JEC 2010 muestra las tendencias que marcarán el futuro en el sector de los materiales compuestos
La feria de los composites
Luis Palenzuela, departamento de Plásticos y Composites de Inasmet-Tecnalia
07/05/2010 7 de mayo de 2010
La
JEC de París, celebrada este año en la capital gala entre el 13 al 15 de abril, está considerada la feria sobre composites más importante de Europa. Tras realizar nuestra visita anual, este artículo tratará de sintetizar lo que este año nos ha transmitido y extraer unas conclusiones, siempre subjetivas pero pretendidamente rigurosas.
Asumiremos como premisa que lo que vemos en la feria es un indicador de lo que está ocurriendo en el mercado o una tendencia sobre lo que va a suceder a lo largo del año 2010. No obstante, siempre asumiremos la incertidumbre de convivir con la duda de que lo que vemos y oímos está promovido por decisiones, prioridades o imposiciones internas de las JEC (temáticas de los foros técnicos, de las categorías de premios, países anfitriones...).
Parece que los composites, en su carrera contra los materiales y procesos tradicionales de los sectores industriales más importantes (transporte terrestre, construcción, deporte, aeronáutica...) aportan ventajas competitivas. Pero materializarlas requiere de esfuerzos de desarrollo importantes para conseguir mejoras incrementales. A pesar de ello, no debemos desanimarnos. Estas mismas mejoras incrementales pueden ser mucho más difíciles de conseguir optimizando los materiales y procesos tradicionales.
Como todos los años, la feria ha ofrecido un aspecto extraordinariamente dinámico, profesional y con un creciente interés en el apartado tecnológico (foros).
El sector de los materiales compuestos genera hoy un volumen de negocios de 60 mil millones de euros, con un crecimiento anual mundial del 5%
Evolución lenta
Las cosas no son tan sencillas como acudir a una feria, descubrir una tecnología, material o concepto de diseño de un componente muy diferente al que utilizamos, implantarlo en nuestra empresa y conseguir una gran mejora. Tal vez debamos asumir que en el siglo XXI, en el mundo globalizado de las tecnologías de la información, la diferencia o distancia entre las empresas muy buenas y las normales, en el apartado técnico, son bastante pequeñas. Por ello, los que acudimos anualmente a la feria, observamos casi siempre una evolución lenta y que periódicamente lleva a periodos de consolidación de tecnologías y no tanto de puesta de largo de nuevos y llamativos desarrollos. Este año, podríamos estar en uno de esos periodos, pragmáticos con los tiempos que corren; materiales y procesos no suficientemente explotados, necesidad de reducción de costes, nuevos productos y conceptos de diseño.
El sector de los materiales compuestos genera hoy día un volumen de negocios de 60 mil millones de euros. Con un crecimiento anual mundial del 5%, podría alcanzar 80 mil millones de euros en 2015. Las exigencias medioambientales y energéticas, la búsqueda de materiales cada vez más ligeros y más resistentes favorecen la utilización de los materiales compuestos.
La feria se divide principalmente en tres apartados: foros técnicos, stands y premios a la innovación.
Foros técnicos
Cada año esta sección adquiere mayor protagonismo. En esta edición las conferencias se han agrupado en las familias siguientes:
- Reciclaje y gestión del ciclo de vida
- Procesos de desarrollo de composites
- Producto. Diseño y simulación de composites
- Automatización
- Materiales
Han estado representados casi todos los sectores industriales:
- Automoción
- Construcción e ingeniería civil
- Aeronáutica
- Naval
- Eólico
- Ferrocarril y transporte por carretera
Los participantes en los foros técnicos representaban a un heterogéneo grupo de países, pero destacaban los alemanes. No en vano, Alemania sigue siendo el país líder mundial en tecnologías de materiales no metálicos.
Los mensajes transmitidos en los foros técnicos, coinciden con lo percibido en los stands:
- También en sectores como el aeronáutico, que creíamos demasiado alejado de la guerra de precios a la que lleva años sometido.
- Automoción: son tiempos de optimizar los procesos (automatizar, reducir costes de fabricación, de utillaje...).
- Son tiempos de desarrollar nuevos productos y nuevos conceptos de producto.
- Son tiempos de hacer un seguimiento muy de cerca de los requerimientos medioambientales y todo lo asociado a ello (materias primas de origen natural, reciclabilidad y requerimientos de los vehículos eléctricos).
