Materiales compuestos para la industria aeronáutica

Por Israel Pérez Valencia

Santiago de Querétaro, Querétaro. 25 de enero de 2016 (Agencia Informativa Conacyt).- Un equipo interdisciplinario de investigadores, docentes y estudiantes de la Universidad Aeronáutica en Querétaro (Unaq), en convenio con diversas instituciones del país, desarrollan proyectos enfocados en el estudio de la fenomenología inherente a la fabricación de partes aeronáuticas, utilizando materiales compuestos como alternativa al metal y las aleaciones.

En entrevista con la Agencia Informativa Conacyt, el docente investigador especializado en las áreas de manufactura, propiedades mecánicas de materiales compuestos y poliméricos de la Unaq, Omar Jiménez Arévalo, explicó que esta línea de investigación pretende ofrecer alternativas de tecnología aeroespacial en la fabricación de diferentes partes de los aviones, con el objetivo de reducir su peso y los costos de operación.

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Cuáles son los antecedentes de esta línea de investigación?

Omar Jiménez Arévalo (OJA): Los materiales compuestos se empezaron a utilizar de manera sistemática desde los años noventa, cuando comenzaron a hacerse grandes proyectos para desarrollar partes de aeronaves, pero solo 10 por ciento de las aeronaves tenía estos componentes. Es hasta el año 2000 donde, por las cuestiones del costo de petróleo, la competencia, globalización y la necesidad de ofertar más posibilidades para que las personas utilizaran aeronaves con un menor costo de operación, hubo un aumento en el desarrollo de partes aeronáuticas con esta tecnología.

El material compuesto, a diferencia de un metal en el que existe una aleación ya desarrollada, se diseña y se puede modificar; cada aplicación puede tener un material diferente en términos del concepto. Nosotros hacemos que el material trabaje de forma óptima de acuerdo con las cargas que tendrá esa pieza, lo que nos permite tener amplios rendimientos del mismo y hacer con menos peso la misma tarea.

El porcentaje de partes fabricadas con materiales compuestos en las aeronaves ha ido en aumento. Actualmente en aeronaves de tipo comercial ha llegado al 50 por ciento, que es el caso del 787 de Boeing y el A350 de Airbus, que son los principales contendientes en lo que se refiere a aviones grandes. Incluso el Airbus 380 de Air France, el avión comercial más grande del mundo que visitó nuestro país hace poco, tiene entre 20 y 25 por ciento de materiales compuestos, por ejemplo, en el fuselaje, de lo contrario sería imposible tanta capacidad; su segundo piso se pudo hacer con base en los ahorros de peso que se tuvieron en diferentes piezas.

AIC: ¿Cómo se conceptualizan los materiales compuestos?

OJA: Los materiales compuestos son aquellos que, en su conjunto, dan una propiedad como si fueran uno solo, pero en realidad se trata de varios materiales que se están combinando, esa es la parte de la sinergia. En el material compuesto yo no tengo una reacción química de las cosas, no pierden su identidad; si por ejemplo es una aleación o un compuesto químico, cada parte conserva su identidad y yo puedo distinguir claramente en una microscopía cuál es la fibra y cuál es la matriz, y si pongo dos tres fibras puedo distinguirlas claramente.

AIC: ¿Qué materiales compuestos son los que más se utilizan en la industria aeronáutica?

OJA: Usualmente la industria trabaja mucho con lo que es la fibra de carbono, las fibras de aramidas, mejor conocidas como kevlar, y las fibras de vidrio. Respecto a las resinas, la más común es la epóxica de grado aeronáutico, que ya tiene cierta aprobación; hay de diferentes tipos de acuerdo al proceso que se trabaje, como las resinas fenólicas, que se utilizan por cuestiones de flamabilidad.

omar jimenez arevalo01 Nosotros hacemos combinaciones de las fibras de acuerdo con lo que necesitamos, por ejemplo, un radomo de fibras de kevlar y de vidrio en una matriz epóxica, o podemos pensar en un panel interior que puede ser fibra de vidrio con resina fenólica. La estructura interna de un ala que sea de fibra de carbono, algunas superficies de control de fibra de carbono con aramida y resina epóxica; en fin, van variando las combinaciones de acuerdo a lo que nos exija la pieza.

AIC: ¿Cuáles son las líneas de estudio que comprende este proyecto?

