Materiales Compuestos Aeronautica Airbus

December 6, 2022 | Author: Anonymous | Category: N/A
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Presen tado o por  Presentad

José Sánchez ESWCM

MATERIALES COMPUESTOS EN LA INDUSTRIA AERONUATICA

Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

• Material compuesto (MIL-HDBK-17): “Combinación de materiales que difieren en composición forma a escalasumacroscópica. constituyentes mantienen identidad en elLos compuesto, es decir, no se disuelven o funden entre ellos aunque funcionan conjuntamente. Los componentes pueden identificarse físicamente y muestran una interfase definida entre ellos”  .    t   n   e

  m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R    I    A

o

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

Generalmente, los MMCC constan de una fase continua o



matriz 

y de una fase discontinua o refuerzo, presentano diferente composición y morfología según la que funcionalidad propiedades que se pretenden conseguir 

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f

  n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R    I    A

 AL2O3 particles/ 6061

Contin Con tinuou uouss CF / epo epoxy xy

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

• En el presente curso trataremos de materiales compuestos de matriz polimérica y fibras de refuerzos continuas de utilización la industria Principalmente materiales en reforzados conaeroespacial. fibras de carbono (CFRP)

• Materiales compuestos reforzados con fibras  .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R    I    A

 – Constituyentes • Fibras: carbono, vidrio, aramida, SiC, boro,… • Matriz: poliméricas (resinas), metálicas, cerámicas  – Tipos • MMCC de Fibra continua

• MMCC de Fibra larga (6-80 mm) • MMCC de Fibra corta (0.5-6 mm)

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 



Ventajas de los materiales compuestos reforzados con fibras

 Altas características mecánicas mecánicas específicas. • Diseño a medida •

• •

 Alta resistencia química química Buen comportamiento frente al fuego • Reducción del número de

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R    I A

componentes /elementos de unión Buen comportamiento a fatiga. • No existen problemas de corrosión. •

• •

Gran estabilidad  Ahorro en peso. peso. dimensional

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 



Inconvenientes de los materiales compuestos reforzados con fibras

• Costo Costosos sos progra programas mas de evalua evaluació ción, n, calificación y certificación de estructuras. • Reali Realizac zación ión dey equipos. cost costosa osass invers inversion iones es en en instalaciones • Cost Coste e de los los mat mater eria iale less elev elevad ado. o.  .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R    I

• Entr En trad ada a de agu agua a en e est stru ruct ctur uras as sándwich. • Baja Baja re resis siste tenc ncia ia a imp impac acto to • Isot Isotro ropí pía/ a/an anis isot otro ropí pía a • Protec Proteccio cione ness adicio adicional nales es frente frente al rayo.Baja conductividad eléctrica • Dififíc ícilil reci recicl cla ado

    n    o      i      t     a      i      f      i    c      l     a     u     q         l     a      i     e    r      t     a

    n      i   o      t    c   a      i      f      i      t     r    e      t     C   COMPONENT      t      f     r   a    c     r      i  A SUB-COMPONENT ELEMENTS

DETAILS

     M

COUPONS

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

Funcionalidad de fibra en un material compuesto



 .    t   n   e

  m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R    I

-

Proporcionan la resistencia y rigidez al material

-

Dirigen el comportamiento mecánico compuestos dependiendo del tipo de orientación

-

Tratamiento superficial de la fibra es fundamental para las

del los materiales fibra utilizado y la

características finales del material compuesto

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

• Las fibras más habituales son las de carbono, vidrio, aramida aram ida (ke (kevla vlar) r) y otr otras as (b (boro, oro, S SiC, iC, e etc. tc.))

 .    t   n   e   m   u   c   o    d

  y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R    I

A p l i c a c i o n e s













b

A b p r  la i K d  ec va s e (

b r  a d  e C 

C a r  e n a s ,

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1

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

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• Tabla resumen de características generales

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R    I

V ID R IO VIDRIO

C AR B O N O

K E V L AR KEVLAR

PRECIO

M e d io Medio

M u y c aro

C aro Caro

RESISTENCIA ESPECIFICA

M e d ia Media

A llta ta  A  Alta

M lt a Muy Muu y Alta A lta

RIGIDEZ

B a ja Baja

 A  Alta A llta ta

Me Media edia eddiiaa

DENSIDAD (Comparando con el aluminio)

S im i la r Similar 

M á s b a ja

M Mucho u ch o más m á s baja b a ja

APLICACIONES GENERALES

Estructuras secundarias

Estructuras primarias y secundarias

Estructuras Secundarias

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

Tipos de fibra de carbono



-

Fibras

de

alta

resistencia.

