aplicación de materiales compuestos en la industria espacial
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Los materiales compuestos se utilizan en la industria aeroespacial y aeronáutica para aligerar el peso de la estructura y para el revestimiento de satélites, transbordadores y aviones.TRANSCRIPT
Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial
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TECNOLOGIA DE MATERIALES COMPUESTOS
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
UPIIG
Maestra: Dra. Isis Rodríguez Sánchez
|Proyecto de Investigación|
“Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial”
Pedroza García Marco Agustín
8AV1
*
Mayo, 2014
Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial
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Contenido
RESUMEN ....................................................................................................................... 3
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 3
MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 3
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 10
Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial
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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial
Pedroza García Marco Agustín a
a Departamento de Ingeniería Aeronáutica, Instituto Politécnico Nacional, Guanajuato,
México.
RESUMEN
Los materiales compuestos se utilizan en la
industria aeroespacial y aeronáutica para
aligerar el peso de la estructura y para el
revestimiento de satélites, transbordadores y
aviones.
INTRODUCCIÓN
Sin materiales compuestos, la aviación
estaría volando con un ala rota (o al menos
una menos avanzada). De acuerdo con la
Comisión del Centenario del Vuelo de los
Estados Unidos, los compuestos constituyen
los materiales aeroespaciales más
importantes desde el uso del aluminio en la
década de 1920. Estos materiales han dado
lugar a diseños de aviones con mayor
capacidad, incluyendo el vuelo en el
espacio.
Los materiales compuestos se utilizaron por
primera vez en aviación militar en
cantidades significativas. Las primeras
aplicaciones fueron en radomos y luego en
estructuras secundarias y componentes
internos.
En la industria aeronáutica estos materiales
comenzaron a usarse en los principios de
1960, usando principalmente fibra de vidrio,
utilizándose luego fibra de boro, aramidica y
de carbono.
La industria aeroespacial está utilizando
materiales compuestos para la fabricación de
alas, estabilizadores, fuselaje y para la
cabina de aviones, pues permiten una
operación más sencilla.
La utilización de los materiales compuestos
ha significado un gran avance dentro de la
industria aeroespacial, dados los beneficios
estos que ofrecen como son: capacidad de
moldeo, menor peso, menor necesidad de
mantenimiento, resistencia a la corrosión y a
la fatiga.
MARCO TEÓRICO
Para fabricar estructuras como el fuselaje,
que deben soportar numerosos esfuerzos y
cargas, se debe tener muy en cuenta el
material a usar. Los cuatro grandes grupos
de materiales de empleo aeronáutico son las
aleaciones férreas (con hierro), las
aleaciones ligeras (de Aluminio, Titanio o
Magnesio), materiales auxiliares (gomas,
plásticos, lonas) y los materiales compuestos
(o “composites”).
Ventajas de los materiales compuestos
para la industria
Ahorro de combustible (30 % al 40 %) y
emisiones a la atmósfera, la alta resistencia
mecánica, una alta rigidez y buena
resistencia a la fatiga, ventajas en cuestión
de reducción de peso y costo de
mantenimiento (hasta en un 30%),
permitiendo contar con más autonomía de
vuelo.
Desventajas de los materiales compuestos
para la industria
Altos costos de producción y procesos de
manufactura no estandarizados.
Los sistemas a base de resinas epóxicas son
los materiales compuestos más utilizados en
el sector aeroespacial: suponen cerca del 65
% de todos los materiales utilizados
Investigación
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Dado que la minimización del peso de una
aeronave es un factor decisivo para reducir
los costes de los ciclos operativos
(maximización de la carga de pago y
minimización del consumo de combustible),
han empezado a incorporarse nuevos
materiales compuestos como sustitutos
ligeros de aluminio, titanio y ciertas
aleaciones de acero en zonas estructurales y
conductos donde no se produce la
exposición a elevadas temperaturas.
Básicamente, estos materiales compuestos
están hechos de poliimida, epoxi y otros
sistemas a base de resinas, reforzados
mediante fibras de grafito o fibra de vidrio
entretejida.
Fibra de vidrio
Utilizada en la construcción del Boeing 707
de pasajeros. En 2010, los ingenieros aún
utilizan fibra de vidrio en la construcción de
aviones, tanto como en la construcción de
alas de avión.
La fibra de vidrio es usada generalmente en
estructuras secundarias de la aeronave,
como:
Carenados
Radomos
Puntas de ala
Además también es utilizado en las
palas de los rotores de helicópteros.
