Composites: materiales del futuro
1990/03/01 Mondragon, Iñaki | Markaide, Nerea | Imaz, J.J. Iturria: Elhuyar aldizkaria
Steffi Graft y Ivan Lendl forman una pareja única en el mundo del tenis en la modalidad masculina. Ambas usan esponja o raqueta de resina reforzada con fibra de carbono. La transmisión del golpe que se consigue con este material empuja mejor la pelota, favoreciendo más la muñeca.
El señor Singh era un cricketista indio, un jugador de gran calidad. Un accidente le obligó a cortar la pierna derecha a la altura de la rodilla. Tras recuperarse de las consecuencias de esta intervención, Singh siguió un programa de rehabilitación muscular previo a la implantación de la prótesis de aluminio. Esta prótesis era demasiado pesada para que el jugador recuperase su primera ligereza. Se sustituyó por una prótesis de capa epoxi y fibra de vidrio, con un peso de 2,1 kg. Esta prótesis permitió al jugador Singh alcanzar una velocidad de lanzamiento de 85 km/h, con una velocidad máxima de 110 km/h antes del accidente. Posteriormente, la evolución de estos materiales ha permitido a este jugador aplicar una pierna artificial de 1,4 kg de peso. Esto ha permitido alcanzar la máxima velocidad de tiro que tenía en su día.
El equipo canadiense de hockey ha empezado a utilizar un “stick” de resina reforzado desde el año pasado con fibra de vidrio. Gracias a este palo, la reverberación acústica que se consigue cuando el jugador golpea la pelota desaparece, aumentando la potencia del golpe. En la actualidad existen grupos nacionales que han empezado a utilizar materiales similares.
Nuevo material
Esquí, bicicleta, rueda lenticular… todos estos productos tienen una relación entre los materiales que forman, es decir, los composites. Hace seis años, la palabra era casi desconocida en nuestro entorno, y actualmente se utiliza en muchos ámbitos y ámbitos. El criterio utilizado para fijar las épocas pasadas por la humanidad es, en algunos casos, el del material. Por eso a menudo hablamos de la Edad de Piedra, la Edad del Bronce, la Edad del Hierro y la Edad del Acero. Podemos decir, por tanto, que estamos inmersos en la Edad de Composite con una terminología similar.
Pero, ¿qué son estos materiales que han trastocado el concepto de composite o material? Aunque el término composite tiene un significado confuso y amplio, normalmente se denomina a la asociación de dos materiales macroscópicamente heterogéneos, cuyas propiedades son mejores que las de cada componente en general. El caso más común entre composites es el del material compuesto por fibra y una matriz. Un material continuo denominado matriz se refuerza con una fibra que mejora las propiedades mecánicas del conjunto. La función de la matriz será guardar el conjunto y transmitir esfuerzos.
Como ejemplo de este tipo de composites podemos citar el utilizado habitualmente en automóviles. La casa Citröen ha fabricado la puerta trasera de su BX con un material de estas características. En este caso, una resina de poliéster resistente a la corrosión ha sustituido a la plancha de acero. Para conseguir unas propiedades mecánicas similares al acero (rigidez y resistencia), la resina de poliéster se refuerza con fibra de vidrio. Además, la adherencia que genera una interfase o unión adecuada entre resina y fibra, mejorará la tendencia del composite al impacto respecto al acero. Por lo tanto, parece lógico que los modelos Peugeot-205, Renault-5 o Renault-11 utilicen amortiguadores de golpes con estos materiales.
Idea antigua
La idea de reforzar el material mediante una fibra es tan antigua como la civilización humana. Hace miles de años, en la antigua Mesopotamia, la arcilla reforzada con las-toz era un material común para la construcción. La arcilla interpreta una matriz adaptable en este “composite”. La paja, por su parte, daba al conjunto la rigidez y resistencia tan necesaria para la construcción, actuando como la fibra.
Desde entonces los materiales han cambiado totalmente y la humanidad también, pero el concepto de composite es similar. Por tanto, y de manera individual, los dos materiales no válidos para una aplicación, forman un nuevo material con propiedades mejoradas formando un conjunto heterogéneo pero útil. Y tan pronto como este material se cerró a la madurez tecnológica, el concepto de composite cubrió con amplitud todos los ámbitos y ámbitos de nuestra sociedad. Esto ocurrió después de la Segunda Guerra Mundial, debido a la enorme evolución de las resinas orgánicas.
