C ARBON FIBER ha controlado el centro del escenario en los sueños del ingeniero aeronáutico durante muchos años. El material es más fuerte que el acero, más liviano que el aluminio, y se puede formar en cualquier forma que, según los programas de dinámica de fluidos computacional, creará un avión liviano y de baja resistencia. Pero solo un jet civil, el Beechcraft Premier, utilizó un compuesto de fibra de carbono (fibra de carbono + resina) para la estructura primaria durante mucho, mucho tiempo, hasta que Boeing, entre los fabricantes de aviones de transporte, dio el primer paso en su nuevo avión, el Boeing 787 .
Después de perder cuota de mercado frente a Airbus (propiedad de EADS) a fines de la década de 1990, Boeing podría haber decidido centrarse en reducir los costos (y los precios de venta) de sus aviones existentes. Eso habría llevado inexorablemente a la muerte corporativa. En cambio, Boeing decidió, loablemente, innovar con un nuevo avión que generaría ingresos creando valor para los clientes.
El Boeing 787 hace un mayor uso de materiales compuestos en su fuselaje y estructura primaria que cualquier avión comercial anterior de Boeing.
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Llevar a cabo el proceso de diseño sin ideas preconcebidas permitió a los ingenieros de Boeing especificar el material óptimo para aplicaciones específicas en todo el fuselaje.
El resultado es una célula que comprende casi la mitad de plástico reforzado con fibra de carbono y otros compuestos.
Este enfoque ofrece un ahorro de peso en promedio del 20 por ciento en comparación con los diseños de aluminio más convencionales.
Seleccionar el material óptimo para una aplicación específica significaba analizar cada área del fuselaje para determinar el mejor material, dado el entorno operativo y las cargas que experimenta un componente durante la vida útil del fuselaje.
Por ejemplo, el aluminio es sensible a las cargas de tensión pero maneja muy bien la compresión.
Por otro lado, los compuestos no son tan eficientes en el manejo de cargas de compresión, pero son excelentes para manejar la tensión.
El uso ampliado de compuestos, especialmente en el ambiente altamente cargado de tensión del fuselaje, reduce en gran medida el mantenimiento debido a la fatiga en comparación con una estructura de aluminio.
▲ Boeing fabrica el fuselaje del 787 con hilos de fibra de carbono en capas alrededor de un molde giratorio por un robot controlado por computadora que se parece a una araña. Crédito:; Boeing
El 787 es un avión revolucionario (el 50% de la estructura primaria es compuesta, el fuselaje se produce como un todo en lugar de secciones separadas, menos peso, mayor eficiencia de combustible), pero Boeing sufrió graves demoras porque sus socios de fabricación simplemente no pudieron entregarlo.
Los primeros aviones fueron entregados con tres años de retraso.
Problema compuesto de Boeing
Bueno, suficiente sobre Boeing. Tomemos algunas hojas de mis notas de diseño:
Los diferentes tipos de aviones imponen diferentes demandas a los materiales, por lo que las bases para la comparación entre ellos son muchas y variadas.
Sin embargo, ciertas propiedades físicas de los materiales, tres en particular, son de importancia fundamental en el diseño.
Los tres son fuerza, rigidez y tenacidad.
El tipo de resistencia más familiar es la tracción. Tiras de algo (un cabello, una cuerda, un alambre, una barra de acero) y se estira y estira hasta que en cierto punto se rompe. Al dividir la fuerza que se requería para romperlo por el área de la sección transversal del artículo, se obtiene una resistencia a la tracción en, por ejemplo, libras por pulgada cuadrada.
La distinción entre estirarse y romperse es importante. Algunos materiales, en particular los metales, pueden estirarse una cierta cantidad y luego regresar, como las gomas, a su tamaño y forma original. Estirados aún más, pero aún no hasta el punto de ruptura, permanecen alargados después de eliminar la tensión. (Lo mismo se aplica a la compresión; los remaches representan una aplicación práctica de deformación permanente en la compresión).
Sin embargo, no todos los materiales son capaces de deformación permanente. Algunos, incluidos los compuestos de madera y estructurales, simplemente se estiran y luego se rompen, pero nunca toman un conjunto permanente.
