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Termoplásticos:reinventando la fibra

Tercer artículo de divulgación tecnológica escrito por aergenium para la revista Aeronáutica Andaluza. Describe el presente y potencial de futuro de los nuevos materiales compuestos de matriz termoplástica para la fabricación de estructuras aeronáuticas.

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Termoplásticos:reinventando la fibra

  1. 1. A+A E n junio de 2009, Domingo Ureña, con su nombramiento como Presidente de Airbus Military aún reciente, presentó sus re- flexiones sobre el 'Presente y futuro de la industria aeronáutica española y andaluza' en la sede de la Cámara de Comercio, Industria y Navegación de Sevilla. Entre otros asuntos, Ureña destacó la fortale- za de nuestra comunidad en el campo de los materiales compuestos, aunque también advirtió de la necesidad de continuar innovando. La fibra de carbono es una tecnología que ha alcanzado la madurez. Se puede seguir desarrollando para exprimirla aún más y optimizarla al máximo, pero llegados a un punto las mejoras son incrementales. Lapreguntaes:¿Quéesloquevienedespués?¿Termoplásticos,nuevas aleaciones? ¿Hacia dónde se deben dirigir los esfuerzos de investigación, desarrollo e innovación? En aquel momento, Ureña anunció la elaboración de un plan de desarrollo tecnológico de I+D+i por parte de Airbus Military para establecer unas líneas estratégicas que sirviesen de guía a la industria auxiliar e identificar socios para los próximos 10 años. Las conclusiones de este plan todavía no se han hecho públicas, pero dentro del panorama que ofrecen los nuevos materiales aeroespaciales, llama la atención el creciente interés de la industria por los termoplásticos, materiales compuestos que hoy en día son la gran esperanza y una opor- tunidad para seguir en la punta de lanza de la aplicación de los materiales compuestos en la aeronáutica. Termoplásticos, algo nuevo bajo el sol Un material compuesto o composite es el resultado de la asociación de uno o varios reforzantes (fibras, partículas, láminas,…) y un ligante o matriz, sin que se produzca reacción química entre ellos. Las ventajas que los ma- teriales compuestos presentan en la fabricación de estructuras aeronáuti- cas son bien conocidas. Por citar sólo algunas, tienen una elevada relación resistencia/peso, son inmunes a la corrosión, presentan un buen compor- tamiento a fatiga, y la facilidad para reproducir geometrías complicadas re- duce drásticamente el número de componentes en los montajes. Los materiales compuestos pueden clasificarse según el tipo de re- fuerzo o el tipo de matriz, entre otros criterios. Si miramos los diferentes tipos de matrices, los más conocidos y utilizados en aeronáutica son los I n June 2009, Domingo Ureña, with his nomination as CEO of Airbus Militarystillrecent,presentedhisviewsonthe‘Presentandfutureofthe Spanish and Andalusian aerospace industry’ in the Chamber of Com- merce, Industry and Navigation in Seville Among other issues, Ureña highlighted the strength of our region in thefieldof composite materials,althoughhe also warned about the need to continue innovating. Carbon fibre is a technology that has reached its maturity. It can be further developed and optimized, but beyond a given point the improvements become incremental. The question is: what comes next? Thermoplastics, new alloys? In whichdirectionshouldgoresearch,developmentandinnovationefforts? Ureña announced then that Airbus Military would prepare a plan of tech- nological development for R&D+i in order to establish strategic lines that couldserveasguidancetotheauxiliaryindustryandidentifykeypartners for the next 10 years. The outcome of this plan has not been made public yet, but the grow- ing interest attracted by thermoplastics in the industry stands out among the range of new aerospace technologies and materials. These com- posite materials are today the great hope and an opportunity not to be missed to continue at the forefront of composite technology for the aero- space industry. Thermoplastics, something new under the sun A composite material is the result of the association between one or more reinforcement materials (fibres, particles, sheets …) and a matrix, without chemical reaction among them. The use of composite materi- als to manufacture aircraft structures presents well known advantages over more traditional metallic materials. To mention only a few, they have a high load bearing capacity vs. weight ratio, they are immune to corro- sion, present good fatigue behaviour, and it is easy to manufacture them in complex shapes, resulting in a dramatic reduction in the number of component assemblies. Composite materials can be classified by the type of reinforcement materialorthetypeofmatrix,amongothercriteria.Ifwetakealookatthe different types of matrices, the best known and most widely used in air- Termoplásticos: 44 DIVULGACIÓN A+A >>>> Por Rubén Carvajal Vázquez y Manuel Heredia Ortiz. Autores de http://aergenium.es, primer portal web dedicado a la industria aeronáutica andaluza desde 2008. reinventando la fibra de carbono Para saber más sobre el tema de este artículo, visite la web http://sabermas.aergenium.es, donde encontrará más información, material de soporte, fotografías, vídeos y enlaces de inte- rés. Nuestro agradecimiento a Amparo Cerisola, y Salvador Ortolá por su valiosa contribución en la redacción de este artículo.
