Materiales y Sus Aplicaciones en Aeronautica

 

Contenido 1. 

Introducción ........... ...................... ...................... ...................... ...................... ...................... ...................... ...................... ............. 3 

2. 

Materiales de absorción de radioondas .. ............. ...................... ...................... ................... ........ 4 

2.1  Introducción ....................................................................................................................... 4  2.2  Funcion Funcionamien amiento to del radar .............................................................................................. 4  2.3  Configuraciones de materiales RAM ............................................................................. 5  2.3.1 

Absorbentess de banda ancha .................................................................................................. 5  Absorbente

2.3.2 

Absorbentess resonantes  .............................................................................................................. 5  Absorbente

2.3.3 

Absorbentess magnéticos  ............................................................................................................ 6  Absorbente

2.4  Tipos de materiales RAM .................................................................................................. 6  2.4.1 

Basados en carbón  ....................................................................................................................... 6 

2.4.2 

Basados en metal y en partículas de metal   .......................................................................... 7 

2.4.3 

Basados en Polipirrol (PPy)  .......................................................................................................... 7 

2.4.4 

Basados en la Polianilina  ............................................................................................................. 7 

2.4.5 

Basados en otros polímeros conductores ............................................................................... 7 

2.4.6 

Basados en materiales quirales  ................................................................................................. 7 

2.4.7 

Basados en Nanotubos de Carbono  ....................................................................................... 7 

2.5  Conclusión .......................................................................................................................... 8 

3. 

Espumas metálicas - Microlattice ............ ....................... ...................... ...................... ................... ........ 9 

3.1  Procesos de fabricación del material ........................................................................... 9  3.1.1 

Moldeo por inversión  .................................................................................................................... 9 

3.1.2 

Formación por deformación  ....................................................................................................

3.1.3  3.1.4 

Selective Laser Melting  ............................................................................................................... 10  Electron Beam Melting  ............................................................................................................... 10 

10 

3.2  Propiedades Mecánicas ................................................................................................ 11  3.3  Aplicaciones en la aeronáutica ................................................................................... 12  

4. 

Materiales Auto-Reparables .................... ............................... ...................... ...................... ................... ........ 13 

4.1  Materiales auto-reparables extrínsecos ...................................................................... 13  4.1.1 

Basados en cápsulas  ..................................................................................................................

13 

4.1.2 

Vasculares  .....................................................................................................................................

13 

4.2  Materiales auto-reparables intrínsecos ....................................................................... 14  4.3  Aplicac Aplicaciones iones ..................................................................................................................... 15  4.3.1 

Aplicación en motores  ............................................................................................................... 15 

 

4.3.2 

Aplicaciones en Aero-estructuras Aero-estructuras ........................................................................................... 15 

4.3.3 

Aplicaciones en recubrimientos recubrimientos .............................................................................................. 15 

5. 

Materiales con aplicación en misiles .................... ............................... ...................... ............... .... 16 

5.1  Requerimientos ................................................................................................................ 16  5.2  Materiales estructurales .................................................................................................. 17 

6.  Materiales utilizados en fabricación aditiva con aplicación aeroespacial .......... ..................... ....................... ....................... ...................... ...................... ...................... ...................... ................. ...... 19  6.1  Características de los componentes aeroespaciales que los hacen favorables para la fabricación aditiva ..................................................................................................... 19   6.2  Tipos de tecnologías de fabricación aditiva ............................................................. 19  6.2.1 

Partes metálicas  ...........................................................................................................................

6.2.2 

Partes no metálicas  ..................................................................................................................... 20 

19 

6.3  Principales tecnologías y materiales utilizados .......................................................... 20   6.3.1 

Fused Deposition Modeling (FDM)  .......................................................................................... 21 

6.3.2 

Selective Laser Sintering (SLS)   ................................................................................................... 21 

6.3.3 

DMLS (Direct Metal Laser Sintering)  ........................................................................................ 22 

6.4  Aplicaciones prácticas de AM ..................................................................................... 22  6.4.1 

Deposición directa de energía  ...............................................................................................

22 

6.4.2 

Fusión de una cama de polvo   ................................................................................................

23 

6.4.3 

Piezas no metálicas  ..................................................................................................................... 24 

6.4.4 

Reparación de piezas  ................................................................................................................

26 

 

1. Introducción La industria y tecnología aeroespacial ha sido históricamente una de las principales causas de desarrollo y crecimiento industrial debido a la necesidad de materiales y tecnología de altas prestaciones. Hoy en día, las características de rendimiento de los vehículos del sector aeroespacial se deben en gran medida a los avances llevados a cabo en el capo de los materiales así como en las mejoras de las tecnologías de fabricación. Por tanto, para este sector, la investigación de la modificación de materiales ya existentes o de nuevos materiales que supongan un aumento de la eficiencia así como un aumento de prestaciones como la seguridad y la reducción de peso es de gran importancia. Es por todo esto, que hemos centrado el trabajo en materiales de innovación que proporcionan unas prestaciones de interés en el campo de la aeronáutica. Estos materiales de reciente investigación y aplicación, detallados a continuación, son:

.