La carga aplicada a un componente estructural se llama “esfuerzo”; La deformación temporal o permanente que causa se llama “tensión”.
La cantidad de tensión que se produce por unidad de esfuerzo se llama rigidez, que se describe mediante un número llamado “módulo de elasticidad”.
El aluminio tiene un módulo más alto que la madera, y el acero tiene un módulo más alto que el aluminio.
La rigidez y la resistencia se confunden porque diferentes aleaciones de los mismos materiales pueden comportarse de manera bastante diferente.
Las perchas de alambre toman un conjunto permanente casi de inmediato, mientras que los resortes endurecidos casi nunca lo hacen. Sin embargo, ambos tienen el mismo módulo de elasticidad; lo que es diferente son sus puntos fuertes.
Finalmente, llegamos a la resistencia, que es la resistencia al agrietamiento y rotura. Si puedes golpear algo con un martillo y se abolla pero no se agrieta ni se rompe, lo más probable es que sea “difícil”.
El acero es resistente. El vidrio no lo es.
Es deseable que los materiales de los aviones sean fuertes, rígidos y resistentes.
Los compuestos pueden ser más rígidos y más fuertes que los metales. En general, no son más resistentes, pero, como dice el dicho, “dos de cada tres no son malos”.
Sin embargo, también es deseable que los materiales de los aviones sean livianos, por lo que los diseñadores generalmente están más interesados en la relación resistencia / peso de un material que en su resistencia absoluta.
Pero incluso esa no es la última palabra. En algunas situaciones, lo que cuenta es la relación fuerza / volumen.
La compacidad es deseable, por ejemplo, para tapas de mástil (las concentraciones de materiales a lo largo de la parte superior e inferior de un mástil, las serif, si lo desea, de la viga en I), porque desea que sus centros permanezcan lo más separados posible , y por eso le gusta un material con alta resistencia absoluta y pequeño volumen.
Por otro lado, es deseable que las pieles sean gruesas, porque el grosor las hace más rígidas.
Por lo tanto, el aluminio es preferible al acero como material de revestimiento porque su volumen por unidad de resistencia es mayor, y la madera sería preferible, si no tuviera otras deficiencias, al aluminio.
El uso del panal como material de revestimiento representa un esfuerzo para aumentar el volumen del material sin aumentar su peso.
Puede parecer que habría un mejor material para cada aplicación en un avión, y que se podría construir un ala, por ejemplo, con mástiles de acero y pieles de madera. Sin embargo, ese enfoque no funcionaría porque los componentes estructurales deben tener una rigidez similar para que funcionen bien juntos.
Si, por ejemplo, construyes un mástil de aluminio y luego le agregas un refuerzo de acero, una cantidad determinada de tensión ejercerá solo un tercio de la tensión en el aluminio que en el acero porque el acero es tres veces más rígido que el aluminio. El refuerzo de acero fallará antes de que los componentes de aluminio puedan hacer su contribución justa a la resistencia del mástil.
Una gran ventaja de los compuestos que no está relacionada con sus propiedades físicas es su formabilidad.
Las estructuras compuestas se pueden hacer en cualquier forma que desee. Por otro lado, dar forma a grandes superficies curvas compuestas (por ejemplo) en metal, requiere un equipo elaborado.
Una diferencia fundamental entre metales y materiales compuestos es que las propiedades físicas de los metales son aproximadamente las mismas en todas las direcciones. Sin embargo, todos los compuestos utilizados como componentes estructurales en aviones consisten en fibras paralelas largas incrustadas en una matriz plástica dura, y sus propiedades físicas a lo largo de diferentes ejes dependen de las orientaciones de las fibras.
Que los compuestos estructurales no sean igualmente fuertes en todas las direcciones no es necesariamente una desventaja. Significa que el diseñador tiene la opción de colocar fibras solo en las cantidades y orientaciones en las que se necesitan y, por lo tanto, de no construir ninguna fuerza innecesaria en su estructura.