  2. 2. A+A 45DIVULGACIÓN A+A >>>> By Rubén Carvajal Vázquez, and Manuel Heredia Ortiz. Authors of http://aergenium.es, first web dedicated since 2008 to the aerospace industry in Andalusia, Spain. polímeros termoestables (o simplemente termoestables). Quizás el mejor ejemplo son las resinas epoxi reforzadas con fibra de carbono. Sin em- bargotambiénesposibleutilizarpolímerostermoplásticos(osimplemente termoplásticos) como matriz. La matriz confiere al material compuesto propiedades relacionadas con su comportamiento frágil, elástico o plástico, y su porosidad. Habitualmen- tecondicionaelrangodetemperaturasdeservicio.Porlotanto,laelección de matriz se basa en criterios como la temperatura de servicio, las con- diciones humedad en las que el material ha de trabajar, o la tenacidad y resistencia química que se requieran al producto final. Y por supuesto, la rentabilidad de su proceso de fabricación. Enpocaspalabras,lostermoestablessonpolímeroscuyocuradoesirre- versible. Sin entrar en detalles, una de las propiedades que condicionan el uso de las matrices termoestables es que al calentarlas se queman, por lo que no se pueden refundir o soldar. La baquelita, la melamina, el poliureta- no, o las resinas epoxi, son ejemplos de este grupo de materiales. Por otra parte, la matriz termoplástica puede reblandecerse con el calor hasta llegar a fundirse, sin degradarse irreversiblemente. Son por tanto po- límeros remoldeables y soldables mediante calor, y al enfriarlos por debajo deunatemperaturacríticaTg(temperaturadetransiciónvítrea,oglasstran- sition) se endurecen y fragilizan comportándose como un cristal. Ejemplos de este tipo de polímeros son el polietileno, el poliestireno, el nylon, el poli- propileno, o el teflón. Debilidades, Fortalezas, Amenazas, y… una gran Oportunidad Las matrices termoestables se han venido utilizando más que las termo- plásticas en la industria actual por razones de rentabilidad. Su procesado es más sencillo, y la materia prima y los equipos industriales necesarios no son menos caros. Adicionalmente, su excelente fluidez facilita la penetra- ción de la resina y el mojado del material de refuerzo. Esto explica que la calidad y el coste de los elementos fabricados con matriz termoestable en- cajasen mejor en los planes de negocio de los fabricantes de aeronaves. Sin embargo, los composites de matriz polimérica termoplástica mejo- ran algunos de los puntos débiles de los termoestables. Por ejemplo, pre- sentan mayor resistencia al impacto y al fuego, disminuyen el fenómeno craft structures are thermoset polymers (or simply thermosets), the best example being probably composites made of an epoxy resin matrix rein- forced with carbon fibres. However, thermoplastic polymers (or simply thermoplastics) can also be used as matrices. The matrix confers the composite material some properties related to its fragile, elastic or plastic behaviour, and also its porosity. Usually the matrix also restricts the range of temperatures in which the material can be used. Hence the choice of matrix depends on criteria such as the service temperature and ambient moisture, the toughness and chemical stability required in the final product, and of course the profitability of its manufacturing process. In short, thermosets are polymers that cure irreversibly. Without go- ing into too much detail, one of the properties that condition the use of thermosets is that when they are heated they burn, and therefore they cannot be re-melted or welded. Some examples of this type of materials are Bakelite, melamine, polyurethane, or epoxy resins. On the other hand, thermoplastics can be softened and melted with theapplicationofheatwithoutsufferinganirreversibledegradation.These polymers can therefore be welded, reformed and re-melted using heat, and then freeze again to a very glassy state when cooled below a critical temperature Tg (glass transition temperature). Some examples of these polymers are polyethylene, polystyrene, nylon, polypropylene or Teflon. Weaknesses, Strengths, Threats and … a great Opportunity Thermoset matrices have been more widely used in industry than thermoplastics mainly due to their economic reasons. Their processing is simpler, and the raw materials and industrial facilities required are less expensive. In addition, the excellent fluidity of these polymers facilitates the penetration of the resin to completely cover the surface of reinforce- ment materials. Hence the high quality and low cost of elements made with thermoset matrix composites fit better in the business plans of air- craft manufacturers. However, thermoplastic composites improve some of the weakness- es of thermosets. For instance, they present better resistance to impacts and fire, reduce the issue of moisture absorption, and improve the resist- Thermoplastics: reinventing the carbon fibre If you want to know more about the topic of this article, visit the web http://sabermas. aergenium.es, where you can find more information, support material, photographs, videos and links of interest. Our gratitude to Amparo Cerisola and Salvador Ortolá for their valuable contributions to this article.
