Materiales Utilizados en la Industria Aeronáutica - Fernando Castaño Membrives

Materiales Utilizados en la Industria Aeronáutica

Fernando Castaño Membrives

Fernando Castaño Membrives GS1A

MATERIALES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA AERONÁUTICA

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Sumario 1. Historia de la Construcción de Aviones 2. Los primeros materiales para la construcción de aviones: Madera y Acero 3. Aluminio 3.1 Características del Aluminio 3.2 Aleaciones del Aluminio utilizados en el sector aeronáutico 3.3 Obtención del Aluminio 3.4 ¿Como mecanizamos el Aluminio? 3.5 Multimedia 4. Titanio 4.1 Características del Titanio 4.2 Aleaciones del Titanio utilizados en el sector aeronáutico 4.3 Obtención del Titanio 4.4 ¿Como mecanizamos el Titanio? 4.5 Multimedia 5. Composite 5.1 Características del Composite 5.2 Aleaciones del Composite utilizados en el sector aeronáutico 5.3 Obtención y fabricación del Composite 5.4 Multimedia 6. Bibliografía

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1. Historia de la construcción de aviones “Cuenta la leyenda que Ícaro y Dédalo, que encontrándose prisioneros en la isla de Minos, se construyeron unas alas con plumas y cera para poder escapar. Ícaro se aproximó demasiado al Sol y la cera de las alas comenzó a derretirse, haciendo que se precipitara en el mar y muriera. Esta leyenda era un aviso sobre los intentos de alcanzar el cielo, semejante a la historia de la Torre de Babel en la Biblia, y ejemplifica el deseo milenario del hombre de volar.” Mas allá de las leyendas, los primeros intentos del hombre por volar se resumen en artefactos de madera y plumas, en paracaidas artesanales, en globos aerostáticos y dirigibles hechos de tela y papel gracias al aire caliente, en planeadores (causando no pocos accidentes para los valientes inventores), y ya por fin, a finales del siglo XIX, los primeros aviones, ya pensados con motores y hélices. No fue hasta principios de los 90 que los hermanos Wright y Alberto Santos Dumont (cada uno por su lado) registraron los primeros grandes vuelos.

Cuando en 1903 Wilbur y Orville Wright efectuaron con éxito su primer vuelo, la construcción de aviones era un oficio que practicaban inventores y aventureros de forma artesanal en pequeños talleres. La aportación, pequeña aunque decisiva, de los aviones militares de la primera Guerra Mundial hizo que la construcción de aviones saliese de los talleres y pasara a la producción en serie. Los aviones de segunda generación permitieron a los operadores de posguerra adentrarse en el ámbito comercial, principalmente en el transporte de correo y carga urgente. Por aquel entonces, los aviones de línea seguían sin presurizar, sus sistemas de calefacción eran deficientes y no podían volar por encima de condiciones climatológicas adversas. A pesar de estos inconvenientes, el tráfico de pasajeros aumentó un 600 % entre 1936 y 1941, aunque continuaba siendo un lujo sólo al alcance de unos pocos.

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Los significativos avances de la tecnología aeronáutica y la consiguiente utilización de la fuerza aérea durante la segunda Guerra Mundial alentaron el vertiginoso crecimiento de la construcción aeronáutica que tuvo lugar en los Estados Unidos, el Reino Unido y la Unión Soviética tras la finalización del conflicto. A partir de la segunda Guerra Mundial, los misiles tácticos y estratégicos, los satélites de navegación y reconocimiento, y las aeronaves tripuladas fueron ganado protagonismo en el ámbito aeronáutico militar. Las comunicaciones vía satélite y las tecnologías de control geográfico y de previsión meteorológica han ido ganando en importancia comercial. A finales del decenio de 1950, la aparición de los turborreactores comerciales hizo que los viajes en avión fueran más rápidos y cómodos, con lo que se disparó el crecimiento del transporte aéreo comercial. En 1993 la cifra anual de vuelo —en términos de pasajeros/milla— rondaba los 1,25 billones. Para el año 2013 se espera triplicarla.

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2. Los primeros materiales para la construcción de aviones: Madera y Acero Los intentos por volar han sido muchos, y se ha tardado en conseguir, no solo por la técnica inadecuada, si no por los materiales incorrectos o falta de motores ligeros y potentes. 2.1. La madera Los primeros materiales en emplearse fueron la madera y la tela, proporcionaban una resistencia adecuada con un peso muy bajo. La madera en muchos aspectos se comporta como un material compuesto, por cómo está constituida por capas, con mejores propiedades en la dirección longitudinal de la fibra, tiene valores de módulo elástico y resistencias muy altos para su densidad. Algunos ejemplos: 1. Abeto 1. E=9000Mpa 2. Resistencia a la tracción: 70Mpa 3. Densidad: 400kg/m3 2. Abedul 1. E=14250Mpa 2. Resistencia a la tracción 100Mpa 3. Densidad: 630kg/m3 Estos valores son mejores que los de algunas aleaciones de aluminio, pero... 1. La madera sufre cambios en su tamaño y sus propiedades con la variación de humedad 2. La madera se ve sometida al ataque biológico. Fue utilizada hasta la segunda guerra mundial. Antes principalmente en estructuras recubiertas de tela y en recubrimientos. En la Segunda Guerra Mundial se empleó en forma de laminados, en algunas estructuras y recubrimientos, siendo el ejemplo más conocido el avión británico “Mosquito”.

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2.2 El acero El acero tiene buenas cualidades respecto a resistencia, pero su densidad es excesiva y tiene graves problemas de corrosión. No obstante sustituyó a la madera en la construcción: Ya en la primera Guerra Mundial, Junkers empleó chapas de aluminio corrugado para ahorrarse el peso de los rigidizadores y crear el 1er avión enteramente metálico (y monoplano) relegando el uso de la madera, y Fokker empleó la estructura del tubo de acero recubierta de tela. 1. Como ventaja, destacamos su resistencia 2. Pero como desventaja, tenemos que su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10 veces la de la madera. 3. También hay que evitar que en su uso entre en contacto con aleaciones de aluminio ya que tendríamos: • •

Corrosión galvánica en contacto con otras aleaciones (ésta también se da entre aleaciones de aluminio, pero es menor, por ser su potencial de oxidación más semejante). Al ser más rígido que el aluminio, se cargará más que este, haciendo que no trabaje como debiera.

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El acero aún es esencial para la fabricación de algunos componentes, como pueden ser el tren de aterrizaje, herrajes, bancadas de motor, etc. Su coste es inferior al de otro tipo de aleaciones. Es tres veces más pesado que el aluminio, pero también tres veces más resistente.