Algunas ventajas de la fibra de vidrio:
Menor costo comparado con otros
materiales compuestos
Resistencia a la corrosión galvánica
y química
Nula conductividad eléctrica
Fig 1. Materiales usados en el B787
Fibra de carbón
De acuerdo con "Carbon Fiber Composites",
el transbordador espacial de los EE.UU.
utiliza fibra de carbono. "Fundamentals of
Materiales compuestos Manufacturing",
señala además que este material proporciona
prestaciones de alto costo, con el
lanzamiento al espacio costando alrededor
de US$10.000 por cada libra a partir de
2008. La fibra de carbono también
proporciona resistencia al calor y por lo
tanto es útil para naves espaciales y aviones
militares.
Los materiales compuestos reforzados con
fibras de carbono son muy resistentes para
su peso. Son a menudo más fuertes que el
acero, pero mucho más livianos. Debido a
esto, pueden ser utilizados para sustituir los
metales en muchas aplicaciones, desde
piezas para aviones y trasbordadores.
Fig 2. El transbordador espacial es una de las
naves espaciales que usan materiales de fibra de
carbón.
El Boeing 787 Dreamliner es el primer avión
comercial en el mundo hecho con fibra de
carbono en lugar de aluminio. La nueva
tecnología convierte a las aeronaves en
mucho más ligeras y con un mayor tiempo
de vida que las actuales.
Fig 3. Boeing 787 de Aeromexico
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Hasta un 50 por ciento de la estructura
principal del 787, incluyendo fuselaje y alas,
estará hecha de materiales compuestos. Esta
es una de las causas para que el consumo
descienda hasta un 20 por ciento en
comparación con otros aviones.
El uso de la fibra de carbono también se
extiende a los turborreactores. Todos los
componentes resaltados están fabricados con
composites. El cárter de electrónica está
hecho por ejemplo usando la estructura
sándwich, mientras que las paletas de guía
están fabricadas con fibra de carbono y
aleaciones de Titanio; y las de entrada de
fibra de carbono aglomerada con epoxy. La
bomba de combustible también está
construida en fibra de carbono.
.
Fig 4. M.C. usados en componentes de un
turborreactor
Fibra de boro
Los materiales compuestos de fibra de boro,
de acuerdo con "Composite Materials for
Aircraft Structures", fueron descubiertos por
primera vez en 1959 y se desarrollaron más
tarde en un material de alto rendimiento.
Durante la década de 1970, fueron utilizados
en la construcción de los aviones militares
F-14 y F-15. Dado su gran diámetro (entre
100 y 140 micrómetros) la fibra de boro
tiene una alta rigidez de flexión que limita
su uso en partes más pequeñas aeronaves
más complejas. Esta característica la
distingue de fibra de carbono, cuyo diámetro
más pequeño aporta una mayor flexibilidad.
Aluminio-titanio (aleación)
La aleación de aluminio-titanio difiere de un
compuesto, pero resulta igualmente valioso
como un material de construcción
aeroespacial. El ingeniero
mecánico Kenneth Vecchio formó este
material en 2005 después de estudiar diseño
natural de la concha de abulón, que tiene una
construcción formidable. La aleación de
aluminio-titanio ofrece un peso ligero, de
acero como opción en la construcción
aviación/aeroespacial, señala
"Environmental Engineering".
Aramida
La fibra aramida se utiliza en la construcción
de núcleos en forma de panal (honeycomb)
la cual en aeronáutica tiene diversas
aplicaciones.
Entre los usos aeronáuticos de los núcleos en
forma de panal en fibra de para-aramida
PK2 (nombre comercial “para-aramida PK2
Kevlar® N636”) se incluyen galeras de
aviones, pisos, particiones, bordes frontales
y traseros de aviones, radomos, alerones,
paneles y puertas de acceso.
En la imagen de la siguiente página aparecen
también componentes típicamente
fabricados con “composites” en cazas
militares. El arco del canopy y el asiento
eyectable están hechos de fibra de vidrio con
epoxy; el borde de ataque se ha fabricado
usando la construcción de sándwich, con
núcleo de panel de abeja; y la caja que
contiene el tren de aterrizaje es de fibra de
carbono.
Fig 5. Materiales compuestos en estructuras
Estructuras de material compuesto 3D en
la industria aeroespacial
La tabla 1 resume los requerimientos mas
importantes de un material para ser usados
en la industria aeroespacial. Mientras que el
comportamiento mecánico, comportamiento
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a largo plazo y bajo condiciones ambientales
especiales son las características mas
buscadas, los costes de producción van
ganando importancia. La importancia de
estos requerimientos varía según sea para
aviación civil o militar.
