Desarrollo de materiales compuestos para aeronáutica

Más allá de los metales

La Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA, por sus siglas en inglés), el equivalente de la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio (NASA, por sus siglas en inglés) de EE.UU. en Japón, ha conseguido notoriedad internacional estos últimos años con éxitos tan celebrados como el explorador de asteroides Hayabusa y el módulo de laboratorio Kibō, que ha ido realizando importantes contribuciones a experimentos en la Estación Espacial Internacional. Pero las actividades de la agencia no se limitan a la exploración del espacio. JAXA alberga también el único centro de investigación aeronáutica de Japón, donde se investiga en todo tipo de campos, desde el desarrollo de motores respetuosos con el medio ambiente, la fabricación de aviones supersónicos y la realización de pruebas de seguridad con los simuladores de vuelo más avanzados. Recientemente en Japón el Mitsubishi Regional Jet (MRJ), desarrollado por la empresa Mitsubishi Aircraft Corporation, está llamando la atención del público; se trata del primer avión de pasajeros diseñado y producido en Japón en los últimos cincuenta años. El fuselaje de esta aeronave utiliza un nuevo tipo de material compuesto desarrollado por el Equipo de Aviones Internacionales de Pasajeros del Grupo del Programa de Aviación de JAXA.

Los simuladores de vuelo son esenciales para investigar la operatividad y otros aspectos de la aeronave. Una amplia gama de programas hacen posible comprender las características de los distintos tipos de aeronaves.

Cuando los hermanos Wright realizaron el primer vuelo tripulado en 1903, su avión pionero había sido fabricado con madera, alambre y tela. Más tarde se empezaron a utilizar aleaciones de aluminio y titanio como materiales para las aeronaves, y en estos últimos años los materiales compuestos, como el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP, por sus siglas en inglés), han adquirido un protagonismo cada vez mayor.

Suministro de materiales para los últimos modelos de aviones Boeing

El CFRP se fabrica impregnando una resina con fibras de carbono que actúan como material de refuerzo. La fibra de carbono es ligera, con un peso específico de una cuarta parte del hierro, y aproximadamente diez veces más fuerte por unidad de peso. Es un material extremadamente duradero y, a diferencia del metal, no presenta ningún problema de oxidación. El avión de pasajeros más moderno de Boeing, el Boeing 787, utiliza el CFRP desarrollado en Japón para aproximadamente la mitad de sus materiales estructurales. Esto lo convierte en el primer avión de pasajeros que contiene una mayor proporción de CFRP que de aluminio por peso estructural. El CFRP también se utiliza en el MRJ y el Airbus A350, programado para entrar en servicio en 2013.

Ishikawa Takashi, director de JAXA y líder del Grupo del Programa de Aviación explica las ventajas de utilizar el CFRP en los aviones.

“En primer lugar, su menor peso implica que el avión consume menos combustible. El CFRP tiene también una fuerza específica y una rigidez específica excelentes, y no se oxida, por lo que no es necesario llevar a cabo mantenimiento tan a menudo como con los materiales convencionales. Esto contribuye a reducir el impacto ambiental y el coste de las compañías aéreas. Este material resulta también ventajoso para los pasajeros. Si se utiliza aluminio como material estructural principal, la humedad dentro del avión debe mantenerse a un 10% como máximo. Pero gracias al nuevo material, la humedad en cabina en el Boeing 787 puede aumentarse hasta casi un 50%. Esto crea un ambiente mucho más agradable para los pasajeros”.

Ishikawa Takashi.

Nuevos métodos que reducen costes

El aumento del uso de la fibra de carbono en la fabricación de aviones ha visto su producción incrementada de forma drástica durante los últimos veinte años, hasta llegar a las 27.000 toneladas en 2010. Japón es líder mundial en producción de fibra de carbono, acaparando un 70% del total mundial. El Ministerio de Economía, Comercio e Industria prevé que el mercado mundial de la fibra de carbono alcance las 125.000 toneladas en 2020 (aproximadamente 4,5 veces la cifra de 2010). En 2030, se prevé que Japón recibirá unos tres billones de yenes al año gracias a la industria aeronáutica.