El paso del tiempo ha ido mostrando los materiales mas adecuados para el mundo de la aviación. Entre ellos, el Aluminio, el Titanio y los Composites. • • •

El aluminio aparece en la aviación a principios del siglo XX, concretamente en Alemania, aunque su cantidad era relativamente baja. La transición entre la madera y el aluminio empezó en los años 30, y fue completamente asentada durante la II Guerra Mundia. El titanio comenzó a usarse en la década de los 50, sobretodo por la Unión Soviética para aplicaciones militares durante la Guerra Fría. Aviones famosos que empezaron a usar el titanio fueron el F100 Super Sabre y el Lockheed A-12 Los composites fueron instroduciéndose en los aviones durante y tras la II Guerra Mundial. En ella se empezaron a usar para la estructura y la semi-estructura, y para los motores. En los 60 se empezó a producir de forma comercial la fibra de carbono. Ya en los 80 se provocó un punto de inflexión en el momento en que Airbus empezó a desarrollar e incorporar piezas de composite en sus aviones.

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3. Aluminio (Al) Número atómico

13

Valencia

3

Estado de oxidación

+3

Electronegatividad

1,5

Radio covalente (Å)

1,18

Radio iónico (Å)

0,50

Radio atómico (Å)

1,43

Configuración electrónica

[Ne]3s23p1

Primer potencial de ionización (eV)

6,00

Masa atómica (g/mol)

26,9815

Densidad (g/ml)

2,70

Punto de ebullición (ºC)

2450

Punto de fusión (ºC)

660

Descubridor

Hans Christian Oersted en 1825

El aluminio, de símbolo Al, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. No se halla puro, sino formando parte de otros compuestos y minerales. El químico danés H. C. Oersted aisló el aluminio por primera vez en 1825. El aluminio es un metal que reúne una serie de propiedades mecánicas excelentes dentro del grupo de los metales no férreos, de ahí su elevado uso en la industria y en la vida cotidiana pero rara vez se emplea solo, sino formando parte de aleaciones que mejoran sus propiedades mecánicas.

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3.1 Características del Aluminio Características físicas: • • • • • • •

El aluminio es un metal ligero, con un densidad 2.7 veces mayor que la del agua. Su punto de fusión es más bien bajo, en torno a los 660ºC. Su color es blanco y brillante, con propiedades optimas para la óptica. Posee una buena conductividad eléctrica, que se encuentra entre los 34 y 38 m/Ω mm^2, así como también tiene una gran conductividad térmica (de 80 a 230 W/ m.K). Es resistente a la corrosión, gracias a la capa protectora característica de óxido de aluminio, resiste a los productos químicos, puede estar expuesto a la intemperie, al mar, etc. Es el tercer elemento en cuanto a abundancia en la corteza terrestre, por detrás del oxígeno y el silicio. Es un material fácilmente reciclable, sin un elevado coste.

Características químicas: • • •

Gracias a su alto estado de oxidación, al contacto con el aire se forma rápidamente una capa protectora de óxido de aluminio, proporcionándole resistencia y durabilidad. Dicha capa protectora es de color grisáceo. Otra característica del aluminio, es su carácter anfótero, que le permite ser disuelto tanto en ácidos como en bases, liberando hidrógeno. Su estado de oxidación es +3, debido a sus tres electrones en la capa de valencia.

Características mecánicas: • • •

Mecánicamente es un material y maleable. En estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200 N/mm2 [160-200 MPa]. Todo ello le hace adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre él operaciones de fundición y forja, así como la extrusión del material. También de esta forma se utiliza como soldadura.

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3.2 Aleaciones del Aluminio utilizados en el sector aeronáutico 3.2.1

El Duraluminio

Duraluminio. Es el representante más difundido del grupo de aleaciones de aluminio que se utilizan deformadas y que son endurecibles por Tratamiento Térmico. El duraluminio fue la primera aleación industrial a base de aluminio. El nombre de duraluminio puede descifrarse como aluminio duro. Este material fue descubierto por A. Wilm cuando trabajaba con esta aleación de manera casual se presentó frente al fenómeno del envejecimiento natural. Su primer trabajo se publicó en 1906. En la URSS comenzó a producirse duraluminio en el año 1924. El duraluminio contiene alrededor del 4 % de Cu, 0.5 % de Mg y manganeso y hierro. Es la aleación de seis componentes por lo menos: -

Aluminio Cobre Magnesio Manganeso Silicio Hierro

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Aunque los principales aditivos son el cobre y el magnesio. Por esto puede considerarse como una aleación del sistema Al – Cu – Mg. El silicio y el hierro son impurezas constantes que llegan a la aleación debido al empleo de aluminio insuficientemente depurado. Los componentes forman una serie de compuestos solubles que provocan el envejecimiento, como el CuAl2, Mg2Si y de compuestos insolubles, como los compuestos ferruginosos y de manganeso. La estructura del duraluminio recocido está constituida por solución sólida e inclusiones secundarias de compuestos intermetálicos diversos. Después del temple desde la temperatura óptima (500 ºC), la cantidad principal de los compuestos CuAl2 y Mg2Si se disuelve en el aluminio pero los compuesto de hierro no se disuelven, por esto en estado de temple, la estructura consta de solución sólida de aluminio y de inclusiones insolubles de compuestos de hierro. Cuando el calentamiento es superior a los 500 - 520 ºC, los granos empiezan fundirse por sus límites, y al enfriarse, las zonas de fase líquida se trasforman en eutéctica. 3.2.2

Aluminio + Cobre + Niquel (Al - Cu - Ni)

(De esto no he encontrado nada especial, pero en una web decía que era una aleación importante en la fabricación). 3.2.3

Aluminio + Cinc (Al – Zn) (serie 7XXX)

Las aleaciones de la serie 7XXX contienen como elemento principal de la aleación el cinc, normalmente en combinación con magnesio y cobre. El rango de alta solidez de las aleaciones 7XXX se utiliza generalmente en las estructuras espaciales. Estos materiales ofrecen los niveles más altos de resistencia a la temperatura de habitación alcanzable en las aleaciones laminadas de aluminio. Estas aleaciones son fáciles de tratar mecánicamente, y además se pueden pulir hasta un acabado alto.

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Las principales aleaciones de aluminio utilizadas como componentes estructurales en el sector aeroespacial son las aleaciones de la serie 7xxx de alta resistencia mecánica (o las de la serie 2xxx con reconocida mejora en la tenacidad). Las aplicaciones industriales de estas aleaciones se explican a partir de su microestructura y propiedades físicomecánicas, por lo que son más usadas en bastidores y piezas del fuselaje de componentes aeronáuticos, donde la resistencia específica también es un factor crítico. Sirva como ejemplo que entre el 75% y el 80% de un avión comercial está fabricado con estas “aleaciones aeroespaciales”. En siguiente figura se incluye un esquema del porcentaje de los distintos materiales empleados en el avión A340:

Se empezó a emplear en la Segunda Guerra Mundial por su alta resistencia estática. Sin embargo el alto índice de atrición no permitió comprobar un grave problema que arrastraba: la corrosión bajo tensiones. Por ello suele emplearse a compresión. Las distintas modificaciones de esta aleación han intentado conseguir una reducción de su densidad, más que un aumento de su resistencia. 3.3 Obtención del Aluminio Página 12 de 35



El aluminio ocupa el tercer lugar en cuando a abundancia en la corteza terrestre se refiere. Posee grandes aplicaciones comerciales, industriales, etc., superado solamente por el hierro, y aún siendo tan usado, el aluminio no fue preparado como lo conocemos hoy en día, hasta el pasado siglo. El aluminio, a pesar de ser tan abundante en la corteza terrestre, presente en los aluminosilicatos, no es muy práctico extraerlo de la mayor parte de las rocas o minerales que lo poseen, así que, éste viene preparado industrialmente, partiendo de la alúmina (Al2O3), un óxido de aluminio que viene extraído de las menas de alúmina previamente hidratada, cuya fórmula es “Al2O3.xH2O”, la cual es una roca sedimentaria que recibe el nombre de bauxita. Al contrario de la obtención del hierro, la preparación del aluminio no se puede realizar de manera industrial por reducción química, por lo que se hace necesaria la reducción de la alúmina a través de corriente eléctrica.