Contraintuitivamente, el diseño estructural de un avión es el arte de hacer las cosas menos fuertes, no más. La estructura debe reducirse al mínimo absoluto requerido para resistir las cargas de vuelo anticipadas. Fuerza adicional significa peso adicional y rendimiento perdido.
Los tres tipos de fibras más comúnmente vistos en los compuestos son vidrio, grafito y el sintético DuPont llamado Kevlar.
Inevitablemente, el aluminio proporciona la línea de base con la que se comparan.
Un objeto pesado que cae sobre un ala compuesta de grafito es motivo de preocupación, porque los laminados de grafito generalmente carecen de resistencia. El aluminio y el acero, por el contrario, son bastante resistentes y sobreviven al daño incidental (“erupción del hangar”). Incluso cuando están abollados, continúan resistiendo el estrés.
El Kevlar es resistente (los fabricantes de canoas de Kevlar los anuncian arrojándolos de los techos al concreto) y tiene una tensión muy fuerte; pero es, para usar lenguaje inofensivo, un desafío compresivo.
Otros laminados compuestos pueden hacerse más resistentes con materiales de matriz más elásticos; pero luego pierden rigidez.
No hay material estructural perfecto.
Cada material, como cada persona, tiene virtudes y defectos especiales.
Óxido de acero; corroídos, grietas y fatigas de aluminio; pudriciones de madera; El epoxi absorbe la humedad y desarrolla pequeñas grietas similares a las grietas que a veces afectan los parabrisas acrílicos.
El problema con los compuestos no es que no sean fuertes; es que son tan internamente complejos. Consisten en capas orientadas en diferentes direcciones; esas capas, a su vez, están hechas de fibras individuales que pueden variar algo en su composición. Esto hace que sea difícil para los ingenieros imitar con precisión su rendimiento en modelos de computadora para pruebas previas a la fabricación.
“Los materiales compuestos son más difíciles de analizar que los metales homogéneos simples”, dice John Hansman, director del Centro Internacional de Transporte Aéreo, en el MIT. “Generalmente, no modela todas las fibras de la estructura, por lo que se le ocurren modelos que tienen simplificaciones”.
La modernidad no es necesariamente un factor; Algunos diseñadores vivos hoy argumentan que, desde el punto de vista de la eficiencia estructural, la madera sigue siendo el mejor material para los aviones de aviación general.
Los compuestos pueden ser más ligeros, para una resistencia dada, que el aluminio. Esta es su gran atracción. Los laminados de grafito pueden tener tres veces la resistencia a la tracción y cuatro veces la rigidez de la aleación de aluminio, y sin embargo pesan solo la mitad. Por lo tanto, una parte de grafito podría pesar solo un sexto tanto como su equivalente de aluminio.
Pero esas ventajas solo se pueden obtener completamente en componentes relativamente grandes con rutas de carga claramente definidas. Los aviones pequeños construidos con materiales compuestos no son más ligeros que sus homólogos de aluminio; a menudo, de hecho, son más pesados, porque se ha agregado material adicional para proporcionar rigidez y durabilidad.
La bête noire de los composites es la fijación.
Debido a que gran parte del carácter compresivo de los compuestos se debe a su matriz plástica, sus resistencias de soporte (la resistencia de soporte es la capacidad de la superficie para resistir la presión local, por ejemplo, cuando un perno lo atraviesa) son más bajas que las de los metales.
Se requieren áreas de apoyo más grandes, lo que significa tornillos más grandes, o agujeros más grandes forrados con casquillos metálicos o refuerzos metálicos incrustados en la laminación. Las articulaciones son mucho más simples de diseñar y analizar en metal; pero, de nuevo, se requieren muchos más. En estructuras compuestas, solo los ensamblajes removibles requieren lo que se llaman juntas fijadas.
En una estructura metálica, cada remache es una junta; y es fácil ver que las largas líneas de unión ininterrumpida de las estructuras compuestas son preferibles, como caminos de carga, a la costura de las costuras remachadas.
