O deseño baseado no alixeiramento é unha aproximación moi empregada na maioría dos sectores do transporte, especialmente na automoción e no aeroespacial, pola súa repercusión na redución do consumo de combustible e das emisións contaminantes ao ambiente. No caso dos avións, o feito de seren máis lixeiros contribúe ademais a unha mellor aceleración, máis resistencia estrutural, máis rixidez e mellores prestacións de seguridade. O desenvolvemento de estruturas máis lixeiras só é posible se se empregan materiais de baixa densidade, pero cun comportamento estrutural óptimo. Por tanto, actualmente os materiais compostos (ou composites) de fibra de carbono son moi empregados na fabricación de avións tras a substitución gradual e directa dos compoñentes metálicos.

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.

O uso de composites na industria aeronáutica

Son aspectos clave o seu baixo peso, a alta resistencia mecánica, a alta rixidez e a boa resistencia á fatiga. Actualmente seguen a ser maioritarios os compostos baseados en resina termoestable (fundamentalmente epoxi), mais os termoplásticos están a gañar espazo grazas a certas vantaxes, como o feito de que non é preciso procesalos en autoclave e a súa reciclabilidade. Os últimos modelos Airbus A350 XWB e Boeing 787 están construídos cun 50 por cento do seu peso en composite. Como exemplo de compoñente de grandes dimensións de fibra de carbono temos as alas do A350, cunhas medidas de 32 metros de longo por 6 de largo.

Malia as vantaxes dos materiais compostos, o seu uso máis estendido no sector aeronáutico está limitado por diversos factores como o custo (tanto do propio material de partida como dos procesos de conformación) e o tempo de procesamento (laminación, cura), xa que, malia existiren procesos automatizados como o AFP ou o ATL, estes non están estendidos de maneira xeneralizada nin é posible aplicalos a todos os compoñentes, de xeito que aínda se usan moito os procesos manuais. Por outro lado, os composites aínda teñen que gañar máis confianza no sector no que respecta á durabilidade.

Estruturas multimaterial e campos de aplicación

Así, unha forte tendencia que xurdiu nos últimos anos no deseño de aeronaves é a hibridación ou o concepto multimaterial, que trata de atopar a mellor solución de materiais entre durabilidade, custos, procesabilidade e comportamento combinando así os materiais metálicos cos composites. En xeral, trátase de situar o material axeitado no lugar axeitado para conseguir estruturas máis lixeiras ca as metálicas e a un menor custo ca as de composite, pero cunhas prestacións estruturais mellores ca os constituíntes individuais.

Esta aproximación enfócase desde dous puntos de vista: o primeiro baséase no desenvolvemento de materiais que combinan metal e composite resultando en produtos semiacabados, como pode ser o GLARE. Este material é un FML (fiber metal laminate) composto de pranchas que resultan da unión de varias camadas moi finas de metal (normalmente aluminio) intercaladas con varias camadas de fibra de vidro preimpregnadas de resina epoxi. Aínda que a multinacional AkzoNobel o patentou en 1987, foi hai pouco cando recibiu un certificado por parte da Administración Federal de Aviación (FAA) dos Estados Unidos e da Axencia Europea de Seguridade Aérea (EASA) para o seu uso en aeronaves civís. Emprégase, por exemplo, no avión comercial Airbus A380, no cal se consegue unha redución do peso do 30 por cento respecto aos paneis de aluminio.

O segundo punto de vista resulta do desenvolvemento de aeroestruturas mixtas en que se unen subestruturas metálicas e de composite por diferentes métodos, como a unión adhesiva (por exemplo, entre unha pel de composite e elementos de reforzo de aluminio), ou os procesos one-shot (coconsolidación ou unión directa).

Os maiores avances neste sentido están a lograrse na fabricación de estruturas de composite/titanio ou composite/aluminio nas cales se integran os elementos metálicos durante o propio procesamento de composite. Por exemplo, no caso de prepregs de fibra de carbono e epoxi, durante a laminación do composite introdúcense insercións ou pezas metálicas que se unen durante a etapa de cura en autoclave (por exemplo, as suxeicións metálicas en trampas de composite). Outro exemplo máis innovador sería a unión de estruturas de titanio que se unen ao material composto durante o procesamento LRI (liquid resin infusion), como é o caso da ala de composite con borde de ataque de titanio.

Por último temos a coconsolidación local do composite sobre estruturas metálicas, que se podería aplicar en termoplásticos ou termoestables empregando procesos automatizados como AFP e ATL.

Esta aproximación emprégase no proxecto europeo ComMUnion, liderado por AIMEN, en que se valida a tecnoloxía en pezas aeronáuticas.

En calquera dos devanditos casos a fase crítica da que depende o éxito da estrutura híbrida ou multimaterial é a unión entre os materiais de diferente natureza. Dentro desta, a preparación superficial do metal é fundamental.