La alúmina es una material de tipo refractario que posee un alto punto de fusión, por lo que es conveniente realizar previamente la disolución en criolita, Na3AlF6, el cual tiene un punto de fusión que ronda los 1000ºC, pero aún así es bastante inferior al punto de fusión de la alúmina, el cual es de 2015ºC. La alúmina en criolita, a modo de baño fundido, es un conductor de la corriente eléctrica, siendo la reducción del aluminio realizada de manera electrolítica. El proceso global presenta la siguiente fórmula: Al2O3 → 2 Al (cátodo) + 3/2 O2 (ánodo) El oxígeno que se produce reacciona con el ánodo de carbono, consiguiendo consumirlo y formar CO2. Se obtiene así, el aluminio fundido, siendo más denso que el baño fundido, por lo cual se suele acumular en el fondo, de donde se extrae directamente para poder pasar a solidificarlo en lingotes. La obtención de aluminio consume grandes cantidades de energía.

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El aluminio, al igual que el hierro, reacciona con el oxígeno, dando lugar a la formación de los óxidos respectivos. Pero sin embargo, mientras el aluminio forma una cubierta transparente y bastante resistente frente al Al2O3, el cual ejerce una acción de protección impidiendo que se produzca la oxidación que pueda producirse en continuación, mientras que el hierro suele formar una capa rugosa la cual se desprende de la superficie fácilmente, caso en el cual el producto final se conoce como herrumbre, siendo un óxido hidratado de hierro III. En resumen podemos decir, que el mineral del cual se obtiene o extrae del aluminio, prácticamente en exclusiva es la bauxita, la cual posee entorno a un 30% de aluminio. También puede extraerse de otros tipos de menas, como por ejemplo, los silicatos de aluminio, como la arcilla u otros, pero además de ser más bien pobres en contenido alumínico, su producción es bastante poco rentable hoy en día, por lo cual se utiliza, como ya habíamos dicho, la obtención de aluminio a través de la producción electrolítica. 3.4 ¿Como mecanizamos el Aluminio? El mecanizado del aluminio y sus aleaciones en máquinas herramientas de arranque de virutas en general, es fácil y rápido y está dando paso a una nueva concepción del mecanizado denominada genéricamente mecanizado rápido. Durante el arranque de viruta, las fuerzas de corte que tienen lugar son considerablemente menores que en el caso de las generadas con el acero (la fuerza necesaria para el mecanizado del aluminio es aproximadamente un 30% de la necesaria para mecanizar acero). Por consiguiente, los esfuerzos sobre los útiles y herramientas así como la energía consumida en el proceso es menor para el arranque de un volumen igual de viruta. El concepto de mecanizado rápido se refiere al que se produce en las modernas máquinas herramientas de Control Numérico con cabezales potentes y robustos que les permiten girar a muchos miles de revoluciones por minuto hasta del orden de 30.000 rpm, y avances de trabajo muy grandes cuando se trata del mecanizado de materiales blandos y con mucho vaciado de viruta tal y como ocurre en la fabricación de moldes o de grandes componentes de la industria aeronáutica. El aluminio tiene unas excelentes características de conductividad térmica, lo cual es una importante ventaja, dado que permite que el calor generado en el mecanizado se disipe con rapidez. Su baja densidad hace que las fuerzas de inercia en la piezas de aluminio giratorio (torneados) sean así mismo mucho menores que en otros materiales.

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Ocurre, sin embargo, que el coeficiente de fricción entre el aluminio y los metales de corte es, comparativamente con otros metales, elevado. Este hecho unido a su baja resistencia hace que se comporte como plastilina, pudiendo causar el embotamiento de los filos de corte, deteriorando la calidad de la superficie mecanizada a bajas velocidades de corte e incluso a elevadas velocidades con refrigeración insuficiente. Siempre que la refrigeración en el corte sea suficiente, hay una menor tendencia al embotamiento con aleaciones más duras, con velocidades de corte mayores y con ángulos de desprendimiento mayores. El desarrollo del mecanizado rápido permite que muchas piezas complejas no sea necesario fundirlas previamente sino que se mecanicen a partir de unos prismas a los cuales se les realiza todo el vaciado que sea necesario. El mecanizado rápido puede representar una reducción de costes en torno al 60%. En este tipo de mecanizado rápido se torna crítico la selección de las herramientas y los parámetros de corte. La adopción del mecanizado de alta velocidad es un proceso difícil para el fabricante, ya que requiere cambios importantes en la planta, una costosa inversión en maquinaria y software, además de una formación cualificada del personal.

-

Herramientas de corte

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Para el mecanizado rápido que se realiza en las máquinas herramientas de Control Numérico es conveniente que se utilicen herramientas especiales para el mecanizado del aluminio. Se distinguen de las empleadas en el mecanizado del acero en que tienen mayores ángulos de desprendimiento y un mayor espacio para la evacuación de la viruta, así como unos rebajes para que la viruta fluya mejor. La mayoría de las herramientas de filo múltiple como por ejemplo las fresas, tienen pocos dientes. Hay tres grandes familias de herramientas de corte para el mecanizado del aluminio: •

Acero rápido (HSS)

•

Metal duro (carburos metálicos) (widia)

•

Diamante

•

Las herramientas de acero rápido son apropiadas para el mecanizado de aleaciones de aluminio con bajo contenido en silicio. Permite el uso de grandes ángulos de desprendimiento para obtener unas mejores condiciones de corte. El acero rápido es más económico que el metal duro cuando la maquinaria de que se dispone no permite el uso de las velocidades de corte alcanzables con el carburo metálico. En el mecanizado de aluminios con elevado contenido de silicio el desgaste de este tipo de herramientas se acelera. Estas herramientas se utilizan principalmente en la industria de carpintería metálica para el mecanizado de perfiles extrusionados.

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Las herramientas de metal duro (widia) ofrecen la ventaja de una mayor duración de la herramienta. Se emplean en el mecanizado de aluminios con elevado contenido en silicio así como para los mecanizados a altas velocidades de corte. Las fundiciones de aluminio, con la presencia de cristales de silicio de elevada dureza requieren obligatoriamente el uso de herramientas de carburo metálico. Dentro de los carburos metálicos los distintos fabricantes tienen distintas gamas y calidades, en función de las condiciones de corte requeridas.

