XIV CURSOS INTERNACIONALES DE OTOÑO DE LA UCA EN ALGECIRAS


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1 XIV CURSOS INTERNACIONALES DE OTOÑO DE LA UCA EN ALGECIRAS Ingeniería Industrial: Gestión del Conocimiento, Creatividad e I+D+I La I+D+I en los Materiales Estratégicos del Sector Aeronáutico Miguel Álvarez Alcón Algeciras, 19 de noviembre de 2009 Evolución histórica de los materiales empleados en el sector aeronáutico 1

2 Madera Acero Aluminio Titanio Búsqueda de materiales estratégicos Desarrollo de nuevas Tecnologías Sector Aeroespacial EADS-CASA AIRBUS Materiales Ligeros Propiedades mecánicas/peso Condiciones de seguridad Referentes Tecnológicos Menor Consumo Menor Emisiones Mayores Beneficios Tecnologías de Producción Tecnologías de Fabricación 2

3 Madera Los primeros materiales en emplearse fueron la madera y la tela, proporcionaban una resistencia adecuada con un peso muy bajo, obteniéndose valores de módulo elástico y resistencias muy altos para su densidad. Veamos algunos ejemplos: Abeto E=9000Mpa Resistencia a la tracción: 70Mpa Densidad: 400kg/m3 Abedul E=14250Mpa Resistencia a la tracción 100Mpa Densidad: 630kg/m3 Madera Fue utilizada hasta la segunda guerra mundial. Antes principalmente en estructuras recubiertas de tela y en recubrimientos. En la Segunda Guerra Mundial se empleó en forma de laminados, en algunas estructuras y recubrimientos, siendo el ejemplo más conocido el avión británico mosquito. Inconvenientes La madera sufre cambios en su tamaño y sus propiedades con la variación de humedad. La madera se ve sometida al ataque biológico. 3

4 Madera Estructura típica de madera y tela; y el Mosquito Acero El acero tiene buenas cualidades respecto a resistencia, pero su densidad es excesiva y tiene graves problemas de corrosión. No obstante sustituyó a la madera en la construcción. Ya en la primera Guerra Mundial Junkers empleó chapas de aluminio corrugado para ahorrarse el peso de los rigidizadores y crear el 1er avión enteramente metálico (y monoplano) relegando el uso de la madera, y Fokker empleó la estructura del tubo de acero recubierta de tela. 4

5 Acero El acero tiene buenas cualidades respecto a resistencia, pero su densidad es excesiva y tiene graves problemas de corrosión. No obstante sustituyó a la madera en la construcción: Ya en la primera Guerra Mundial Junkers empleó chapas de aluminio corrugado para ahorrarse el peso de los rigidizadores y crear el 1er avión enteramente metálico (y monoplano) relegando el uso de la madera, y Fokker empleó la estructura del tubo de acero recubierta de tela. Acero Fokker DVII, fuselaje en tubo de acero y ala en madera, recubrimiento de tela Junkers J1, de fuselaje metálico corrugado. 5

6 Acero OK: Resistencia KO: Su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10 veces la de la madera. Hay que evitar que en su uso entre en contacto con aleaciones de aluminio: Corrosión galvánica en contacto con otras aleaciones (ésta también se da entre aleaciones de aluminio, pero es menor, por ser su potencial de oxidación más semejante). Aún es esencial para la fabricación de algunos componentes, como pueden ser el tren de aterrizaje, herrajes, bancadas de motor... Aluminio En el siglo XIX el aluminio era tan caro de producir que era considerado un metal semiprecioso. Además las cualidades del aluminio sin alear ni refinar, dejaban mucho que desear, como para pensar en él para algún uso industrial (la resistencia del aluminio aleado es de 6 a 8 veces superior al aluminio sin alear). 6