Aplicación

general

en

industria

aeronáutica civil de y parcialmente espacial y militar y de forma general en tejidos refuerzo

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i

   f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R

-

Fibras de modulo intermedio. Utilización en la industria aeronáutica civil y militar para aplicaciones estructurales de alta responsabilidad estructural Fibras de alto modulo. Aplicación en la industria espacial para aplicaciones que requieran muy alta estabilidad térmica

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

• Fibras de carbono. Proceso de fabricación Las altas características mecánicas de las fibras de carbono son debidas al alto grado de orientación de los cristales a lo largo de los ejes de las fibras. Dependiendo del proceso de fabricación se obtienen obtie nen fibr fibras as de alta resisten resistencia cia y alargamient alargamiento o a la rotura o fibras fibras de alto módulo (llamadas fibras de "grafito") de gran aplicación en el



campo aeroespacial. Precursor es PAN

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i

   f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B    R

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

• Fibras de carbono. Morfología IMS

T800S

IM7

Fibras de módulo intermedio  .    t   n   e

  m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i

   f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B

T300

AS4

HTA

Fibras de módulo estándar 

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• Generalidades Las funciones principales de la matriz en el material compuesto



son las siguientes:

 – Proporcionar cohesión entre las fibras.  – Transmitir las cargas aplicadas al material compuesto.  – Proteger de las fibras de dell daño mecánico y del del medio ambiente.  – Determinar la temp temperatura eratura de servicio del mat material erial compuesto y controlar la resistencia del “composite” frente al medio ambiente y

 .    t   n   e

  m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B

agentes externos.

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

Tipos de matrices orgánicas



 – TERMOESTABL TERMOESTABLES ES • EPOXÍDICAS Con aditivos de tipo elastomérico Con aditivos de tipo termoplástico 

 .    t   n   e   m   u   c   o    d

  y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B

•• BMI PI (Termoestables o termoplásticos) • POLIESTER • FENOLICAS • CYANOESTER  – TERMOPLASTIC TERMOPLASTICOS OS • PEI •• PEEK PEKK • PPS

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

• Resinas termoestables: epoxídicas 

Son polímeros con uno o más grupos reactivos.



Su curado se produce produce mediant mediante e reacción de p poliadición oliadición de una resina base con un agente de curado (aminas, anhídridos, etc.).  Las propiedades varían dependiendo de la resina base, agente de curado, de los distintos modificadores modificadores que pueden añad añadirse irse y de las condici condiciones ones de polimerización. Presentan baja contracción y buena adhesión a la mayoría de las fibras.  Son bastante resistentes a disolventes, ácidos y álcalis.  Buenas propiedades mecánicas en general, la temperatura de servicio puede variar entre 60-150ºC.  Gran versatilidad en el curado, dependiendo del tipo de catalizador y endurecedor (las más utilizadas en la fabricación con materiales compuestos son las de curado a 120ºC y curado a 180ºC).  Son las más utilizadas en aplicaciones estructurales. 

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

termoestables tables:: epoxíd epoxídicas icas (resin (resinas as base) • Resinas termoes Generalmente consisten en una molécula intermedia que contiene al menos dos grupos reactivos epoxis.

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U    B

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

CFRP (IM) VALORES TIPICOS

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U

Ftu

 MPa

Fcu

 MPa

Et Ec

GPa GPa

FOHt

 MPa

FOHc

 MPa

FFHt

 MPa

CAI

 MPa

RT/dry

70ºC/ 70ºC/85%r.h.

2400 1475

2300 1150

170 140 500

170 140 460

275 430 235

235 400 215

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Resinas inas termoest termoestable ables: s: bismaleim bismaleimidas idas (BM (BMI) I) • Res

 .    t   n   e

  m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U

 – Se obtienen a pa partir rtir de una polimerización de una bismaleimida aromática.  – Las características gen generales erales de este tipo de de resinas son:  – buen comportamiento comportamiento a altas tempe temperaturas raturas de servicio (intermedia (inter mediass entre poliimi poliimidas das y resinas resinas epoxi). epoxi).  – Utilización de ciclos de curado curado convencionales, obteniéndose obteniéndose laminados de bajo contenido en huecos.  – Necesitan generalmente generalmente un postcurado para conseguir propiedades óptimas  – Buenas propiedades propiedades mecánicas en húmedo húmedo y caliente.  – Presentan microagrietamie microagrietamiento nto en exposiciones prolongadas prolongadas a altas temperaturas

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Isothermal ageing temperature Level of initial initial microcr microcracks acks

 

5260-2/IM7 Weight loss  Sqrt Hours 



50 

100 

150 

200 

0.0  2.0 



4.0  6.0  8.0  10.0 

 .    t   n   e   m   u   c   o    d

  y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U

2/NC/120/W 2/NC/150/W 2/NC/180/W 2/NC/200/W 2/I/120/W 2/I/150/W 2/I/180/W 2/I/200/W 2/S/120/W 2/S/150/W 2/S/180/W 2/S/200/W

12.0  14.0  16.0 

Level of initial microcracks NC or _ : no crack I or A : intermediate S or B : saturated

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

• Resinas termoplásticas 

Aunque las resinas comentadas anteriormente se enmarcan dentro del grupo de resinas termoestables, en la actualidad se está desarrollando un

esfuerzo consider considerable able para int intentar entar sustit sustituirlas uirlas por m matrices atrices de tipo termoplástico.  Las principales ventajas que presentan estas resinas son:

 – Materiales con tiempo de vida ilimitado  –  –  –  –  .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S    U

Almacenaje a temperatura Mejor resistencia a impactoambiente y humedad Tenacidad (deformación en rotura 30%-100%) Buen compostamiento FST (fire, smoke & toxicity)

 – de procesado  – Velocidad Reprocesabilidad 

Las principales desventajas de estas resinas son:

 – Materiales de elevado coste  – Costes de procesado altos (alta temperatura y presión)  – Tratamiento superficail de las fibras de carbono  – Materiales auxiliares especiales

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• Materiales termoplásticos estructurales en la industria aeronáutica

procesados por inyección o mecanizado: • Termoplásticos  – Reforzados con fib fibra ra de carbono o vidrio: PEEK,PA, PTFE Termoplásticos amorfos • Baja resistencia a fluidos agresivos •  Amplia ventana de procesado • Ejemplos: PEI



 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S U

 – Termoplásticos semicristalin semicristalinos os

• Muy buena resistencia a fluidos agresivos Lavelocidad ventana de puede resultar crítica (especialmente • la deprocesado enfriamiento) • Ejemplos: PEEK, PPS, PEKK,

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras

 

• Dependiendo del tipo de procesado posterior, existen diferentes tipos de materiales semielaborados disponibles: 

Mater Ma terial iales esunidireccionales preim preimpre pregna gnados dos (la (layup yup ma manua nual,l, AT ATL, L, AFP) AFP)  – Cintas  – Tejidos



Tejidos secos (RTM, RFI, RLI, VARTM, etc…)

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S

 – Tejidos unidireccionales  – Tejidos convencionales (plan (planos, os, sargas, satenes, et etc.) c.)  – Non-crimp fabrics (NCF)  – Otros

Resinas líquidas (RTM, RLI, VARTM, etc…) Resinas en película (RFI) 

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Materiales semielaborados

 

 .    t   n   e

  m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S

Filamentos individuales (5 – 20 µm)

Hebras o mechas 1K (1000 filamentos) 3K (3000 filamentos) 6K (6000 filamentos) 12KK(12000 c

Cintas unidireccionales Bobinas

Tejidos

filamentos) st 24K (24000 o

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Preimpregnados

 



compuestos utilizados engnados la industria aeronáutica. Los materiales materiales preimpre preimpregnad os consisten consis ten en refuerzos refuerzos (cintas (cintas o tejidos) tejido s) preimpregna preimpregnados dos en una resina termoes termoestable table (en estado estado inicial inicial de polimerizaci polimerización, ón, estad estado o ß) ó termoplás termoplástica tica y capaz de procesarse procesarse en condiciones específicas. Dos de las características principales de los materiales materiales preimpr preimpregna egnados dos termoestab termoestables les son:  – Requieren un alma almacenaje cenaje a temperaturas temperaturas de –18ºC  – Tienen tiempo de vid vida a limitado.



 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o

   C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S

Es la forma más común de presentación de los materiales

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Preimpregnados

 

Tejidos



Urdimbre (warp)

Trama (weft)

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   i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E    S

Tejido plano

2x2 twill

5 HS

8 HS

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras • Preimpregnados. Características y calificación

 

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E

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Incremento en la utilización de materiales compuestos en Airbus

 

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E

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 A380 CFRC Elementos estructurales significativos  A380 Composite (CFRP) primary structure

Floor panels

 .    t   n   e

  m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E

Nacelles

Other items: LG doors, Thrust reverse, Engine acoustic panels.

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Materiales compuestos de matriz orgánica reforzados con fibras. Evolución en la utilización de diversos materiales en diversos modelos  Airbus PORCENTAJE EN LA UTILIZACION DE DIFERENTES MATERIALES Miscellaneous EN DIFERENTES MODELOS AIRBUS Steel 3%

6%

Miscellaneous 3%

Titanium 8%

Steel 13% Titanium 5% Composite 4%

Composite 26%

Aluminium 57%  .    t   n   e

  m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d

Aluminium 75%

Airb Ai rbus us A 30 300 0

 Al/Al-Li 20% Steel

   i    f   n   o

   C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E

Misc. 7%

Composite

Airb Ai rbus us A 35 350 0

52%

7% 14% Titanium

Airb Ai rbus us A 38 380 0

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Boeing 787

 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o

   C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E

Carbon laminate Carbon sandwich Fiberglass Aluminum Aluminum/steel/titanium Aluminum/steel/tita nium pylons

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 .    t   n   e   m   u   c   o    d   y   r   a    t   e    i   r   p   o   r   p    d   n   a    l   a    i    t   n   e    d    i    f   n   o    C  .    d   e   v   r   e   s   e   r   s    t    h   g    i   r    l    l    A  .    L  .    S    A     Ñ    A    P    S    E

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