•

Las herramientas de diamante se caracterizan por su elevada duración, incluso si se emplean en el mecanizado de aleaciones con un elevado contenido en silicio. Suelen emplearse para trabajos de mecanizado en piezas que generen mucha viruta.

-

Refrigeración del mecanizado

Como lubricante de corte para el aluminio es recomendable que se utilicen productos emulsionables en agua con aditivos de lubricación específicamente formulados a tal fin que estén exentos de compuestos en base cloro y azufre La lubricación se utiliza en operaciones de taladrado, torneado, fresado, brochado, escariado y deformación. -

Mecanizado por electroerosión Página 16 de 35



Las aleaciones de aluminio permiten su mecanizado por procedimientos de electroerosión que es un método inventado para el mecanizado de piezas complejas. No obstante, este método no es del todo adecuado para el aluminio, pues su elevada conductividad térmica reducen notablemente la velocidad de eliminación del material, ya de por sí bastante lenta para este método. 3.5 Multimedia • • • •

Así se hace el Aluminio (http://www.youtube.com/watch?v=iN7dHgyYDm4) Cuestiones interesantes sobre el Aluminio (http://www.youtube.com/watch?v=upVlSzYiahs) Aluminio (Canal Historia) (http://www.youtube.com/watch?v=jvnzIGSPHqY) Procesamiento de Materiales Multicapa con elevada tolerancia al daño a partir de aleaciones ligeras de aluminio de Alta Resistencia (Carmen Cepeda) (http://www.youtube.com/watch? v=vjGaIkxnqsQ)

4. Titanio (Ti) Número atómico

22

Valencia

2,3,4

Estado de oxidación

+4

Electronegatividad

1,5

Radio covalente (Å)

1,36

Radio iónico (Å)

0,68

Radio atómico (Å)

1,47

Configuración electrónica

[Ar]3d24s2

Primer potencial de ionización (eV)

6,89

Masa atómica (g/mol)

47,90

Densidad (g/ml)

4,51

Punto de ebullición (ºC)

3260

Punto de fusión (ºC)

1668

Descubridor

William Gregor en 1791

El titanio es un elemento químico de número atómico 22 situado en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos y cuyo símbolo químico es Ti. Es un metal de transición abundante en la corteza terrestre; se encuentra, en forma de óxido, en la escoria de ciertos minerales de hierro y en cenizas de animales y plantas. El metal es de color gris oscuro, de gran dureza, resistente a la corrosión y de propiedades físicas parecidas a las del acero; se usa en la fabricación de equipos para la industria química y, aleado con el hierro y otros metales, se emplea en la industria aeronáutica y aeroespacial.

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4.1 Características del Titanio El titanio es un elemento metálico que presenta una estructura hexagonal compacta, es duro, refractario y buen conductor de la electricidad y el calor. Presenta una alta resistencia a la corrosión (casi tan resistente como el platino) y cuando está puro, se tiene un metal ligero, fuerte, brillante y blanco metálico de una relativa baja densidad. Posee muy buenas propiedades mecánicas y además tiene la ventaja, frente a otros metales de propiedades mecánicas similares, de que es relativamente ligero. La resistencia a la corrosión que presenta es debida al fenómeno de pasivación que sufre (se forma un óxido que lo recubre). Es resistente a temperatura ambiente al ácido sulfúrico (H2SO4) diluido y al ácido clorhídrico (HCl) diluido, así como a otros ácidos orgánicos; también es resistente a las bases, incluso en caliente. Sin embargo se puede disolver en ácidos en caliente. Asimismo, se disuelve bien en ácido fluorhídrico (HF), o con fluoruros en ácidos. A temperaturas elevadas puede reaccionar fácilmente con el nitrógeno, el oxígeno, el hidrógeno, el boro y otros no metales.

4.2 Aleaciones del Titanio utilizados en el sector aeronáutico La alta resistencia y baja densidad del titanio garantizan un papel positivo para el metal en aplicaciones para el motor y el fuselaje. Es difícil imaginar como serían hoy en día los actuales niveles de rendimiento del motor, las relaciones de peso, la velocidad del avión, etc, sin titanio. El titanio capaz de funcionar a temperaturas desde bajo cero a 600ºC se usa para discos, cuchillas, ejes y cubiertas de ventilador para los motores, así como para el compresor de alta-presión y otros elementos. Página 18 de 35



Las aleaciones con fuerza hasta 1200MPa se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones en el avión, desde pequeñas piezas que pesan solo unos pocos gramos, a las estructuras del tren de aterrizaje y vigas grandes de las alas de hasta 1 tonelada. Hoy en día, gracias al titanio, aviones como el 777 pesan un 10% menos. Algunas de las aleaciones disponibles para aplicaciones en los aviones se describen en las siguientes tablas. Las aleaciones se agrupan según sus usos: Tabla 1. Aleaciones de Titanio más utilizadas en las aplicaciones aeronáuticas. Aleación

Atributos / Aplicaciones

Ti6Al4V

Aleación de alta resistencia

Ti6Al2Sn4Zr2Mo (6-2-4-2)

Previene la oxidación del motor

Ti6Al2Sn4Zr6Mo (6-2-4-6)


Ti3Al8V6Cr4Zr4Mo (Beta C) Aleación usada para resortes. Ti10V2Fe3Al (10-2-3)

Se usa para el tren de aterrizaje del 777

Ti15V3Cr3Sn3Al (15-3-3-3)

Aleación para tratamiento de alta resistencia al calor

Ti3Al2.5V

Aleación de fuerza-media para la tubería hidraulica.

Ti4Al4Mo2Sn (550)

Aleaciones para el motor, y para el fuselaje (resistencia al calor)

Ti5.5Al3.5Sn3Zr1Nb (829)


Ti5.8Al4Sn3.5Zr0.7Nb (834)


Ti5Al2Sn4Mo2Zr4Cr (Ti17)


Ti15Mo3Nb3Al0.2Si (21S)

Resiste a la oxidación y a la corrosión

Tabla 2. Aleaciones de Titanio con cada vez mas importancia en la aeronáutica Aleación


Ti6Al2Zr2Sn2Mo2Cr0.25Si (6.22.22)

Fuselaje de aleación para los proyectos F22 y JSF

Ti4.5Al4Mo4Sn0.5Si (SP 700)

Alternativa al Ti6Al4V para el SPF y para uso general

Tabla 3. Aleaciones no tan utilizadas, pero que pueden ser fundamentales en algunos componentes específicos. Aleación


Ti2Cu

Aleación para tratar el calor

Ti4Al4Mo4Sno.5Si (551)

Aleación que le da gran resistencia a la estructura (disponibilidad muy limitada)

Ti8Al1Mo1V

De las primeras aleaciones, aunque ahora se usa para repuestos y reemplazos

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Ti-6-6-2

Aleación de alta resistencia, que se usaba en los comienzos.