El uso de los materiales compuestos en las
aplicaciones aeroespaciales ha variado a lo
largo de la historia alcanzando en la
actualidad el 50% del material de los
modernos aviones de combate y casi el
100% en los helicópteros. En la actualidad
partes de fuselaje y componentes de ala
están bajo investigación siendo las nuevas
tecnologías textiles en materiales
compuestos una nueva alternativa en la
investigación y desarrollo de estos
proyectos.
Tabla 1. Requerimientos de un material en la
industria aeroespacial
Tipo de
Industria
Mejora de
producto
Propiedades
requeridas del
material
Aeroespacial Carga de
pago
Radio de
acción
Economía de
combustible
Costos
operacionales
directos
Seguridad
Alta resistencia
y rigidez
Alta tolerancia
al daño
(compresión
tras el impacto
>0.5%)
Alta
reproducibilidad
Alta energía de
absorción
(helicópteros)
Reducción del
coste en
procesado
Optimización de
tejidos y retazos
Existen piezas con textiles 3D fabricadas por
compañías como McDonnell Douglas,
Daimler-Benz y otros que consiguen reducir
significativamente la mano de obra
mejorando su tolerancia al daño. Una
aplicación de los textiles 3D es la
fabricación de paneles con 3D woven o
pieles warp-knitted y rigidizadores
fabricados en 3D braiding.
Fig 6. Aplicaciones y objetivos de las
nuevas tecnologías textiles en alas de avión
AERONÁUTICA
Aeronáutica civil
Fig 7. Airbus 340, 4000 Kg de materiales
compuestos se utilizan en la fabricación del
A340 (13% del peso total del avión). Una de
las novedades que presenta este modelo es
un depósito de combustible integrado en los
estabilizadores horizontales que permite
nivelar su carga para optimizar la eficiencia
en vuelo. El conjunto esta fabricado en fibra
de carbono/epoxi mediante colocación
automática. La utilización de materiales
compuestos en aeronáutica se justifica por la
necesidad del ahorro de peso.
OBJETIVOS
alta resistencia y rigidez
alta tolerancia al daño
mayor ligereza que el aluminio
menor costo
APLICACIONES TEXTILES
- warp kwittings
- perfiles de tejido 3D
- cosido de complejas estructuuras
COMPONENTES ESTRUCTURALES TIPICOS
- placas rigidas
- vigas
- costillas
alas del avion
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Fig 8. Boeing 777, un amplio conjunto de
elementos de este avión están fabricados por
materiales compuestos. Entre ellos se
destacan los estabilizadores horizontales y el
empenaje vertical en carbono endurecido-
epoxi, el timón de dirección y de
profundidad en carbono-epoxi y los
actuadores de los alerones y flaps en
carbono-aramida-epoxi.
Fig 9. Airbus A300-600 ST
Supertransponder. Pose una capacidad de
carga de 45000 Kg. Una de las novedades
que presenta este modelo es el suelo
encargado de soportar la carga. Fabricado
mediante una estructura sándwich de núcleo
de nido de abeja de aramida y pieles de fibra
de vidrio-poliamida.
Fig 10. Tilrotor comercial BA609, producto
de Bell Helicopter Textron y Agusta
realizado íntegramente en materiales
compuestos de carbono-epoxi
Fig 11. Jetcruzer. El fuselaje esta realizado
en dos piezas mediante una estructura
sándwich con núcleo de nido de abeja de
aramida y pieles de fibra de carbono-epoxi
pre impregnado.
Fig 12. Velero. Su estructura está fabricada
íntegramente en materiales compuestos
carbono/epoxi
Fig 13. Hélice de propulsión. Estructura
sándwich fabricada en RTM, compuesta por
un núcleo de espuma de poliuretano con
pieles de fibra de carbono-epoxi y una capa
exterior de un tejido hibrido carbono-vidrio-
epoxi.
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Fig 14. Construcción del fuselaje del Jet
Premier 1 de Raytheon Aircraft Co.
Estructura sándwich construida mediante
colocación automática, compuesta por un
nucleo de celda de abeja de aramida y pieles
de fibra de carbono-epoxi pre impregnado.
Aeronáutica militar
Fig 15. F-22 Raptor, contiene 150 piezas
fabricadas mediante RTM en fibra de
carbono-bismaleimida, en estructura y
componentes del motor
Fig 16. Bombardero B-2. El requerimiento
de invisibilidad al radar y sus altas
prestaciones mecánicas hacen necesaria en
este modelo la utilización de un volumen de
materiales compuestos sin procedentes en la
aviación militar.