  3. 3. A+A de absorción de humedad, y mejoran la resistencia a los aceites, combus- tibles, fluidos hidráulicos y otros agentes químicos. Además, presentan ciertas ventajas de procesado, como ciclos de fabricación más cortos, con la consiguiente disminución de costes si el volumen de producción es suficientemente grande. La materia prima puede almacenarse indefinida- mente en condiciones ambiente, puede conformarse fuera del autoclave tradicional y puede ser reciclada. Por si esto fuera poco, las estructuras termoplásticas presentan la capacidad de ser reparadas utilizando soldadura por resistencia eléctri- ca con aporte de calor y presión (fusion bonding), un proceso de corta duración, fácil de implementar con equipos portátiles, y muy interesante especialmenteenavionesdeusomilitar.Llevandoesteconceptoaúnmás lejos, algunos expertos consideran que la introducción de esta técnica en los procesos de ensamblaje de piezas terminaría con muchos de los pro- blemasasociadosalastécnicasutilizadastradicionalmenteenaeronaves, como el remachado o el atornillado. Y entonces, ¿por qué no se ha generalizado el uso de los termoplás- ticos? Básicamente por dificultades en el proceso de fabricación deriva- das de sus propiedades físicas, y otros factores asociados en general al estado embrionario de la tecnología. Por ejemplo, el conformado de termoplásticos requiere temperaturas más altas. Además la matriz es más viscosa y es difícil garantizar que moja adecuadamente las fibras de refuerzo, sin que se generen huecos en el proceso de fabricación. Esta inmadurez de los procesos productivos, unida al alto coste de los prepreg (formato en el que se suele servir la materia prima), han sido los principales lastres de las matrices termoplásticas. Porlotantotenemosunproductoconunaspropiedadesexcepcionales, un mercado en el que la competencia es reducida, aunque altamente es- pecializada, y un campo de aplicación (a continuación lo veremos) que ha venido creciendo desde hace treinta años, y cada vez es más amplio. Una oportunidad excelente para reinventar la fibra. Un poco de historia En la década de los años 80, se comenzó a introducir en modelos de aeronaves como el Fokker 100, el Gulfstream G400, o el Airbus Beluga elementos para suelos fabricados a partir de láminas de matriz termoplás- tica.Pocodespués,enlosaños90estosmaterialesdejarondeserusados exclusivamente en estructuras secundarias para ser empleados en zonas de mayor responsabilidad estructural, como en las costillas de las alas del GulfstreamG500. Ya en el año 2000, Fokker utilizaba la técnica de moldeo por compresión paralafabricacióndecostillasyrigidizadoresenfibradevidrioymatriztermo- plástica, suministrada en láminas consolidadas por la compañía Ten Cate ance to aircraft oil, fuel, hydraulic fluid and other chemicals. In addition, they present certain advantages in terms of processing, such as shorter manufacturing cycles -with the subsequent cost reduction if the volume of production is sufficiently high. The raw material can be stored indefi- nitely at ambient conditions, can be conformed without the need for the traditional autoclave, and can be recycled. If this was not enough, elements made with thermoplastic compos- ites could potentially be repaired using fusion bonding, i.e. applying pressure and heating with an electrical resistance to effectively weld the structure. This is a quick process, easy to implement with portable equipment, and very interesting for military aircraft. If we push this con- cept even further some experts consider that the introduction of this technique in assembly processes could put an end to many of the problems associated to traditional joining techniques used in aircraft such as riveting and bolting. Then why is the use of thermoplastics not more widespread? Ba- sically due to difficulties in the manufacturing process deriving from their physical properties and other factors linked to the embryonic status of this technology. For instance, conforming thermoplastics re- quires higher temperatures. Also the matrix presents higher viscosity, and