Composites: materiais do futuro
1990/03/01 Mondragon, Iñaki | Markaide, Nerea | Imaz, J.J. Iturria: Elhuyar aldizkaria
Steffi Graft e Ivan Lendl forman una parella única no mundo do tenis na modalidade masculina. Ambas usan esponxa ou raqueta de resina reforzada con fibra de carbono. A transmisión do golpe que se consegue con este material empuxa mellor a pelota, favorecendo máis a boneca.
O señor Singh era un cricketista indio, un xogador de gran calidade. Un accidente obrigoulle a cortar a perna dereita á altura do xeonllo. Tras recuperarse das consecuencias desta intervención, Singh seguiu un programa de rehabilitación muscular previo á implantación da prótese de aluminio. Esta prótese era demasiado pesada para que o xogador recuperase a súa primeira lixeireza. Substituíuse por unha prótese de capa epoxi e fibra de vidro, cun peso de 2,1 kg. Esta prótese permitiu ao xogador Singh alcanzar una velocidade de lanzamento de 85 km/h, cunha velocidade máxima de 110 km/h antes do accidente. Posteriormente, a evolución destes materiais permitiu a este xogador aplicar una perna artificial de 1,4 kg de peso. Isto permitiu alcanzar a máxima velocidade de tiro que tiña no seu día.
O equipo canadense de hockey empezou a utilizar un “stick” de resina reforzado desde o ano pasado con fibra de vidro. Grazas a este pau, a reverberación acústica que se consegue cando o xogador golpea a pelota desaparece, aumentando a potencia do golpe. Na actualidade existen grupos nacionais que empezaron a utilizar materiais similares.
Novo material
Esquí, bicicleta, roda lenticular… todos estes produtos teñen una relación entre os materiais que forman, é dicir, os composites. Hai seis anos, a palabra era case descoñecida na nosa contorna, e actualmente utilízase en moitos ámbitos e ámbitos. O criterio utilizado paira fixar as épocas pasadas pola humanidade é, nalgúns casos, o do material. Por iso a miúdo falamos da Idade de Pedra, a Idade do Bronce, a Idade do Hierro e a Idade do Aceiro. Podemos dicir, por tanto, que estamos inmersos na Idade de Composite cunha terminología similar.
Pero, que son estes materiais que trastornaron o concepto de composite ou material? Aínda que o termo composite ten un significado confuso e amplo, normalmente denomínase á asociación de dous materiais macroscópicamente heteroxéneos, cuxas propiedades son mellores que as de cada compoñente en xeral. O caso máis común entre composites é o do material composto por fibra e una matriz. Un material continuo denominado matriz refórzase cunha fibra que mellora as propiedades mecánicas do conxunto. A función da matriz será gardar o conxunto e transmitir esforzos.
Como exemplo deste tipo de composites podemos citar o utilizado habitualmente en automóbiles. A casa Citröen fabricou a porta traseira da súa BX cun material destas características. Neste caso, una resina de poliéster resistente á corrosión substituíu á prancha de aceiro. Paira conseguir unhas propiedades mecánicas similares ao aceiro (rixidez e resistencia), a resina de poliéster refórzase con fibra de vidro. Ademais, a adherencia que xera una interfase ou unión adecuada entre resina e fibra, mellorará a tendencia do composite ao impacto respecto ao aceiro. Por tanto, parece lóxico que os modelos Peugeot-205, Renault-5 ou Renault-11 utilicen amortiguadores de golpes con estes materiais.
Idea antiga
A idea de reforzar o material mediante unha fibra é tan antiga como a civilización humana. Fai miles de anos, na antiga Mesopotamia, a arxila reforzada coas-toz era un material común paira a construción. A arxila interpreta una matriz adaptable en leste “composite”. A palla, pola súa banda, daba ao conxunto a rixidez e resistencia tan necesaria paira a construción, actuando como a fibra.
Desde entón os materiais cambiaron totalmente e a humanidade tamén, pero o concepto de composite é similar. Por tanto, e de maneira individual, os dous materiais non válidos paira una aplicación, forman un novo material con propiedades melloradas formando un conxunto heteroxéneo pero útil. E axiña que como este material pechouse á madurez tecnolóxica, o concepto de composite cubriu con amplitude todos os ámbitos e ámbitos da nosa sociedade. Isto ocorreu despois da Segunda Guerra Mundial, debido á enorme evolución das resinas orgánicas.