Posiblemente, el intento de utilizar algunos materiales de origen natural es demasiado forzado y puede no prosperar, pero si tanto se habla de sostenibilidad, el tema no lo deberíamos considerar cosmético. Las ponencias del sector automoción hacen referencia productos de serie corta o muy corta (Toyota, Audi y Lamborghini) y nada a serie larga.
Stands
En esta edición han estado representados 96 países en 8 pabellones internacionales con 1.000 marcas expositoras representadas. El invitado de honor ha sido Italia, tercer país europeo productor de compuestos. Tal vez también por ello, Italia es el tercer país extranjero representado en términos de números de expositores.
En consonancia con las temáticas destacadas en los foros técnicos, se ha evidenciado una elevada presencia de fibras y resinas biológicas obtenidas de fuentes naturales. Igualmente ha sido destacable la presencia de universidades y centros de investigación, principalmente alemanes y franceses. Quizás, con algo más de presencia que en ediciones anteriores, se presentan stands sobres procesos de reciclaje y de materiales y productos fabricados con materiales reciclados (polipropileno, PET, carbono, etc.). También han sido interesantes las nuevas aplicaciones, para diferentes sectores industriales, de preformas fabricadas mediante TFP (Tailored Fibre Placement).
Comienzan a aparecer materiales y aplicaciones (sismología, calentamiento...) basadas en nonos y polímeros funcionales. Igualmente se extienden los materiales y marcas de sándwich termoestable, espumas metálicas y otros semielaborados.
Pierden protagonismo, respecto a adiciones anteriores, el RTM, RTM ligero y la infusión tradicional y se anuncian más posibilidades para las membranas reutilizables. No consideramos que esta pérdida de protagonismo se deba a que estos procesos no ofrecen suficientes oportunidades de mejora, sino a que el sector esta poco a poco conociéndolos y desarrollando nuevas aplicaciones para ellos. Como se ha comentado al principio, este es el año de las aplicaciones y no tanto de los procesos.
Tal vez, el proceso más novedoso sea la infusión de poliuretano que permiten los sistemas Baytec. No menos interesantes son las posibilidades que abre la soldadura láser a los procesos de unión tanto de composites termoplásticos como de sustratos disimilares presentada por el Fraunhofer. El Telene continúa encontrando nuevas aplicaciones, debido a su posibilidad de ser utilizado sin reforzar. Las fibras de refuerzo más destacadas en un amplio rango de formatos son las de carbono y las de origen natural. Los composites termoplásticos siguen siendo una propuesta prometedora aunque, tal vez, con menos protagonismo que en ediciones anteriores. Igualmente, da la sensación de que el sector aeronáutico puede estar alcanzando su techo en el consumo de composites y que su preocupación más inmediata será la reducción de costes y aumento de flexibilidad de sus procesos productivos.
No podemos dejar de insistir en que este año la JEC transmite inquietud por el producto (ingenierías de diseño de producto, de procesos y de utillajes) y las ventajas funciones que los composites puede aportar (ligereza, reducción de impacto ambiental a lo largo del ciclo de vida, mejora aerodinámica y consiguiente reducción del consumo de combustible...). La presencia española en los stands se ha reducido a M-Torres.
Los premios a la innovación JEC 2010
Esta sección ha sido este año mucho más variada e interesante que en ediciones anteriores. Este año, los ganadores fueron seleccionados en las siguientes categorías: Medio ambiente y reciclaje, biomateriales, aeronáutica, edificación y construcción, deportes y ocio, transportes, energía eólica, materias primas, y procesos y automatización.
Este año destaca por el aumento del número de solicitudes y por su distribución. La participación es mundial, con solicitudes de 22 países de Europa, Sudáfrica, Norteamérica y Sudamérica y la región Asia-Pacífico.
Hay un aumento en deportes y ocio. La automatización en la aeronáutica es una tendencia confirmada, como también lo es la determinación de eliminar el uso de autoclaves para aumentar el rendimiento y garantizar la reproductibilidad de la producción.
La integración de los composites en el sector de la construcción se está asentando. Esto significa que los diseñadores y arquitectos realmente están utilizando los composites como materiales consagrados, junto con materiales tradicionales como el hormigón, el acero y la madera.
Las consideraciones sobre desarrollo sostenible se han consolidado, como se ve por la elección de materias primas renovables para fibras de refuerzo y resinas matriz y la preocupación por el reciclaje de materiales, como su reutilización para la misma aplicación o similar. Esto se convertirá en una tendencia con el aumento del uso de composites termoplásticos.
A continuación, mencionamos algunos de los premios más destacados.