 

2. Materiales de absorción de radioondas 2.1  Introducción Los materiales de absorción de radioondas, más conocidas por el acrónimo RAM proveniente del inglés, son materiales capaces de absorber longitudes de onda dentro del espectro de radiofrecuencia comprendido entre los 3Hz y los 300GHz. Sus fines principales se sitúan en el campo de la furtividad, principalmente con el objetivo de escapar de los radares, cuyo rango de longitudes de onda está entre los centímetros y los milímetros. Por otra parte también se usan de forma extendida en cámaras anecoicas. La ecuación clásica que relaciona la potencia de la señal emitida por una antena y su rango a través del espacio con la potencia recibida es la siguiente:

    =  (4)  Siendo Pr y Pt la potencia recibida en el punto y la transmitida por la antena respectivamente, G la ganancia de la antena, R el alcance,  la longitud de onda y   la sección transversal del radar o  radar-cross section (RCS) en inglés. Pues bien, se observa en la ecuación que al reducir un poco la RCS, el alcance baja mucho más. Esto significa que un avión capaz de reducir levemente su RCS, sería capaz de acercarse mucho más al objetivo antes de ser detectado. Es por ello que la reducción del RCS mediante el uso de técnicas específicas tiene un gran interés.





Básicamente, los aviones furtivos consiguen su finalidad mediante materiales absorbentes conformados con una forma específica. Ésta última sobretodo, depende mucho de la frecuencia que se quiera q uiera tratar.

2.2  Funcionamiento del radar   Básicamente, el radar emite una onda que se verá reflejada en un objeto. En algún momento la señal reflejada alcanzará de nuevo al radar y el receptor de éste la captará. Combinando la fuerza de la señal recibida, el salto Doppler detectado y el tiempo que ha tardado en ir y volver, el ordenador del radar es capaz de inferir el tamaño, la distancia y la velocidad del objeto. Cómo se comentaba anteriormente, la idea de los materiales RAM es la de reducir la señal que se refleja y que vuelve al radar. Las ondas emitidas por un radar van desde los MHz hasta los 30GHz. Es por ello que la tarea de diseñar un objeto furtivo infiere una cierta complejidad.

 

 

2.3  Configuraciones de materiales RAM  Las propiedades que caracterizan el comportamiento del material frente al fenómeno de la reflexión son la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética .





El coeficiente de reflexión se calcula como:

 =  −+   Siendo Zm la impedancia del medio y Zo la impedancia del aire dada [2] como

377 .   ≈ 377

 =

Por lo tanto el objetivo será llevar a los materiales a tener una impedancia lo más cercana a la del aire, consiguiendo así una reflectividad menor.

2.3.1  Absorbentes de banda ancha  ancha  Se componen de una placa metálica y de un conjunto de capas dieléctricas enganchadas a esta. Hay de diferentes tipos, pero los más conocidos son lo de absorción piramidal. Éstos ofrecen una transición progresiva de la impedancia desde el aire al absorbente. Este tipo de absorbentes tienen una frecuencia mínima a partir de la cual son capaces de abarcar un gran rango de longitudes de onda y de ángulos de incidencia. Se trata de los absorbentes que ofrecen un mejor comportamiento. Aunque su desventaja recae en que son gruesos y frágiles. Es por ello que sus aplicaciones principales se limitan a la de las cámaras anecoicas.

2.3.2  Absorbentes resonantes Este tipo de materiales son también conocidos como absorbentes sintonizados o absorbente de ¼ de la longitud de onda. Estos son considerablemente más finos que los anteriores, por lo que no llegan a absorber toda la potencia. El material de esta categoría se dispone de forma que en la primera interfase, la onda incidente se divide en dos. Una parte se refleja y la otra se transmite a través de las

 

capas dieléctricas interiores. La primera sufre un cambio de fase de 180º mientras que la segunda viaja a través del medio absorbente hasta que se ve reflejada por una placa de metal de forma que también sufre un cambio de fase de 180º. El material se ha de diseñar de forma que la distancia óptica a través de la que viaja la onda transmitida sea un múltiplo par de media onda de forma que cuando las dos ondas se  junten, estarán fuera de fase en interferencia destructiva. Si la amplitud de las dos ondas es la misma se consigue que la potencia reflejada sea nula. La desventaja de este tipo de diseño es que sólo son capaces de atenuar una frecuencia. El radar solo necesitaría cambiar de frecuencia para engañarlo. Es por eso que muchas veces se añaden más capas incrementando así la “cobertura” del material, así como el espesor y el peso del material. El espesor es crítico, puesto que el grosor de la primera capa ha de ser de ¼ de la longitud de onda. Teniendo en cuenta que los radares se mueven aproximadamente entre los 10cm y 1mm, la capa será de al menos 2.5cm. Una de las configuraciones más conocidas basadas en este principio es la capa Dallenbach. En estas, el grosor, la permitividad y la permeabilidad se eligen de forma que la reflectividad se disminuya para la longitud de onda deseada. En caso de querer abarcar un ancho de banda mayor, se pueden concatenar varias capas con diferentes propiedades.

