Materiales de construcción

La madera

Los primeros materiales en emplearse fueron la madera y la tela, proporcionaban una

resistencia adecuada con un peso muy bajo. La madera en muchos aspectos se

comporta como un material compuesto, por cómo está constituida por capas, con

mejores propiedades en la dirección longitudinal de la fibra, tiene valores de módulo

elástico y resistencias muy altos para su densidad. Veamos algunos ejemplos:

1. Abeto

1. E=9000Mpa

2. Resistencia a la tracción: 70Mpa

3. Densidad: 400kg/m3

2. Abedul

1. E=14250Mpa

2. Resistencia a la tracción 100Mpa

3. Densidad: 630kg/m3

Estos valores son mejores que los de algunas aleaciones de aluminio, pero...

1. La madera sufre cambios en su tamaño y sus propiedades con la variación de

humedad

2. La madera se ve sometida al ataque biológico.

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”.

Estructura típica de madera y tela; y el Mosquito

El 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.

Fuselaje sin recubrimiento de un Fokker DVII, fuselaje en tubo de acero y ala en madera,

recubrimiento de tela y Junkers J1, de fuselaje metálico corrugado.

1. OK: Resistencia

2. KO: Su densidad es 3 veces la densidad de las aleaciones de aluminio, y hasta 10 veces la

de la madera.

3. Hay que evitar que en su uso entre en contacto con aleaciones de aluminio:

1. 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).

2. Al ser más rígido que el aluminio, se cargará más que este, haciendo que no trabaje como

debiera.

Aún es esencial para la fabricación de algunos componentes, como pueden ser el tren de

aterrizaje, herrajes, bancadas de motor...

Su coste es inferior al de otro tipo de aleaciones. Es tres veces más pesado que el aluminio,

pero también tres veces más resistente.

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).

1. 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...

1. 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...)

2. Sin embargo...

1. Envejecimiento: con el tiempo sus propiedades mecánicas se alteran

2. Pequeñas muescas, cortes o arañazos pueden causar graves perjuicios a una pieza

3. Uso limitado por temperatura

Como muchos otros descubrimientos, en 1909 se produjo uno, de forma accidental: El

Duraluminio

1. 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.

Pueden distinguirse actualmente tres grupos de Aluminios, los más conocidos en aeronáutica

son la serie dos mil y la siete mil

1. Aleaciones Al-Cu (duraluminio, serie 2XXX). Suele emplearse en las zonas del aparato que

trabajan a tracción (como el recubrimiento del intradós del ala)

2. Al-Cu-Ni

3. Al-Zn (serie 7XXX)

1. Se empezó a emplear en la Segunda Guerra Mundial por su alta resistencia estática. Sin

embargo el alto índice de atrición no permitió comprobar un grave problema que arrastraba:

la corrosión bajo tensiones (SCC- Stress Corrosión Cracking = APARICION DE GRIETAS DEBIDO A

LA EXISTENCIA DE ESFUERZOS INTERNOS DENTRO DE LAS PIEZAS DEBIDO A LOS

TRATAMIENTOS TERMICOS). Por ello suele emplearse a compresión, como en el recubrimiento

del extradós. Las distintas modificaciones de esta aleación han intentado conseguir una

reducción de su densidad, más que un aumento de su resistencia.

4. Se ha intentado el uso de la aleación Al-Li, siendo el primer avión occidental en usarla el A-

5

1. Es muy ligera, tiene una buena resistencia a la corrosión, pero...

2. tiene mal comportamiento en lo referente a crecimiento de grietas.

Avion embarcado A5

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 (400 – 500ºC)

KO:

1. Sus propiedades se degradan en ambientes salinos

2. Su coste es 7 veces superior al del aluminio

Tres aviones en los que se usa el titanio. El F117 en la zona de los motores, el Su29 en el tren

de aterrizaje, y el SR71 en muchas partes del fuselaje, debido a las altas temperaturas que

alcanza en vuelo...