Primera estructura primaria de aeroplano con composite termoplástico soldado producida en serie. Ganador: Fokker Aerostructures (NL)
Con un timón de 4 metros de largo y elevadores de 6 metros, Fokker Aerostructures introduce las primeras superficies de control de aeronave a base de composite termoplástico de carbono/PPS soldado por inducción en la producción en serie para el nuevo jet Gulfstream 650.
Fokker Aerostructures ha introducido las primeras superficies de control de aeronave a base de composite termoplástico de carbono/PPS soldado por inducción.
El diseño ligero se consigue mediante el uso de una estructura de composite reforzada post-pandeada con thin skin y un material duro de carbono/PPS. Normalmente una estructura reforzada supondría altos costes de montaje. Este no es el caso aquí, debido al uso de la soldadura como principal tecnología de ensamblaje. Las costillas prensadas y dos vástagos se sueldan a las láminas izquierda y derecha con un proceso robotizado de soldadura por inducción. Las herramientas especiales garantizan que el área fundida se limite a la zona soldada. En comparación con la soldadura por resistencia, la soldadura por inducción ofrece menor peso y costes de diseño.
Los primeros productos a tamaño real se soldaron en octubre de 2008. En el verano de 2009, los primeros componentes de producción en serie se integraron en la primera cola del Gulfstream G650.
Papel sísmico inteligente de composite. Ganador: D'Appolonia S.p.A. (Italia)
Este ‘papel sísmico’ inteligente de composite se utiliza para refuerzo, fortalecimiento, seguimiento y gestión de infraestructuras civiles vulnerables a los terremotos. El equipo del proyecto redobló sus esfuerzos después del terremoto de L'Aquila (primavera de 2009, con 15.000 casas destruidas). El papel sísmico de composite está pensado como una solución de cobertura total o refuerzo de amplias áreas para edificios y estructuras de mampostería sin reforzar.
El papel sísmico de composite está ideado para edificios y estructuras de mampostería sin reforzar.
La solución es sencilla, económica y fácil de aplicar. Cuando se aplicó como solución de cobertura total y probado en laboratorios a gran escala que realizan pruebas de estandarización nacionales para Alemania, esta solución ofreció aumentos de más del 200% en fuerza estructural (carga máxima) y aumentos de más del 200% en ductilidad estructural (deformación máxima). Las paredes vulnerables a comportamientos de resquebrajamiento y derrumbe se mantenían unidas incluso después de haberse roto. Este composite lleva sensores incrustados para que se puedan realizar mediciones antes, durante y después de movimientos sísmicos. Estas mediciones pueden ser estáticas o dinámicas (alta frecuencia). Los ingenieros utilizan esos datos para controlar nuevas construcciones, para evaluar y cuantificar el beneficio de acciones de rehabilitación, y para ayudar a gestionar la estructura a lo largo del tiempo.
Rueda de carbono para el mercado de bicicletas de carretera. Ganador: Corima S.A. (Francia)
Esta Corima Aero+ MCC es una rueda de carbono 100% producida utilizando un proceso completo de composite. La llanta está hecha de fibras preimpregnadas de carbono tafetán UD cubiertas de espuma Rohacell. El buje está hecho parcialmente de fibras de carbono preimpregnadas y los radios estás hechos totalmente de fibras de carbono preimpregnadas. Algunas partes están sobremoldeadas y otras están unidas por adhesivo con un adhesivo estructural de epoxy. Así se produce una rueda de muy alto rendimiento, que ofrece:
Rueda 100% de carbono de Corima.
-
Bajo peso: solo 1.000 gramos para un par de ruedas. La baja densidad de la fibra de carbono es una ventaja considerable
- Inercia: el espesor del carbono preimpregnado asegura una distribución del peso muy precisa y una llanta muy ligera, que proporciona una inercia muy buena en la rotación
- Dureza: se consigue una dureza muy alta contra el rendimiento de la rueda, el carbón preimpregnado UD utilizado para los radios aporta un valor increíble, haciendo posible utilizar sólo 12 radios
- Aerodinámica: buena aerodinámica. La solución de composite total desarrollada para la llanta y los radios ofrece un perfil específico (radio cónico)
- Diseño: un diseño único. La rueda completamente montada tiene una estética excepcional y el proceso confiere a las partes de alto rendimiento un aspecto estético excelente. El diseño específico que utiliza 12 radios delante y 12 radios detrás la hace una rueda única
Palé de LFT PP de alto rendimiento. Lomold Pty Ltd. (Sudáfrica)
Lomold desarrolló un nuevo proceso de fabricación con termoplástico reforzado con fibra larga (LFT). La innovación patentada consigue fibras muy largas en un producto en 3D muy amplio y complejo a través de una abertura (orificio de colada). La longitud de la fibra resultante supera los 20 milímetros (hasta 50). Como consecuencia, se consiguen altas propiedades mecánicas y son posibles diseños ligeros, muy fuertes y de paredes finas.
