Los fabricantes de equipos originales aeroespaciales, que durante mucho tiempo dependieron de materiales de fibra de carbono termoestables para fabricar piezas estructurales compuestas muy resistentes para aviones, ahora están adoptando otra clase de materiales de fibra de carbono a medida que los avances tecnológicos prometen la fabricación automatizada de nuevas piezas no termoestables en gran volumen, bajo costo y peso más ligero.
Si bien los materiales compuestos termoplásticos de fibra de carbono "existen desde hace mucho tiempo", sólo recientemente los fabricantes aeroespaciales pudieron considerar su uso generalizado en la fabricación de piezas de aviones, incluidos componentes estructurales primarios, dijo Stéphane Dion, vicepresidente de ingeniería de la unidad de Estructuras Avanzadas de Collins Aerospace.
Los compuestos termoplásticos de fibra de carbono ofrecen potencialmente a los OEM aeroespaciales varias ventajas sobre los compuestos termoestables, pero hasta hace poco los fabricantes no podían fabricar piezas a partir de compuestos termoplásticos a precios elevados y a bajo costo, afirmó.
En los últimos cinco años, los OEM han comenzado a mirar más allá de la fabricación de piezas a partir de materiales termoestables a medida que se desarrolló la ciencia de fabricación de piezas compuestas de fibra de carbono, primero utilizando técnicas de moldeo por infusión de resina y transferencia de resina (RTM) para fabricar piezas de aviones, y luego emplear compuestos termoplásticos.
GKN Aerospace ha invertido mucho en el desarrollo de su tecnología RTM y de infusión de resina para la fabricación de componentes estructurales de aviones grandes de forma asequible y a precios elevados.GKN ahora fabrica un larguero de ala compuesto de una sola pieza de 17 metros de largo mediante fabricación por infusión de resina, según Max Brown, vicepresidente de tecnología de la iniciativa de tecnologías avanzadas Horizon 3 de GKN Aerospace.
Las fuertes inversiones de los OEM en fabricación de compuestos en los últimos años también han incluido gastos estratégicos en el desarrollo de capacidades para permitir la fabricación en gran volumen de piezas termoplásticas, según Dion.
La diferencia más notable entre los materiales termoestables y termoplásticos radica en el hecho de que los materiales termoestables deben mantenerse en cámaras frigoríficas antes de darles forma, y una vez formadas, una pieza termoestable debe curarse durante muchas horas en un autoclave.Los procesos requieren una gran cantidad de energía y tiempo, por lo que los costes de producción de piezas termoestables tienden a seguir siendo elevados.
El curado altera irreversiblemente la estructura molecular de un compuesto termoestable, dándole resistencia a la pieza.Sin embargo, en la etapa actual de desarrollo tecnológico, el curado también hace que el material de la pieza no sea apto para su reutilización en un componente estructural primario.
Sin embargo, los materiales termoplásticos no requieren almacenamiento en frío ni horneado cuando se convierten en piezas, según Dion.Se pueden estampar en la forma final de una pieza simple (cada soporte de los marcos del fuselaje del Airbus A350 es una pieza compuesta termoplástica) o en una etapa intermedia de un componente más complejo.
Los materiales termoplásticos se pueden soldar entre sí de varias maneras, lo que permite fabricar piezas complejas y con formas muy definidas a partir de subestructuras simples.Hoy en día se utiliza principalmente la soldadura por inducción, con la que sólo se pueden fabricar piezas planas y de espesor constante a partir de piezas parciales, según Dion.Sin embargo, Collins está desarrollando técnicas de soldadura por vibración y fricción para unir piezas termoplásticas, que una vez certificadas espera que eventualmente le permitan producir "estructuras complejas verdaderamente avanzadas", dijo.
La capacidad de soldar materiales termoplásticos para crear estructuras complejas permite a los fabricantes eliminar los tornillos, sujetadores y bisagras metálicos que requieren las piezas termoestables para unirse y plegarse, creando así un beneficio de reducción de peso de alrededor del 10 por ciento, estima Brown.