2.3.3  Absorbentes magnéticos El caso más común es el de la pintura epoxi que contiene esferas revestidas de carbonilo de hierro o de ferrita magnética suspendidas. Cuando la onda incide, hace oscilar a las partículas de la pintura disipando así su energía en forma de calor. Idealmente, dichas partículas han de estar uniformemente distribuidas y eléctricamente aisladas.

2.4  Tipos de materiales RAM 2.4.1  Basados en carbón En los inicios de las cámaras anecoicas, éstas se hacían de un revestimiento hecho de pelos rizados de animal con neopreno impregnado con negro de carbón. El negro de carbón, así como carbón fibroso [4] también se ha incorporado incorporado a capas de Dallenbach.

 

2.4.2  Basados en metal y en partículas de metal Los absorbentes de ancho de banda se pueden hacer con partículas de aluminio o con esferoides metálicos rellenos de materiales dieléctricos dispersos en la matriz. Los absorbentes magnéticos están basados principalmente en el carbonilo de hierro Fe (CO)5 y en las ferritas hexagonales. Son capaces de absorber ondas en el rango de los MHz de los GHz estando la frecuencia de resonancia íntimamente ligada al tamaño de lasy partículas.

2.4.3  Basados en Polipirrol (PPy) El polipirrol es un polímero orgánico formado a partir de la polimerización del pirrol. Es un material bastante estable a temperatura ambiente. Es aislante, aunque sus derivados oxidados son buenos conductores eléctricos. La conductividad final se puede controlar mediante las condiciones y los reactivos con los que se realiza la oxidación. De forma similar, algunos compuestos de polipirrol son muy interesantes. Por ejemplo, una técnica de fabricación de las capas Dallenbach es la del polvo de polipirrol dopado con ácido p-toluensulfónico ( CH3C6H4SO3H) o con ácido 5-Sulfosalicílico dispersados en pintura comercial aplicada a una placa de aluminio.

2.4.4  Basados en la Polianilina La polianilina es otro polímero conductor al que se le pueden ajustar las propiedades según la necesidad, es decir, según la longitud de onda que interesa. A Así sí pues, es otro material utilizado como absorbente.

2.4.5  Basados en otros polímeros conductores Como ejemplo, se conoce que [2] para la fabricación de las capas absorbentes de tipo “Salisbury”, muy pa recida a la Dallenbach explicada anteriormente, a una frecuencia de 9.89GHz, se ha utilizado la permitividad del polímero poly-pphenylenebenzobis-thiazole y las del poliacetileno.

2.4.6  Basados en materiales quirales Una figura es quiral cuando no es superponible a su imagen especular. Se han hecho capas Dallenbach con inclusiones de pequeñas hélices metálicas. Se ha observado que estas hélices convierten a la capa Dallenbach en un absorbente efectivo, e incluso se ha patentado el sistema.

2.4.7  Basados en Nanotubos de Carbono Se conoce que los de absorber carbono ondas de pared múltiple (MWNT) sonnanotubos capaces de de

 

radar. Además, estos nanotubos tampoco reflejan ni dispersan la luz visible. Una forma de aplicar estos nanotubos al avión podría ser mediante la pintura, sin embargo, debido a limitaciones actuales de producción, no se ha encontrado la manera de fabricar aviones recubiertos de nanotubos de carbono.[6]

2.5  Conclusión Muchos de los anteriores materiales se pueden usar de “blindaje” electromagnético

consiguiendo atenuaciones de entre 20 y 80 dB dependiendo del grosor y la conductividad de los materiales elegidos. Recubrimientos con la forma de las capas Dallenbach sirven para reducir la sección transversal del radas o RCS, de forma que la huella del avión u otro objeto en el mapa del radar sea considerablemente menor. La combinación de materiales magnético-eléctricos ofrece la mejor solución para una absorción con amplio ancho de banda. También cabe destacar la utilidad de los polímeros conductores comentados, puesto que ofrecen propiedades de permitividad y permeabilidad configurable. Por lo tanto, son aptos para una gran variedad de longitudes de onda. Para conseguir el famoso “stealth” ciertos aviones militares combinan una geometrí a

concreta que haga reflectar las ondas en otras direcciones con materiales absorbentes, para que lo que se reflecte en la dirección en la que se encuentra el radar, se vea reducido significativamente.