7 Aluminio A partir de la Primera Guerra Mundial, el desarrollo de sus aleaciones, y la necesidad de un metal menos pesado que el acero, lleva a su implantación masiva en la aviación, y hasta nuestros días ha sido el material más usado en aeronáutica por Adecuada resistencia 2. Baja densidad 3. Conocimiento de sus técnicas de fabricación (fácilmente forjable, facil de trabajar y reparar, se conoce muy bien su funcionamiento...) Incoveniente Envejecimiento: con el tiempo sus propiedades mecánicas se alteran Uso limitado por temperatura Aluminio Como muchos otros descubrimientos, en 1909 se produjo uno, de forma accidental: El Duraluminio En 1909 se descubre que la aleación de Al con un determinado % de Cu y de Mg se puede trabajar de una forma muy sencilla, tras un calentamiento hasta unos 480ºC y su rápido enfriamiento. Durante unas horas se podía doblar y conformar fácilmente, después, recuperaba sus propiedades mecánicas. 7

8 Aluminio Las aleaciones de aluminio más utilizadas en aeronáutica son la serie 2XXX y la 7XXX. Aleaciones Al-Cu (duraluminio, serie 2XXX). Suele emplearse en las zonas del aparato que trabajan a tracción (como el recubrimiento del intradós del ala) Al-Cu-Ni Al-Zn (serie 7XXX) Se empezó a emplear en la Segunda Guerra Mundial por su alta resistencia estática. Sin embargo tuvo grandes problemas de corrosión bajo tensión (SCC- Stress Corrosion Cracking = APARICION DE GRIETAS DEBIDO A LA EXISTENCIA DE ESFUERZOS INTERNOS). Aluminio Se ha intentado el uso de la aleación Al-Li, siendo el primer avión occidental en usarla el A-5. Es muy ligera, tiene una buena resistencia a la corrosión, pero... tiene mal comportamiento en lo referente a crecimiento de grietas. 8

9 Aluminio Accidente ocurrido en 1988 en un Boeing 737 de la compañía Aloha. La causa fue de la rotura es un fenómeno de fatiga acelerado por corrosión-fatiga. Aluminio Evolución de las aleaciones de Al: Más rápida debido al amplio conocimiento de su metalúrgia Una incorporación más rápida y más económica en líneas de producción 9

10 Titanio Su densidad está entre la del aluminio y la del acero OK: 1. Se comporta bien ante la corrosión 2. Soporta bien las altas temperaturas ( ºC) KO: 1. Sus propiedades se degradan en ambientes salinos 2. Su coste es 7 veces superior al del aluminio Usos 1. Estructuras de aviones militares y civiles (en los aviones civiles su cantidad es mucho menor) 2. Recubrimientos y protecciones térmicas 3.Recubrimiento en la zona de los motores 4. Zonas altamente calentadas (por ejemplo en el SR71, debido al calentamiento producido por los altos mach de vuelo) 5. Toberas... Avión espía SR71 10

11 Materiales más ligeros Materiales más resistentes Papel y madera Acero Aleaciones de aluminio Aleaciones de titanio Materiales compuestos 100% 90% 80% Poliamidas 70% 60% 50% 40% 30% otros acero composites aleación de Ti aleación de Al 20% 10% 0% porcentaje en fuselaje Materiales metálicos. Aleaciones de aluminio Bajo coste Peso Alta resistencia (después de tratamientos térmicos) Al-Cu. Serie 2XXX Al-Mg-Si. Serie 6XXX Aplicación estructural Zonas sensibles a daños De amplio uso Más resistente a la temperatura A92024 AA2524 Sustituyen a serie 2XXX Soldables Más económicas Más resistente a la corrosión Posibilidad de conformado superplástico AA6013 AA6056 AA6011 Al-Zn. Serie 7XXX Al-Li. Aplicación estructural Alta resistencia Tolerancia a daños AA7075 AA7150 AA7055 Menor densidad Mayor resistencia A92090 A92091 A98090 A