Si a los diseñadores les gusta usar materiales compuestos porque son superiores en resistencia, resistencia a la corrosión, formabilidad y, en algunos casos, rigidez, están dispuestos a pasar por alto, a cambio, ciertas deficiencias, como el alto costo, la dificultad de fabricación y el control de calidad, la falta de electricidad. conducción (de interés para la protección contra rayos) y dificultad de reparación de campo. Sin embargo, están obligados a hacer frente a la incómoda circunstancia de que todavía no existe un idioma generalmente aceptado de construcción compuesta.
El ideal hacia el cual probablemente se está moviendo la industria es el devanado de filamentos por máquinas controladas por computadora. Este es el método que se utiliza para construir el fuselaje del Beech Premier, en principio también podría aplicarse a las alas.
El auto de producción hiper-exótico, el Mercedes-Benz SLR McLaren, también está construido con compuesto de fibra de carbono.
Resulta que la fibra de carbono es, de hecho, súper fuerte y muy liviana, pero cede sus virtudes solo a aquellos que están dispuestos a cambiar total y totalmente la forma en que construyen los aviones. Hasta ahora, Beech se ha comprometido a invertir en el equipo y las personas necesarias para utilizar las estructuras de fibra de carbono de manera efectiva.
Los riesgos inherentes al cambio de fibra de carbono a aluminio son enormes.
Beech fue el primero en construir un avión turbopropulsor, el Starship, a partir de carbono a principios de la década de 1990. La nave espacial fue hecha completamente de fibra de carbono utilizando un proceso manual que resultó ser un desastre financiero. La nave espacial terminó superando enormemente su peso de diseño, fue más lenta de lo previsto y no logró cumplir los objetivos de alcance. Poco más de 50 naves espaciales se construyeron después de una inversión del programa de quizás hasta $ 1 mil millones.
La lección crucial de la nave espacial fue que la fibra de carbono tiene muchas propiedades casi milagrosas, pero no tiene sentido hacer que cada parte de un avión, o de un automóvil, a partir del material.
Cuando Beech se reagrupó después de la falla de la nave espacial y examinó lo que salió mal con sus opciones de fibra de carbono, se hizo evidente que se podía obtener la mayor ventaja al construir el fuselaje a partir de carbono. Debido a que el grosor de la pared del fuselaje de fibra de carbono es menor que el de una estructura de aluminio con marcos y largueros, las dimensiones externas podrían ser más pequeñas y permitir más espacio para las personas en el interior.
Al utilizar fibras de carbono, el Premier tiene la sección transversal de cabina más grande que cualquier avión comercial ligero, pero el tamaño del fuselaje y, por lo tanto, el arrastre que crea no es proporcionalmente tan grande.
▲ Beechcraft Premier 1
▲ La máquina Cincinnati Viper enrolla automáticamente las fibras de carbono en el mandril Premier.
El fuselaje Beechcraft Premier 1 está construido en dos secciones delantera y trasera por máquinas especiales que enrollan automáticamente las fibras de carbono en un mandril. Las máquinas Viper colocan las cintas delgadas de carbono solo donde son necesarias para transportar cargas estructurales. Por ejemplo, el Viper coloca más fibra de carbono alrededor de un área altamente cargada, como un marco de ventana o puerta, pero aplica menos donde las cargas no están concentradas. Después de que el Viper ha colocado las cintas de carbono en el mandril, se coloca un núcleo de celda cerrada sobre las fibras y se aplica automáticamente otra capa de fibras de carbono sobre el núcleo.
Es interesante comparar el Premier con el Mercedes-Benz SLR McLaren porque ambas son máquinas de producción y ambas usan grandes cantidades de fibra de carbono para la estructura primaria. Pero los desafíos que enfrentan ambas compañías son bastante diferentes.
Por ejemplo, la piel de carbono del Premier tiene una fina malla de alambre de cobre incrustada en él para llevar a cabo un posible rayo hacia una salida segura en los bordes posteriores del ala o la cola. No es raro que los aviones sean golpeados por un rayo, y si hay una superficie no conductora como la fibra de carbono básica, la energía eléctrica puede causar un gran daño al formarse un arco entre los componentes conductores y volver al aire.