 

3. Espumas metálicas Microlattice Los materiales metálicos “foam” son una nueva clase de material que combina propiedades mecánicas de los metales con orientaciones geométricas que aportan a la misma estructura mucha más rigidez, buena capacidad de absorción de energía y muy buena resistencia con respecto su propio peso. pe so. El microlattice es un tipo de “metal foam” que respecto a los otros tipos de materiales

que utilizan orientaciones geométricas presenta la estructura con mejores propiedades.

De izquierda a derecha; Estructura Folded Honeycomb Metalfoam Microlattice

3.1  Procesos de fabricación del material Seguidamente se mencionaran y se explicaran brevemente diferentes tipos de procesos de fabricación que se han probado experimentalmente:

3.1.1  Moldeo por inversión Este tipo de proceso de fabricación se parte de la estructura o la pieza que se quiere obtener con cera o un polímero como por ejemplo el poliuretano. Se realizan diferentes tratamientos superficiales con materiales cerámicos hasta obtener un espesor considerable, seguidamente se elimina la cera o el polímero en un horno y seguidamente se aplica el metal fundido en el molde de cerámica obtenido.

Estructuras Microlattice obtenidas mediante moldeo por inversión 

 

3.1.2  Formación por deformación Es un método de fabricación que se basa en la deformación y perforación de láminas de metal. Primero de todo se perfora la lámina de metal en formas geométricas hexagonales seguidamente se suele aplicar un tratamiento térmico para aportar solidez estructural. Finalmente se deforman los planos mediante un punzón obteniendo así la estructura microlattice. Experimentalmente se ha observado que la formación por deformación aporta más ductilidad que la técnica de moldeo por inversión.

Proceso de fabricación por deformación 

3.1.3  Selective Laser Melting El Selective Laser Melting (SLM) es un método de fabricación que utiliza la técnica de addición de material. Se basa en usar un láser de densidad alta que funde polvos metálicos de forma conjunta. De esa forma se puede obtener por capas la estructura del material “metal-foam” mediante el movimiento de un pistón.

Selective Laser Melting  Melting 

Electron Beam Melting  Melting 

3.1.4  Electron Beam Melting La técnica Electron Beam Melting (EBM) es muy similar simila r a la técnica anteriormente citada pero en vez de utilizar un laser, utiliza un haz de electrones para fundir los polvos de los metales.

 

3.2  Propiedades Mecánicas Las propiedades mecánicas de las estructuras metálicas microlattice dependen de muchos factores:  

Metal utilizado   Dimensiones y fforma orma de la pieza   Periocidad y conectividad entre celdas   Porosidad y densidad relativa

Se nomina densidad relativa a la densidad de la estructura lattice con respecto a la densidad del material aparente (*). Por lo que hace a las propiedades mecánicas todos los “metal foam” tienen un

comportamiento similar en ensayos uniaxiales de tracción. Aun así, el comportamiento es diferente según si tienen una estructura “open -cell” es decir si los poros  de dentro el material están abiertos e interconectados entre ellos o “closed -cell” si los poros se encuentran taponados.

Análisis de tensión undireccional en espumas metálicas 

Como se puede observar en la figura anterior tenemos dos tipos de gráficas que empiezan a distinguirse a partir de la tensión de fluencia. La tendencia (bendingdominated) corresponde a las estructuras “open -cell” y la tendencia (stretch dominated) corresponde a las estructuras “closed -cell”. Aún así las dos estructuras experimentan un período inicial inestable a consecuencia de las células rotas en el borde del material. También se puede observar que cuando la densidad relativa del material es 1 (no hay estructura celular) las dos gráficas se unifican.

 

3.3  Aplicaciones en la aeronáutica Actualmente los materiales metálicos celulares ultraligeros se están estudiando por aplicaciones como aislamiento térmico, absorción o por la amortiguación de energía de vibración y sonido. Dentro del campo de la aeronáutica y la estructura microlattice se pueden destacar un conjunto de propiedades que hacen de esta estructura una de las mejores en todos los materiales “metal foam”: foam”:   

La facilidad que tiene la estructura microlattice a volver a su estado original, es decir su elasticidad.

 

Propiedad de absorber vibraciones y golpes. (Tenacidad)

 

El poco peso del material comparado con la propiedad anteriormente citada. Es prácticamente 99% aire (Puede mejorar la eficiencia y el consumo de fuel)

Microlattice una estructura ultraligera ultraligera  

Uno de los puntos fuertes de este tipo de materiales se encuentra en utilizarlos para materiales tipo sandwich donde el material “metal -foam” seria el núcleo central. De esta forma se permite aumentar las propiedades mecánicas y rebajar el precio por unidad. Un ejemplo de este caso sería el helicóptero Boeing 360.