No obstante, todavía hay escollos que superar: el coste y la seguridad. La fibra de carbono siempre ha sido más cara que las aleaciones de aluminio. Además, para el material intermedio conocido como el prepreg (término que proviene de “preimpregnado”, es decir, planchas de fibras de carbono que han sido endurecidas previamente con una resina medio curada), un material intermedio ideal para envío y procesamiento, es necesario añadir partículas termoplásticas para mantener su solidez por el cual se eleva el coste. El prepreg se coloca en un molde y se cuece (o “cura”) en un horno enorme denominado autoclave, lo que le confiere su forma final. El coste por cada autoclave en el que cabe un ala de avión alcanza las decenas de miles de millones de yenes.

Para reducir costes, la JAXA ha colaborado con el sector privado para desarrollar un nuevo método de fabricación conocido como Moldeado de transferencia de resina asistido mediante vacío (VaRTM, por sus siglas en inglés). Ishikawa describe este nuevo método: “La fibra de carbono se coloca entre películas y se elimina el aire para crear el vacío. A continuación se le inyecta resina de baja viscosidad para impregnar la fibra. Es un poco como esas bolsas de envasado al vacío que se utilizan para guardar la ropa de cama”.

La principal ventaja del método VaRTM es que no requiere el uso de un autoclave para calentar los materiales. Sin embargo, esto produce un material que no es tan sólido como el fabricado mediante el método convencional, que utiliza prepreg. Por ello, la JAXA ha ideado una forma combinada que aprovecha lo mejor de ambos métodos: utiliza prepreg para los componentes planos con grandes áreas de superficie como fuselajes de aviones y materiales VaRTM para el armazón y otros componentes de formas complejas, con el objetivo de conseguir tanto una alta calidad como un bajo coste.

Este método tiene la ventaja de unos costes de fabricación más bajos, puesto que no se necesita una gran inversión en equipamientos y otras instalaciones.

Amplias posibilidades de aplicación

Asimismo, se están abriendo otras vías de investigación para tener una garantía total de seguridad del CFRP. Una cuestión conocida es que si se aplica fuerza de compresión al CFRP después de haberse exfoliado tras un fuerte impacto, aumenta el riesgo de deteriorio. Dado que todavía no es posible simular por ordenador estas condiciones satisfactoriamente, se deben realizar pruebas para confirmar que el modelo cumple con los requisitos de seguridad para su homologación, utilizando componentes reales. Si fuese posible realizar estas pruebas por ordenador/computadora se reduciría el tiempo y el coste de la homologación, y por ello la JAXA ya está trabajando para crear modelos computerizados para pruebas de resistencia.

En JAXA se están llevando a cabo estudios para garantizar un determinado nivel de resistencia, con el motivo de obtener las certificaciones necesarias. El panel negro de esta carcasa azul, utilizada en pruebas de verificación de solidez vital, está construido con el mismo material CFRP empleado en los fuselajes de avión.

Por otra parte, ya se han fabricado con éxito modelos computerizados para pruebas de colisión con objetos externos. Las comparaciones de los resultados de las pruebas reales y los análisis informáticos han demostrado que es posible realizar simulaciones virtualmente exactas. “Estos resultados nos colocan en el primer puesto de la investigación internacional”, afirma Ishikawa con orgullo.

Los últimos trabajos de investigación se han centrado en materiales prepreg en los que nanofibras de copas apiladas, un tipo de nanotubo de carbono, se dispersan en resina. Los investigadores afirman que la nanotecnología se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, y por ello las posibilidades de incorporar nuevas funciones al CFRP no harán más que aumentar.

Los posibles usos de las excepcionales características del CFRP van mucho más allá de la aeronáutica. En el futuro, se espera que este material también resulte útil en campos como la automoción, los aerogeneradores, la maquinaria industrial y los barcos. En todas estas áreas, el CFRP combina la doble atracción de un bajo impacto medioambiental y un coste asequible. Será fascinante observar cómo se desarrollará esta historia.

(Escrito originalmente en japonés por Hayashi Aiko y traducido al español de la versión en inglés. Fotografías de Hans Sautter.)