Turbina eólica fabricada al 100% con materiales naturales. Ganador: LTP (Francia)
Este tamaño de turbina eólica puede alimentar sistemas de alumbrado público. El objetivo es proporcionar energía natural con un sistema limpio. La configuración de esta turbina eólica posibilita fabricar energía con un volumen y dimensiones muy restringidos. Su sistema de control de seguridad permite que funcione incluso con fuertes vientos. Utiliza la tecnología patentada Actener. El material combina fibras de lino con una matriz de PLA, así que es 100% biodegradable.
La turbina es 100% biodegradable.
Las aspas y su soporte se diseñaron y fabricaron utilizando el proceso “taller de lámina de composite” especialmente desarrollado por La Tôlerie Plastique como parte de un proyecto de investigación entre tres colaboradores: LTP, Seinari y la Universidad de La Haya. El proyecto fue financiado por Oseo. La tecnología de taller de lámina de composite consiste en un proceso de mecanizado y fabricación CNC que utiliza técnicas de ensamblaje y mecanizado prestadas de las industrias de fabricación de chapa de metal y del mueble. Esta pequeña turbina eólica es fácil de instalar y de usar, lo que la hace adecuada para un amplio abanico de usuarios, como ayuntamientos, autoridades locales, usuarios privados y empresas.
Tejidos Han-3D y Composites Han-3D. Nuevo tipo de tejido para evitar el problema de la deslaminación y falta de resistencia en los adhesivos generales. Ganador: Advanced Fiber Materials Technologies Co., Ltd. China
Los tejidos Han-3D son un nuevo enfoque internacional pendiente de patente de Advanced Fiber Materials Technologies, Co., Ltd. que utiliza velcro en ambas caras de láminas de fibra para producir composites 3D con mayor fuerza interlaminar. No entorpecen los procesos de laminado 2D de las principales tecnologías de producción de composites actuales. Los tejidos con velcro pueden fabricarse de cualquier fibra como fibra de carbono, fibra de vidrio y fibra de kevlar, utilizando tecnologías propias.
Los resultados de las pruebas y de los análisis teóricos muestran que los composites Han-3D pueden aumentar la fuerza interlaminar entre un 50% y un 100%, la fuerza de compresión en más de un 20%, la resistencia al impacto en alrededor del 20% y la eficiencia de almacenaje en un 40%.
Ensamblaje por unión adhesiva estructural. Ganador: Sabca (Bélgica)
El demostrador Mojo (juntas modulares para componentes de composite para aeronaves) es uno de las primeras estructuras aeronáuticas representativas diseñadas para ensamblaje por unión adhesiva estructural, que ofrece características de tolerancia a los daños.
La innovación con composites es una estructura aerospacial de tamaño real diseñada para reunir todas las características desarrolladas en el proyecto MOJO. La innovación ofrece varios elementos desarrollados. Éstos se utilizarán con posterioridad en diferentes dominios por diferentes usuarios, como Sabca, Dassault-Aviation, Premium Aerotec, EADS Military Air Systems y Eurocopter.
Ensamblaje por unión adhesiva estructural de Sabca.
Las innovaciones combinarán perfiles preformados a medida para juntas modulares con procesos de unión estructural, como refuerzos fuera de plano. Las aplicaciones incluirán paneles de forro de ala endurecidos, paneles de cola horizontales y verticales, FTF, puertas de carga y de pasajeros, marcos de las puertas de carga y de pasajeros, además de vehículos aéreos sin piloto. Los principales componentes de esta viga cerrada se fabricaron con procesos de infusión fuera de autoclave como el Moldeo por transferencia de resina (RTM) para los paneles superior y laterales, y el proceso de Infusión de resina asistida por vacío (Vari) para el panel inferior. Se utilizaron tejidos de carbono no ondulado (de Saertex y Cytec) y perfiles preformados a medida hechos de tejidos de alto rendimiento (desarrollados por los colaboradores).
Teniendo en cuenta que la unión estructural es el método de unión más compatible para piezas de composite, se desarrollaron y utilizaron con éxito para el montaje procesos adhesivos tanto con adhesivos en película como en pasta.