Ti11Sn5Zr2.5Al1Mo0.2Si (679)

De las primeras aleaciones que ya casi ni se usa

Ti6Al5Zr0.5MoO.25Si (685)

Aleación para motores, que ahora se usa para repuestos y reemplazos.

4.3 Obtención del Titanio El titanio como metal no se encuentra libre en la naturaleza, pero es el noveno en abundancia en la corteza terrestre y está presente en la mayoría de las rocas ígneas y sedimentos derivados de ellas. Se encuentra principalmente en los minerales anatasa (TiO2), brookita (TiO2), ilmenita (FeTiO3), leucoxeno, perovskita (CaTiO3), rutilo (TiO2) y titanita (CaTiSiO5); también como titanato y en muchas menas de hierro. De estos minerales, sólo la ilmenita, el leucoxeno y el rutilo tienen una significativa importancia económica. Se encuentran depósitos importantes en Australia, la región de Escandinavia, Estados Unidos y Malasia. El titanio metal se produce comercialmente mediante la reducción de tetracloruro de titanio con magnesio (proceso Kroll) o sodio (proceso Hunter) a unos 800ºC bajo atmósfera inerte de argón (si no reaccionaría con el óxigeno y el nitrógeno del aire). De este modo se obtiene un producto poroso conocido como esponja de titanio que posteriormente se purifica y compacta para obtener el producto comercial.

Con objeto de paliar el gran consumo energético del proceso Kroll (del orden de 1,7 veces el requerido por el aluminio) se encuentran en desarrollo procedimientos de electrólisis en sales fundidas (cloruros u óxidos) que aún no han encontrado aplicación comercial. Si es necesario obtener titanio más puro se puede emplear un método, sólo aplicable en pequeñas cantidades (a escala de laboratorio) mediante el método de Van Arkel-De Boer. Este método se basa en la reacción de titanio con yodo a una determinada temperatura para dar tetrayoduro de titanio (TiI4) y su posterior descomposición a una temperatura distinta para volver a dar el metal. 4.4 ¿Como mecanizamos el Titanio? El titanio se puede mecanizar en forma económica con un tipo de producción de rutina si los procedimientos de fabricación se establecen de manera acorde a las características físicas comunes al metal. Los factores que se deben considerar no son complejos, pero son esenciales para mecanizar el titanio en forma correcta. Los diferentes grados de titanio, es decir, el titanio comercialmente puro y varias aleaciones, no tienen características de mecanizado idénticas; no más que otros aceros o todas las categorías del aluminio. Como el acero inoxidable, la baja conductividad térmica del titanio inhibe la disipación de calor dentro de la misma pieza de trabajo, por lo que necesita la aplicación adecuada de refrigerantes. Página 20 de 35



Los fabricantes experimentados compararon la capacidad de mecanizado de los grados de titanio comercialmente puros con la del acero inoxidable de 18-8, siendo los grados de aleaciones de titanio algo más duros de mecanizar. -

Torneado

El titanio comercialmente puro y sus aleaciones se pueden tornear con poca dificultad. Dentro de lo posible, se deben usar herramientas de carburo metálico para el torneado y el mandrinado ya que ofrecen una mayor productividad y una vida útil más prolongada. Cuando se utilizan aceros rápidos, se recomiendan velocidades super rápidas. Se debe evitar el desplazamiento de la herramienta y se debe aplicar un flujo constante y abundante de fluido de corte sobre la superficie de corte. Se deben utilizar los puntos giratorios ya que el titanio gripa los puntos fijos. -

Fresado

El fresado del titanio es una operación más difícil que la de torneado. Las fresas de corte sólo parten de cada revolución y las virutas tienden a adherirse al diente durante esa parte de la revolución cuando los dientes no cortan. Al siguiente contacto, cuando se tira la rebaba, los dientes pueden resultar dañados.

Este problema puede paliarse en gran medida con el empleo de un fresado ascendente en vez de uno convencional. En este tipo de fresado, la fresa está en contacto con la porción más delgada de la rebaba cuando deja el corte, minimizando la "soldadura" de las rebabas. Para el fresado tangencial, la pieza debe moverse en la misma dirección que el diente de corte; para el fresado frontal, el diente debe emerger del corte en la misma dirección que la alimentación de la pieza. En el fresado de titanio, cuando falla el borde de corte, con frecuencia es debido al desbarbado. De este modo, los resultados con las herramientas de carburo metálico son, con frecuencia, menos satisfactorios que con aceros rápidos. El aumento de las velocidades de corte en un 20% a 30%, que es posible con herramientas de carburo metálico en comparación con herramientas de aceros rápidos, no siempre compensa los costos adicionales de desbaste de herramientas. Por lo tanto, se aconseja probar tanto aceros rápidos como herramientas de carburo metálico para determinar cuál es mejor para cada fresado. Se recomienda el uso de refrigerante con base acuosa. -

Perforación

Se puede hacer una correcta perforación mediante un taladro afilado con la geometría adecuada y manteniendo la fuerza máxima de perforación para asegurar un corte continuo. Es importante que el Página 21 de 35



taladro no se suba a la superficie del titanio, ya que esto endurecería la pieza y dificultaría el restablecimiento del corte. Otro factor importante de la perforación de titanio es la longitud de la sección no reforzada del taladro. Esta parte del taladro debe tener la longitud apropiada para perforar hasta la profundidad requerida y dejar aún que las virutas fluyan libremente a través de las acanaladuras y fuera del orificio. Esto permite la aplicación de una máxima presión de corte, así como una rápida extracción del taladro para sacar las virutas y reacoplar el taladro sin roturas. También es importante el suministro adecuado de fluido de corte en la zona de corte. Los taladros de aceros rápidos son útiles para aleaciones de menor dureza y para el titanio comercialmente puro, pero los taladros de carburo metálico son mejores para la mayoría de las aleaciones de titanio y para perforaciones de orificios profundos.

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Aterrajado

El porcentaje de profundidad de la rosca tiene una influencia evidente en el éxito del aterrajado de titanio y se han obtenido mejores resultados con respecto a la vida útil de las herramientas con un rosca del 65%. La extracción de virutas es un problema que hace que el aterrajado sea una de las operaciones de mecanizado más complicadas. Sin embargo, en el aterrajado de orificios pasantes, este problema se puede simplificar mediante el uso de una terraja macho que empuje las virutas hacia delante de la terraja. Otro problema surge de las grietas de titanio sobre la faja de corte de la terraja que pueden causar el congelamiento de la terraja, o su fijación en el orificio. Un aceite de corte activado, como un aceite sulfurizado o clorado, sirve para evitar este problema. -

Rectificado

Se puede rectificar titanio en forma correcta si se selecciona una combinación adecuada de fluidos de rectificado, rueda abrasiva y velocidad de la rueda. Se utilizan tanto ruedas de óxido de aluminio como de carburo de silicio. De manera considerable, se recomiendan velocidades de rueda más bajas que para el rectificado convencional de aceros. La alimentación debería ser liviana y se debe prestar especial atención al refrigerante. Una mezcla de refrigerante de nitrito de sodio y agua brinda buenos resultados en las ruedas de óxido de aluminio. Las ruedas de carburo de silicio funcionan mejor con aceites sulfo-clorados aunque pueden inflamarse y es importante inundar la pieza cuando se usan este tipo de refrigerantes. -

Aserrado

Dos métodos comunes de aserrado de titanio son: continuo y alternativo. Al igual que en las operaciones de mecanizado, se establecen prácticas estándar para el aserrado de titanio. Se debe Página 22 de 35



utilizar un equipo rígido, de alta calidad, que incorpore una alimentación positiva y automática. Las hojas de acero rápido son eficaces pero se debe consultar al fabricante sobre las recomendaciones específicas de la hoja y las prácticas de corte. Los fluidos de corte son necesarios. El aserrado por frotamiento se emplea con frecuencia en el titanio. Las ruedas de corte de carburo de silicio enlazadas con caucho son útiles si se usan con refrigerantes de base acuosa para inundar la zona de corte.

