Resulta estremecedor ver el video del accidente del piloto polaco de Fórmula 1 Robert Kubica en el gran premio de Canadá en el año 2007. Su BMW se eleva por los aires, choca una primera vez con la barrera, da varias vueltas de campana y finalmente se detiene. Increíble, Kubica está vivo y es capaz de hablar con su manager de BMW. El coche ha quedado totalmente destrozado, la pista llena de trozos y astillas de carbono y, únicamente, se atisba la integridad del habitáculo del piloto. Una estructura ligera, resistente y con capacidad de absorción de energía ha sido capaz de mantener vivo al piloto frente a un impacto a 300 Km/h. Hoy en día, las escuderías de F1 diseñan y fabrican con normalidad coches en materiales compuestos, y, de hecho, prácticamente un 80 % del vehículo (carenado, habitáculo, suspensiones, cajas de cambio, etc.) está fabricado con estos materiales quedando el 20 % restante para piezas metálicas (transmisiones, motor y ruedas). El resultado final es un coche diseñado y fabricado con tecnologías más propias de la industria aeronáutica que de la automoción.
Los avances tecnológicos a lo largo de la historia han estado íntimamente ligados a descubrimiento y/o desarrollo de nuevos materiales. La edad de piedra o la del bronce, la revolución del silicio hace unas décadas, etc. son ejemplos evidentes de esta afirmación. Las nuevas tecnologías siempre han exigido una continua mejora de las prestaciones de los materiales para que sean capaces de soportar cada vez más y más solicitaciones y garanticen su integridad durante su vida útil en servicio.
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| Los materiales compuestos ya se han convertido en materiales con presencia habitual en las actividades cotidianas, los coches, el transporte aéreo, los deportes, etc. |
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Otro excelente ejemplo de estas afirmaciones son los materiales compuestos que ya se han convertido en materiales con presencia habitual en las actividades cotidianas, los coches, el transporte aéreo, los deportes, etc.
En este artículo nos centraremos en dar una visión breve y general de la situación actual de los plásticos o resinas reforzados con fibras -fiber reinforced polymers FRP- entendiéndolos como una parte correspondiente a un universo más complejo y rico que engloba otros materiales compuestos tales como los metales y cerámicos reforzados.
Los plásticos reforzados con fibras se usan, fundamentalmente, en aplicaciones estructurales guiadas por la reducción de peso, como por ejemplo, en la industria aeronáutica o aerospacial. La razón se debe que poseen muy buenas propiedades mecánicas específicas (propiedades por unidad de peso) cuando se comparan con las aleaciones metálicas tradicionales como pueden ser las derivadas del aluminio, Figura 1[1]. Además, los materiales compuestos son menos sensibles a la corrosión o a la fatiga.
Ahorrar peso significa reducir consumo de combustible, reducir costes de operación y mejorar la protección medioambiental. Todas estas razones constituyen una excelente fuerza motriz para desarrollar futuros materiales compuestos y procesos de fabricación.
Figura 1 |
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De hecho, la UE establece como objetivo para el año 2020 una reducción progresiva hasta un 50 % del consumo de combustible por pasajero-kilómetro
[2], siendo un 20 % responsabilidad del desarrollo de nuevos motores cada vez más eficientes y el resto, el 30 %, correspondiente a la utilización masiva de estructuras de carbono CFRP más ligeras y aerodinámicas que las actuales.
Las últimas décadas han sido decisivas para la maduración de la tecnología del metal negro -es así como se suelen llamar estos materiales en el argot tecnológico debido a su aspecto negruzco-. Dos buenos ejemplos de esta afirmación los tenemos en las principales empresas fabricantes de aviones para uso civil en el mundo: los consorcios europeos y americanos Airbus y Boeing, Figura 2
[3] La última aeronave civil de Airbus, el A380, contiene hasta un 25 % en peso de materiales compuestos (carbono, vidrio, materiales híbridos metal-compuesto, etc.) que se utilizan en alas, secciones de fuselaje y superficies sustentadoras. La siguiente generación, el A350, llegará incluso al 53% incluyendo secciones de fuselaje fabricadas íntegramente en materiales compuestos mediante tecnologías avanzadas y altos rendimientos en la cadencia de producción
[4]. Por su parte, el Boeing 787 Dreamliner reclama el puesto de honor correspondiente a ser el primer avión de ese tamaño con un fuselaje fabricado en materiales compuestos de carbono
[5].
Sin ánimo de ser exhaustivos, resulta necesario mencionar en este momento otras aplicaciones igualmente importantes de los FRP's. Este es el caso de la industria de la generación de energía eólica (tómese como ejemplo a Gamesa que es una de las industrias líderes a nivel mundial en la fabricación de aeronegeradores) con una implantación cada vez más creciente. La industria de la generación eólica demandará en los próximos años una ingente cantidad de fibra de vidrio y carbono, incluso comparable a la industria aeronáutica, con el objeto de fabricar palas de mayor longitud que permitan aumentar la potencia unitaria de cada molino de viento. También es necesario mencionar la, lenta, pero progresiva introducción de los materiales compuestos en la ingeniería civil -industria en la que el hormigón y el acero son los materiales reyes por su excelente relación entre su resistencia y su coste. Perfiles pultrusionados de fibra de vidrio, barras de fibra para armado de hormigones en zonas susceptibles a la corrosión, tendones de carbono para pretensado de estructuras, etc., son ejemplos de productos acabados en materiales compuestos. Acciona Infraestructuras fue la primera empresa española en construir un puente carretero mixto sustituyendo el cajón de acero tradicional por otro fabricado íntegramente en fibra de carbono.