12 Materiales metálicos. Aleaciones de Titanio Peso Alta resistencia a la temperatura Resistencia a la corrosión Compatibilidad galvánica Resistencia a la fatiga Composites; 18% Fuselaje Composites; 4,50% Al ; 2,50% Motores Fe; 15% Fe; 8% Ni; 39% Ti; 7% Al; 65% Ti; 36% Aleaciones beta Aleaciones alfa-beta Aleaciones near-alfa Aleaciones alfa Ti- 10V- 2Fe- 3Al Ti- 15V- 3Al- 3Cr- 3Sn Ti- 15Mo- 3Al- 2,7Nb- 0,25Si Ti- 6Al- 4V Ti- 6Al- 6V- 2Sn Ti- 6Al- 2Sn- 4Zr- 6Mo Ti- 6Al- 2Sn- 4Zr- 2Mo- 0,25Si Ti- 5,5Al- 3,5Sn- 3Zr- 1Nb- 0,3Si Ti- 5Al- 2,5Sn Materiales metálicos. Otras aleaciones Aleaciones de magnesio Menos resistentes Muy ligeras Pobre resistencia a la corrosión Aleaciones de berilio Ligeras Resistentes Tóxico Superaleaciones Aleaciones de níquel Aleaciones de hierro-níquel Aleaciones de cobalto Resisten muy altas temperaturas Inconel 713 Inconel 718 FSX-414 Materiales compuestos Matriz metálica (MMC) Eficiencia estructural relativa 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Aluminio (7075- T6) Titanio Ti 6Al 4V) Matriz no metálica (NMMC) Carbono/Epoxy (AS/3501-6) Fibras Fibra de vidrio Aramida Fibra de carbono Boro Combinación de material reforzante con material ligante (matriz) Propiedades mecánicas Poco peso Mejor comportamiento a fatiga Mayor resistencia a corrosión Matrices no metálicas Poliéster Epoxy Poliamidas Fenólicas Matrices metálicas Mayor resistencia a temperatura Menor desgaste No inflamables Estática Fatiga 12

13 Materiales compuestos Material Compuesto o Composite Los composites o materiales compuestos deben su nombre a que están formados por dos o más materiales distintos, matriz y refuerzo, que actúan de una manera conjunta y solidaria. Los constituyentes mantienen su identidad en el 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. Constituyentes Fase continua o matriz Fase dispersa o refuerzo Materiales compuestos Matriz Proporcionar cohesión entre las fibras. Transmitir las cargas aplicadas al material compuesto. Proteger a las fibras del daño mecánico y del medio ambiente. Determinar la temperatura de servicio del material compuesto y controlar la resistencia del composite frente al medio ambiente y agentes externos. Refuerzo El refuerzo es el encargado de reforzar la matriz, teniendo como principales objetivos los siguientes: Proporcionar la resistencia y rigidez al material compuesto. Dirigir el comportamiento mecánico del los materiales compuestos, dependiendo del tipo de fibra utilizado y la orientación. 13

14 Materiales compuestos Matriz Compuestos formados por matriz metálica (MMC Metal Matriz Composites ). Compuestos formados por matriz cerámica (CMC Ceramic Matriz Composites ). Compuestos formados por matriz polimérica (PMC Polymer Matrix Composites ). Refuerzo Compuestos reforzados con partículas. Compuestos reforzados con fibras. Compuestos estructurales. Partículas Partículas Al 2 OAl 3 / 2 O / 6061 Monofilamentos SiC / Ti Monofilamentos SiC / Ti Matriz Epoxy / FC continuo Materiales compuestos Materiales compuestos reforzados con fibras Constituyentes Fibras: carbono, vidrio, aramida, SiC, boro, Matriz: poliméricas (resinas), metálicas, cerámicas Tipos CFRP MMCC de Fibra continua MMCC de Fibra larga (6-80 mm) MMCC de Fibra corta (0.5-6 mm) 14