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Corte mediante chorro de agua

El corte mediante chorro de agua es una reciente innovación para cortar titanio. El corte por abrasión mediante chorro de agua de alta velocidad es muy eficaz para los cortes de alta velocidad y para producir bordes sin rebabas suaves. Se han cortado secciones de hasta tres pulgadas y el proceso no resulta, relativamente, afectado por las diferencias de dureza de la pieza de titanio. -

Mecanizado por descarga eléctrica

Aunque no es común, los componentes complejos de titanio con detalles precisos se pueden producir mediante el mecanizado por descarga eléctrica (EDM, por sus siglas en inglés). El fluido dieléctrico consta a menudo de varios hidrocarburos (varios aceites) e incluso compuestos polares, como el agua desionizada. Se debe tener cuidado para evitar o eliminar cualquier contaminación sutil de la superficie en los compuestos sensibles a la fatiga. -

Fresado químico

El fresado químico se ha utilizado ampliamente para dar forma, mecanizar o cortar compuestos de titanio complejos, especialmente para aplicaciones aeroespaciales (por ejemplo, carcasas de motores a reacción). En general, estas soluciones acuosas de ataque químico consisten en HNO3-HF o ácidos de HF diluidos, con el contenido de HNO3 ajustado para minimizar la absorción de hidrógeno según la aleación específica. Página 23 de 35



4.5 Multimedia •

Applications of Titanium (http://www.youtube.com/watch?v=hhmVzfuP0FI)

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Titanium Manufacturing Process (http://www.youtube.com/watch?v=XsdRo5jvnXo)

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Titanio en español (http://www.youtube.com/watch?v=HPhXzQC-Q0I)

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David Guetta & Sia – Titanium (http://www.youtube.com/watch?v=JRfuAukYTKg) (Vale, no tiene nada que ver con la construcción aeronáutica, pero siempre me acuerdo de esta canción cada vez que hablamos del titanio XD)

5. Composite Los composites son materiales que nacen de la combinación de dos o más componentes orgánicos o inorgánicos. Los composites de fibra son sistemas de materiales que constan de dos fases: una fase continua denominada matriz o resina, y una fase discontinua denominada fibras o material de refuerzo. Las fibras y la resina se denominan también "constituyentes". Las fibras son los constituyentes principales que soportan la carga, debido a sus excelentes valores de resistencia y rigidez. Los composites formados por fibras cortas (12 a 80 mm) son adecuados para procesos de producción de bajo coste. Sin embargo, muestran una baja resistencia, fundamentalmente debido a la orientación aleatoria de las fibras, y, por tanto, están limitados a aplicaciones no estructurales. Todas las aplicaciones estructurales de los composites en aeronáutica se basan en refuerzos con fibras continuas.

5.1 Características del Composite Como ya hemos comentado antes, los composites o resinas compuestas son materiales sintéticos que están mezclados heterogéneamente y que forman un compuesto formado por moléculas de elementos variados. Estos componentes pueden ser de dos tipos: los de cohesión y los de refuerzo. Los componentes de cohesión envuelven y unen los componentes de refuerzo (o simplemente refuerzos) manteniendo la rigidez y la posición de éstos. Los refuerzos confieren unas propiedades físicas al conjunto tal que mejoran las propiedades de cohesión y rigidez. Así, esta combinación de materiales le da al compuesto unas propiedades mecánicas notablemente superiores a las materias primas del que procede. Página 24 de 35



Tales moléculas suelen formar estructuras muy resistentes y livianas, por este motivo se utilizan desde mediados del siglo XX en los más variados campos: aeronáutica, fabricación de prótesis, astro y cosmonáutica, ingeniería naval, ingeniería civil, artículos de campismo, etc. El adobe, formado por arcilla y paja, es el composite más antiguo que conocemos y que hasta hace poco era utilizado en la construcción de viviendas. Macroscópicamente la arcilla (cohesión) se distingue de la paja (refuerzo) pero la mezcla heterogénea tienen unas propiedades mecánicas mejores de sus respectivos componentes individuales. Otro ejemplo claro lo podemos encontrar en los cimientos de los edificios: hormigón reforzado con una matriz de acero corrugado (red de alambre), los innovadores cimientos de goma y muelles de Japón para amortiguar los terremotos (aislamiento sísmico). Los composites se utilizan en la industria aeroespacial y aeronáutica para aligerar el peso de la estructura y revestimiento de satélites, transbordadores y aviones.

Ventaja de la utilización de composites • • • • • • •

Poseen altas características mecánicas específicas Diseño a medida: Pueden diseñarse estructuras a medida, combinando la proporción y orientación de las capas en una determinada dirección en función de los requerimientos específicos de la estructura que se trate. Reducción del número de componentes y elementos de unión: Es posible diseñar y finalizar en un sólo ciclo estructuras complejas. Buen comportamiento a fatiga. No existen problemas de corrosión. Gran estabilidad dimensional (bajo coeficiente de dilatación). Ahorro en peso.

Inconvenientes de la utilización de composites • • • •

Costosos programas de evaluación, calificación y certificación de estructuras. Desarrollo de nuevas tecnologías de fabricación e inspección. Realización de costosas inversiones en instalaciones y equipos. Coste de los materiales elevado.

Función de los componentes dentro del composite - FIBRAS: Página 25 de 35

Materiales Utilizados en la Industria Aeronáutica • •


Proporcionan la resistencia y rigidez al material Dirigen el comportamiento mecánico de los materiales compuestos, dependiendo del tipo de fibra utilizado y la orientación.

- RESINAS: • Proporcionan la cohesión entre las fibras • Transmiten las cargas aplicadas al material compuesto • Protección de las fibras del daño mecánico y del medio ambiente • Separación de las fibras impidiendo la propagación de grietas de unas fibras a otras • Determinan la temperatura de servicio del material compuesto y controlan la resistencia del composite frente al medio ambiente y agentes externos.

