Composites in the Aircraft Industry/es

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 esta estructura 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. A continuación, se vierte una resina epoxi o resina sobre el material base, creando un material resistente al enfriarse el compuesto. El compuesto también puede producirse incrustando fibras de un material secundario en la matriz base.

Los compuestos poseen buena resistencia a la tracción y a la compresión, lo que los hace adecuados para la fabricación de piezas de aviación. Esta resistencia a la tracción se debe a su naturaleza fibrosa. Al aplicar una fuerza de tracción, las fibras del compuesto se alinean en la dirección de la fuerza aplicada, lo que le confiere resistencia a la tracción. Esta buena resistencia a la compresión se debe a las propiedades adhesivas y de rigidez del sistema de matriz base. La resina mantiene las fibras como columnas rectas y evita que se deformen.

Aviación y materiales compuestos

Los materiales compuestos son importantes para la industria aeronáutica porque proporcionan una resistencia estructural comparable a la de las aleaciones metálicas, pero con un peso más ligero. Esto se traduce en una mayor eficiencia de combustible y un mejor rendimiento de la aeronave. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El papel de los materiales compuestos 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 consiste en fibras de vidrio incrustadas en una matriz de resina. Su uso se extendió por primera vez en la década de 1950 para embarcaciones y automóviles. Se utilizó por primera vez en el avión de pasajeros Boeing 707 en esa misma década, donde constituía aproximadamente el dos por ciento de la estructura. Cada generación de nuevos aviones construidos por Boeing aumentó el porcentaje de uso de materiales compuestos; el más alto fue el 50% en el 787 Dreamliner .

El Boeing 787 Dreamliner será el primer avión comercial cuyos principales elementos estructurales estén fabricados con materiales compuestos en lugar de aleaciones de aluminio. ^{[ 1 ]} En este avión, se abandonarán los arcaicos compuestos de fibra de vidrio y se optará por compuestos más avanzados de laminado de carbono y sándwich de carbono. Se han detectado problemas con el cajón del ala del Dreamliner, atribuidos a la rigidez insuficiente de los materiales compuestos utilizados para su fabricación. ^{[ 1 ]} Esto ha provocado retrasos en las fechas de entrega iniciales del avión. Para solucionar estos problemas, Boeing está reforzando los cajones del ala añadiendo nuevos soportes a los ya construidos, a la vez que modifica los que aún no se han construido. ^{[ 1 ]}

Ahorro de combustible con peso reducido

El consumo de combustible depende de diversas variables, como el peso en seco de la aeronave, el peso de la carga útil, la antigüedad de la aeronave, la calidad del combustible, la velocidad aerodinámica y las condiciones meteorológicas, entre otras. El peso de los componentes de la aeronave fabricados con materiales compuestos se reduce aproximadamente un 20 %, como en el caso del 787 Dreamliner. ^{[ 4 ]}

A continuación se realizará un 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 operativo vacío (OEW): 129.300 kg
• Peso máximo sin combustible (MZFW): 178.000 kg
• Peso máximo de despegue (MTOW): 275.000 kg
• Autonomía máxima con peso máximo: 10.458 km

A partir de las cifras dadas anteriormente se pueden calcular otras cantidades:

• Peso máximo de carga = MZFW - OEW = 48,700 kg
• Peso máximo de combustible = MTOW - MZFW = 97.000 kg

Así, podemos calcular además el consumo de combustible en kg/km en función del peso máximo del 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 que afrontar un MTOW reducido y, por lo tanto, tendrá un mayor alcance porque el peso máximo y el alcance máximo son cantidades inversamente proporcionales.

Usando proporciones simples para calcular el nuevo rango:

249,320kgramo275,000kgramo=10,458kmetroincógnitakmetro

Resolver X da un nuevo rango de:

• X = 11.535,18 km

Esto da un nuevo valor de consumo de combustible con peso reducido = 97.000 kg/11.535,18 km = 8,409 kg/km.

Para ponerlo en perspectiva, en un recorrido de 10.000 km , habrá un ahorro de combustible aproximado de 8.660 kg con una reducción del 20% del peso en vacío.

Impacto ambiental

Es posible reciclar piezas de aeronaves fuera de servicio. ^{[ 6 ]}

Se está produciendo un cambio cada vez más pronunciado hacia la Ingeniería Verde . La sociedad actual presta mayor atención al medio ambiente. Esto también aplica a la fabricación de materiales compuestos.

Como se mencionó anteriormente, los compuestos son más ligeros y tienen valores de resistencia similares a los de los materiales más pesados. Cuando se transportan o se utilizan en aplicaciones de transporte, el impacto ambiental es menor en comparación con las alternativas más pesadas. Además, los compuestos son más resistentes a la corrosión que los materiales metálicos, lo que significa que las piezas durarán más. ^{[ 7 ]} Estos factores se combinan para convertir a los compuestos en una buena alternativa desde una perspectiva ambiental.

Los materiales compuestos producidos convencionalmente se fabrican a partir de fibras y resinas derivadas del petróleo, y no son biodegradables por naturaleza. ^{[ 8 ]} Esto presenta un problema importante, ya que la mayoría de los compuestos terminan en vertederos una vez que finaliza su ciclo de vida. ^{[ 8 ]} Se están realizando importantes investigaciones sobre compuestos biodegradables fabricados a partir de fibras naturales. ^{[ 9 ]} El descubrimiento de materiales compuestos biodegradables que se puedan fabricar fácilmente a gran escala y tengan propiedades similares a las de los compuestos convencionales revolucionará varias industrias, incluida la industria aeronáutica.

Una alternativa para contribuir a las iniciativas ambientales sería reciclar piezas usadas de aeronaves desmanteladas. La desingeniería de una aeronave es un proceso complejo y costoso, pero puede ahorrar dinero a las empresas debido al alto costo de adquirir piezas de primera mano. ^{[ 6 ]}

Materiales compuestos del futuro

Fibras de seda de araña

Los científicos aún no han conseguido 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 alta ductilidad, permitiendo el estiramiento de una fibra hasta el 140% de su longitud normal. ^{[ 11 ]} La seda de araña también mantiene su resistencia 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 que se apliquen 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 fallidos de reproducir la seda de araña en el laboratorio, pero aún no se ha logrado una resíntesis perfecta. ^{[ 12 ]}

Conclusión

Debido a su mayor relación resistencia-peso, los materiales compuestos presentan una ventaja sobre los materiales metálicos convencionales; sin embargo, actualmente su fabricación es costosa. Hasta que se introduzcan técnicas que reduzcan los costos iniciales de implementación y aborden el problema de la no biodegradabilidad de los compuestos actuales, este material relativamente nuevo no podrá reemplazar por completo a las aleaciones metálicas tradicionales.

Referencias