Estes materiais poliméricos tiñan dúas propiedades principais (útiles paira certas áreas): ser illantes paira a construción e aplicacións eléctricas, e lixeireza paira aplicacións de transporte. Con todo, as propiedades mecánicas que presentaban estes materiais eran demasiado débiles, polo que era imposible substituír os materiais convencionais cando se necesitaba una elevada rixidez ou resistencia mecánica.
Doutra banda, xunto á evolución destas resinas orgánicas, tamén se avanzou notablemente na tecnoloxía de fabricación das fibras que se utilizarían paira reforzar. Entre eles destaca a fibra de vidro, que pola súa relación calidade/prezo ten un maior uso.
O proceso de fabricación desta fibra consiste na fusión do vidro fundido, formado por sílices, a través de una serie de tubos, tras un proceso de tiraje a alta velocidade. Carrozarías de automóbiles, autobuses, exteriores e interiores de trens, canas de pesca, interiores de avións e outras pezas componse principalmente de fibra de vidro. A forma desta fibra en cada caso dependerá da aplicación. Por exemplo, pódese utilizar fibra longa unidireccional. Tamén un tecido bidimensional, formando un conxunto disperso bidimensional chamado “mat” ou formando formas multidimensionales. Por tanto, o mundo dos composites ten una nova variable, a da forma.
Soño realidade
Mencionáronse carrozarías, illantes e produtos similares. Pero como conseguir una peza estrutural con mellores propiedades que o aceiro? O que até hai pouco era un soño dos deseñadores, converteuse nunha realidade grazas á fibra de carbono. A fibra de carbono é un material máis ríxido que o aceiro, cun peso CINCO veces menor. A modo de exemplo, pódese ver na imaxe a lema que segue ao Airbus-320. Esta lema está formado por resinas epoxi e fibras de carbono.
Na actualidade tamén se fabrican hélices e rotores de helicópteros. A ampla utilización dos composites en aplicacións aeronáuticas fixo posible a fabricación de avións indetectables con radares. E si é conveniente conseguir una resistencia especial ao impacto, Kevlar ten moito que ver. O blindado e o seu uso nas guerras contra as balas (chalecos) ten algo que ver con iso.
O composite ten polo menos dous compoñentes. Cada un deles pode ser un material diferente. Teñen diferentes aplicacións e propiedades mecánicas evidentes: alta lixeireza, illamento eléctrico, interesantes propiedades térmicas e resistencia á corrosión. Con todo, aínda non mencionamos dous das vantaxes máis destacadas que pode ter este tipo de materiais: a anisotropía e a súa capacidade paira integrar pezas e funcións.
Que dicir da anisotropía? Dado que os composites están compostos por fibras podemos orientalos nas direccións nas que se deben aplicar esforzos mecánicos. Por exemplo, no deseño dunha barra que pasa por tracción pura, o lóxico sería utilizar un composite de fibras unidireccionales. Se o esforzo mecánico fóra torsión, colleriamos o tecido cilíndrico ou a fibra enrolada como solución adecuada. Paira que gastar material en direccións innecesarias? Que obtemos con propiedades innecesarias? Esta capacidade de deseño en función de cada necesidade pode converterse nunha ferramenta enorme paira o deseñador.
Pero esta vantaxe tamén ten os seus erros. Aínda que a optimización do deseño destes materiais ofrece oportunidades excepcionais, paira iso requírese ao deseñador un gran coñecemento dos composites. Máis dun definiu os composites como “material de carta”. Cada cliente ten una necesidade. Un produto paira cada necesidade. E cada produto ten un material diferente. O material deberá deseñarse coa peza.
Funcionalidade
Tamén se mencionou a capacidade de integración de funcións. Explicemos este concepto mediante un exemplo. En 1983 a casa Peugeot decidiu deseñar una nova peza de composites paira o seu novo modelo. O modelo foi o 405 que hoxe coñecemos. Na parte dianteira do automóbil, baixo o capó, hai trinta compoñentes con diferentes funcións; soporte do amortiguador de golpes, radiador, porta-lámpadas, etc. A idea ideada por Peugeot consistiu en deseñar una carcasa que cumprise os seguintes obxectivos:
- Soporte do amortiguador de golpes cunha función estrutural.
