aplicación de materiales compuestos en la industria espacial

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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial Proyecto Pagina|1 de 24 TECNOLOGIA DE MATERIALES COMPUESTOS INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL UPIIG Maestra: Dra. Isis Rodríguez Sánchez |Proyecto de Investigación| Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria EspacialPedroza García Marco Agustín 8AV1 Mayo, 2014

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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.

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Page 1: Aplicación de Materiales Compuestos en La Industria Espacial

Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

Proyecto Pagina|1 de 24

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

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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

Proyecto Página|2 de 10

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Contenido

RESUMEN ....................................................................................................................... 3

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 3

MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 3

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 10

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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

Proyecto Página|3 de X

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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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

Proyecto Página|4 de 10

4

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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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

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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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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

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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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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

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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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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

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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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Aplicación de Materiales Compuestos en la Industria Espacial

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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.