A todo gas con los materiales compuestos

Aunque se percibe como algo vanguardista, el uso de materiales compuestos no es realmente una novedad en el mundo de la aviación. La industria aeronáutica destaca como pionera, ya que fue de las primeras en usar estos materiales a gran escala, a pesar de su coste superior en comparación con los metales a los que reemplazan.

Desde las primeras «máquinas voladoras» creadas por los hermanos Wright, o por Clément Ader a este lado del Atlántico, los fabricantes de aviones saben que el peso es un factor determinante para que una aeronave vuele bien. Al menos así era en los inicios de la aviación, aunque ahora es menos relevante debido a la potencia de los motores, que son capaces de hacer despegar aviones mucho más pesados sin problemas.

Un motor de 12 CV, algunas tablas de madera, tela de algodón y unos 272 kg de peso... En 1903, después de la hazaña de los hermanos Wright, estábamos lejos de imaginar que, menos de cinco décadas más tarde, el avión rompería la barrera del sonido.

Hoy en día, esta búsqueda de ligereza persigue otros objetivos: de tipo económico, puesto que cuanto más ligero sea un avión menor será su consumo, pero sobre todo de tipo ecológico, ya que un menor consumo genera menos emisiones de gases de efecto invernadero.

Los polímeros dan el peso

Los materiales compuestos se llaman así porque están compuestos por diferentes elementos: una fibra (de vidrio o carbono, por ejemplo) y una matriz.  Una resina plástica adhiere y mantiene unidas las fibras entre ellas, asegurando así la cohesión del material y la transferencia de cargas mecánicas entre las fibras. Estos materiales hicieron su aparición en el mundo de la aviación a partir de los años treinta, cuando se utilizaba una combinación de fibras de vidrio y resina para reforzar las hélices. Si bien estas últimas eran más resistentes, este nuevo material no era realmente más ligero que la madera... Habría que esperar hasta la década de los setenta para asistir a la aparición de nuevos compuestos, en su mayoría basados en carbono y resina epoxi. Estos materiales de alta tecnología prometían mucho, ya que eran ligeros, pero también muy resistentes, especialmente a la fatiga, insensibles a la corrosión y a menudo también a las agresiones químicas. Además, al ser moldeados en lugar de embutidos, como a veces lo son los metales, permitían diseños más ambiciosos que daban respuesta a los requisitos físicos para el vuelo de estos gigantes del aire. Sin embargo, había un inconveniente: su elaboración no era fácil. El proceso de moldeado era tedioso y requería numerosas operaciones manuales. Además, los tiempos de calentamiento óptimos para lograr un endurecimiento adecuado se basaban en técnicas empíricas. En resumen, el material era prometedor, pero era necesario acabar de dominarlo. Con perseverancia, los ingenieros lograron mejorar su dominio y hacer que cumpliera las estrictas normas aeronáuticas. Hoy en día, representa el 50 % de la masa de algunos aviones de gran tamaño. Este hito del 50 % fue alcanzado primero por Boeing en su 787, que recibió su certificación, es decir, su permiso para volar, en 2011. Fue todo un logro, considerando que su competidor de la época, el famoso Airbus A380, solo contenía alrededor de un 25 % de materiales compuestos. Ansioso por tomarse la revancha, el fabricante europeo presentó unos años después su A350, que logró superar la marca del 50 %. En estos aviones, el fuselaje, parte de las alas y los alerones, así como la cola, están compuestos íntegramente por paneles de fibra de carbono y resina epoxi. ¡Un avance asombroso en apenas 50 años, considerando que el Boeing 747, la estrella de la época, destacaba por su diseño en aleación de aluminio!

Los materiales compuestos basados en resinas poliméricas han puesto los aviones a dieta. Más ligeros, consumen considerablemente menos combustible. Aquí se muestra la instalación de un panel de material compuesto sobre un inversor de empuje.

Materiales compuestos de pies a cabeza

Si bien la mejora del peso es la motivación principal, los fabricantes de aeronaves están interesados en los materiales compuestos también por sus otras cualidades menos conocidas. Su rigidez, por ejemplo, no tiene parangón cuando se trata de fabricar piezas de gran tamaño como los elementos de las alas.

Ligeros, pero no solo eso... Los materiales compuestos también son moldeables a voluntad, lo que permite fabricar elementos en una sola pieza donde los metales habrían necesitado varias.

Además, su proceso de fabricación por moldeo permite reducir la cantidad de piezas ensambladas mediante tornillos o remaches, que deben ser cuidadosamente supervisados y reemplazados al menor movimiento. Esto significa menos mantenimiento, especialmente porque, a diferencia de los metales, no les afectan la humedad ni la corrosión que la acompaña.