Material Sandwich  Sandwich  Boeing Helicopter 360  360 

 

4. Materiales AutoReparables  

Los materiales auto-reparables son aquellos materiales capaces de reparar total o parcialmente un daño en su estructura recuperando así la funcionalidad de manera autónoma o en respuesta a un estímulo externo. El funcionamiento del sistema auto-reparador de los materiales sintéticos pretende simular los mecanismos biológicos de regeneración en una escala de tiempo más rápida. Así pues, el proceso de auto-reparación se puede dividir en tres fases diferenciables:  

Inicio del proceso como respuesta al estímulo de daño externo   Transporte de material al lugar de afectación Proceso de reparación  

Existe una gran variedad de materiales auto-reparables (metales, aleaciones, cerámicos, plásticos...) pero lo más prometedores son los compuestos por materiales poliméricos o composites. En cuanto a los mecanismos utilizados para la reparación, esto puede dividirse en dos grandes tipos, mecanismos extrínsecos e intrínsecos. La recuperación extrínseca se basa en el uso de agentes reparadores como aditivo mientras que la intrínseca involucra enlaces moleculares reversibles de la propia estructura del material.

4.1  Materiales auto-reparables extrínsecos 4.1.1  Basados en cápsulas Dichos materiales contienen el agente reparador en pequeñas cápsulas contenidas en el interior del material. Cuando se produce un daño en el material dañando las cápsulas, estas liberan el agente reparador activando así el mecanismo de reparación en la zona afectada. Este tipo de mecanismo es válido para un evento localizado pues después del consumo, el agente reparador está agotado.

4.1.2  Vasculares Estos materiales contienen el agente activo en una red de capilares que puede ser unidimensional, bidimensional o tridimensional. Después de uso del agente reparador la red puede rellenarse por medio de una fuente externa o de una región interconectada no dañada del propio material, permitiendo a este la auto-reparación múltiple en eventos localizados.

 

Estos son capaces de recuperar grandes volúmenes dañados pero su integración en el material es complicada.

4.2  Materiales auto-reparables intrínsecos Los materiales auto-reparables intrínsecos son materiales que no necesitan de una agente externo que realiza la función recuperadora puesto que ellos mismos poseen esta cualidad. Existen diversos mecanismos utilizados por este tipo de materiales, los más interesantes son los siguientes: Reacciones reversibles: mecanismo que permite al material cambiar la forma de su estructura interna de manera reversible. Este mecanismo necesita ser desencadenado mediante la aplicación de calor o por foto- iluminación. Reacciones iónicas: mecanismo presente en materiales ionómeros, materiales poliméricos que contiene iones no balanceados eléctricamente. Este mecanismo se basa en la reversibilidad de los enlaces iónicos del polímero bajo la aplicación externa de temperatura o mediante radiación ultravioleta Difusión molecular: mecanismo consistente en la difusión molecular que no solo permite la reparación del material si no que puede evitar la corrosión.

 

Como se ha visto, estos materiales presentan propiedades de recuperación ante impactos y fracturas pero estos también puede utilizarse para la reparación de daños causados por fatiga o bien para reparar recubrimientos de protección.

4.3  Aplicaciones Hoy en día, en la industria aeroespacial, hay una tendencia a incrementar el uso de composites debido a la reducción de peso que comportan así como a sus buenas propiedades mecánicas. Estos, pero, pueden presentar defectos o fracturas difíciles de detectar y reparar cosa que limita su uso. Es en este punto donde los composites con la capacidad de auto-repararse entran en juego.

4.3.1  Aplicación en motores El uso de composites cerámicos con la capacidad de auto-reparase en cámaras de combustiona si como en aspas de turbina permite el trabajo a altas temperaturas mejorando la sensibilidad a fractura de los materiales materi ales cerámicos convencionales. Un ejemplo es el composite hecho de SiCe(BeC). Es un composite cerámico que contiene boro así como una fase cristalina de silicio boro. La recuperación de este material se consigue cuando los componentes de boro se oxidan dando paso a la formación de fases fluidas que fluyen hasta las fracturas de la matriz sellándolas.

Aero-estructuras  4.3.2  Aplicaciones en Aero-estructuras  El aumento en el uso de materiales compuestos reforzados con fibras en aviación ha propiciado el estudio de fabricación de composites con propiedades reparadoras. Un ejemplo son los composites de epoxi reforzados con fibra con agentes activos reparadores. Se han estudiado aditivos de fibroblastos (células humanas implicadas en la cicatrización de heridas) así como la incorporación de redes vasculares paralelas a las fibras en la matriz del compuesto.

4.3.3  Aplicaciones en recubrimientos Los recubrimientos en el sector aeroespacial son de importancia debido a que protegen el fuselaje de los aviones y las partes estructurales de estos de los agentes dañinos externos. El uso de recubrimientos que auto-reparan su degradamiento permite alargar la vida de los componentes utilizados. Un ejemplo de recubrimiento auto-regenerador son recubrimientos de resina de epoxi que incorporan micro- cápsulas de formaldehido y urea que protegen a las aleaciones de aluminio de la corrosión. En conclusión, los materiales auto-reparables, abren un camino hacia productos más seguros y duraderos, aspectos de gran interés en el ámbito aeronáutico donde los elementos son caros y la seguridad es de gran importancia,

 

5. Materiales con aplicación en misiles Desde los años 40 se han realizado avances significativos en cuanto a estructuras de los cohetes y la tecnología de materiales, desde mejoras en diseño y propiedades de los materiales hasta el desarrollo de nuevos materiales y técnicas de fabricación.