15 Materiales compuestos Material Densidad ρ (g/cm³) Resistencia a tracción St [MPa] Rigidez R [GPa] Alargam. [% ] Resistencia específica [St/ρ] Rigidez específica [R/ρ] Materiales de referencia Aluminio tipo , ,2 2,6 Acero tipo 35NCD16 7, ,9 2,6 Titanio tipo Ti6Al4V 4, ,3 2,5 Resina epoxídica 1, ,7 0,3 Composites de gran difusión Poliester / 30% vidrio 1, ,2 0,7 Poliamida 6,6 / 30% vidrio 1, ,5 0,7 Composites de altas prestaciones Res. Epoxid. / 60% vidrio ,8 2,7 Res. Epoxid. / 60% kevlar 1, ,3 5,6 Res. Epoxid. / 60% carbon 1, ,2 8,8 Res. Epoxid. / 60% boro 1, ,6 12,1 Composites de matriz metálica Aluminio / 38 % boro 2, ,9 9,4 Aluminio / 15 % SiC 2, ,7 4 Composites de matriz cerámica Carbono / Carbono 1, ,5 9,7 3,4 15

16 Material Densidad (g/cm³) Módulo Elástico Ε (GPa) Resist. tracción St (MPa) Alargam. (%) Coef. Poisson ν Módulo específico [Ε/ρ] Resist. específica [St/ρ] Fibra de vidrio E-Glass 2,54 72, ,80 0,20 28,5 1,36 S-Glass 2,49 86, ,00 0,22 34,9 1,73 Fibra de Carbono AS-1 (*) 1,80 228, ,32-126,7 1,72 AS-4 (*) 1,80 248, ,65 0,20 137,8 2,26 IM-7 (*) 1,78 301, ,81 0,20 169,1 2,98 P-100 ( ) 2,15 758, ,32 0,20 352,5 1,12 T-40 ( ) 1,81 290, ,80-160,2 3,12 T-300 ( ) 1,76 231, ,40 0,20 131,3 2,07 Fibra de boro 2,70 393, ,80 0,20 145,6 1,15 Fibra de aramida kevlar 49 ( ) 1,45 131, ,80 0,35 90,3 2,50 kevlar 149 ( ) 1,47 179, ,90-121,8 2,35 (*) Producto comercial de Hércules. ( ) Producto comercial de Amoco. ( ) Producto comercial de Dupont Materiales compuestos Fibra de vidrio+resina epoxy Fibra de vidrio+resina de polyester Fibra de acrbono+resina epoxy 30% 56% 14% Principales materiales utilizados en la matriz y en el refuerzo 16

17 Materiales compuestos Tejido Fibra Unidireccional Fibra corta 20% 20% 60% Principales formas de los refuerzos utilizados en los composites Materiales compuestos Semielaborados Filamentos individuales (5 20 mm) Hebras o mechas 1K (1000 filamentos) 3K (3000 filamentos) 6K (6000 filamentos) Bobinas Tejidos Cintas unidireccionales 17

18 Materiales compuestos Formas de los tejidos más utilizados Tejido plano 2x2 Cruzado 5 HS 8 HS Materiales compuestos. Estructuras Estructura sandwich Estructura monolítica 18

19 Materiales compuestos GLARE Es un miembro de la familia de Fibre Metal Laminates (FML) GLARE Es un material hibrido construido por laminas alternativas de Aluminio y preimpregndos de Fibra de Vidrio Lamina de chapa de Aluminio: material: 2024 T3 espesor: mm Prepreg (con fibras unidireccionales): material: S2-fibra de vidrio, FM94 epoxy espesor: 0.125mm Lamina de Aluminio Lamina de Fibra de Vidrio/Adhesivo Lamina de Aluminio Lamina de Fibra de Vidrio/Adhesivo Lamina de Aluminio 19

20 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% A300 A A A340 A380 Aluminum Composites Titanium Steel GLARE Miscellaneous 61 Vertical stabilizer Pylon Aileron Spoiler Flaps Horizontal stabilizer Radome CFRP/GFRP/AFRP Ti/Steel All the rest : Al FLG Nacelle 20