it is difficult to guarantee that it will flow to cover completely the re- inforcement material without leaving gaps during the manufacturing process. This lack of maturity in the manufacturing process, together with the high cost of prepregs – the format in which the raw material is usually supplied - have been the biggest obstacles for the use of thermoplastic composites. Therefore we have a product with exceptional properties, a market where the competition is reduced – although highly specialized and a field of application (we will discuss it next) that has grown continuously over the last thirty years and is ever wider. An excellent opportunity to reinvent the fibre. A bit of history The first aircraft to include structural elements made with thermoplas- tic materials date from the Eighties. Aircraft such as the Fokker 100, the Gulfstream G400, or the Airbus Beluga included floor elements made with thermoplastic sheets. Soon after, in the Nineties, these materials started to be used not only in secondary structures but also in areas of higher structural responsibility such as the ribs in the wings of the Gulf- stream G500. Back in 2000, Fokker used a compression moulding technique to manufacture ribs and stiffeners made of thermoplastic matrix reinforced with glass fibres. The raw material was supplied in consolidated sheets >>>> 46 DIVULGACIÓN A+A Años 80. Elementos fabricados a par- tir de láminas de matriz termoplás- tica en estructuras secundarias de los modelos Airbus Beluga y Fokker 100 / 80s. Elements manufactured from sheets of thermoplastic matrix in secondary structures of the Airbus Beluga and the Fokker 100. Años 90. Se comienzan a emplear en zonas de mayor responsabilidad es- tructural, como en las costillas de las alas del Gulfstream G500. / 90s. Ther- moplastics start to be used in areas of higher structural responsibility, such as wing ribs of the Gulfstream G500. Año 2000. Costillas y rigidizadores son fabricados por Fokker. A lo largo del primer lustro de esta década apa- recerán los semipreg. / Year 2000. Ri- bs and stiffeners made by Fokker. The first five years of this decade see the appearance of semipregs. Año 2005. Airbus presenta su mode- lo A380 con 26 metros de borde de ataque en material termoplástico. / Year 2005. Airbus presents the A380 with 26 metres of leading edge in ther- moplastic material.
  4. 4. A+A Advanced Composites. Fokker obtenía así varias costillas en cada ciclo de prensa en menos de 1.5 minutos (sin contar con precalentamientos). De igualmanerasesiguenproduciendohoydíalarguerillosyotrosrigidizadores conmayorproductividad,dadoeltamañomenordeestoselementos Para piezas de mayor envergadura, difíciles de introducir en las pren- sas por sus dimensiones, Fokker y Ten Cate desarrollaron los semipreg, tejidos en matriz termoplástica que imitaban la tecnología de lay-up (api- lado) desarrollada para los compuestos de matriz epoxy (termoestable). Conestenuevoformatodesuministrounampliocampodeaplicaciones se abría para la tecnología de los termoplásticos, hasta ahora reservado a los prepreg de resinas termoestables. En la actualidad los bordes de ataque del A340 y A380 se fabrican por lay-up usando capas de semipreg como las descritas. De hecho, Airbus de- cidió usar estas matrices en sus materiales compuestos por sus ventajas en reduccióndedañosporimpactosconavesyreduccióndecostesderepara- ciónymantenimiento.Hoyendíaexistenmultituddeaplicacionesaeronáuti- casdeestosmaterialescompuestostermoplásticos:bordesdeataquepara los Airbus A340, paneles para el fuselaje, alas, superficies de control y cono decoladelAirbusA380,Boeing747-8,JSF,yGulfstreamG650,posiblesapli- cacionesparacarenadosdemotores…lalistanodejadecrecer. El futuro de los termoplásticos, en acrónimos Como toda tecnología en estado embrionario, su futuro está condicio- nadoporelesfuerzoinvestigadorqueelmercadoestédispuestoaaplicar. Boeing, junto a otros socios como Fokker y la Universidad de Twente, han apostadoporestaoportunidadlanzandoelTPRC(ThermoplasticCompo- sitesResearchCenter),centroquepretendeconvertirseenunreferenteen