La unión estructural aún no se acepta ampliamente como alternativa al remachado. Por tanto, los proyectos de demostración como Mojo, que llevan a los beneficios en costes y rendimiento descritos, ayudarán a cambiar opiniones y ganar aceptación, abriendo el camino a las estructuras de CFRP 'sin remaches'. La unión estructural ofrece unos ahorros en costes totales de alrededor del 25% y un 50% de ahorro de peso, hasta el 60% de ahorro en costes de montaje en comparación con conceptos de 'metal negro'.
Proceso de Compensación de Laminado curado (CLC). Ganador: Magestic Systems Inc. (EE UU)
El proceso CLC aúna las amplias capacidades de la tecnología de Radar láser de Nikon Metrology y TruPLY Compensation de MSI (TPC). El proceso se desarrolló específicamente para el caza F-35, para probar y corregir el espesor del forro de ala de composite fraguado. El proceso CLC no está limitado a aeroestructuras. Aspas para turbinas eólicas, superyates y automóviles están empezando a incorporar materiales composite en su construcción y podrían utilizar el proceso CLC para conseguir los mismos ahorros y calidad.
Al combinar las tecnologías de Radar láser y PCS, Lockheed Martin estableció un proceso automatizado de producción que está diseñado para producir componentes de calidad predecible, al tiempo que se reduce rigurosamente la chatarra y se mantiene la precisión, escalabilidad y facilidad de uso.
La sinergia entre el TPC de Magestic Systems y el Radar láser de Nikon Metrology ofrecieron a Lockheed Martin una gran solución para controlar las zonas de espesor crítico de los composites laminados curados utilizados en el caza F-35 – utilizando la metrología, el ply nesting automático y tecnologías de proyección laser para producir piezas de composite dentro de las tolerancias de espesor de ingeniería.
Dentro de un rango de 60 metros, el sistema de radar láser sin contacto de Nikon Metrologies captura la geometría de la superficie de las piezas de composite de cualquier forma y tamaño, sin que sea necesario el SMR u otros objetivos.
Magestic Systems desarrolló el sistema TruPLY Compensation (TPC) para comparar los datos “construidos” recogidos por el Radar láser de Nikon Metrology con datos conocidos “diseñados” tomados de los archivos de diseño del composite. El proceso TPC entonces determina en qué lugar la pieza es deficiente estructuralmente y en qué medida. TPC genera automáticamente el número apropiado de capas de compensación necesarias para construir un forro de ala que cumpla con las tolerancias de ingeniería. Estas capas se anidan automáticamente y se genera el programa de control numérico para la máquina de corte con la aplicación TruNEST de MSI. Además, TruLASER View de MSI crea automáticamente archivos de proyección láser para que un proyector láser 3D pueda indicar la situación correcta para cada capa cuando se coloca en el forro del ala. La pieza está lista para refraguar y obtener la geometría final. La pieza final de composite se vuelve a medir con el Radar láser de Nikon Metrology para controlar la calidad de la geometría.
Línea de producción automatizada de preformado para plataformas de aerovanes de CFRP. Ganador: EADS Deutschland GmbH (Alemania)
En cooperación con SGL Kuempers, EADS Innovation Works inventó un proceso que permite producir plataformas de composite de gran calidad y bajo coste con alta flexibilidad de diseño y repetibilidad sin igual. El objetivo principal de la línea de producción automatizada de preformado es reducir los costes de fabricación al reducir las operaciones manuales y el uso principal de materia prima ambulante. Esto puede desembocar en un índice final 'fly-to-buy' de casi el 95%. El proyecto se lanzó en enero de 2008 y se completó con éxito a finales de 2009. La maquinaria está en el Centro de Tecnología de Stade. La línea fue especialmente diseñada para la producción altamente automatizada de plataformas de Airbus y puede cumplir los requisitos de futuros tipos de aeronave, Ej.: A30X. El objetivo de aproximadamente 30-40 aeronaves (A30X) al mes puede alcanzarse.
El diseño de plataformas de aeronave puede variar dentro de un amplio espectro de formas para cumplir con los requisitos de estructura del fuselaje. La máquina es capaz de producir plataformas con secciones transversales y curvaturas alternas.
Pasa reducir los costes de la próxima producción de CFRP y para poder competir con las estructuras metálicas, es fundamental que los proveedores de materiales, los fabricantes de maquinaria y los usuarios finales trabajen codo con codo. El proyecto ha demostrado que este es un camino importante. Por tanto, se espera un gran potencial de mercado para la producción automatizada de CFRP.
