¿Qué hacen los composites en la BIEMH?

Redacción Interempresas16/05/2014

La Bienal de la Máquina-Herramienta ha forjado sus cimientos históricamente sobre el acero y otros materiales cada vez más utilizados por esta industria como puede ser el titanio y otros muchos sofisticados y complejos. Pero los composites, aunque alguna vez han asomado tímidamente por el sector, no habían terminado de presentarse. Bien, su creciente uso en aplicaciones clave de la aeronáutica, la automoción o la eólica, entre otros, han acercado los composites a Bilbao a lo largo de esta edición de 2014.

Los composites son cada vez más habituales en la producción de componentes aeroespaciales, de la automoción y del sector energético. Hoy día la principal preocupación de estas industrias es disminuir el peso y para ello nada mejor que la fibra de carbono formando parte de un composite; es el carbono nanoestructurado, fuertemente adherido a la matriz de resina. Se caracteriza por su bajo peso: su densidad varía entre 1,7 y 2,1 g/cm³. Estos materiales presentan a los fabricantes auténticos retos, entre los que se encuentran los requisitos de calidad, la consistencia del componente, la vida útil de la herramienta, evitar las piezas desechadas y garantizar una producción eficiente, entre muchos otros.

Estructura de asiento en fibra de carbono

La fibra de carbono presenta una combinación de características, que compensa su precio, y la convierten en una alternativa valiosa. Entre sus propiedades mecánicas destaca su baja densidad, resistencia mecánica y química, resistencia al fuego, mantenimiento reducido y libertad de formas. Permite aligerar estructuras y realizar formas complejas, presenta un buen aislamiento térmico y eléctrico y supera a las características ofrecidas por los tipos de aceros, aluminio y hierros.

El costo de fabricación de la fibra es superior al de los materiales tradicionales, como el acero, pero ahorra piezas de enlace y mecanización, reduce los gastos de mantenimiento, aumenta la vida útil y la seguridad, ventajas que pueden valorarse en términos de beneficios de uso.

Fuselaje trasero de avión en composite.

Mercados

Los grandes avances presentados para la fabricación en grandes series de materiales compuestos, tanto termoplásticos como termoestables, las novedades con fibras naturales y de carbono, de resinas de origen vegetal y las nuevas soluciones para el reciclado de estos materiales una vez fuera de uso, aportarán este mismo año, consumos bastante superiores a los originalmente previstos para Europa. Según auguran los expertos del Centro Español de Plásticos, organizador de las tradicionales Jornadas de Materiales Compuestos, se esperan buenos tiempos paras los materiales compuestos.

El mayor consumidor de la fibra de carbono es el sector aeronáutico, pero muchas veces la demanda de fibra de carbono es muy superior a la capacidad de producción y este motivo es el causante de importantes problemas de suministro. Además, este sector es un campo de pruebas para nuevas aplicaciones, materiales y procesos relacionados con los materiales compuestos. Está previsto que los principales componentes de los aviones del futuro tales como el fuselaje, las alas y estabilizadores se fabriquen íntegramente en material compuesto de fibra de carbono.

Pero aún es necesario automatizar la fabricación de esta fibra para que pueda llegar a más mercados (automoción: discos de freno, columnas soporte) a precios más competitivos. El coste de fabricación de la fibra de carbono supone el 75% de su pecio de venta. La fibra de carbono utilizada en una pieza final supone el 25% de su coste total.

En lo que se refiere al mercado del automóvil los composites termoplásticos van a ver incrementada su utilización con el objetivo de reducir un 10% el peso total del vehículo con un 7% de reducción de consumo de combustible. Como tecnologías, destaca el GMT y la inyección de granza de PP de fibra larga compitiendo con el D-LFT, así como el incremento en la utilización de fibras naturales como refuerzo. La tipología de piezas de automóvil susceptibles de utilizar estos materiales son módulos de suelo y puerta, front-ends y paneles de instrumentos. En la pasada edición de las JEC (Jornadas Europeas de Composites, Paris) destacaron por ejemplo las nuevas posibilidades de polímeros textiles para materiales electro-activos, materiales de curado rápido para la producción en grandes series de piezas o un sistema de techo con apertura basado en resina SMA/ABS reforzada con fibra de vidrio.

Asimismo, las estructuras sándwich con núcleo de espuma estructural están siendo utilizadas en aplicaciones exteriores como capó, puertas, techos. Por otro lado, la utilización de microesferas huecas de vidrio, frente a cargas minerales convencionales, permite una mayor estabilidad dimensional, mejor resistencia a la abrasión y al rayado, efecto de aislamiento térmico, facilidad para el procesado sin efectos sobre piezas coloreadas.

