Materiales de construcción
La madera
Los primeros materiales en emplearse fueron la madera y la tela, proporcionaban una
resistencia adecuada con un peso muy bajo. La madera en muchos aspectos se
comporta como un material compuesto, por cómo está constituida por capas, con
mejores propiedades en la dirección longitudinal de la fibra, tiene valores de módulo
elástico y resistencias muy altos para su densidad. Veamos algunos ejemplos:
1. Abeto
1. E=9000Mpa
2. Resistencia a la tracción: 70Mpa
3. Densidad: 400kg/m3
2. Abedul
1. E=14250Mpa
2. Resistencia a la tracción 100Mpa
3. Densidad: 630kg/m3
Estos valores son mejores que los de algunas aleaciones de aluminio, pero...
1. La madera sufre cambios en su tamaño y sus propiedades con la variación de
humedad
2. La madera se ve sometida al ataque biológico.
Fue utilizada hasta la segunda guerra mundial. Antes principalmente en estructuras
recubiertas de tela y en recubrimientos. En la Segunda Guerra Mundial se empleó en
forma de laminados, en algunas estructuras y recubrimientos, siendo el ejemplo más
conocido el avión británico “mosquito”.
Estructura típica de madera y tela; y el Mosquito
El acero
El acero tiene buenas cualidades respecto a resistencia, pero su densidad es excesiva y
tiene graves problemas de corrosión. No obstante sustituyó a la madera en la
construcción: Ya en la primera Guerra Mundial Junkers empleó chapas de aluminio
corrugado para ahorrarse el peso de los rigidizadores y crear el 1er avión enteramente
metálico (y monoplano) relegando el uso de la madera, y Fokker empleó la estructura
del tubo de acero recubierta de tela.
Fuselaje sin recubrimiento de un Fokker DVII, fuselaje en tubo de acero y ala en madera,
recubrimiento de tela y Junkers J1, de fuselaje metálico corrugado.
1. OK: Resistencia
2. KO: Su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10 veces la
de la madera.
3. Hay que evitar que en su uso entre en contacto con aleaciones de aluminio:
1. Corrosión galvánica en contacto con otras aleaciones (ésta también se da entre aleaciones
de aluminio, pero es menor, por ser su potencial de oxidación más semejante).
2. Al ser más rígido que el aluminio, se cargará más que este, haciendo que no trabaje como
debiera.
Aún es esencial para la fabricación de algunos componentes, como pueden ser el tren de
aterrizaje, herrajes, bancadas de motor...
Su coste es inferior al de otro tipo de aleaciones. Es tres veces más pesado que el aluminio,
pero también tres veces más resistente.
Aluminio
En el siglo XIX el aluminio era tan caro de producir que era considerado un metal semiprecioso.
Además las cualidades del aluminio sin alear ni refinar, dejaban mucho que desear, como para
pensar en él para algún uso industrial (la resistencia del aluminio aleado es de 6 a 8 veces
superior al aluminio sin alear).
1. A partir de la Primera Guerra Mundial, el desarrollo de sus aleaciones, y la necesidad de
un metal menos pesado que el acero, lleva a su implantación masiva en la aviación, y hasta
nuestros días ha sido el material más usado en aeronáutica por...
1. Adecuada resistencia
2. Baja densidad
3. Conocimiento de sus técnicas de fabricación (fácilmente forjable, facil de trabajar y
reparar, se conoce muy bien su funcionamiento...)
2. Sin embargo...
1. Envejecimiento: con el tiempo sus propiedades mecánicas se alteran
2. Pequeñas muescas, cortes o arañazos pueden causar graves perjuicios a una pieza
3. Uso limitado por temperatura
Como muchos otros descubrimientos, en 1909 se produjo uno, de forma accidental: El
Duraluminio
1. En 1909 se descubre que la aleación de Al con un determinado % de Cu y de Mg se puede
trabajar de una forma muy sencilla, tras un calentamiento hasta unos 480ºC y su rápido
enfriamiento. Durante unas horas se podía doblar y conformar fácilmente, después,
recuperaba sus propiedades mecánicas.