OJA: Una de la cosas que estudiamos aquí en la Unaq es precisamente el proceso de fabricación, no desde el punto de vista del control estadístico o la planeación del proceso que sería meramente la parte industrial, sino desde la parte de entender la fenomenología física involucrada en lo que sería la producción de la pieza, no solo desde la perspectiva de la física, sino de la química también, ya que estamos trabajando con resinas que están en estado reactivo al inicio del proceso. Entonces tenemos que trabajar con la física y química a fin de poder garantizar que lo que estamos obteniendo son las mejores propiedades.

No es lo mismo que construyamos la carrocería para un microbús (...) al radomo de un avión, que si llega a dañarse impide que el piloto pueda ver el radar; necesitamos controlar muy bien la producción porque la presencia de poros o de grietas provenientes del proceso nos puede generar, finalmente, ruido en el radar.

Ahora que si hablamos del ala de un avión, es obvio que tendremos que garantizar que todo el material con el que se fabricó esté bien controlado, porque una burbuja o una parte que tenga menos resina o más resina de lo debido, puede generar diferencias suficientes en el comportamiento como para comprometer la seguridad del ala, y esto finalmente nos lleva a que tenemos que estudiar, por ejemplo, cómo la resina se va a distribuir dentro de las fibras, cómo voy a poder orientar las fibras y asegurar que no se muevan dentro del proceso; también cómo asegurar que la matriz, o sea la resina, pegue adecuadamente en la fibra y no queden partes donde en un momento dado la resina pudiera no tener la adherencia adecuada.

Entonces, estamos hablando de que la complejidad del proceso del material compuesto para la aeronáutica es bastante grande en comparación con la industria automotriz, que comúnmente se utiliza en carrocerías de autobuses o algunos coches deportivos. En un avión estamos hablando de superficies o estructuras que deben comprender componentes de seguridad; si un flap, un alerón o una superficie de control falla en el avión, genera un grave problema porque el avión está en vuelo y, a diferencia de un auto, no tiene dónde estacionarse.

AIC: ¿Quiénes integran el equipo de trabajo que se encarga de este proyecto de uso de materiales compuestos para la fabricación de partes aeronáuticas?

OJA: Actualmente tenemos un grupo bastante grande, Omar Mendoza Escobar, quien es el líder del Laboratorio de Materiales Compuestos, es experto en todo lo que es la parte de manufactura y está certificado por Bombardier. En la parte de formación de personal técnico superior universitario tenemos a Jesús Franco Trujano Romero, él es experto en la reparación de materiales compuestos para aeronaves.

En la parte de investigación me auxilio con otros profesores del área de ingeniería, con los doctores Jorge Hernández Borja y Raúl Herrera Basurto estamos trabajando la parte de nanocompuestos enfocados en mejorar lo que son fibras naturales para su posible uso en aeronaves, particularmente la fibra de henequén con la que hemos tenido buenos resultados, pero queremos mejorarle algunas propiedades de resistencia a la flama.

Tenemos dos estudiantes de maestría en la parte de compuestos, otros tres de tiempo parcial que son personas que están en la industria y varios muchachos de licenciatura que están haciendo servicio social.

Además, tenemos relación cercana con el grupo de materiales compuestos del Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (Cidesi) que encabeza el doctor Edgar Franco Urquiza, trabajamos cosas muy parecidas; también tenemos contacto con otros grupos de materiales compuestos en el interior del país, por ejemplo con el Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), con los que intercambiamos información, y con la Universidad Autónoma de Nuevo León (UANL).

AIC: ¿Cómo se encuentra el estudio de materiales compuestos para la aeronáutica en México?

OJA: Querétaro concentra la mayor cantidad de personal dedicado a esa línea, desde el punto de vista de la investigación a nivel de ciencias de la ingeniería y desarrollo. Nosotros aquí tenemos la ventaja de que existe una finalidad y exigencia al trabajo que realizamos por parte de la industria aeronáutica, quien nos dicta esos parámetros.

Tenemos muy claro que cualquier material que fabriquemos debe alcanzar esos niveles, sujetarse a las normas, resistencia a la fatiga y un costo máximo. Está muy claro nuestro entorno y eso nos da una gran ventaja respecto a qué sabemos hacer y hacia dónde debemos ir.

Nosotros hacemos aplicación, nos apoyamos en nuestros compañeros de investigación básica para revolucionar algunas incógnitas que tenemos, pero definitivamente nuestro trabajo tiene una finalidad: que cualquier cosa que hagamos debe ser utilizable en un avión.