La receta del éxito que convierte la fabricación de materiales compuestos en pan comido
La fabricación de una pieza que cumpla con las especificaciones requiere un conocimiento detallado de los parámetros de procesamiento, los materiales y su comportamiento durante el procesamiento. Las simulaciones son fundamentales para lograr con éxito unos componentes de alta calidad. Los complejos compuestos de plástico o polímeros reforzados con fibra de carbono (PRFC) son un buen ejemplo, pero faltan herramientas de simulación de procesos. Los materiales compuestos representan un 50 % o más del peso de la última generación de aviones de pasajeros de medio y largo alcance. El proyecto TRANSITION, financiado con fondos europeos, ha satisfecho la necesidad apremiante de la simulación de procesos, eliminando las conjeturas y el «reprocesado» de la fabricación de materiales compuestos PRFC. Promete mejorar la competitividad, no solo de la industria aeroespacial europea, sino de cualquier sector que se base en los PRFC.
Complicaciones
Los PRFC son un material compuesto que consiste en fibras de carbono ligeras y de alta resistencia incrustadas en una matriz, normalmente una resina polimérica. Estas capas de fibra de carbono preimpregnadas con resina (denominadas «preimpregnados») se utilizan ampliamente en aplicaciones aeronáuticas. Los preimpregnados se colocan en capas en un molde y luego se curan en un autoclave. La presión extrema ejerce una fuerza mecánica para eliminar el aire atrapado y los materiales volátiles, y la temperatura muy alta inicia el entrecruzamiento para formar una matriz rígida. Según Dennis Bublitz, coordinador de TRANSITION y catedrático de Compuestos de Carbono en la Universidad Técnica de Múnich: «La variabilidad inherente al proceso de fabricación provoca variaciones en la calidad de la pieza final, como su compactación y porosidad desiguales, lo que aumenta el riesgo de rechazo. TRANSITION se propuso hacer frente a estos retos mediante el desarrollo de una herramienta de simulación de procesos para el principio de la fase de diseño».
Arrojar luz a la caja negra
Los modelos simulan situaciones de la vida real y predicen los posibles resultados en función de la información introducida. Para hacerlo bien, requieren abundantes datos experimentales de numerosas situaciones similares en las que basar las predicciones. Los experimentos de TRANSITION proporcionaron información valiosa sobre los factores que influyen en la porosidad de los materiales sometidos a diversas condiciones de procesamiento, a través de micrografías y tomografías microcomputerizadas de alta resolución. Los científicos del proyecto también desarrollaron y pusieron en práctica una nueva metodología para medir la presión entre el preimpregnado y la herramienta en el autoclave. Como resultado, la herramienta de simulación de procesos numéricos utilizada con el «software» de elementos finitos comercial ABAQUS describe con eficacia el comportamiento de compactación y calcula la porosidad. Bublitz resume: «El modelo predijo con éxito la distribución del espesor después del curado en el autoclave. Además, se predijo cualitativamente la distribución de la porosidad restante. Por lo tanto, los resultados de la simulación pueden utilizarse para identificar zonas críticas con alta porosidad en las piezas fabricadas. Por último, la herramienta permite optimizar el proceso de curado en las primeras etapas de diseño para lograr piezas de alta calidad, lo que reduce el tiempo y el coste de desarrollo». TRANSITION ha satisfecho una importante necesidad con su herramienta de simulación basada en elementos finitos para el complejo procesamiento en autoclave. La metodología se presentó en la exposición sobre materiales compuestos y avanzados de 2017 CAMX y la herramienta se incluye en los cursos de la Universidad Técnica de Múnich para exponer a los estudiantes a aplicaciones prácticas. Bublitz concluye: «La herramienta de simulación de procesos de TRANSITION facilita el diseño de piezas preimpregnadas para la fabricación en autoclave en un tiempo y con un coste menores. Al reducir las pruebas y las tasas de rechazo, la herramienta también minimiza el uso de autoclaves que consumen mucha energía y mejora la sostenibilidad de la fabricación». La herramienta también debería estimular la innovación, al liberar el proceso de los engorrosos métodos de prueba y error.
Palabras clave
TRANSITION, material compuesto, simulación de procesos, porosidad, PRFC, preimpregnado, fibra de carbono, aeroespacial, compactación, ABAQUS