Usos

1. Estructuras de aviones militares y civiles (en los aviones civiles su cantidad es mucho

menor)

2. Recubrimientos y protecciones térmicas

1. Recubrimiento en la zona de los motores

2. Zonas altamente calentadas (por ejemplo en el SR71, debido al calentamiento producido

por los altos mach de vuelo)

3. Toberas...

PMC=Materiales Compuestos; Al Alloy=Aleación de Aluminio; Ti Alloy=Aleación de titanio;

Steel=Acero

EFA y materiales usados: amarillo=fibra de carbono; rojo=Al-Li; Azul=Titanio, Verde

oscuro=aleación de aluminio; Verde claro=fibra de vidrio

Materiales Compuestos (composites)

En parte su comportamiento puede asimilarse al de la madera: Son apilados en capas de

distintos tipos de materiales, lo que hace que sus propiedades varíen según la dirección

Tienen la gran ventaja de poder fabricar los materiales “a medida”, es decir, en función de las

necesidades de resistencia, las direcciones de aplicación de las cargas... construiremos nuestro

material compuesto de una forma u otra. Ejemplo: en los materiales compuestos de fibras

embebidas en matriz plástica, el % de unos y otros, el tipo de fibra (matt o fieltro, tejido...) y el

orden de apilamiento de las capas... los elegiremos en función de las características que

deseamos obtener.

Podemos encontrarlos en multitud de formas y presentaciones comerciales. Los más comunes

son fibras embebidas en matrices plásticas. Los esfuerzos y cargas serán soportados por las

fibras, mientas que la matriz da cohesión y mantiene la forma. Las fibras pueden presentarse

en forma de tejido, de fieltro, de bandas... Ejemplo: fibra de carbono. modulo de Young hasta

400000 N/mm² y resistencia a tracción ultima hasta 2800 N/mm

1. Plásticos, con refuerzos de fibra

1. Las primeras en usarse fueron las de fibra de vidrio – matriz epoxy. Se utilizaban en

carenados y otras estructuras que no tuvieran que soportar grandes cargas.

2. En los 60 se empleó por primera vez aramidas (ej: kevlar ®). Es más rígido que la fibra de

vidrio, soporta muy bien los impactos, pero no trabaja bien a compresión ni soporta bien el

ataque medio ambiental. Otras fibras usadas son las de carbono, o las mixtas (tejidos de mas

de un tipo de fibra, como en la imagen de abajo)

Tejido compuesto, fibra de aramida-carbono

3. El primer material compuesto que se empleó en partes estructurales de un avión fue la

fibra de boro, que se fabrican depositando fibras de boro sobre filamentos de tungsteno. Son

muy caras y su uso es prácticamente solo militar.

4. La fibra de carbono tiene unas características muy similares a las de boro, y son más

baratas de producir. Su modulo de Young es unas tres veces mayor al de la fibra de carbono,

1.5 veces el de las de aramida, doble que el del aluminio... y su resistencia es algo menor que

la del kevlar, y ¡el triple que la del aluminio! En contacto con aleaciones de aluminio le corroen,

por ello han de estar debidamente aislados.

Rutan Composites es conocida por sus diseños radicales y emplear en ellos tecnología de

materiales compuestos

5. Como problema tienen que son un tanto sensibles a los golpes: se dañan y pierden sus

características, y los daños producidos no son sencillos de localizar.

2. Estructuras Sandwich (o Honeycomb, aunque esta designación es la del núcleo en forma

de prismas hexagonales –panel de abeja, se suele hablar en muchas ocasiones de todas las

estructuras en sándwich como honeycomb, independientemente de la forma del núcleo)

1. Con este tipo de construcción se buscan (y se consiguen) unas excelentes características,

con muy poco peso. Básicamente consiste en construir un núcleo y recubrirlo por ambas caras.

Este núcleo está prácticamente hueco, siendo poco su peso. Pero al forrarlo con el

revestimiento, se le da una gran resistencia.

Estructura de un honeycomb

2. La estructura básica es un núcleo, cuya forma variará en función de las propiedades que

queramos obtener (por ejemplo, flexibilidad), el recubrimiento (puede ser metálico o bien de

madera o de materiales compuestos), y una capa intermedia entre ambos, que hace que se

adhieran (no es estrictamente necesaria). En función de la carga a emplear (no es lo mismo un

revestimiento, o un carenado que un suelo, una zona estructural...) el núcleo puede fabricarse

de distintos materiales:

a. Espuma- Foam

i. Para zonas poco

cargadas, como algunos revestimientos, carenados, radomos, techos, paredes...

ii. Reparaciones

iii. Macizados

b. Madera

c. Nomex (papel impregnado)

i. Se consiguen

estructuras muy ligeras y altamente resistentes (incrementando la densidad de celdas del

núcleo, hasta aumentar su peso en 6, se podría multiplicar su resistencia por más de 30)

d. Metales (Aluminio, acero...)

