Mejora la resistencia al fuego de las estructuras sandwich

Las estructuras sandwich con pieles metálicas o a base de composites encuentran cada vez más aplicaciones, tanto en revestimientos como en aplicaciones estructurales en aviación, ferrocarriles, camiones y vehículos de alta velocidad. Como pieles del sandwich a base de composites suelen usarse matrices termoestables de epoxy o fenólicas con refuerzos de fibras de vidrio, carbono o aramida. En este artículo se explican las particularidades de una nueva espuma de célula cerrada.

Cada vez cobran más interés para los responsables de producción las matrices termoplásticas con refuerzos de fibra, ya que presentan ventajas desde el punto de vista de reducción del coste de la inversión en planta, del coste de la mano de obra y de los tiempos de proceso. Las pieles a base de aluminio, por otra parte, compiten con los composites aportando ventajas de alta rigidez a menor coste.

Durante los últimos años los accidentes ocurridos en ferrocarriles, aviación o barcos, con presencia de fuego mostraron que los componentes plásticos, así como las estructuras sandwich con núcleos de espumas plásticas y laminados termoestables de poliéster o epoxy, quedaban destruidas por el fuego. A fin de reducir para los pasajeros los riesgos de un fuego potencial debidos a humos tóxicos o corrosivos, gases liberados durante la combustión de los materiales usados y los riesgos de la pérdida de orientación causados por una alta densidad de humos, todos los materiales que se usen en el futuro deben superar ensayos de comportamiento al fuego, emisión de gases y propagación de humos.

Surgía así una oportunidad para los fabricantes de laminados composites y de núcleos para desarrollar nuevos materiales. En cuanto a las matrices termoestables, se volvió a la resinas fenólicas, mientras que en matrices termoplásticas dominaban las resinas de polieterimida (PEI). También se ofrecían nuevos desarrollos basados en espumas de PVC, pero que no llegaban a satisfacer los nuevos requerimientos. Incluso se mejoró alguna espuma de poliestireno (PES), pero la única espuma que alcanzó excelentes propiedades mecánicas combinadas con un excelente comportamiento al fuego, fue la espuma de PEI.

Desarrollo de la nueva espuma de PEI

Durante más de 15 años los investigadores intentaron fabricar una espuma a base de PEI, por las excelentes propiedades mecánicas, de resistencia al fuego y eléctricas de este material. Basándose en su experiencia, la empresa Airex desarrolló un nuevo proceso para fabricar espumas a partir de una resina de PEI Ultem. Esta espuma cumple con todas las nuevas exigencias en cuanto a propiedades físicas, comportamiento ecológico y total reciclabilidad y se ha lanzado al mercado con el nombre Airex R.82.80.

Las propiedades físicas se detallan en la tabla 1. Además, algunas de sus ventajas en relación a otros materiales utilizados como núcleos de sandwich son: resistencia a temperaturas criogénicas de -196ºC, alta transparencia a las radiofrecuencias hasta 110 Ghz, baja pérdida de propiedades de la espuma después de inmersión en agua de mar y alto mantenimiento de las propiedades mecánicas cuando aumenta la temperatura.

Ventajas de coste de las piezas

La espuma de PEI puede trabajarse con las mismas máquinas usadas para otros tipos de espumas como núcleos de sandwich, pero debido a su carácter termoplástico ofrece ventajas desde el punto de vista del proceso y de ahorro de costes.

Es termoformable. Piezas con termoformado tridimensional y excelente aspecto superficial pueden conseguirse en una sola operación, lo que no es posible por ejemplo con núcleos de nido de abeja.

A pesar de un precio del material más elevado, hay grandes ventajas de ahorro de mano de obra, incluso en el caso de usar laminados de resinas termoestables, pero las pieles de laminados termoplásticos ofrecen las ventajas adicionales de acabados de color, lo que reduce las etapas de la fabricación y hace que los cortes y arañazos no sean visibles en caso de vandalismo o accidentes.

Debido a su carácter termoplástico, la espuma de PEI es totalmente reciclable, puede ser soldada y los insertos se pueden montar por un proceso de soldadura por fricción o de moldeo por inyección.

La espuma misma y un sandwich que esté constituido por un núcleo de Airex R.82 con pieles termoplásticas reforzadas con fibra son reciclables. El reciclado de todos los desperdicios y recortes de espuma forman parte del proceso actual de producción.

Producción de los paneles sandwich

La espuma Airex R.82.80 puede ser tratada con las resinas habituales tales como las de poliéster, epoxy o fenólicas o termoplásticas tales como PA, PES, PEI. Todos los procesos conocidos, como autoclaves, prensas, RTM, laminado manual, etc. pueden ser usados a temperaturas hasta 200ºC, sin que ello afecte a las características de la espuma. Los paneles sandwich presentan una rigidez y acabado superficial excelentes, así como una resistencia al delaminado superiores al del nido de abeja y de otras espumas usadas como núcleos.

El encolado de las pieles termoplásticas puede hacerse con adhesivos termoplásticos o termoestables y también pueden soldarse directamente las pieles de espuma. El tratamiento con adhesivos tiene la ventaja de poderse hacer a temperaturas de sólo 130ºC y presiones de 3kg/cm². La resistencia al delaminado de las pieles de Cetex encoladas al Airex R.82.80 presentan una alta resistencia y se optimizaron los resultados con los adhesivos hot melt Platilon HU2.

Las prensas necesarias para este proceso son comunes en la mayoría de las empresas que fabrican composites. El inconveniente principal del adhesivo hot melt Platilon HU2 es su limitada resistencia a la temperatura, hasta 100ºC, comparado con el Scotch Weld 583, 588 o AF 163, cuyas temperaturas de utilización pueden alcanzar hasta los 150ºC. Mayores temperaturas de utilización, hasta 200ºC, pueden alcanzarse si la pieles se sueldan directamente sobre la espuma sin ningún tipo de adhesivo. Cualquier otro proceso como conformado de los bordes por curvado son posibles con los paneles Airsan, ya que los adhesivos termoestables utilizados en su fabricación alcanzan alargamientos a rotura superiores al 200%. Para el termoformado tridimensional es preciso haber utilizado adhesivos hot melt.

La soldadura de laminados de PEI como el Cetex de Ten Cate directamente a la espuma será posible muy pronto. Los primeros resultados indican que serán necesarias temperaturas de 200ºC a 300ºC y presiones entre 1 y 5 bars.

La combinación de espuma termoplástica como núcleo y laminados de termoplásticos reforzados permite cualquier tipo de procesado posterior simplemente calentando la pieza, conformándola y enfriándola. El tiempo de calentamiento y enfriamiento es menor de 5 minutos.

En definitiva, se puede concluir que la espuma Airex R.82.80 es una espuma de célula cerrada que puede ser usada en componentes estructurales y no estructurales de aviones, ferrocarriles y barcos. Supera todos los ensayos al fuego que hoy se conocen y ofrece, debido a su naturaleza termoplástica, la posibilidad de importantes reducciones de costes.

E.V. Gelhorn
Alusuisse Airex AG (representada en España por Plasticel)