5.2 Aleaciones del Composite utilizados en el sector aeronáutico Del tipo “fibra” Podemos encontrar los composites en multitud de formas y presentaciones comerciales. Los más comunes son fibras embebidas en matrices plásticas. Los esfuerzos y cargas serán soportados por las fibras, mientas que la matriz da cohesión y mantiene la forma. Las fibras pueden presentarse en forma de tejido, de fieltro, de bandas... Las primeras en usarse fueron las de fibra de vidrio (matriz epoxy). Se utilizaban en carenados y otras estructuras que no tuvieran que soportar grandes cargas. El material comúnmente conocido como fibra de vidrio es un composite formado por fibras, continuas y discontinuas, embebidas en una matriz plástica. Son materiales con una buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional y buena resistencia al calor, frío, humedad y corrosión. Además son baratas y fáciles de fabricar. Se utilizan básicamente dos tipos de vidrio: el vidrio E (eléctrico) y el vidrio S (de alta resistencia). El vidrio E, borosilicatos de aluminio y calcio (52-56 % SiO2, 12-16 % Al2O3, 16-25 % CaO y 8-13 % B 2O3), es el más común y barato, y generalmente se utiliza como fibra continua. El vidrio S (65 % SiO 2, 25 % Al2O3 y 10 % MgO) es más resistente y caro, por lo que se utiliza en aplicaciones más específicas como en la industria aeroespacial. La matriz plástica más utilizada es el poliéster, aunque para obtener mayores resistencias puede utilizarse el nylon (poliamida).

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Estos materiales tienen una buena resistencia, pero no son rígidos y por tanto no pueden aplicarse en elementos estructurales. En general no pueden operar a temperaturas superiores a los 200 °C porque el polímero se reblandece, aunque con matrices de poliamida pueden alcanzarse los 300 °C. Sus principales aplicaciones se hayan en la industria del automóvil (carrocerías de bajo peso), tuberías, depósitos de almacenaje y suelos industriales. En los 60 se empleó por primera vez la fibra de aramida. Es más rígido que la fibra de vidrio, soporta muy bien los impactos, pero no trabaja bien a compresión ni soporta bien el ataque medio ambiental. Se conocen como fibras de aramida a las fibras de poliamida aromática, cuyo ejemplo más conocido es el Kevlar. Son materiales muy ligeros que presentan una alta resistencia a la tensión y rigidez (aunque ligeramente inferiores a las fibras de carbono). Las cadenas poliméricas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno, por lo que la resistencia transversal no es buena. Por el contrario la resistencia longitudinal es excelente porque los anillos aromáticos le dan una enorme rigidez a las cadenas y éstas presentan una estructura similar a la de una barra. Se utilizan normalmente en resinas epoxi, obteniéndose materiales muy duros y resistentes que se utilizan en protección antibalística (cascos y chalecos) y en la industria automovilística y aeroespacial.

El primer material compuesto que se empleó en partes estructurales de un avión fue la fibra de boro, que se fabrican depositando fibras de boro sobre filamentos de tungsteno. Son muy caras y su uso es prácticamente solo militar.

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La fibra de carbono tiene unas características muy similares a las de boro, y son más baratas de producir. Los materiales de fibra de carbono son más resistentes y tenaces, pesan menos, resisten mejor la corrosión y pueden aplicarse a temperaturas más elevadas. Por el contrario son mucho más caros y normalmente sólo se preparan materiales de fibra corta. Como matriz se utiliza habitualmente una resina epoxi, aunque para aplicaciones de alta temperatura se puede utilizar una resina carbonizada (materiales carbono- carbono). La fibra de carbono proviene fundamentalmente de la calcinación (carbonización + grafitización) del poliacrilonitrilo (PAN). Estos materiales se utilizan en la industria del automóvil, y también en la industria aeronáutica, con objeto de reducir peso en componentes estructurales.

Estructuras "sandwich" Las estructuras "sandwich" más comunes constan de dos láminas externas resistentes, llamadas caras, separadas por una capa de material menos denso y resistente, llamado núcleo. Los materiales de las caras suelen ser de acero, aleaciones de aluminio, titanio, madera, plásticos reforzados e incluso papel. Su misión es resistir las fuerzas sobre el plano y los esfuerzos de flexión transversal. Para el núcleo se utilizan materiales muy ligeros como los polímeros espumosos, caucho, cementos, madera de balsa. Su función es mantener separadas las caras evitando las deformaciones perpendiculares a éstas proporcionando flexibilidad y también aumentar la resistencia a la cizalladura.

La elección de los materiales que van a componer el "sandwich" depende obviamente de la aplicación para la que se desee. En el otro extremo tenemos las estructuras en panal utilizadas en fuselajes y planos estabilizadores de los aviones. En este caso el material utilizado es habitualmente Página 28 de 35



una aleación de aluminio ligera. El núcleo se obtiene pegando entre si varias láminas corrugadas (formando huecos hexagonales, cuadrados, sinusoidales, etc.) y finalmente al panal se pega una lámina de aluminio de mayor grosor por cada cara. Este conjunto tiene una excelente resistencia con una densidad inferior a los 0.04 g.cm-5. Además los huecos pueden ser rellenados con una espuma polimérica que proporciona además un aislamiento acústico y vibracional muy bueno. Este tipo de estructuras, aunque con materiales menos sofisticados, también se emplean en construcción para techos, suelos y tabiques.

Composites de Matriz Metálica Los composites de matriz metálica se refuerzan generalmente con fibras, cerámicas o metálicas, y/o partículas cerámicas. Las matrices empleadas son generalmente aluminio y cobre, especialmente el primero por su elevada ductilidad. El aluminio puede ser reforzado con partículas de alúmina y carburo de silicio, así como por whiskers (¿patillas?) de este último material. Sin embargo, las mayores resistencias se obtienen reforzándolo con fibra continua de boro, SiC, alúmina o grafito, y también metales como el wolframio. Normalmente no se utilizan fibras poliméricas por su baja resistencia térmica, pero también existe un grupo interesante de materiales, polymets, que se producen por extrusión en caliente de polvo de aluminio con polímeros de alta temperatura de fusión. El polímero es obligado a reducirse en una elevada proporción (1000 a 1) de manera que se originan filamentos en una matriz compacta de aluminio. También las superaleaciones pueden reforzarse con fibras de wolframio o grafito, manteniendo gracias a ello una gran resistencia a temperaturas elevadas. De la misma forma se refuerzan el titanio y sus aleaciones con fibras de carburo de silicio. Estos composites se utilizan habitualmente en motores de aviones y misiles, láminas para turbinas y hélices, etc.

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Aquí un esquema de las variantes de matriz metálica que se usan: 1. Grafito-Aluminio (ARAL) •

ARAL=ARamid Aluminium Laminate

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Está compuesto de delgadas láminas de aluminio y fibra de aramida. El aluminio proporciona alta resistencia de forma isotrópica, y propiedades metálicas para la forja, mientras que la fibra de aramida proporciona al material compuesto resistencia a rotura y fatiga.

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Usado en las alas del Fokker 50 ahorraron un 20% de peso.