Ejemplos de aplicaciones

3. Matriz metálica

1. Grafito-Aluminio (ARAL)

a. ARAL=ARamid Aluminium Laminate

b. Está compuesto de delgadas láminas de aluminio y fibra de aramida. El aluminio

proporciona alta resistencia de forma isotrópica, y propiedades metálicas para la forja,

mientras que la fibra de aramida proporciona al material compuesto resistencia a rotura y

fatiga.

c. Usado en las alas del Fokker 50 ahorraron un 20% de peso.

2. Boro-Aluminio

3. Fibra de vidrio-Aluminio (GLARE)

a. Se desarrolló por el mal comportamiento del ARAL frente a la compresión (por las fibras

de aramida)

b. Consiste en un conjunto de láminas alternas de aluminio y fibra de vidrio.

c. Características:

i. Alta resistencia

a la rotura

ii. Muy alta

resistencia a la fatiga (la fibra de vidrio amortigua la propagación de grietas)

iii. Resistencia a

daños externos

iv. Alta resistencia a

la corrosión

v. Buena

resistencia al fuego (no olvidemos que algunas cortinas ignífugas para parcelar grandes

espacios en caso de incendio se fabrican en fibra de vidrio).

d. Variantes:

i. Unidireccionales

1. Glare 1 Al7475

2. Glare 2 Al2024

ii. Bidireccionales

MATERIALES DE CONSTRUCCION DE UN AVION

NC&T) Las raras cualidades de este material especial pueden hacer una contribución

significativa al desarrollo de un verdadero avión energéticamente eficiente: un avión "verde".

El consumo inferior de combustible y la reducción de los costos de mantenimiento podrían

conducir al ahorro, a nivel mundial, de recursos por un valor de nada menos que cien mil

millones de dólares.

La fatiga es un fenómeno que afecta a los materiales que han soportado durante un largo

plazo la exposición a una carga cíclica. Como resultado de las cargas variables, tarde o

temprano se acaba produciendo una fractura. Las nuevas construcciones usando el Central

resultan de calidad superior. Son más resistentes que las hechas de plástico reforzado con fibra

de carbono (CFRP) recientemente empleadas en las alas de aviones como el Boeing 787. Al

emplear alas construidas con Central, el peso puede reducirse otro 20 por ciento comparado

con el de las construidas con CFRP. Además, al utilizarlo se obtienen costes de fabricación y

mantenimiento considerablemente más bajos.

El Central es un material de construcción robusto que no sólo es excepcionalmente fuerte, sino

también insensible a la fatiga. Las características del Central permiten llevar a cabo de modo

inmediato las reparaciones simples, como en el caso del aluminio, lo que no es posible al

emplear elementos hechos de CFRP.

Este nuevo concepto patentado es uno de los resultados de una colaboración intensiva entre

la compañía GTM Advanced Estructures, fundada en La Haya en el 2004 y especializada en los

nuevos materiales para la aviación y otras construcciones, la compañía estadounidense Alcoa

dedicada a la producción de materiales de aluminio, y la Facultad de Ingeniería Aeroespacial

de la Universidad Tecnológica de Delft, en los Países Bajos.

*Casi todas las partes de un avión están hechas de metal. El aluminio se utiliza en las alas y el

cuerpo. El aluminio es ligero. El acero es fuerte pero pesado. El acero se utiliza en el tren de

aterrizaje. Un metal especial (el titanio) se utiliza en los partes que se calientan mucho, como

el motor.

Los constructores de aviones continuamente están intentando desarrollar nuevos materiales

que sean más fuertes y más ligeros. En la actualidad, los aviones están hechos de materiales

muy fuertes y ligeros. Los aviones pueden volar muy alto y muy lejos. Son también muy

seguros.

ALECCION DE MATERIALES

La elección de los materiales en el desarrollo de un nuevo avión depende de la situación y

misión que tenga cada pieza, así como conseguir la máxima eficiencia entre resistencia

estructural y peso total del avión. Hoy en día, en la construcción de nuevos aviones como el

Boeing 787 y el A350 XWB se utilizan en ambos un 50% de materiales compuestos y

aproximadamente un 20% de aleaciones de aluminio.

Una diferencia entre ellos es que el fuselaje de cola del 787 esta constituido por material

compuesto de fibra carbono reforzada CFRP mientras que los fabricantes de Airbus han

elegido una aleación de aluminio-litio para esta sección del fuselaje en lo que concierne al

revestimiento. Tanto la fibra de carbono como la aleación de aluminio-litio tienen baja

densidad y alta resistencia a tracción, tanto es así, que el aluminio-litio tiene una densidad de

2,63 g/cm3 reduciendo así en un 12% el peso comparado con las aleaciones tradicionales de

aluminio. Sin embargo la fibra de carbono aun reduce más el peso teniendo una densidad de

1,6 g/cm3 lo que se traduce en una reducción de peso del 20%. En cuanto a los valores de

límite elástico el aluminio-litio aventaja al material compuesto en unas 4 veces más.