Fig 17. Helicóptero de combate RAH-66
Comanche. Su estructura portante esta
compuesta por un 73.1% de materiales
compuestos, para conseguir la invisibilidad
al radar y a las armas de búsqueda por foco
de calor.
Fig 18. Avión de carga C-17 Globemaster
III. Su estructura contiene 12000 Kg de
materiales compuestos y posee una
capacidad de carga de 85000 Kg
ESPACIO
Los materiales compuestos se han utilizado
con profusión en el espacio desde el inicio
de su desarrollo, debido al ahorro de masa
obtenible con dichos materiales en las
estructuras espaciales. Como dato
significativo el coste de 1 kg de carga de
pago en órbita geoestacionaria es mayor de
20.000 e, por lo que cualquier ahorro de
masa en la estructura del satélite o de la
parte alta del lanzador, queda
suficientemente justificado por dicha cifra.
Las aplicaciones más significativas en el
ámbito espacial corresponden con los
lanzadores y los satélites.
Lanzadores
La cantidad de material compuesto utilizada
en los lanzadores, Ariane 4 (7%) y Ariane 5
(16%), es menor que las actuales de la
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industria aeronáutica, debido a que la
ganancia de masa en la carga de pago
depende del tiempo que la estructura del
lanzador acompaña a ésta durante la fase de
lanzamiento. Así, mientras que en las etapas
superiores la ganancia es del 100%, por lo
que se utilizan masivamente estructuras en
material compuesto de fibra de carbono, en
la primera etapa queda reducido al 7%, por
lo que se utilizan estructuras metálicas.
Satélites
Los materiales compuestos de fibra de
carbono con matriz epoxi se utilizan
ampliamente en las estructuras de satélites,
habiendo desplazado a las aleaciones de
aluminio, salvo donde la conductividad
térmica es un requisito primario. La
necesidad de estas estructuras de tener una
alta rigidez específica hace que se utilicen
fibras de carbono con módulos mayores a
500 GPa.
Fig 19. Transbordador espacial X-34. Su
estructura esta fabricada íntegramente en
materiales compuestos, debido a los
requerimientos de bajo coeficiente de
expansión térmica, elevadas rigidez y
resistencia específicas y reducción de peso.
Fig 20. Lanzadera espacial. Los tanques de
combustible están realizados en fibra de
carbono/epoxi pre impregnado mediante un
proceso de enrollamiento continuo en fase
seca
Fig 21. Nave X-38 de la NASA. Destinada
al retorno de la tripulación de las estaciones
espaciales a la tierra. Su estructura
secundaria exterior está fabricada mediante
paneles sándwich con núcleo de espuma
fenolica sintáctica y pieles de fibra de
carbono-clamatoester pre impregnado.
Fig 22. Satélite de comunicaciones. La
estructura secundaria esta realizada en fibra
de carbono debido a los requerimientos de
permeabilidad a las ondas electromagnéticas
y reducción de peso (cada 0.5 kg se ahorran
10.000 US$).
Consideraciones
Piezas hechas de materiales compuestos
usadas para aplicaciones en aeronaves
están definidas por:
El material, el proceso y las
especificaciones de fabricación.
Materiales permitidos (definición de
ingeniería).
Todos ellos tienen una base en los
requisitos reglamentarios.
El uso más eficiente de los materiales
compuestos avanzados en la estructura
de la aeronave está en aplicaciones con:
Partes altamente cargadas con
medidas compactas.
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Altas cargas de fatiga (fuselaje y
estructura del ala, etc.)
Áreas susceptibles a la corrosión
(fuselaje, etc).
Reducción de peso crítico
(empenaje, alas, fuselaje, etc).
El uso de los materiales debe ser justificado
mediante el análisis de beneficios contra los
costos.
BIBLIOGRAFÍA
Capítulo Citado
Miravete, A. (2000). Aplicaciones. En J.
Cuartero (Ed.). Materiales
compuestos, Volumen 2 (pp. 1311-
1320). Barcelona, España:
Editorial Reverté.
Libros
Baker, A., Dutton, S., y Kelly, D. (2004).
Composite Materials for Aircraft
Structures. Virgina, Estados
Unidos: AIAA education series.
Brent, A. (2008). Fundamentals of
Composites Manufacturing,
Second Edition: Materials,
Methods and Applications.
Michigan, Estados Unidos: Society
of Manufacturing Engineers.
Kassapoglou, C. (2011). Design and
Analysis of Composite Structures:
With Applications to Aerospace
Structures. West Sussex, United
Kingdom: John Wiley & Sons.