Pueden distinguirse actualmente tres grupos de Aluminios, los más conocidos en aeronáutica
son la serie dos mil y la siete mil
1. Aleaciones Al-Cu (duraluminio, serie 2XXX). Suele emplearse en las zonas del aparato que
trabajan a tracción (como el recubrimiento del intradós del ala)
2. Al-Cu-Ni
3. Al-Zn (serie 7XXX)
1. Se empezó a emplear en la Segunda Guerra Mundial por su alta resistencia estática. Sin
embargo el alto índice de atrición no permitió comprobar un grave problema que arrastraba:
la corrosión bajo tensiones (SCC- Stress Corrosión Cracking = APARICION DE GRIETAS DEBIDO A
LA EXISTENCIA DE ESFUERZOS INTERNOS DENTRO DE LAS PIEZAS DEBIDO A LOS
TRATAMIENTOS TERMICOS). Por ello suele emplearse a compresión, como en el recubrimiento
del extradós. Las distintas modificaciones de esta aleación han intentado conseguir una
reducción de su densidad, más que un aumento de su resistencia.
4. Se ha intentado el uso de la aleación Al-Li, siendo el primer avión occidental en usarla el A-
5
1. Es muy ligera, tiene una buena resistencia a la corrosión, pero...
2. tiene mal comportamiento en lo referente a crecimiento de grietas.
Avion embarcado A5
Titanio
Su densidad está entre la del aluminio y la del acero
OK:
1. Se comporta bien ante la corrosión
2. Soporta bien las altas temperaturas (400 – 500ºC)
KO:
1. Sus propiedades se degradan en ambientes salinos
2. Su coste es 7 veces superior al del aluminio
Tres aviones en los que se usa el titanio. El F117 en la zona de los motores, el Su29 en el tren
de aterrizaje, y el SR71 en muchas partes del fuselaje, debido a las altas temperaturas que
alcanza en vuelo...
Usos
1. Estructuras de aviones militares y civiles (en los aviones civiles su cantidad es mucho
menor)
2. Recubrimientos y protecciones térmicas
1. Recubrimiento en la zona de los motores
2. Zonas altamente calentadas (por ejemplo en el SR71, debido al calentamiento producido
por los altos mach de vuelo)
3. Toberas...
PMC=Materiales Compuestos; Al Alloy=Aleación de Aluminio; Ti Alloy=Aleación de titanio;
Steel=Acero
EFA y materiales usados: amarillo=fibra de carbono; rojo=Al-Li; Azul=Titanio, Verde
oscuro=aleación de aluminio; Verde claro=fibra de vidrio
Materiales Compuestos (composites)
En parte su comportamiento puede asimilarse al de la madera: Son apilados en capas de
distintos tipos de materiales, lo que hace que sus propiedades varíen según la dirección
Tienen la gran ventaja de poder fabricar los materiales “a medida”, es decir, en función de las
necesidades de resistencia, las direcciones de aplicación de las cargas... construiremos nuestro
material compuesto de una forma u otra. Ejemplo: en los materiales compuestos de fibras
embebidas en matriz plástica, el % de unos y otros, el tipo de fibra (matt o fieltro, tejido...) y el
orden de apilamiento de las capas... los elegiremos en función de las características que
deseamos obtener.
Podemos encontrarlos en multitud de formas y presentaciones comerciales. Los más comunes
son fibras embebidas en matrices plásticas. Los esfuerzos y cargas serán soportados por las
fibras, mientas que la matriz da cohesión y mantiene la forma. Las fibras pueden presentarse
en forma de tejido, de fieltro, de bandas... Ejemplo: fibra de carbono. modulo de Young hasta
400000 N/mm² y resistencia a tracción ultima hasta 2800 N/mm
1. Plásticos, con refuerzos de fibra
1. Las primeras en usarse fueron las de fibra de vidrio – matriz epoxy. Se utilizaban en
carenados y otras estructuras que no tuvieran que soportar grandes cargas.