Estos materiales poliméricos tenían dos propiedades principales (útiles para ciertas áreas): ser aislantes para la construcción y aplicaciones eléctricas, y ligereza para aplicaciones de transporte. Sin embargo, las propiedades mecánicas que presentaban estos materiales eran demasiado débiles, por lo que era imposible sustituir los materiales convencionales cuando se necesitaba una elevada rigidez o resistencia mecánica.
Por otro lado, junto a la evolución de estas resinas orgánicas, también se ha avanzado notablemente en la tecnología de fabricación de las fibras que se utilizarían para reforzar. Entre ellos destaca la fibra de vidrio, que por su relación calidad/precio tiene un mayor uso.
El proceso de fabricación de esta fibra consiste en la fusión del vidrio fundido, formado por sílices, a través de una serie de tubos, tras un proceso de tiraje a alta velocidad. Carrocerías de automóviles, autobuses, exteriores e interiores de trenes, cañas de pesca, interiores de aviones y otras piezas se componen principalmente de fibra de vidrio. La forma de esta fibra en cada caso dependerá de la aplicación. Por ejemplo, se puede utilizar fibra larga unidireccional. También un tejido bidimensional, formando un conjunto disperso bidimensional llamado “mat” o formando formas multidimensionales. Por tanto, el mundo de los composites tiene una nueva variable, la de la forma.
Sueño realidad
Se han mencionado carrocerías, aislantes y productos similares. ¿Pero cómo conseguir una pieza estructural con mejores propiedades que el acero? Lo que hasta hace poco era un sueño de los diseñadores, se ha convertido en una realidad gracias a la fibra de carbono. La fibra de carbono es un material más rígido que el acero, con un peso CINCO veces menor. A modo de ejemplo, se puede ver en la imagen el lema que sigue al Airbus-320. Este lema está formado por resinas epoxi y fibras de carbono.
En la actualidad también se fabrican hélices y rotores de helicópteros. La amplia utilización de los composites en aplicaciones aeronáuticas ha hecho posible la fabricación de aviones indetectables con radares. Y si es conveniente conseguir una resistencia especial al impacto, Kevlar tiene mucho que ver. El blindado y su uso en las guerras contra las balas (chalecos) tiene algo que ver con ello.
El composite tiene al menos dos componentes. Cada uno de ellos puede ser un material diferente. Tienen diferentes aplicaciones y propiedades mecánicas evidentes: alta ligereza, aislamiento eléctrico, interesantes propiedades térmicas y resistencia a la corrosión. Sin embargo, todavía no hemos mencionado dos de las ventajas más destacadas que puede tener este tipo de materiales: la anisotropía y su capacidad para integrar piezas y funciones.
¿Qué decir de la anisotropía? Dado que los composites están compuestos por fibras podemos orientarlos en las direcciones en las que se deben aplicar esfuerzos mecánicos. Por ejemplo, en el diseño de una barra que pasa por tracción pura, lo lógico sería utilizar un composite de fibras unidireccionales. Si el esfuerzo mecánico fuera torsión, cogeríamos el tejido cilíndrico o la fibra enrollada como solución adecuada. ¿Para qué gastar material en direcciones innecesarias? ¿Qué obtenemos con propiedades innecesarias? Esta capacidad de diseño en función de cada necesidad puede convertirse en una herramienta enorme para el diseñador.
Pero esta ventaja también tiene sus errores. Aunque la optimización del diseño de estos materiales ofrece oportunidades excepcionales, para ello se requiere al diseñador un gran conocimiento de los composites. Más de uno ha definido los composites como “material de carta”. Cada cliente tiene una necesidad. Un producto para cada necesidad. Y cada producto tiene un material diferente. El material deberá diseñarse con la pieza.
Funcionalidad
También se ha mencionado la capacidad de integración de funciones. Explicemos este concepto mediante un ejemplo. En 1983 la casa Peugeot decidió diseñar una nueva pieza de composites para su nuevo modelo. El modelo fue el 405 que hoy conocemos. En la parte delantera del automóvil, bajo el capó, hay treinta componentes con diferentes funciones; soporte del amortiguador de golpes, radiador, porta-lámparas, etc. La idea ideada por Peugeot consistió en diseñar una carcasa que cumpliera los siguientes objetivos:
- Soporte del amortiguador de golpes con una función estructural.
