RAZÓN Y SER DE LOS COMPOSITES EN ESTRUCTURAS MÓVILES EL MARCO CONTINUO Juan Manso Asesor técnico en composites Octubre 2015
FUNDAMENTOS En toda pieza o estructura móvil, aparecen de inmediato varios parámetros a tener en cuenta: Citamos como más evidentes el peso, con derivadas tan importantes como inercias en arranque y frenado, repercusión en el apoyo, sin olvidar efectos colaterales como estabilidad, transmisión térmica, corrosión, ruido y comportamiento en el caso de impacto, entre otras. Un ejemplo bien conocido podrían ser las palas de un aerogenerador eólico. Hasta ahora eran los materiales metálicos los protagonistas principales. Era lo que había, pero desde hace unas décadas, aparecen otras opciones, los composites y de ellos hablaremos aquí.
COMPOSITES Como el término indica, son materiales compuestos, principal diferencia con los metales, que si bien admiten éstos aleaciones, existe mayoritariamente un componente base de referencia. En los materiales compuestos hay dos productos base: La Matriz o Resina Y el Refuerzo o Fibra. Tanto monta, monta tanto, el uno como el otro. Ambos se relacionan íntimamente, como las cuerdas en una polea.
DIFERENCIAS Hay además otro factor importante: en un metal recibimos el producto fabricado por la fundición. Solo podemos manipularlo y transformarlo en pieza concreta. No podemos intervenir en su composición. Se nos da hecha. En el composite, salvo en el caso concreto del prepreg, nosotroselegimoseltipodematrizoresina y lo mismo con el refuerzo, definiendo el porcentaje de mezcla y su proceso de transformación, con cerca de veinte sistemas diferentes. Esta es la gran diferencia básica en trabajar con metales o composites y este es el gran reto que se nos plantea, al extremo de poder afirmar que nunca un ingeniero, calculista, diseñador o técnico en general, ha dispuesto de tal oferta y posibilidades para crear como con estos fantásticos y todavía tan desconocidos materiales, los composites.
PROPIEDADES Dejemos claro que ambos materiales, metales y compuestos, NO son competidores sino complementarios. El que esto escribe, lanzó al mercado hace 25 años un híbrido, bautizado con el nombre de COMPOSTEEL. Como su nombre indica, era un híbrido de acero y composite, concretamente se fabricaron postes eléctricos. El acero, por el que siento veneración, proporcionaba unas cualidades y el composite, al que he dedicado más de cuatro décadas, suplía las carencias de su compañero. Era una perfecta simbiosis. El acero nos proporciona conocimiento y experiencia de años, rigidez, confianza al calculista, además de precio y extensión mundial. El composite nos da ligereza, protección frente a corrosión, diseño, aislamiento térmico y eléctrico y comportamiento al impacto y fatiga. El técnico tiene donde elegir. Bendito problema.
APLICACIONES: Sector Naval En el año 1972 expusimos en unas Jornadas de composites, la comparativa de un pesquero de 30m de eslora fabricado en madera, acero y composite. La conferencia corrió a cargo del Catedrático de Proyectos de la E.T.S.I. de Navales, Madrid, Dr. Andrés Luna Maglioli, quien demostró la idoneidad y eficacia del pesquero en composite. Hoy estamos acostumbrados a los dragaminas de 50m, patrulleras, veleros de alta competición monocascos, catamaranes, trimaranes, con mástiles de 45m de altura, crucetas, botavaras, tangones, timones e incluso recientemente el mástil vela rígido orientable solo composite.
APLICACIONES: Sector Naval II La náutica hace uso masivo de estos nuevos materiales. Ligereza, rigidez, diseño, intemperie, fiabilidad, son los valores aportados por los composites.
APLICACIONES: Sector Aeronáutico Además de los aviones de combate, auténticas joyas técnicas, examinemos los civiles: En 1984 se entregaron por la entonces C.A.S.A. en la que trabajé varios años, el primer juego de estabilizadores, estructura primaria, del AIRBUS A320. Hoy toda la gama de AIRBUS lo montan además de alas principales, deriva vertical, puertas de cabina, de tren de aterrizaje y partes de motor. Hoy se ensaya el fuselaje entero de aviones comerciales y el peso de los composites supera el 50 % del material de un avión. Aquí también los híbridos aluminio composites tienen su campo de actuación. El futuro y posibilidades son enormes. Es inconcebible un avión sin materiales compuestos.