5.1  Requerimientos Las estructuras de los misiles tienen unos requerimientos bastante particulares dentro del mundo de la aeronáutica. Los principales factores que determinan estos requerimientos son la velocidad y la altura de crucero entre otros. La gran mayoría de misiles vuelan a velocidades supersónicas de entre Mach 1 y 5 pero en muchos casos su velocidad puede ser hipersónica Mach > 5. Estas velocidades provocan una gran generación de calor dependiendo de la zona del aparato. En la siguiente figura [article principal] se pueden ver las temperaturas a las que pueden llegar (en estado estacionario) las partes principales de un misil en función del número de Mach en vuelo de crucero. En cuanto al efecto de las condiciones del entorno se debe considerar que las temperaturas del motor más elevadas se producen en vuelos a altas alturas y las condiciones de máxima presión del motor se producen a nivel del mar. Estos factores también tienen un efecto al determinar los materiales, los aislantes térmicos y el grosor de la estructura. Otro factor importante es el tiempo de vuelo que en algunos casos puede llegar a exceder los diez minutos incluso estando en régimen hipersónico. En estos casos la oxidación de los materiales, la refrigeración de los sistemas de aviónica y la protección térmica pueden conllevar problemas. Al tratarse de aeronaves que viajan a gran velocidad, éstas tienen unos requerimientos estructurales considerables ya que deben

Figura 1 Temperaturas máximas típicas de los componentes más críticos a 24000 m en función del Mach de crucero

 

soportar la carga estructural que supone un vuelo de estas características sumado al hecho de que la estructura debería ser tan ligera como sea posible. Un factor secundario que también puede afectar a la selección de los materiales es el sistema de lanzamiento. Dependiendo de éste, pueden existir limitaciones dimensionales.

 

Materiales estructurales  estructurales  5.2 Los materiales con altas capacidades térmicas

suelen tener peores propiedades estructurales y más densidad que otros materiales con menor capacidad térmica. Pero gracias a numerosos estudios se ha determinado que en general es volumétricamente más eficiente utilizar materiales con altas capacidades estructurales que requieren aislantes térmicos que no materiales con alta densidad que no requieren protección térmica. Al ser el peso estructural uno de los aspectos más considerados al diseñar estos vehículos, se define un parámetro del material llamado eficiencia másica. Para carcasas de motores, cámaras de combustión e inlets de sección circular el parámetro se define como en (1). Para partes más laminares como el cuerpo del cohete que pueden fallar por pandeo a compresión se definen como en (2). Ew: Parámetro másico

 =    (1) 

 = √    (2) 

: Tensión última

tu

: Densidad



En las siguientes figuras, se muestra el valor del parámetro por varios materiales en función de la temperatura que pueden soportar.

Figura 2 Parámetro másico en función se la resistència tèrmica.

 

Debido a que no se espera que haya mejoras sustanciales en las propiedades de estos materiales, en general se puede concluir que para la carcasa exterior, lejos del borde de ataque, se pueden emplear súper aleaciones con níquel y cobalto para velocidades inferiores a Mach 7 y 24 km de altura. Para números de Mach superiores, se pueden utilizar aleaciones refractarias con molibdeno, columbio, tántalo y tungsteno. Este tipo de aleaciones también son utilizadas para los bordes de ataque. Para la cámara de combustión y la tobera, las temperaturas son superiores a todos los límites de los metales con lo que requieren protección térmica o la utilización de materiales derivados del carbono.

 

6. Materiales utilizados en fabricación aditiva con aplicación aeroespacial Detrás de muchas de las aplicaciones y validación de la impresión 3D, también llamada fabricación aditiva, AM, por sus siglas en inglés ( Additive Manufacturing). La industria aeroespacial es pionera en la producción de nuevas piezas, sacando provecho de los beneficios de esta tecnología que permiten aumentar la eficiencia, ahorrar dinero y fabricar piezas bajo demanda sin necesidad de grandes lotes.

6.1  Características

de

los

componentes

aeroespaciales que los hacen favorables para la fabricación aditiva Geometrías complejas: Los componentes suelen requerir tener funciones integradas como los álabes de la turbina de la cámara de combustión que llevan circuitos de refrigerante integrados.  Series de producción pequeñas: Debido a qué comparado con industrias de automoción, se hacen pocos aviones en relación. Piezas de recambio que tienen que estar disponibles rápido :  Los aviones tienen un ciclo de vida largo (alrededor de 30 años), así que necesitan piezas de recambio de forma constante. Cómo la industria nunca para, estos cambios tienen que ser rápidos.   Piezas de alto rendimiento:  Se requieren piezas ligeras y de alta resistencia. Además, estas trabajan en condiciones extremas, como altas temperaturas o altos ciclos de esfuerzos. 