Tanto Mercedes como Beech están muy interesados en controlar el arrastre, y la fibra de carbono proporciona a los ingenieros un reinado casi libre para hacer los contornos que ayudan en esa tarea. Por ejemplo, el SLR tiene paneles de fibra de carbono que encierran completamente la parte inferior del automóvil. El Premier tiene un gran carenado de material compuesto que se extiende desde la nariz hacia abajo debajo del ala y hacia la cola. La forma del carenado hace que la corriente de deslizamiento se acelere lo más gradualmente posible para pasar debajo del fuselaje y el ala, y luego desacelerar en la mayor distancia cerca de la cola.
Otra área donde los compuestos han permitido a los ingenieros de Beech minimizar el arrastre es la llamada “regla de área” dentro de las góndolas del motor.
La regla del área fue descubierta y codificada en la década de 1950 cuando los aviones comenzaron a volar rutinariamente cerca de la velocidad del sonido. El aire que se mueve a estas velocidades se ve obligado a rodear algo, un motor, por ejemplo, comienza a comprimir y crear resistencia.
De acuerdo con la regla del área, si permite que la sala de aire se expanda a medida que se acelera, se minimizará el arrastre y es por eso que hay grandes hendiduras cóncavas en el fuselaje del Premier dentro de las góndolas del motor. Estas formas de regla de área pueden y han sido hechas en metal, pero la forma puede ser mucho más precisa y fiel a los modelos de prueba de túnel de viento cuando están hechos de fibra de carbono.
El carbono sigue siendo muy costoso, requiere técnicas de construcción muy especializadas y nunca reemplazará al metal por completo.
La receta en la que se basa la producción de fibra de carbono depende en gran medida de los insumos de material, y el ingrediente número uno es el precursor de poliacrilonitrilo (PAN), que es propiedad de cada fabricante. Se podría argumentar que el PAN es una ventaja competitiva sustancial de Hexcel, Toray, Toho-Tenax, SGL y cualquier otro proveedor de fibra de carbono. Debido a esto, la fibra de carbono T1000 de Toray es comparable pero claramente diferente al IM9 de Hexcel, así como la tarta de manzana de su suegra es comparable pero diferente a la tarta de manzana de su madre.
La estandarización de la fibra de carbono del tipo exigido por los fabricantes de aviones parece altamente improbable dados los parámetros bajo los cuales opera actualmente la fabricación de fibra de carbono. ¿Podría ser posible, sin embargo, que los proveedores de fibra de carbono acuerden fabricar cierta fibra que cumpla con un conjunto dado y establecido de especificaciones mecánicas, incluso si los “ingredientes” siguen siendo propietarios? Tal vez, y tal vez eso sería suficiente para satisfacerlos. Pero esa cooperación no está a la vista, y puede que nunca lo esté.
Pero, en la aplicación correcta, la fibra de carbono finalmente cumple el sueño y hace que los aviones y los automóviles sean más livianos y rápidos, pero definitivamente no más baratos.
Mientras tanto, y a pesar de las dudas que tiene sobre la fibra de carbono en el 787, Boeing ha decidido equipar el 777X con alas de fibra de carbono con el mismo proveedor de materiales (Toray) utilizando la misma arquitectura básica que en el 787. Quizás lo más significativo es que Las alas 777X serán fabricadas por Boeing en Seattle, lo cual es una desviación del modelo de asociación de proveedores establecido con el 787.
Airbus, el fabricante de aviones europeo, ha seguido la misma tendencia, utilizando materiales compuestos en las alas y el fuselaje superior del A380 de dos pisos.
▲ Un Airbus A350 en la línea de montaje en Toulouse, Francia. Al igual que el 787 Dreamliner de Boeing, el A350 tiene un fuselaje compuesto. Crédito Francois Mori / Associated Press
Los compuestos se han infiltrado en la industria aeronáutica durante medio siglo.
Si tuvieran un defecto fundamental y fatal, ya se sabría.
Aún no se ha alcanzado todo su potencial, pero es obvio que pueden hacer muchas cosas que los metales no pueden hacer, y los ingenieros aeronáuticos los aman demasiado como para dejarlos ir. ❑