Coche de carreras Bosch con fibra de carbono. Copyright Group 2014 (JEC Europe).

La industria aeroespacial sigue siendo la fuente dominante de las aplicaciones de mecanizado para composites. De hecho, existe un potencial de expansión del uso de composites de incluso un 50% más en los próximos cuatro años. El taladrado y el fresado de recubrimientos de ala, cajas centrales del ala y componentes de la cola vertical, por ejemplo, siguen siendo un reto para los ingenieros de producción y proveedores de tecnologías de fabricación.

Estas piezas son típicamente composites de CFRP (plástico reforzado con fibra de carbono) o de CFRP en paquetes con capas de aluminio o titanio, o ambos. Asimismo, esto se complica incluso más dada la gama de tipos de máquinas utilizadas para procesar estos materiales. En torno al 40% de las aplicaciones se llevan a cabo en máquinas de gran avance o ADU (por las siglas en inglés de unidad automática de taladrado), mientras el 35% emplean máquinas manuales y el 25% de las tareas se completan con robots o máquinas de CNC.

La regla de oro, por tanto, es que, para cada aplicación, es necesaria una atenta selección de la herramienta, que tome en consideración tanto el material como la máquina-herramienta, junto con factores como los requisitos de calidad y el volumen.

Fabricación

Con respecto a las tecnologías de fabricación, hacia el año 2004 las tecnologías de preimpregnados dejaron paso a tecnologías de infusión (Vacuum Assisted Process) y deposición de cintas (Automatic Tape Layout). Más recientemente, en el año 2006 para el A350 se desarrolló la tecnología de deposición de hilos (Tow Placement), que combina las ventajas del ATL con las del enrollamiento filamentario.

Otro ejemplo innovador de hace ya unos años fue la puerta del cargo A400M fabricado en fibra de carbono mediante el proceso VAP, integrándose todas las nervaduras sobre la piel exterior y procesando el conjunto en una única etapa. Las técnicas de evaluación no destructiva (NDE) de los componentes fabricados en material compuesto están evolucionando muy rápidamente debido al desarrollo de nuevas técnicas digitales tales como sistemas en fase (phased array), tomografía de rayos X y termografía pulsada.

En el mecanizado de composites, el sector de las herramientas para mecanizarlos avanza también a gran velocidad. Existen por ejemplo herramientas de ranurado de compresión para composites que combinan un diseño de hélice positiva y negativa que “comprimen” la parte superior e inferior del extremo del componente y minimizan así cualquier posibilidad de deshilachado, un defecto habitual al mecanizar CFRP y muchos otros tipos de composites especiales. Se suelen recomendar estrategias convencionales de fresado en contraposición, ya que estas producen menos vibraciones, y mantener la línea divisoria en el centro del material.

Bicicleta Bosch con cuadro de fibra de carbono. El coste de momento es elevado. Copyright Group 2014 (JEC Europe).

Un nuevo tipo de composites: biocomposites

El plástico reforzado está compuesto por las fibras, un polímero-matriz, y las cargas-aditivos (carbonatos, caolín, etc.), así se logra un producto con nuevas propiedades. Hay dos clases de fibras: las orgánicas (aramida, poliéster, etc.) y minerales (fibra de carbono, vidrio) y dos tipos de composites: termoplásticos y termoestables. Los primeros con el calor se funden, no necesitan curado, costes menores. En los termoestables, por el contrario, al incrementar la temperatura no pasan del estado sólido a líquido.

Pero lo más novedosos hoy en día, acompañando a los materiales tradicionales, es que se está posicionando ya la incorporación de biocomposites. Se han desarrollado nuevos biomateriales elaborados a partir de fuentes renovables y reforzados con fibra de lino. Gracias al proyecto europeo Cayley se ha obtenido una nueva generación de paneles ecológicos resistentes al fuego para su incorporación en la fabricación de aviones. Para ello se ha desarrollado un innovador material que ofrece numerosas ventajas frente los que se venían empleando hasta ahora, principalmente la fibra de vidrio. Concretamente, el nuevo material es un 60% más ligero que ésta, y los paneles resultantes presentan un coste de producción más ajustado, ya que se ha logrado reducir el número de procesos necesarios para su fabricación y el consumo energético se reduce entre un 50 y un 70% respecto a los existentes en el mercado al comienzo del proyecto. El nuevo material también resulta más fácil de reciclar que los convencionales, y gracias a él se espera reducir en más de 100 toneladas anuales los residuos que genera la industria aeronáutica.