6.2  Tipos de tecnologías de fabricación aditiva 6.2.1  Partes metálicas Los componentes metálicos fabricados por AM se dividen en los siguientes grupos.

6.2.1.1  Directed Energy Deposition (DED)

 

A partir de máquinas de 5 ejes se suele depositar metal fundido en una base que conforme se solidifica crea la pieza. Es interesante destacar la diferencia entre sinterizado (sintering) y fundido (melting). Mientras que el fundido, se calienta el metal por encima de su punto de la difusión sinterización, las partículas metálicas se fusión, fundenen por atómica al estado sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión. Ésta tecnología cubre el siguiente rango de tipos de impresión 3D: Laser Metal Deposition (LMD) o Laser Engineering Net-shape (LENS) y electron beam free-form fabrication. 

6.2.1.2  Powder Bed Fusion (PBF) Se unen partículas de polvo mediante fusión o sintetización con ayuda de un láser, que va solidificando capa a capa la pieza a crear. Ésta tecnología cubre el siguiente rango de tipos de impresión 3D: Selective Laser Sintering (SLS), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Selective Laser Melting (SLM) y Electron Beam Melting

6.2.2  Partes no metálicas Para materiales como plásticos, cerámicas, arena y materiales compuestos, las tecnologías suelenextrusión ser estereolitografia, modeling, Fused Modeling (FDM), freeze-form fabrication y multijet Three-Dimensional PrintingDeposition (3DP). Estos métodos suelen fundir el material base para después solidificarlo por capas y generar la pieza o directamente trabajan con líquidos que en al aplicarles cierta atmosfera o condiciones de temperatura solidifican.

6.3  Principales utilizados

tecnologías

y

materiales

Entre los procesos de AM descritos anteriormente, a continuación, se seleccionan los más utilizados en el mundo aeronáutico.

 

6.3.1  Fused Deposition Modeling (FDM) ULTEMTM9085 and ULTEMTM1010 El nombre ULTEM es su nombre comercial, certificado para el uso aeronáutico, científicamente se las conoce como Polieterimida, un polímero de la familia de los termoplásticos. Propiedades mecánicas:  Estructura muy rígida y resistente a bajas velocidades de deformación. Tienen una temperatura de transición vítrea elevada (217ºC). El alto nivel de las propiedades mecánicas se mantiene incluso durante la larga exposición a temperaturas elevadas. Tiene una resiliencia relativamente baja. El límite de fatiga corresponde con el de los termoplásticos en general i algunas series resultan ser muy útiles frente fricción y desgaste. Propiedades térmicas: Bajo coeficiente de expansión lineal que facilita su montaje con otros materiales metálicos. Propiedades eléctricas: Propiedades dieléctricas favorables, tienen una alta resistividad en volumen y estas propiedades se mantienen en una larga gama de temperaturas. Propiedades químicas: Resistencia a productos químicos PEI, como ácidos, líquidos anticongelantes, combustibles de aviación o productos de limpieza. Es vulnerable a las cetonas y al agrietamiento por tensión. Presenta una alta resistencia a las llamas con baja generación de humos y una toxicidad similar a la madera.

6.3.2  Selective Laser Sintering (SLS)  (SLS)  FR-106 Propiedades mecánicas

Eje XY

Eje ZX

Apariencia

Blanco translucido

Densidad

1.04 g/cm3

Elongación hasta rotura

38%

21%

Resistencia a flexión

55 MPa

54 MPa

Resistencia a tracción

46 MPa

39 MPa

Modulo elástico

1.586 MPa

1.448 MPa

Punto de fusión

186ºC

Ratio de fusión (180s., 1kg a 235ºC)

9 ± 3 g/10 min

 

6.3.3  DMLS (Direct Metal Laser Sintering) Las propiedades de los siguientes materiales pueden encontrarse buscando en www.stratasysdirect.com   principal fabricante matweb.com y más concretamente en www.stratasysdirect.com de Airbus y Boeing. Lo que resulta interesante son las directrices que emite Stratasys en el cual detalla las limitaciones de diseño que deben tener las piezas para ser compatibles con su tecnología AM.

Titanium (Ti64)

Stainless Steel 17-4 INCONEL® 718 INCONEL® 625 Aluminium (AlSi10Mg)

6.4  Aplicaciones prácticas de AM 6.4.1  Deposición directa de energía  6.4.1.1  Cubierta de la turbina de la cámara de combustión   Cubierta de una turbina hecha con acero inoxidable 17-4 con un proceso híbrido de fabricación. Mediante este proceso se crea la cubierta con la tecnología LMD, que permite crear geometrías complejas, pero con to tolerancias lerancias elevadas ((imagen imagen a). A continuación, se mecaniza el interior mediante una máquina CNC (imagen b) para dar el acabado final (imagen c).