21 Materiales compuestos Presente y futuro de los materiales compuestos Materiales compuestos 21

22 Materiales de Evolución uso aeronáutico del consumo Materiales de compuestos la FC en millones de Euros. El modelo A300 (año 1972) incorpora un 5% de composite. 22

23 La siguiente evolución es el A310 (año 1982), el cual incorpora un 6% de composite. El A320 (año 1987) está diseñado con una cantidad del 10% en peso de composite. 23

24 Los modelos A330 y A340 (1992 a 2002) aumentaron mínimamente la cantidad de composite al 12% en peso. El A380 ha provocado la verdadera revolución en el composite, incorporando partes del fuselaje de glare. La cantidad en peso es del 25%. 24

25 Cursos de Otoño. Algeciras 2009 Materiales compuestos 25

26 Materiales compuestos Materiales compuestos Al/Al-Li Titanio Acero Otros Materiales compuestos Al/Al-Li Titanio Acero Otros 7% 7% 10% 7% 14% 15% 50% 52% 20% 20% 26

27 Las nuevas tecnologías e innovaciones de procesos, como el encintado automático, han disminuido costes y son los responsables del aumento del uso de los materiales compuestos en el el AIRBUS A380 y el Boeing 787 Dreamliner, así como en el futuro A350 27

28 Automatic Fiber Placement Here 32 Tows are layed-up at the same time Inspección de control de calidad de elementos fabricados Detección de defectos originados durante el proceso de fabricación Adaptación de métodos y técnicas de inspección Automatización de procesos de inspección. Establecimiento de procedimientos de inspección. 28

29 - Métodos de inspección no destructivas aplicables - Ultrasonidos - Radiografía - Impedancia mecánica - Termografía Section 19 Dimensions : Length (m) 9,46 Wide (m) 6,16 Heigh (m) 6,76 Weight (Kg)

30 Horizontal Tail Plane Dimensions : Span (m) 30,38 Wide (m) 15,87 Surface (m 2 ) 204,50 Weight (Kg) 7556 Belly Fairing Dimensions : Length Wide (mm) High (mm) Surface (m2) 290 Weight (Kg)

31 CONCLUSIONES En las últimas décadas, el desarrollo de los materiales compuestos y sus tecnologías de fabricación, se han convertido en uno de los avances más importantes en la historia de los materiales. La principal característica de estos materiales es la buena relación existente entre sus propiedades mecánicas y su peso, lo que los hace atractivos para muchos sectores industriales. Desde su desarrollo inicial, éstos fueron aplicados básicamente al sector aeronáutico (militar). No obstante, debido a los buenos resultados obtenidos en su aplicación, otros sectores se fueron sumando y fueron incorporando estos nuevos materiales y su tecnología en sus procesos productivos. Tal es así, que hoy día su utilización en el mundo del motor, naval, deportes, comunicaciones, etc, va en auge, y lo tienen incorporado en sus productos de vanguardia. Para poder desarrollar completamente la utilización de la fibra de carbono en estos y otros sectores industriales, se hace necesario que los fabricantes de fibra de carbono hagan verdaderos esfuerzos por continuar incrementando su capacidad de producción, así como el compromiso hacia la comercialización. Índice El material compuesto en los modelos AIRBUS 31

32 MECANIZADO DE MATERIALES COMPUESTOS Constituyentes Matriz Refuerzo Defectos de calidad superficial Volumen de Fibra Vf Volumen de Matriz Vm Defectos geométricos y dimensionales Defectos de forma Defectos térmicos Estructura Y Orientación Materiales no Homogéneos Materiales Anisótropos 32