Las partes móviles de la cola y los alerones están diseñados a partir del mismo material, pero en forma de sándwich, un tipo de fabricación que permite que las placas de materiales compuestos sean más resistentes a los movimientos de torsión. Las placas están formadas por un núcleo de panal de abeja —una estructura que minimiza la cantidad de material utilizado para obtener una resistencia máxima— de Kevlar®: una fibra de aramida que se encuentra en el centro del sándwich entre dos capas de material compuesto de fibras de carbono. Esta misma técnica se utiliza para el radomo, el extremo convexo de la punta delantera de un avión. Visto desde fuera, parece una simple «puntera» que contribuye únicamente a la aerodinámica de la aeronave. Pero no es así, ya que detrás de esta «cubierta» se encuentra el radar (especialmente el radar meteorológico, cuya función es crucial ya que detecta la presencia de nubes densas). Para ser eficiente, un radar debe permitir el paso de las ondas electromagnéticas en ambos sentidos. Esto es algo que todos los polímeros pueden hacer muy bien... excepto que un radomo está muy expuesto a impactos, especialmente los causados por aves. De ahí la fabricación en núcleo de panal de abeja que los hace prácticamente invulnerables. En la mayoría de los casos, se les añaden además hilos de cobre para disipar posibles impactos de rayos.

Los materiales compuestos utilizados para fabricar el Airbus A350 representan más del 50 % de su masa. Una primicia en la historia de la aviación.

Los materiales compuestos se pliegan a todas las exigencias

Las áreas que conectan las alas con el fuselaje están hechas de un material compuesto de fibras de vidrio que destaca por su robustez. Solo los bordes de ataque de las alas y los soportes de los motores se hacen todavía de metal: aluminio para los primeros y acero o titanio para los segundos, materiales que siguen siendo líderes en cuanto a resistencia a los impactos. ¿Hasta cuándo? Airbus ahora refuerza una parte de las alas de su A320 con fibra de aramida, ¡una fibra que parece resistirlo casi todo! Una prueba más de la madurez de los materiales compuestos es que Boeing equipará su futuro 777x con alas plegables de material compuesto. Una elección arriesgada que sin embargo ha recibido la certificación.

Boeing se atrevió con la apuesta de un ala plegable para su 777. Un desafío superado con éxito gracias a la sutil combinación de materiales compuestos y metales.

Con una envergadura de 72 m, este gigante del aire presentaba el riesgo de rozar otros aviones en los puntos de estacionamiento. Las alas se plegarán en tierra y le permitirán ganar 7 m, manteniéndose perfectamente estables en vuelo. Su sistema de bisagras metálicas y sus alas de material compuesto son la combinación perfecta de lo mejor que puede aportar cada tipo material.

Polímeros de película

Los materiales compuestos aún tienen algunas desventajas, especialmente su baja capacidad para conducir y disipar la electricidad en caso de recibir un rayo.

Para solucionarlo, a menudo se inserta una barra de cobre en la estructura del fuselaje. Solvay ha diseñado incluso una película polimérica adhesiva para la superficie que puede incorporar una malla muy fina de hilos de cobre para disipar la electricidad. Al ser colocada en diferentes partes del fuselaje o las alas, esta película también tiene la ventaja de alisar las fibras de carbono y mejorar la aerodinámica.

Para disipar la electricidad en caso de recibir un rayo, algunos aviones pueden «vestirse» con una película adhesiva de polímero que incorpora hilos de cobre.

En el mismo ámbito, Lufthansa ha colaborado con BASF para diseñar una película de polímero inspirada en la piel del tiburón. Al igual que la piel de este pez, conocida por sus capacidades hidrodinámicas, está compuesta por millones de nervaduras en forma de prisma, cada una con 50 micrómetros de profundidad (0,005 cm). Esta textura nervada reduce el frotamiento del aire con el fuselaje y, por lo tanto, la resistencia aerodinámica. La aplicación de 950 m2 de esta película en la superficie de un avión permite ahorrar 400 toneladas de queroseno y 1200 toneladas de dióxido de carbono al año. Si la flota mundial de aviones de larga distancia estuviera equipada con este revestimiento, se ahorrarían casi cinco millones de toneladas de combustible cada año. 

Los plásticos tienen mucho que ofrecer bajo el capó

En ciertas piezas del motor sujetas a intercambios gaseosos se utilizan las poliimidas termoplásticas (TPI), en particular la polieterimida (PEI), muy presente en la industria de la aviación. Este último material, que se aplica por inyección, es más ligero que los metales como el aluminio, al que reemplaza, y es capaz de lograr grandes hazañas gracias a su fuerte resistencia a altas temperaturas (superiores a 150°C), a la agresión química, la hidrólisis y la fricción.

Esta familia de polímeros es compatible con temperaturas elevadas. Cabe mencionar que también se encuentran otros materiales termoplásticos de alto rendimiento, como las poliariletercetonas (PAEK), y en particular la polieteretercetona (PEEK), en engrasadores de trenes de aterrizaje; aunque en este caso por razones de peso, ya que son igualmente resistentes a la presión a la vez que más ligeros.

Los polímeros de alto rendimiento, como el PEEK, han aparecido en numerosas aplicaciones, por ejemplo, en los motores de reacción. Su ventaja principal: resisten todo tipo de agresiones, especialmente las altas temperaturas.