2. En los 60 se empleó por primera vez aramidas (ej: kevlar ®). Es más rígido que la fibra de
vidrio, soporta muy bien los impactos, pero no trabaja bien a compresión ni soporta bien el
ataque medio ambiental. Otras fibras usadas son las de carbono, o las mixtas (tejidos de mas
de un tipo de fibra, como en la imagen de abajo)
Tejido compuesto, fibra de aramida-carbono
3. El primer material compuesto que se empleó en partes estructurales de un avión fue la
fibra de boro, que se fabrican depositando fibras de boro sobre filamentos de tungsteno. Son
muy caras y su uso es prácticamente solo militar.
4. La fibra de carbono tiene unas características muy similares a las de boro, y son más
baratas de producir. Su modulo de Young es unas tres veces mayor al de la fibra de carbono,
1.5 veces el de las de aramida, doble que el del aluminio... y su resistencia es algo menor que
la del kevlar, y ¡el triple que la del aluminio! En contacto con aleaciones de aluminio le corroen,
por ello han de estar debidamente aislados.
Rutan Composites es conocida por sus diseños radicales y emplear en ellos tecnología de
materiales compuestos
5. Como problema tienen que son un tanto sensibles a los golpes: se dañan y pierden sus
características, y los daños producidos no son sencillos de localizar.
2. Estructuras Sandwich (o Honeycomb, aunque esta designación es la del núcleo en forma
de prismas hexagonales –panel de abeja, se suele hablar en muchas ocasiones de todas las
estructuras en sándwich como honeycomb, independientemente de la forma del núcleo)
1. Con este tipo de construcción se buscan (y se consiguen) unas excelentes características,
con muy poco peso. Básicamente consiste en construir un núcleo y recubrirlo por ambas caras.
Este núcleo está prácticamente hueco, siendo poco su peso. Pero al forrarlo con el
revestimiento, se le da una gran resistencia.
Estructura de un honeycomb
2. La estructura básica es un núcleo, cuya forma variará en función de las propiedades que
queramos obtener (por ejemplo, flexibilidad), el recubrimiento (puede ser metálico o bien de
madera o de materiales compuestos), y una capa intermedia entre ambos, que hace que se
adhieran (no es estrictamente necesaria). En función de la carga a emplear (no es lo mismo un
revestimiento, o un carenado que un suelo, una zona estructural...) el núcleo puede fabricarse
de distintos materiales:
a. Espuma- Foam
i. Para zonas poco
cargadas, como algunos revestimientos, carenados, radomos, techos, paredes...
ii. Reparaciones
iii. Macizados
b. Madera
c. Nomex (papel impregnado)
i. Se consiguen
estructuras muy ligeras y altamente resistentes (incrementando la densidad de celdas del
núcleo, hasta aumentar su peso en 6, se podría multiplicar su resistencia por más de 30)
d. Metales (Aluminio, acero...)
Ejemplos de aplicaciones
3. Matriz metálica
1. Grafito-Aluminio (ARAL)
a. ARAL=ARamid Aluminium Laminate
b. Está compuesto de delgadas láminas de aluminio y fibra de aramida. El aluminio
proporciona alta resistencia de forma isotrópica, y propiedades metálicas para la forja,
mientras que la fibra de aramida proporciona al material compuesto resistencia a rotura y
fatiga.
c. Usado en las alas del Fokker 50 ahorraron un 20% de peso.
2. Boro-Aluminio
3. Fibra de vidrio-Aluminio (GLARE)
a. Se desarrolló por el mal comportamiento del ARAL frente a la compresión (por las fibras
de aramida)
b. Consiste en un conjunto de láminas alternas de aluminio y fibra de vidrio.
c. Características:
i. Alta resistencia
a la rotura
ii. Muy alta
resistencia a la fatiga (la fibra de vidrio amortigua la propagación de grietas)
iii. Resistencia a
daños externos
iv. Alta resistencia a
la corrosión
v. Buena
resistencia al fuego (no olvidemos que algunas cortinas ignífugas para parcelar grandes
espacios en caso de incendio se fabrican en fibra de vidrio).
d. Variantes:
i. Unidireccionales
1. Glare 1 Al7475
2. Glare 2 Al2024
ii. Bidireccionales
MATERIALES DE CONSTRUCCION DE UN AVION
NC&T) Las raras cualidades de este material especial pueden hacer una contribución
significativa al desarrollo de un verdadero avión energéticamente eficiente: un avión "verde".