APLICACIONES: Sector Ferroviario En 1971 tuvimos el honor y la posibilidad de fabricar el Tren Vertebrado diseñado por el gran ingeniero Alejandro Goicoechea, el autor de TALGO. Era un tren muy innovador, incluso para hoy en día, totalmente en composite, autoportante y circuló en exhibición en el Paseo Marítimo de Las Palmas de Gran Canaria. Hoy se hacen los carenados de las máquinasave, módulos de baño, piezas de cabina e incluso se han fabricado bogies. Aquí la tecnología del Marco Continuo podría encajar perfectamente. Sugerimos también los techos de convoyes AVE destinados a países árabes o siberianos. Los composites con coeficientes de transmisión térmica infinitamente menores que el aluminio y acero, resolverían problemas de peso, volúmenes de acondicionadores, ruido y consumos. A valorar además, la disminución del par de vuelco y la repercusión en vía, con importantes repercusiones económicas.
APLICACIONES: Sector Automoción A principios de los noventa, antes justo de la venta de Pegaso al Grupo IVECO, nos pidió ENASA fabricar varios chasis de cabeza tractora y ballestas. Ambas piezas dieron magníficos resultados A mediados de los setenta, Santana nos solicitó estudiar la sustitución de los techosdelonayaluminiodesuslandrover por composite. El resultado fue un éxito total. Los clientes apreciaron el aislamiento térmico, hermeticidad, disminución de ruido y ahorro de peso. En 1997 contribuimos al desarrollo y montaje del Compobus, autobús integral en composite chasis y carrocería superando la tan exigente prueba lateral del vuelco. La introducción del Marco Continuo fue determinante. En automóviles tenemos multitud de ejemplos, pero yo destacaría un icono que acaba de cumplir 60 años, el Citroën DS o Tiburón. Se fabricaron millón y medio de unidades y su techo en composite, desarrollado por Saint Gobain donde trabajé quince años, constituía la vanguardia técnica.
APLICACIONES: Sector Automoción II Luego vinieron en 1974 los paragolpes delantero y trasero del Renault R 5 en composite. Hoyningúnfabricanteusaelmetal. No solo es cuestión de peso y de costo, sino de seguridad frente al impacto. Con los nuevos procedimientos y avances en materias primas, hoy podríamos abordar la fabricación de chasis, elementos de suspensión, elementos de seguridad, capós, puertas y partes de asientos. La carrocería y chasis, como ocurre en automóviles deportivos, se limitan hoy por hoy, a pequeñas series de grandes marcas. Pero todo se andará.
CONCLUSIÓN Disponemos de tecnologías que permiten polimerizaciones ultrarrápidas y en cuanto a materiales, podemos utilizar prepreg, fibras continuas, cortas, tejidos unidireccionales, biaxiales, triaxiales, complejos, híbridos de vidrio, carbono y aramida, sin olvidar los híbridos metal composite, que comentamos anteriormente. Finalmente, consideramos un factor muy a tener en cuenta: estos materiales permiten la automatización y robotización en grado máximo, como quedó demostrado en 1985 en el programa S.E.H.R.O: sistema de enrollado de hilos por robot. Ocurrió en mi estancia en C.A.S.A. y pude fabricar con un robot de cinco ejes directos más dos complementarios, uno de giro del útil y otro de traslación del robot, piezas muy diversas, como estructuras viga de sección triangular, cuadrada, depósitos lanzables, botellas de presión y herrajes entre otras piezas. La robótica y estos nuevos materiales forman un dúo de vértigo.
MARCO CONTINUO El marco continuo (en adelante MC) nace como exigencia estructural de los composites Los metales admiten ser doblados, pero los composites no
MARCO CONTINUO Corte seccional de un MC
MARCO CONTINUO La gran carencia de los composites, la unión en ángulo, se soluciona con el MC La técnica del MC permite la total continuidad de las fibras Los ángulos, antes puntos débiles, son ahora los fuertes
MARCO CONTINUO La estructura formada con MC, nunca romperá por los ángulos Los ángulos son más del doble de resistentes que los largueros
MARCO CONTINUO Ejemplo de pruebas de torsión
MARCO CONTINUO Podemos fabricar secciones de piezas de MC en U, T y Podemos fabricar piezas de formas cuadradas, rectangulares, poligonales, triangulares, circulares como las que se muestran a continuación:
MARCO CONTINUO El MC evita pletinas, pegado, taladros que afean y dañan La técnica admite la unión de MC entre sí
MARCO CONTINUO Detalle de una estructura tridimensional combinando MC
MARCO CONTINUO Prueba de carga en estructura tridimensional, combinando MC
MARCO CONTINUO Molde de un chasis de cabeza tractora de camión Pegaso
MARCO CONTINUO La técnica: Admite cerrar la sección de un MC Es como el enrollado, o filament winding, pero tridimensional Es como la pultrusión pero con multiformas Pide la aplicación de robots o autómatas
MARCO CONTINUO MC acoplado a diversos perfiles y panel sandwich
Muchas gracias! Juan Manso Asesor técnico en composites jota.jotamanso@gmail.com