Aun así, según Brown, los compuestos termoplásticos se adhieren mejor a los metales que los compuestos termoestables.Si bien la I+D industrial destinada a desarrollar aplicaciones prácticas para esa propiedad termoplástica permanece “en un nivel de preparación tecnológica de madurez temprana”, eventualmente podría permitir a los ingenieros aeroespaciales diseñar componentes que contengan estructuras híbridas integradas de termoplástico y metal.
Una aplicación potencial podría, por ejemplo, ser un asiento de pasajero de avión de línea liviano y de una sola pieza que contenga todos los circuitos metálicos necesarios para la interfaz utilizada por el pasajero para seleccionar y controlar sus opciones de entretenimiento a bordo, iluminación del asiento, ventilador de techo. , reclinación del asiento controlada electrónicamente, opacidad de las cortinas de las ventanas y otras funciones.
A diferencia de los materiales termoestables, que necesitan curarse para producir la rigidez, resistencia y forma requeridas en las piezas en las que se fabrican, las estructuras moleculares de los materiales compuestos termoplásticos no cambian cuando se convierten en piezas, según Dion.
Como resultado, los materiales termoplásticos son mucho más resistentes a la fractura ante el impacto que los materiales termoestables y, al mismo tiempo, ofrecen dureza y resistencia estructural similares, si no más fuertes."Por lo tanto, se pueden diseñar [piezas] con calibres mucho más delgados", dijo Dion, lo que significa que las piezas termoplásticas pesan menos que cualquier pieza termoestable que reemplacen, incluso aparte de las reducciones de peso adicionales resultantes del hecho de que las piezas termoplásticas no requieren tornillos o sujetadores metálicos. .
El reciclaje de piezas termoplásticas también debería resultar un proceso más sencillo que el reciclaje de piezas termoestables.En el estado actual de la tecnología (y durante algún tiempo), los cambios irreversibles en la estructura molecular producidos por el curado de materiales termoestables impiden el uso de material reciclado para fabricar nuevas piezas de resistencia equivalente.
El reciclaje de piezas termoestables implica triturar las fibras de carbono del material en trozos pequeños y quemar la mezcla de fibra y resina antes de reprocesarla.El material obtenido para el reprocesamiento es estructuralmente más débil que el material termoestable del que se hizo la pieza reciclada, por lo que el reciclaje de piezas termoestables en otras nuevas normalmente convierte "una estructura secundaria en una terciaria", dijo Brown.
Por otro lado, como las estructuras moleculares de las piezas termoplásticas no cambian en los procesos de fabricación y unión de piezas, pueden simplemente fundirse en forma líquida y reprocesarse para obtener piezas tan fuertes como las originales, según Dion.
Los diseñadores de aeronaves pueden elegir entre una amplia selección de diferentes materiales termoplásticos disponibles para elegir en el diseño y fabricación de piezas.Hay disponible "una gama bastante amplia de resinas" en las que se pueden incrustar filamentos de fibra de carbono unidimensionales o tejidos bidimensionales, produciendo diferentes propiedades del material, dijo Dion."Las resinas más interesantes son las de bajo punto de fusión", que se funden a temperaturas relativamente bajas y, por lo tanto, pueden moldearse y moldearse a temperaturas más bajas.
Según Dion, las diferentes clases de termoplásticos también ofrecen diferentes propiedades de rigidez (alta, media y baja) y calidad general.Las resinas de mayor calidad son las que más cuestan y la asequibilidad representa el talón de Aquiles de los termoplásticos en comparación con los materiales termoestables.Por lo general, cuestan más que los termoestables, y los fabricantes de aviones deben considerar ese hecho en sus cálculos de diseño de costo/beneficio, dijo Brown.
En parte por esa razón, GKN Aerospace y otros seguirán centrándose principalmente en materiales termoestables cuando fabriquen grandes piezas estructurales para aviones.Ya utilizan ampliamente materiales termoplásticos para fabricar piezas estructurales más pequeñas, como empenajes, timones y spoilers.Sin embargo, pronto, cuando la fabricación de piezas termoplásticas livianas en gran volumen y bajo costo se convierta en una rutina, los fabricantes las utilizarán mucho más ampliamente, particularmente en el floreciente mercado eVTOL UAM, concluyó Dion.
venir de ainonline
Hora de publicación: 08-ago-2022