 

6.4.1.2  Cámara de combustión de un helicóptero Cámara de combustión de un helicóptero Bell, fabricada con IN718 (INCONEL 718) mediante LMD en una máquina de 5 ejes.

a: Deposición de material; b: movimiento multieje y c: pieza acabada. Fabricante TWI

6.4.1.3  Alabes con sistema de refrigeración integrado Este alabe Ti - 6Al - 4V, se fabricó también en IN-625 y IN  –   738 para probar las propiedades mecánicas de los materiales procesados con la tecnología LMD frente a métodos convencionales de fabricación. En algunas ocasiones las propiedades conseguidas superan las de las piezas convencionales.

Integrated Manufacturing Manufacturing Technologies Institute of the National Research Council, Canadá.

6.4.2  Fusión de una cama de polvo  6.4.2.1  Boquilla de admisión de combustible a la turbina Mediante AM con la técnica PBF, se utiliza el Ti64 para crear esta pieza. Con este método de conformado se consiguen tiempos de vida más de 5complejas. veces mayores que con los anteriores. Además, permite tener estructuras mucho

 

 

6.4.2.2  Conector de soporte del Airbus A350 XWB Proceso SLM, con titanio, se reduce el 30% el peso de cómo se hacía antes con aluminio, gracias a que el interior se llena con una estructura similar a la delos huesos. Antes se tardaba 6 meses en diseñar y obtener esta pieza, gracias a AM ahora solo un mes.

Boquilla de admision de combustible a la turbina. GE Company Boquilla de admision de combustible a la turbina. GE Aviation and EOS.

6.4.3  Piezas no metálicas Stratasys utiliza el sistema FDM para producir piezas para compañías como Piper

Aircraft, Bell Helicopter, Aerialtronics, Airbus, Boeing y la NASA.

6.4.3.1  Moldes para la ventanilla Stratasys fabrica para Piper Aircraft, moldes para hacer las ventanillas, sustituyendo los antiguos de aluminio que se mecanizaban con hydroforming. De esta forma se reduce el tiempo necesario para mecanizar los moldes, así como el precio y la complejidad Dichos moldes están hechos con ULTEM 9085, fabricado mediante FDM y pueden aguantar presiones superiores a los 10.000 psi, hecho que les permite operar como los antiguos moldes.

 

  a: molde de aluminio; b: comparativa entre el molde de aluminio, izquierda y el de ULTEM a la derecha. Piper Aircraft Airc raft

6.4.3.2  Conductos para cables del Osprey de Bell Helicopter 

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Los conductos de policarbonato del Osprey para los cables se fabrican mediante FDM. Después de una revisión en el campo de vuelo se rediseñaron, así que la opción de FDM fue la mejor para poder entregar los modelos dentro del plazo.

Stratasys y Bell Helicopter

6.4.3.3  Turbinas de un motor turbojet no metálico Actualmente está en desarrollo por la NASA y utiliza la tecnología FDM. Para la l a entrada del compresor, imagen a, los álabes de éste se fabrican con Polieterimida o ULTEM, por su nombre comercial. Los elementos de la turbina detrás de la cámara de combustión se fabrican a partir de materiales compuestos cerámicos como ZrB2, ZrC o TiC.

 

  NASA

6.4.4  Reparación de piezas Una forma de reducir los residuos, así como reducir costes es reparando las piezas. El esquema general que se sigue a la hora de reparar piezas se muestra a continuación: Se suele utilizar una técnica híbrida. Las piezas que han sufrido un cierto desgaste, se les añade el material mediante LMD de forma que quede algo de exceso. Finalmente, mediante una maquina CNC se refina la zona para que cumpla los requerimientos de tolerancias.

6.4.4.1  Reparación de un Blisk   Reparación del borde de ataque de un Blisk de Ti64. En la imagen a se ve como se deposita la aleación mediante LMD, en la imagen b el Blisk tras la adición de material y por último en la c, el Blisk mecanizado y acabado, preparado para volver a trabajar.

 

  T700 Blisk. Optomec

6.4.4.2  Reparación de un álabe Reparación de los bordes de ataque de un álabe de IN738 utilizando LMD. En este caso, se realiza un modelo 3D mediante ingeniería inversa del escaneado 3D de la pieza, se detectan las zonas con falta de material y se completan como en el ejemplo anterior. Después se estudió la microestructura, dureza y propiedades mecánicas para ver como afectaba el proceso. Demostró que se podía utilizar de nuevo para su propósito, pero revelo que la microestructura alrededor de la zona reparaba cambiaba, el calor aplicado por el LMD había provocado una distribución de granos similar a la obtenida en la soldadura.

Integrated Manufacturing Technologies Institute of the National Research Council, Canadá.