la investigación con materiales compuestos de matriz termoplástica. Por su parte, Airbus Military ha concentrado sus esfuerzos en el estudio de los termoplásticos de alta densidad en el proyecto DEPLA (DEsarrollo de Protecciones Ligeras para Aviación), del que ya se habló en el número 13deAeronáuticaAndaluza,yenelqueestámuyinvolucradasufactoríaen ElPuertodeSantaMaría.Elproyecto,innovadorydealtovalorestratégico, permitirá a Airbus Military seguir compitiendo seriamente por ser referencia internacional el área estratégica de nuevos materiales para la aviación. La industria auxiliar andaluza no debe dejar pasar esta oportunidad. Para sobrevivir en un mercado global es necesario mantener la venta- ja tecnológica frente al fortalecimiento de la competencia procedente de economías emergentes. Existen recursos en nuestra región, como Andaltec, Centro Tecnoló- gico del Plástico de Andalucía. Situado en Martos (Jaén), trabaja princi- palmente con empresas del sector automóvil, pero su amplia experien- cia en este tipo de materiales podría convertirlo en un socio valioso para los que estén dispuestos a recoger el guante lanzado por Ureña. by the company Ten Cate Advanced Composites. This allowed Fokker to obtain several ribs in a single press cycle in less than 1.5 minutes (not counting preheating time). The same technology is still in use today to manufacture stringers and stiffeners at even higher rates, due to the smaller size of these elements. For larger elements which are difficult to introduce in a press due to their dimensions, Fokker and Ten Cate developed semipreg, preformed sheets with a thermoplastic matrix that imitate the lay-up technology de- veloped for epoxy (thermoset) composites. This new format of supply opened a wide range of new applications for the thermoplastic technol- ogy, which had been so far reserved to thermoset prepreg resins. Today the leading edges of A340 and A380 are manufactured by lay- up using layers of semipreg as previously described. Actually, Airbus decided to use these matrices in their composite materials due to the advantages in reduction of damages linked to bird-impacts and the re- duction in repair and maintenance costs. Today there are plenty of aero- space applications of these thermoplastic composites: Leading edges for the Airbus A340, panels for the fuselage, wings, control surfaces, and rear cone for the Airbus A380, Boeing 747-8, JSF, and Gulfstream G650, potential applications for engine cowlings… the list keeps growing. The future of thermoplastics, in acronyms Like any other technology in embryonic stage, its future is conditioned by the research effort that the market is ready to apply. Boeing and its partners Fokker and the University of Twente have made a bet for this opportunity launching the TPRC (Thermoplastic Composites Research Centre), with the goal to become a reference in the research with com- posite materials based in thermoplastic matrices. Airbus Military on the other hand have concentrated their efforts in the study of high density thermoplastics in the DEPLA Project (Spanish ac- ronym for Development of Light Protections for Aviation). The factory of Puerto de Santa Maria is heavily involved in this project, discussed in de- tail in number 13 of this magazine. The project, innovative and strategic, willallowAirbusMilitarytocontinuecompetingseriouslyforitspositionas an international reference in the area of new aviation materials. The Andalusian auxiliary industry should not let this opportunity pass away.Inordertosurviveinaglobalmarketitiscompulsorytomaintainthe technological advantage to face the growing competition from emerging economies. There are resources in our region, such as Andaltec, the Andalusian TechnologicalCentreforPlastics.LocatedinMartos(Jaen),thisresearch centre works mainly with companies in the automotive sector, but its wide experience in this type of materials could turn Andaltec into a valu- able partner for those ready to pick up the glove launched by Ureña. 47DIVULGACIÓN A+A

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