Uno de los motivos importantes por los que boeing ha decidido utilizar fibra de carbono es la

reducción de piezas a la hora del proceso de montaje y la reducción de herramientas dando

mas seguridad a los trabajadores y consiguiendo mayor rapidez en la fabricación ya que el

fuselaje solo consta de 6 piezas en el ensamblaje final. Dado que el 787 se ensambla a partir de

componentes grandes en lugar de numerosas piezas pequeñas, no son necesarias las

herramientas tradicionales de montaje. Se utilizan herramientas portátiles, diseñadas de forma

ergonómica, para colocar los ensamblajes y se elimina el uso de grúas elevadas para trasladar

la estructura del avión. Una estructura de materiales compuestos significa menos residuos en

la producción y menos materiales peligrosos utilizados durante el proceso de ensamblaje. No

solo el uso de composites tiene esta ventaja a la hora de la fabricación del avión sino también

en el diseño del proyecto consiguiendo crear diseños de estructura optimizada y desarrollar un

proceso de producción eficiente.

En cambio el fabricante europeo Airbus en el diseño y fabricación de su nuevo avión, el A350

XWB, ha utilizado para su sección trasera del fuselaje, como bien se explicaba anteriormente,

la aleación de aluminio-litio, que principalmente se ha utilizado para aplicaciones espaciales

siendo recientemente cuando empieza a tener mayor presencia en las estructuras

aeronáuticas.

Una de las ventajas de trabajar con metal es que se conoce a la perfección su comportamiento

a fatiga y su resistencia al avance de grieta, mientras que en los materiales compuestos al ser

relativamente nuevos en la implantación de aplicaciones aeronáuticas no se conocen tan bien

las características del material al avance de la grieta ni a fatiga. Desde luego, una desventaja

importante al trabajar con aleaciones es su vulnerabilidad a la corrosión, cosa que en los

materiales compuestos es nula, lo que requiere de tratamientos adicionales sobre la superficie

del metal. Otra ventaja de utilizar como revestimiento aluminio-litio es que a la hora de

realizar las labores de mantenimiento los operarios requerirán las mismas herramientas que se

utilizan para el aluminio convencional lo que ahorra costes de formación de personal así como

la compra de nuevas herramientas, repercutiendo en un ahorro importante para la compañía.

Airbus decidió no utilizar materiales compuestos para la aeroestructura misma porque esta es

la parte del avión que sufre más daños cuando el avión esta en tierra: abolladuras y golpes

ocasionados por los vehículos de servicio, por lo que tiene que ser fácil y barata de arreglar. Sin

embargo las alas no suelen sufrir este tipo de desperfectos por lo que se puede hacer de un

material más complejo.

En el A350 XWB, cada una de las 3 secciones del fuselaje esta constituida por cuatro

segmentos largos de material compuesto con fibra de carbono (un segmento de techo y otro

de suelo, así como 2 segmentos laterales) montados sobre estructuras metálicas. El motivo de

esta combinación de materiales tan diferentes en la misma estructura es el innovador empleo

de segmentos de fuselaje en materiales compuestos instalados sobre cuadernas de aluminio-

litio que simplifica la fabricación, en comparación con el diseño planeado por Boeing para el

787 consistente en rodajas completas de fuselaje. El diseño hibrido de los segmentos de

fuselaje previsto para el A350 XWB permite adaptarlos de forma optima a las exigencias

relacionadas con su lugar de montaje en la estructura y, además, ahorra peso. Cuanto mas

largos sean los segmentos tanto menos costuras perimetrales serán necesarias. Mientras que

las costuras longitudinales, por su parte, incrementan la resistencia a flexión del fuselaje.

En conclusión, los principales criterios a la hora de seleccionar los materiales en el diseño de

un nuevo avión son: primero que cumplan los requisitos técnicos de esfuerzos y cargas que va

a soportar la aeronave, así como asegurar que mantienen las características aerodinámicas, lo

segundo que sean materiales con la menor densidad posible, reduciendo el peso de la

aeronave en la mayor medida de lo posible, en tercer lugar el facilitar la producción y en

cuarto lugar pero aun así importantísimo que sea barato.