- Mellorar a resistencia de torsión da fachada do automóbil, formando un eixo de dereita a esquerda.
- Facilitar a montaxe de todos os compoñentes e pezas que conforman a fronte do automóbil.
Isto permite a utilización de robots, reducindo significativamente os custos deste proceso.
Paira a consecución destes obxectivos deseñouse en composite (S.M.C. “Sheet Moulding Compound” con resina de poliéster e fibra de vidro como principais compoñentes). O módulo anterior móstrase na imaxe. Esta peza móntase integramente nun bloque na cadea de fabricación, facilitando o traballo e reducindo custos. Neste caso, a consecuencia do uso de composites foi a integración das funcións das diferentes pezas nunha soa, o aumento da fiabilidade da peza e a redución dos custos de montaxe. Os composites espertaron a afección ao deseño.
Mencionáronse tanto as aplicacións aeronáuticas como as pezas fabricadas paira vehículos terrestres. Pero, que dicir do mar? O último veleiro presentado por Gran Bretaña en competicións internacionais foi un trimarán de 18 metros de lonxitude. O veleiro denominado “Spirit of Apricot” ten un custo de máis de 50 millóns de pesetas e construíuse principalmente con resina epoxi e fibra de carbono. O deseñador, Barry Nobre, di: Utilizáronse todos os medios paira conseguir a maior relación denominada “empuxe/peso”. Utilizáronse os materiais máis avanzados: fibra de carbono no casco e flotadores e titanio en circuítos hidráulicos a alta presión. Non creas que este caso é una excepción.
A difusión destes materiais foi destacada neste campo. O 95% das embarcacións de recreo levan composites. O composite leva o 99% dos veleiros de menos de 9 metros de lonxitude, o 92% dos cales teñen entre 9 e 12 metros de lonxitude e o 79% dos que teñen máis de 12 metros. Neste caso, a lixeireza, a resistencia á corrosión destes materiais e a súa afección ao deseño son as principais causas desta substitución.
Que do futuro?
E que dicimos do futuro? Até o momento a difusión destes materiais foi extraordinaria. O seguinte paso nesta evolución pode ser a incorporación ás grandes series de fabricación de automóbiles. Con todo, os procesos de transformación dos composites non alcanzaron aínda a madurez alcanzada polos materiais convencionais. Pero esta marcha está a mellorar. Na actualidade existen procesos que permiten fabricar 500 pezas ao día cun molde. E o tempo de procesado dun minuto apenas é una utopía. T.R.E. (Termoplastiques renforcées par estampage).
Mediante esta técnica, as láminas de composite termoplástico procésanse en frío mediante un proceso similar á estampación metálica. A principal vantaxe deste proceso é a reciclabilidad dos materiais empregados, xa que son materiais termoplásticos. O baixo nivel de automatización que presentan estes procesos de transformación dificulta a súa difusión. Este elevador pesado é un problema que se pode resolver en función do aumento de series a través do uso de automatismos.
Os materiais anteriormente mencionados son os máis comúns, con matriz orgánica. Con todo, cada día están a xerarse novas matrices e fibras neste campo. O concepto de composite traduciuse a materiais metálicos e cerámicos. As aliaxes metálicas refórzanse mediante fibras cerámicas formando composites de matriz metálica (M.M.C. Metal Matrix Composites). Estes materiais son actualmente moi utilizados no campo aeronáutico, xa que teñen unhas propiedades únicas. As cerámicas fráxiles tamén se reforzan con fibras cerámicas, obtendo material de dificultade; Ceramic Matrix Composites (C.M.C.) as denominadas.
Na actualidade menciónase a fabricación de pistones de motores diesel con estes materiais. De novo cerámicas reforzadas con fibra, como a antiga arxila de Mesopotamia... Por outra banda, tamén se crearon novas matrices orgánicas denominadas PEEK, PES, PSP, etc. que poden superar os 350ºC.
Esqueceranse os panos utilizados actualmente. As novas matrices substituirán ás actuais. Pero o concepto de composite avanzará. É máis que material puro. Quizá nova idea de deseño.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