El consumo inferior de combustible y la reducción de los costos de mantenimiento podrían
conducir al ahorro, a nivel mundial, de recursos por un valor de nada menos que cien mil
millones de dólares.
La fatiga es un fenómeno que afecta a los materiales que han soportado durante un largo
plazo la exposición a una carga cíclica. Como resultado de las cargas variables, tarde o
temprano se acaba produciendo una fractura. Las nuevas construcciones usando el Central
resultan de calidad superior. Son más resistentes que las hechas de plástico reforzado con fibra
de carbono (CFRP) recientemente empleadas en las alas de aviones como el Boeing 787. Al
emplear alas construidas con Central, el peso puede reducirse otro 20 por ciento comparado
con el de las construidas con CFRP. Además, al utilizarlo se obtienen costes de fabricación y
mantenimiento considerablemente más bajos.
El Central es un material de construcción robusto que no sólo es excepcionalmente fuerte, sino
también insensible a la fatiga. Las características del Central permiten llevar a cabo de modo
inmediato las reparaciones simples, como en el caso del aluminio, lo que no es posible al
emplear elementos hechos de CFRP.
Este nuevo concepto patentado es uno de los resultados de una colaboración intensiva entre
la compañía GTM Advanced Estructures, fundada en La Haya en el 2004 y especializada en los
nuevos materiales para la aviación y otras construcciones, la compañía estadounidense Alcoa
dedicada a la producción de materiales de aluminio, y la Facultad de Ingeniería Aeroespacial
de la Universidad Tecnológica de Delft, en los Países Bajos.
*Casi todas las partes de un avión están hechas de metal. El aluminio se utiliza en las alas y el
cuerpo. El aluminio es ligero. El acero es fuerte pero pesado. El acero se utiliza en el tren de
aterrizaje. Un metal especial (el titanio) se utiliza en los partes que se calientan mucho, como
el motor.
Los constructores de aviones continuamente están intentando desarrollar nuevos materiales
que sean más fuertes y más ligeros. En la actualidad, los aviones están hechos de materiales
muy fuertes y ligeros. Los aviones pueden volar muy alto y muy lejos. Son también muy
seguros.
ALECCION DE MATERIALES
La elección de los materiales en el desarrollo de un nuevo avión depende de la situación y
misión que tenga cada pieza, así como conseguir la máxima eficiencia entre resistencia
estructural y peso total del avión. Hoy en día, en la construcción de nuevos aviones como el
Boeing 787 y el A350 XWB se utilizan en ambos un 50% de materiales compuestos y
aproximadamente un 20% de aleaciones de aluminio.
Una diferencia entre ellos es que el fuselaje de cola del 787 esta constituido por material
compuesto de fibra carbono reforzada CFRP mientras que los fabricantes de Airbus han
elegido una aleación de aluminio-litio para esta sección del fuselaje en lo que concierne al
revestimiento. Tanto la fibra de carbono como la aleación de aluminio-litio tienen baja
densidad y alta resistencia a tracción, tanto es así, que el aluminio-litio tiene una densidad de
2,63 g/cm3 reduciendo así en un 12% el peso comparado con las aleaciones tradicionales de
aluminio. Sin embargo la fibra de carbono aun reduce más el peso teniendo una densidad de
1,6 g/cm3 lo que se traduce en una reducción de peso del 20%. En cuanto a los valores de
límite elástico el aluminio-litio aventaja al material compuesto en unas 4 veces más.