Por otro lado, los polímeros a base de epoxi se utilizan en las áreas delanteras de los motores de reacción para reducir el consumo de combustible. En este caso, no se persigue reducir el peso sino la abrasabilidad del material. Un revestimiento es abrasible cuando, al entrar en contacto con una parte móvil, se desgasta preferentemente ese material en lugar de la parte móvil. En los motores de reacción, se encuentran en las juntas de la turbina. Para entenderlo, es importante saber que al reducir al mínimo el espacio entre las piezas móviles (como las aspas) y su carcasa, se mejoran las características aerodinámicas del motor y, por lo tanto, su eficiencia. En caso de fricción, será la junta abrasible la que se desgaste, de modo que no se producirá una pérdida significativa de eficiencia de las aspas. Cabe destacar que actualmente se está considerando colocar nuevas piezas impresas en 3D de estos polímeros cerca de los ventiladores para reducir el ruido del motor. De hecho, este polímero puede transformarse mediante fabricación aditiva en un metamaterial de tipo microandamiaje (un material arquitecturado con una microestructura porosa) que presenta excelentes propiedades de absorción acústica.

Gracias al uso de diferentes polímeros como el PEEK o el material compuesto de carbono/epoxi de las aspas, el motor LEAP —desarrollado por CFM y que equipa aproximadamente el 90 % de los aviones de media distancia de un solo pasillo vendidos en todo el mundo— ha reducido su peso en más de 450 kg en comparación con los de la generación anterior, que pesaban cerca de 2500 kg. Si bien estas cifras son significativas, la verdadera proeza ha sido permitir una reducción en el consumo de aproximadamente el 30 %.

Gracias a los polímeros, las últimas generaciones de motores, como el LEAP, han reducido su peso en un 20 % en comparación con las generaciones anteriores

Equipamientos del interior: los plásticos en la línea de fuego

Tanto en compartimentos de equipaje como en revestimientos de asientos, carros de servicio, mamparas o paneles... los polímeros ocupan un lugar predominante en la cabina de los aviones.  La variedad de polímeros utilizados es amplia, desde la poliamida, también conocida como Nylon®, hasta el policarbonato, pasando por las polieterimidas (PEI) y los tradicionales materiales compuestos de fibra de vidrio/epoxi.

El equipamiento de las cabinas es hoy en día un factor de diferenciación muy importante para las aerolíneas. Si bien los polímeros están presentes principalmente por su bajo peso, también son capaces, gracias a su diseño y textura, de lucir una estupenda apariencia.

Al igual que en la industria automotriz, estos materiales se eligen principalmente por su bajo peso y su capacidad para adoptar diversas formas. Sin embargo, en el mundo de la aviación, las normas de seguridad son aún más estrictas, especialmente en lo que respecta a la resistencia al fuego. Por lo tanto, para cumplir con los requisitos de los organismos de certificación, los materiales deben tener una excelente resistencia al fuego.

 Este es el caso del PVC utilizado para el aislamiento de los cables. Las polieterimidas (PEI) también tienen una excelente resistencia al calor y, lógicamente, se encuentran en piezas de gran tamaño como mamparas y paneles. Para piezas más pequeñas, como los sistemas de sujeción, se prefieren las poliamidas aditivadas con retardantes de llama. En cuanto a los compartimentos de equipaje, estos están fabricados con materiales compuestos de fibra de vidrio y epoxi, que al ser casi indestructibles resultan ideales para objetos que se accionarán miles de veces durante su vida útil.

Este conjunto de detalles, aunque podrían parecer insignificantes, son lo que marca la diferencia... Así, el PEI también puede enriquecerse con fibras de carbono para hacerlo aún más resistente. Reemplazará al aluminio utilizado hasta ahora en los reposabrazos, los reposapiés, el chasis de la cafetera y los brazos de las bandejas. En última instancia, reducirá varias decenas de kilogramos y una cantidad equivalente de emisiones de CO2. O, alternativamente, permitirá transportar más carga...

Los plásticos toman asiento

Si bien la estructura de los asientos todavía se compone principalmente de metal, generalmente aluminio o titanio, el resto está hecho de diversos polímeros, como el policarbonato utilizado en los reposabrazos o el revestimiento de los asientos, por ejemplo. Aquí también, los fabricantes siguen buscando más ligereza sin dejar de satisfacer las normas de seguridad.

Este desafío audaz ha sido asumido por una joven empresa francesa que ha desarrollado un asiento cuyo armazón está hecho de titanio y fibras de carbono. Pesa solo 4 kg frente a los 10 kg de un asiento tradicional. Esta es una verdadera innovación, ya que es el primer asiento de fibra de carbono certificado por las autoridades aeronáuticas. Recientemente, este asiento se ha incluido en el catálogo del Airbus A320 y el Boeing 737.

Los polímeros han estado presentes en los asientos desde hace mucho tiempo. Si bien durante largos años el armazón ha sido de metal, hoy en día existen modelos cada vez más ligeros que incorporan materiales compuestos.

 Finalmente, en un futuro cercano, se podrían utilizar fibras vegetales, por ejemplo de lino, para fabricar carritos de servicio, entre otros. Además de su carácter ecológico, absorben muy bien las vibraciones y el sonido en comparación con sus homólogos de carbono o incluso con el metal. Cualidades innegables para la comodidad tanto de los pasajeros como del personal de vuelo...