojado del material de refuerzo. Esto explica que la calidad y el coste de los elementos fabricados con matriz termoestable encajasen mejor en los planes de negocio de los fabricantes de aeronaves. Sin embargo, los composites de matriz polimérica termoplástica mejoran algunos de los puntos débiles de los termoestables. Por ejemplo, presentan mayor resistencia al impacto y al fuego, disminuyen el fenómeno de absorción de humedad, y mejoran la resistencia a los aceites, combustibles, fluidos hidráulicos y otros agentes químicos.

Además, presentan ciertas ventajas de procesado, como ciclos de fabricación más cortos, con la consiguiente disminución de costes si el volumen de producción es suficientemente grande. La materia prima puede almacenarse indefinidamente en condiciones ambiente, puede conformarse fuera del autoclave tradicional y puede ser reciclada. Por si esto fuera poco, las estructuras termoplásticas presentan la capacidad de ser reparadas utilizando soldadura por resistencia eléctrica con aporte de calor y presión (fusion bonding), un proceso de corta duración, fácil de implementar con equipos portátiles, y muy interesante especialmente en aviones de uso militar.

Llevando este concepto aún más lejos, algunos expertos consideran que la introducción de esta técnica en los procesos de ensamblaje de piezas terminaría con muchos de los problemas asociados a las técnicas utilizadas tradicionalmente en aeronaves, como el remachado o el atornillado. Y entonces, ¿por qué no se ha generalizado el uso de los termoplásticos?

Básicamente por dificultades en el proceso de fabricación derivadas de sus propiedades físicas, y otros factores asociados en general al estado embrionario de la tecnología. Por ejemplo, el conformado de termoplásticos requiere temperaturas más altas. Además la matriz es más viscosa y es difícil garantizar que moja adecuadamente las fibras de refuerzo, sin que se generen huecos en el proceso de fabricación.

Esta inmadurez de los procesos productivos, unida al alto coste de los prepreg (formato en el que se suele servir la materia prima), han sido los principales lastres de las matrices termoplásticas. Por lo tanto tenemos un producto con unas propiedades excepcionales, un mercado en el que la competencia es reducida, aunque altamente especializada, y un campo de aplicación (a continuación lo veremos) que ha venido creciendo desde hace treinta años, y cada vez es más amplio. Una oportunidad excelente para reinventar la fibra.

Un poco de historia

En la década de los años 80, se comenzó a introducir en modelos de aeronaves como el Fokker 100, el Gulfstream G400, o el Airbus Beluga elementos para suelos fabricados a partir de láminas de matriz termoplástica. Poco después, en los años 90 estos materiales dejaron de ser usados exclusivamente en estructuras secundarias para ser empleados en zonas de mayor responsabilidad estructural, como en las costillas de las alas del Gulfstream G500. Ya en el año 2000, Fokker utilizaba la técnica de moldeo por compresión para la fabricación de costillas y rigidizadores en fibra de vidrio y matriz termoplástica, suministrada en láminas consolidadas por la compañía Ten Cate Advanced Composites.

Fokker obtenía así varias costillas en cada ciclo de prensa en menos de 1.5 minutos (sin contar con precalentamientos). De igual manera se siguen produciendo hoy día larguerillos y otros rigidizadores con mayor productividad, dado el tamaño menor de estos elementos. Para piezas de mayor envergadura, difíciles de introducir en las prensas por sus dimensiones, Fokker y Ten Cate desarrollaron los semipreg, tejidos en matriz termoplástica que imitaban la tecnología de lay-up (apilado) desarrollada para los compuestos de matriz epoxy (termoestable). Con este nuevo formato de suministro un amplio campo de aplicaciones se abría para la tecnología de los termoplásticos, hasta ahora reservado a los prepreg de resinas termoestables.

En la actualidad los bordes de ataque del A340 y A380 se fabrican por lay-up usando capas de semipreg como las descritas. De hecho, Airbus decidió usar estas matrices en sus materiales compuestos por sus ventajas en reducción de daños por impactos con aves y reducción de costes de reparación y mantenimiento. Hoy en día existen multitud de aplicaciones aeronáuticas de estos materiales compuestos termoplásticos: bordes de ataque para los Airbus A340, paneles para el fuselaje, alas, superficies de control y cono de cola del Airbus A380, Boeing 747-8, JSF, y Gulfstream G650, posibles aplicaciones para carenados de motores… la lista no deja de crecer.

El futuro de los termoplásticos, en acrónimos

Como toda tecnología en estado embrionario, su futuro está condicionado por el esfuerzo investigador que el mercado esté dispuesto a aplicar. Boeing, junto a otros socios como Fokker y la Universidad de Twente, han apostado por esta oportunidad lanzando el TPRC (Thermoplastic Composites Research Center), centro que pretende convertirse en un referente en la investigación con materiales compuestos de matriz termoplástica. Por su parte, Airbus Military ha concentrado sus esfuerzos en el estudio de los termoplásticos de alta densidad en el proyecto DEPLA (DEsarrollo de Protecciones Ligeras para Aviación), del que ya se habló en el número 13 de Aeronáutica Andaluza, y en el que está muy involucrada su factoría en El Puerto de Santa María. El proyecto, innovador y de alto valor estratégico, permitirá a Airbus Military seguir compitiendo seriamente por ser referencia internacional el área estratégica de nuevos materiales para la aviación. La industria auxiliar andaluza no debe dejar pasar esta oportunidad.

Para sobrevivir en un mercado global es necesario mantener la ventaja tecnológica frente al fortalecimiento de la competencia procedente de economías emergentes. Existen recursos en nuestra región, como Andaltec, Centro Tecnológico del Plástico de Andalucía. Situado en Martos (Jaén), trabaja principalmente con empresas del sector automóvil, pero su amplia experiencia en este tipo de materiales podría convertirlo en un socio valioso para los que estén dispuestos a recoger el guante lanzado por Ureña.

 

Escrito por Rubén Carvajal Vázquez y Manuel Heredia Ortiz. Autores de http://aergenium.es, primer portal web dedicado a la industria aeronáutica andaluza desde 2008.

Para saber más sobre el tema de este artículo, visite la web http://sabermas.aergenium.es, donde encontrará más información, material de soporte, fotografías, vídeos y enlaces de interés. Nuestro agradecimiento a Amparo Cerisola, y Salvador Ortolá por su valiosa contribución en la redacción de este artículo.