2. Boro-Aluminio 3. Fibra de vidrio-Aluminio (GLARE) •

Se desarrolló por el mal comportamiento del ARAL frente a la compresión (por las fibras de aramida).

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Consiste en un conjunto de láminas alternas de aluminio y fibra de vidrio.

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Características: o Alta resistencia a la rotura o Muy alta resistencia a la fatiga (la fibra de vidrio amortigua la propagación de grietas) o Resistencia a daños externos o Alta resistencia a la corrosión o Buena resistencia al fuego (no olvidemos que algunas cortinas ignífugas para parcelar grandes espacios en caso de incendio se fabrican en fibra de vidrio).

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Variantes: 

Unidireccionales 

Glare 1 Al7475



Glare 2 Al2024

• Bidireccionales 

Glare 3 Al2024 con fibras en dirección 0-90 por igual

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Glare 4 Al2024 con fibras en dirección 0-90 (doble fibra en dirección cero)

4. Grafito-Titanio (TIGRE) Página 30 de 35



5.3 Obtención y fabricación del Composite Vamos a ver el procesado de composites de tipo fibra. La fabricación de composites reforzados por fibras puede llevarse a cabo mediante diferentes métodos, que dependen de la composición y futuras aplicaciones del material. Así para la preparación de composites de fibra corta no es preciso utilizar ningún método de procesado diferente de los ya comentados en temas anteriores y generalmente se lleva a cabo un moldeado (por inyección si la matriz es polimérica) de la mezcla. Sin embargo, para la fabricación de composites de fibra larga se han tenido que diseñar métodos especiales, entre éstos destacan la pultrusión, la producción con preimpregnado y el bobinado de filamentos. La pultrusión se utiliza para preparar materiales de forma alargada y sección (rectangular o circular) constante: tubos, vigas, raíles. La fibra, en forma de mechas normalmente, se pasan a través de un baño de resina termoestable y a continuación atraviesan por un molde que les confiere la preforma deseada y determina la proporción resina/fibra. Finalmente, el material pasa a través de un horno-molde para su curado y moldeado definitivo de forma precisa. Un mecanismo de tracción arrastra el material a través de los moldes y determina la velocidad del proceso de fabricación. Es un método continuo, fácilmente automatizable, que permite producir rápidamente y a bajo coste grandes cantidades de material, que puede ser posteriormente recortado en la forma deseada. Este Página 31 de 35



método se utiliza fundamentalmente en materiales que contienen un 40-70 % de fibra en matrices de poliéster o resinas epoxi.

El preimpregnado consiste en la fabricación de cintas con las fibras recubiertas de una matriz polimérica parcialmente curada. El procedimiento empleado para la preparación de estas cintas consiste en colocar alineadas las fibras entre dos hojas de papel o láminas metálicas muy finas, una de soporte y otra desechable, y prensarlas en caliente con la ayuda de dos rodillos. La hoja desechable se cubre previamente con una capa delgada de la resina, y con ayuda de un rasero se extiende esa resina sobre las fibras y la otra hoja formando una película uniforme.

El producto final se va enrollando sobre un núcleo de cartón formando una bobina, al tiempo que se elimina la hoja desechable. Cuando se utilizan hojas metálicas normalmente no se enrollan sino que el producto final se suministra en forma de láminas. Hay que tener en cuenta que las cintas se curan por si mismas a temperatura ambiente, por lo que es preciso reducir el tiempo que dura el procesado. Al cabo de seis meses normalmente la resina se cura por completo y el material queda inservible. Las cintas así preparadas se aplican sobre las superficies que actúan como molde, aplicando tantas capas como se necesite en función del grosor requerido. Además no suelen apilarse en la misma dirección para conseguir una resistencia isotrópica. Para que las cintas se enlacen convenientemente durante el curado se utilizan tanto la presión mecánica como gases a presión o vado. De esta manera se fabrican habitualmente componentes estructurales de gran tamaño empleados en el fuselaje de los aviones militares, así como muchas partes grandes de coches y camiones. bobinado de filamentos, es un proceso mediante el cual las fibras se enrollan sobre un molde generalmente cilindrico, para dar lugar a un entramado sólido que puede llegar a tener hasta 1m. de grosor. Las fibras pueden impregnarse en la matriz polimérica, formando una cinta, antes de su bobinado, o se puede añadir la resina durante el enrollado o incluso después de éste. Posteriormente el material es curado en un horno, o secado a temperatura ambiente, y finalmente se extrae el Página 32 de 35



molde. Se pueden aplicar diferentes tipos de bobinado (circular, helicoidal, polar) para conseguir las propiedades mecánicas deseadas. Es también una técnica rápida y de bajo coste, que permite obtener estructuras ligeras pero de alta resistencia y con gran control sobre la uniformidad del reforzamiento. Se emplea en la fabricación de tanques de almacenamiento, carcasas de motores, tuberías especiales y muchos componentes estructurales.

Los composites de matriz metálica con fibras continuas son más difíciles de fabricar que los de matriz polimérica. Habitualmente, se utilizan la capilaridad, la presión o el vado para conseguir que la matriz fundida rellene el entramado fijo formado por las fibras. También puede llevarse a cabo un procedimiento similar a la pultrusión. Es frecuente además, que una vez formadas las preformas simples (laminares) se recurra a un proceso de moldeado y enlace bajo presión y temperatura. 5.3 Multimedia • • • •

Aerospace Composite Technician News Package (http://www.youtube.com/watch? v=8y9J6tu-1cI) Andalucía Innova – Fibras de Carbono (http://www.youtube.com/watch?v=XjRp95dCCKs) Aviones de nueva generación. Composites (http://www.youtube.com/watch? v=PF9nf07Xro4) Fabricación con fibra de vidrio en cinta (http://www.youtube.com/watch?v=pqRNF0Il_wU)

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6. Bibliografía • • • • • • • • • • • •

“Enciclopedia de Salud y Seguridad en el Trabajo: Construcción y Mantenimiento Aeroespacial” (Buck Cameron) “Apuntes de Arquitectura y Mantenimiento de Aeronaves”, EUITA (David Pérez Jara) “Glare: History of the Development of a New Aircraft Material”, (Ad Vlot), publicado por Kluwer Academic Publishers, 2001 “History of Composite Materials – Opportunities and necessities” (A. Brent Strong/Brigham Young University) “Propiedades del aluminio” (Elena Suárez Santos) “Fatiga de Aleaciones de Aluminio Aeronáutico con nuevos tipos de anodizado de bajo impatco ambiental y varios espesores de recubrimiento” (Leidy Janeth Ramirez Medina) http://www.lenntech.com http://quimica.laguia2000.com/ http://www.ecured.cu http://www.alcoa.com http://enciclopedia.us.es http://www.azom.com Página 34 de 35

Materiales Utilizados en la Industria Aeronáutica • • • •


http://www.aireyespacio.com http://www.prfv.eu http://www.joseluismesarueda.com (Tema 8 – Composites) http://es.wikipedia.org

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Materiales Utilizados en la Industria Aeronáutica - Fernando Castaño Membrives

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