Estructuras avanzadas multimaterial para la industria aeronáutica

El diseño basado en el aligeramiento es una aproximación extensivamente empleada en la mayoría de los sectores del transporte, especialmente en automoción y aeroespacial, por su repercusión en la reducción de consumo de combustible, así como de las emisiones contaminantes al medioambiente. En el caso de los aviones, que sean más ligeros contribuye además en una mejor aceleración, una mayor resistencia estructural, mayor rigidez, y mejores prestaciones de seguridad. El desarrollo de aeroestructuras más ligeras solo es posible si se emplean materiales de baja densidad, pero con un comportamiento estructural óptimo. Así, actualmente los materiales compuestos (o composites) de fibra de carbono son ampliamente utilizados en la fabricación de aviones, tras una sustitución gradual y directa de los componentes metálicos.

Es uso de composites en la industria aeronáutica

Son aspectos clave su bajo peso, alta resistencia mecánica, alta rigidez y buena resistencia a la fatiga. Actualmente siguen siendo mayoritarios los composites basados en resina termoestable (fundamentalmente epoxi) pero los termoplásticos están ganando espacio gracias a ciertas ventajas, como el que no necesiten ser procesados en autoclave y su reciclabilidad. Los últimos modelos AIRBUS A350 XWB y BOEING 787 están construidos con un 50% de su peso en composite. Como ejemplo de componente de grandes dimensiones de fibra de carbono están las alas del A350, con unas medidas de 32 metros de largo por 6 de ancho.

Pese a las ventajas de los materiales compuestos, su uso más extendido en el sector aeronáutico se ve frenado por diversos factores como son el coste (tanto del propio material de partida, como de los procesos de conformado) y el tiempo de proceso (laminación, curado), ya que, aunque existen procesos automatizados como el AFP o ATL estos no están extendidos de manera generalizada ni es posible aplicarlos a todos los componentes, siendo todavía los procesos manuales muy empleados. Por otro lado, los composites todavía se deben ganar una mayor confianza en el sector en cuanto a la durabilidad.

Estructuras multimaterial y campos de aplicación

Así, una fuerte tendencia que ha surgido en los últimos años en el diseño de aeronaves es la hibridación o el concepto multi-material, que trata de encontrar la mejor solución de materiales entre la durabilidad, costes, procesabilidad y comportamiento, combinando así los materiales metálicos con los composites. Consiste, de un modo generalista, en situar el material adecuado en el lugar adecuado, consiguiendo estructuras más ligeras que las metálicas y a un menor coste que las de composite, con unas prestaciones estructurales mejores que sus constituyentes individuales.

Esta aproximación se enfoca desde dos puntos de vista: el primero se basa en el desarrollo de materiales que combinan metal y composite resultando en productos semiacabados, como el GLARE. Es un FML (fiber metal laminate), planchas que resultan de la unión de varias capas muy finas de metal (usualmente aluminio) intercaladas con varias capas de fibra de vidrio pre-impregnadas de resina epoxi. Aunque fue en 1987 cuando la multinacional AkzoNobel lo patentó, ha sido recientemente cuando recibió un certificado por parte de la Administración Federal de Aviación (FAA) y la Agencia Europea de Seguridad Aérea (EASA) para ser utilizado en aeronaves civiles. Es el caso del avión comercial Airbus A380, consiguiéndose con ello una reducción del peso del 30% con respecto a los paneles de Al.

El segundo punto de vista resulta de desarrollar aeroestructuras mixtas en las que se unen subestructuras metálicas y de composite por diferentes métodos, como son la unión adhesiva (por ejemplo, entre una piel de composite y elementos de refuerzo de aluminio), o los procesos “one-shot” (co-consolidación o unión directa).

Los mayores avances en este sentido se están consiguiendo en la fabricación de estructuras de composite/titanio o composite/aluminio en las que se integran los elementos metálicos durante el propio procesado de composite. Por ejemplo, en el caso de prepregs de fibra de carbono y epoxi, durante la laminación del composite se introducen insertos o piezas metálicas que se unen durante la etapa de curado en autoclave (por ejemplo, los anclajes metálicos en trampas de composite). Otro ejemplo más innovador, sería la unión de estructuras de Ti que se unen al material compuesto durante el procesado LRI (Liquid Resin Infusion) (por ejemplo, el ala de composite con borde de ataque de Ti).

Por último, la co-consolidación local del composite sobre estructuras metálicas, que podría ser aplicable a termoplásticos o termoestables empleando procesos automatizados como AFP y ATL.

Esta aproximación se emplea en el proyecto europeo ComMUnion, liderado por AIMEN, en el que se valida la tecnología en piezas aeronáuticas.

En cualquiera de los casos anteriormente mencionados, la fase crítica de la que depende el éxito de la estructura híbrida o multimaterial es la unión entre los materiales de diferente naturaleza. Y dentro de esta, la preparación superficial del metal es crítica.