33 Fresado Torneado Principales operaciones de mecanizado Defectos de calidad superficial Corte Taladrado Defectos geométricos y dimensionales Delaminación Procesos mecanizado Deshilachado Microfisuras No Convencionales Defectos de formaconvencionales Defectos térmicos Chorro de agua (WaterJet-WJ) Fresado Chorro de agua con abrasivo (Abrasive WaterJet-AWJ) Torneado Láser Taladrado Mecanizado de Materiales compuestos Sección del corte mediante AWJ, parámetros utilizados a) usando sólo WJ. b) usando AWJ con m=3g/s. c) usando AWJ con m=3g/s introducidas con un tiempo de retardo de 3s Superfície obtenida mediante corte por AWJ (ángulo 45º) en material compuesto de fibra de carbono y matriz epoxi. Zoom x 5. Superfície obtenida mediante corte por Láser (ángulo 135º) en material compuesto de fibra de carbono y matriz epoxi. Zoom x 5. 33

34 Principales operaciones de mecanizado Fresado Torneado Corte Taladrado Procesos mecanizado No Convencionales Convencionales Chorro de agua (WaterJet-WJ) Chorro de agua con abrasivo (Abrasive WaterJet-AWJ) Láser Fresado Torneado Taladrado Principales operaciones de mecanizado Fresado Torneado Corte Taladrado Procesos mecanizado No Convencionales Convencionales Chorro de agua (WaterJet-WJ) Chorro de agua con abrasivo (Abrasive WaterJet-AWJ) Láser Fresado Torneado Taladrado 34

35 Tipos de defectos Delaminación a la entrada y/o salida de la broca Pérdida de calidad superficial Defectos geométricos Daños térmicos Variables de Entrada Variables de Salida Tipo de broca Velocidad de corte Avance Proceso de Taladrado Rugosidad Factor de delaminación Índice de calidad Fuerza de empuje y par Tipos de defectos Delaminación a la entrada y/o salida de la broca Pérdida de calidad superficial Defectos geométricos Daños térmicos 35

36 Taladrado de Materiales compuestos Salida Entrada Taladrado de Materiales compuestos Maquinabilidad La facilidad al corte mediante una herramienta de un cierto material bajo unos criterios previos establecidos por el proceso de mecanizado. Variables de Entradas (Independientes) Variables de la Maquinabilidad Variables de Salidas (Dependientes) Material a mecanizar Parámetros de corte Parámetros de la hta. Diseño experimentale Acabado superficial Especificaciones técnicas Fuerzas de Corte Desgaste de la hta. Ciclo de vida de la hta. 36

37 Taladrado de Materiales compuestos Problemática Acción de la herramienta sobre dos o más materiales distintos. Heterogeneidad y anisotropía. Delaminación a la entrada de la herramienta (peeling). Delaminación a la salida de la herramienta (push out). Desgaste excesivo de la hta, debido a la abrasividad de la FC. Consecuencias Dificultad en obtener las especificaciones técnicas y de calidad demandadas. Corto ciclo de vida de la herramienta. Taladrado de Materiales compuestos Pérdida de Calidad de Acabado en la Entrada y Salida de la Herramienta 37

38 Taladrado de Materiales compuestos Taladrado de Materiales compuestos TALADRADO A DEFINITIVO DEL CAJÓN MEDIANTE MÁQUINA AUTOMÁTICA (TRICEPS) 38

39 Taladrado de Materiales compuestos Conclusión Final Los son los materiales del PRESENTE y del FUTURO Existen campos abiertos para investigar e innovar no solo en la búsqueda de nuevos materiales o mejora de los ya existentes, sino también en el desarrollo y puesta a punto de nuevas tecnologías de fabricación y de mecanizado, con las cuales seamos capaces de dar la forma adecuada y definitiva a esos materiales, según las exigencias del mercado. Taladrado de Materiales compuestos Conclusión Final Los son los materiales del PRESENTE y del FUTURO Existen campos abiertos para investigar e innovar no solo en la búsqueda de nuevos materiales o mejora de los ya existentes, sino también, en el desarrollo y puesta a punto de nuevas tecnologías de fabricación y de mecanizado, con las cuales seamos capaces de dar la forma adecuada y definitiva a esos materiales, según las exigencias del mercado. 39

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