Uno de los motivos importantes por los que boeing ha decidido utilizar fibra de carbono es la
reducción de piezas a la hora del proceso de montaje y la reducción de herramientas dando
mas seguridad a los trabajadores y consiguiendo mayor rapidez en la fabricación ya que el
fuselaje solo consta de 6 piezas en el ensamblaje final. Dado que el 787 se ensambla a partir de
componentes grandes en lugar de numerosas piezas pequeñas, no son necesarias las
herramientas tradicionales de montaje. Se utilizan herramientas portátiles, diseñadas de forma
ergonómica, para colocar los ensamblajes y se elimina el uso de grúas elevadas para trasladar
la estructura del avión. Una estructura de materiales compuestos significa menos residuos en
la producción y menos materiales peligrosos utilizados durante el proceso de ensamblaje. No
solo el uso de composites tiene esta ventaja a la hora de la fabricación del avión sino también
en el diseño del proyecto consiguiendo crear diseños de estructura optimizada y desarrollar un
proceso de producción eficiente.
En cambio el fabricante europeo Airbus en el diseño y fabricación de su nuevo avión, el A350
XWB, ha utilizado para su sección trasera del fuselaje, como bien se explicaba anteriormente,
la aleación de aluminio-litio, que principalmente se ha utilizado para aplicaciones espaciales
siendo recientemente cuando empieza a tener mayor presencia en las estructuras
aeronáuticas.
Una de las ventajas de trabajar con metal es que se conoce a la perfección su comportamiento
a fatiga y su resistencia al avance de grieta, mientras que en los materiales compuestos al ser
relativamente nuevos en la implantación de aplicaciones aeronáuticas no se conocen tan bien
las características del material al avance de la grieta ni a fatiga. Desde luego, una desventaja
importante al trabajar con aleaciones es su vulnerabilidad a la corrosión, cosa que en los
materiales compuestos es nula, lo que requiere de tratamientos adicionales sobre la superficie
del metal. Otra ventaja de utilizar como revestimiento aluminio-litio es que a la hora de
realizar las labores de mantenimiento los operarios requerirán las mismas herramientas que se
utilizan para el aluminio convencional lo que ahorra costes de formación de personal así como
la compra de nuevas herramientas, repercutiendo en un ahorro importante para la compañía.
Airbus decidió no utilizar materiales compuestos para la aeroestructura misma porque esta es
la parte del avión que sufre más daños cuando el avión esta en tierra: abolladuras y golpes
ocasionados por los vehículos de servicio, por lo que tiene que ser fácil y barata de arreglar. Sin
embargo las alas no suelen sufrir este tipo de desperfectos por lo que se puede hacer de un
material más complejo.
En el A350 XWB, cada una de las 3 secciones del fuselaje esta constituida por cuatro
segmentos largos de material compuesto con fibra de carbono (un segmento de techo y otro
de suelo, así como 2 segmentos laterales) montados sobre estructuras metálicas. El motivo de
esta combinación de materiales tan diferentes en la misma estructura es el innovador empleo
de segmentos de fuselaje en materiales compuestos instalados sobre cuadernas de aluminio-
litio que simplifica la fabricación, en comparación con el diseño planeado por Boeing para el
787 consistente en rodajas completas de fuselaje. El diseño hibrido de los segmentos de
fuselaje previsto para el A350 XWB permite adaptarlos de forma optima a las exigencias
relacionadas con su lugar de montaje en la estructura y, además, ahorra peso. Cuanto mas
largos sean los segmentos tanto menos costuras perimetrales serán necesarias. Mientras que
las costuras longitudinales, por su parte, incrementan la resistencia a flexión del fuselaje.
En conclusión, los principales criterios a la hora de seleccionar los materiales en el diseño de
un nuevo avión son: primero que cumplan los requisitos técnicos de esfuerzos y cargas que va
a soportar la aeronave, así como asegurar que mantienen las características aerodinámicas, lo
segundo que sean materiales con la menor densidad posible, reduciendo el peso de la
aeronave en la mayor medida de lo posible, en tercer lugar el facilitar la producción y en
cuarto lugar pero aun así importantísimo que sea barato.