- Mejorar la resistencia de torsión de la fachada del automóvil, formando un eje de derecha a izquierda.
- Facilitar el montaje de todos los componentes y piezas que conforman el frente del automóvil.
Esto permite la utilización de robots, reduciendo significativamente los costes de este proceso.
Para la consecución de estos objetivos se diseñó en composite (S.M.C. “Sheet Moulding Compound” con resina de poliéster y fibra de vidrio como principales componentes). El módulo anterior se muestra en la imagen. Esta pieza se monta íntegramente en un bloque en la cadena de fabricación, facilitando el trabajo y reduciendo costes. En este caso, la consecuencia del uso de composites ha sido la integración de las funciones de las diferentes piezas en una sola, el aumento de la fiabilidad de la pieza y la reducción de los costes de montaje. Los composites han despertado la afición al diseño.
Se han mencionado tanto las aplicaciones aeronáuticas como las piezas fabricadas para vehículos terrestres. Pero, ¿qué decir del mar? El último velero presentado por Gran Bretaña en competiciones internacionales ha sido un trimarán de 18 metros de longitud. El velero denominado “Spirit of Apricot” tiene un coste de más de 50 millones de pesetas y se ha construido principalmente con resina epoxi y fibra de carbono. El diseñador, Barry Noble, dice: Se han utilizado todos los medios para conseguir la mayor relación denominada “empuje/peso”. Se han utilizado los materiales más avanzados: fibra de carbono en el casco y flotadores y titanio en circuitos hidráulicos a alta presión. No creas que este caso es una excepción.
La difusión de estos materiales ha sido destacada en este campo. El 95% de las embarcaciones de recreo llevan composites. El composite lleva el 99% de los veleros de menos de 9 metros de longitud, el 92% de los cuales tienen entre 9 y 12 metros de longitud y el 79% de los que tienen más de 12 metros. En este caso, la ligereza, la resistencia a la corrosión de estos materiales y su afición al diseño son las principales causas de esta sustitución.
¿Qué del futuro?
¿Y qué decimos del futuro? Hasta el momento la difusión de estos materiales ha sido extraordinaria. El siguiente paso en esta evolución puede ser la incorporación a las grandes series de fabricación de automóviles. Sin embargo, los procesos de transformación de los composites no han alcanzado aún la madurez alcanzada por los materiales convencionales. Pero esta marcha está mejorando. En la actualidad existen procesos que permiten fabricar 500 piezas al día con un molde. Y el tiempo de procesado de un minuto apenas es una utopía. T.R.E. (Termoplastiques renforcées par estampage).
Mediante esta técnica, las láminas de composite termoplástico se procesan en frío mediante un proceso similar a la estampación metálica. La principal ventaja de este proceso es la reciclabilidad de los materiales empleados, ya que son materiales termoplásticos. El bajo nivel de automatización que presentan estos procesos de transformación dificulta su difusión. Este elevador pesado es un problema que se puede resolver en función del aumento de series a través del uso de automatismos.
Los materiales anteriormente mencionados son los más comunes, con matriz orgánica. Sin embargo, cada día se están generando nuevas matrices y fibras en este campo. El concepto de composite se ha traducido a materiales metálicos y cerámicos. Las aleaciones metálicas se refuerzan mediante fibras cerámicas formando composites de matriz metálica (M.M.C. Metal Matrix Composites). Estos materiales son actualmente muy utilizados en el campo aeronáutico, ya que tienen unas propiedades únicas. Las cerámicas frágiles también se refuerzan con fibras cerámicas, obteniendo material de dificultad; Ceramic Matrix Composites (C.M.C.) las denominadas.
En la actualidad se menciona la fabricación de pistones de motores diesel con estos materiales. De nuevo cerámicas reforzadas con fibra, como la antigua arcilla de Mesopotamia... Por otra parte, también se han creado nuevas matrices orgánicas denominadas PEEK, PES, PSP, etc. que pueden superar los 350ºC.
Se olvidarán los pañuelos utilizados actualmente. Las nuevas matrices sustituirán a las actuales. Pero el concepto de composite avanzará. Es más que material puro. Quizá nueva idea de diseño.
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