Hasta aquí, un breve repaso de algunas de las aplicaciones actuales de los plásticos reforzados con fibras. A pesar de que la tecnología pueda calificarse de madura, existen algunos retos que, a juicio del autor, merece la pena mencionar en este momento.
Figura 2 |
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El primero de los retos es común a la mayor parte de los materiales estructurales. Entender su comportamiento mecánico, en particular la predicción del fallo, es vital para aumentar la fiabilidad de los mismos y empujarlos hasta sus límites estructurales. Esta tarea no es nada fácil en el caso de los materiales compuestos ya que su comportamiento mecánico puede llegar a ser, incluso, más complejo que otros materiales puesto que la adición de las fibras los convierte en materiales altamente anisótropos, con diferentes mecanismos de fallo, rotura de fibras, matriz, despegues entre láminas, capaces de interaccionar entre sí. El reciente lanzamiento del proyecto MAAXIMUS (More Affordable Aircraft Structure Lifecycle through eXtended, Integrated, & Mature nUmerical Sizing), liderado por Airbus y financiado por la Unión Europea dentro del 7º Programa Marco, es una muestra de dicha afirmación. En el marco de este proyecto se desarrollarán y pondrán a punto las técnicas de simulación de alta fidelidad -también denominados ensayos virtuales- que permitirán predecir el comportamiento mecánico de materiales compuestos y de sus estructuras desde la escala de una simple probeta de laboratorio a la de una sección completa del fuselaje de las futuras aeronaves de Airbus. IMDEA Materiales
[6] forma parte del consorcio de empresas, institutos de investigación y universidades participantes en el proyecto MAAXIMUS trabajando con Airbus España en el desarrollo de herramientas de simulación de alta fidelidad para materiales compuestos a escala de laboratorio. Este tipo de simulaciones basadas en mecanismos físicos de deformación y fractura permitirá en el medio plazo reducir el número de ensayos necesarios para caracterizar/certificar materiales para su uso aeronáutico con la consiguiente reducción de costes.
El segundo de los retos anteriormente mencionados es el desarrollo de nuevas técnicas de procesado de materiales compuestos fuera del autoclave.
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| La industria de la generación eólica demandará en los próximos años una ingente cantidad de fibra de vidrio y carbono, incluso comparable a la industria aeronáutica |
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Tradicionalmente, la industria aeronáutica utiliza en sus estructuras materiales pre-impregnados (un pre-preg está formado por fibras en forma de tejido o distribuidas unidireccionalmente previamente impregnadas con resina. Los materiales pre-preg se almancenan en frío para retardar la polimerización de la resina hasta que esta se desencadena por calor en un horno o autoclave). El ciclo de curado, cuya duración típica es de unas horas, constituye un auténtico cuello de botella en el sistema productivo. Aumentar la cadencia de producción y, por tanto, el abaratamiento de costes pasa, necesariamente, por la implantación de nuevas técnicas de procesado fuera de autoclave como sistemas de curado (radiofrecuencia, microondas, rayos X, etc.) o nuevos sistemas de inyección masiva (influsión, transferencia de resina, etc).
Finalmente, es necesario desarrollar nuevos sistemas de resinas y fibras con propiedades mecánicas y funcionales mejoradas: resinas de alta tenacidad de fractura para mejorar su resistencia a la fisuración, resinas de baja viscosidad para utilizarlas en procesos de inyección e infusión, nuevas fibras (nano fibras de carbono y nanotubos) y resinas con mejores propiedades eléctricas. Por otro lado existe una continua demanda para aumentar la temperatura de trabajo de los materiales y mejorar sus propiedades frente al fuego disminuyendo la toxicidad de los humos generados.
Con todo lo aquí expuesto, podemos concluir que la tecnología de los materiales compuestos, el metal negro, ha madurado y demostrado su potencial de uso en todo tipo de industrias durante los últimos años.
Figura 1: Rigidez específica frente a resistencia específica de materiales. Los plásticos reforzados con fibras están bien posicionados en la región delimitada por E/ρ (10-100 GPa/Mg/m3) y σf/ρ (10-100 MPa/(Mg/m3)) compitiendo con las aleaciones metálicas y los cerámicos estructurales.
Figura 2: Evolución del uso de los materiales compuestos en aeronaves civiles de Airbus y Boeing.
[1] Materials Selection in Mechanical Design, Michael F. Ashby, Elsevier 2005.
[2] ec.europa.eu/research/transport/close_up/article_4963_en.html
[3] The research requirements of the transport sectors to facilitate an increased usage of composite materials, Compositn, A Thematic Network on the future use of composites in transport, 2005.
[4] www.airbus.com/en/aircraftfamilies/a380/innovation.html
[5] www.newairplane.com/787/innovativefeatures/cuttingedgetechnology/advancedcompositedesign/
[6] www.materiales.imdea.org/Investigacion/Proyectos/tabid/1315/Default.aspx
