6 tendencias que marcan el desarrollo de materiales compuestos

6 tendencias que marcan el desarrollo de materiales compuestos

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La globalización, el cambio climático, la transición hacia energí­as renovables y la alta demanda que existe en todos los sectores por tener aplicaciones de menor peso, manteniendo o mejorando propiedades mecánicas, son punto de partida para pronosticar un mercado promisorio para los materiales compuestos.

Todo lo anterior se resume en una frase formulada por un ejecutivo senior de la industria automotriz en Alemania: "Al final, el único parámetro técnico que importa es el costo", una conclusión importante para esta industria ya que si hablamos de la fabricación de una aeronave, cualquier beneficio va a traducirse en tiempos menores de operación de servicio y reducción de costos en mantenimiento [1].

Según la firma de investigación de mercado Lucintel, el mercado mundial de productos de materiales compuestos tiene pronosticado alcanzar los USD$113,2 billones para 2022 [2]. En este artí­culo estudiamos las tendencias que marcarán el desarrollo del mercado en los próximos años.

1

Modelamiento y simulación: el avance en investigaciones en la ciencia e ingenierí­a de los materiales compuestos ha permitido establecer combinaciones casi infinitas de fibras, resinas, técnicas de procesamiento y orientación de fibras. Hacer pruebas fí­sicas para encontrar la mezcla óptima puede generar costos irrealizables; por todo ello cobran cada vez más validez las herramientas computacionales, que permiten el análisis de la microestructura de un material inducida por un proceso de transformación, permitiendo obtener información de manera virtual y validar materiales compuestos de acuerdo a su aplicación especí­fica.

El enlace entre las herramientas de simulación y los procesos de manufactura permite reducir la incertidumbre desde el diseño hasta el lanzamiento del producto, ya que se tiene una cuantificación de los resultados esperables en el material y en el producto desde el inicio del proyecto, pasando a pruebas de laboratorio y finalizando con corridas piloto e industriales. Solvay y Multimechanics cooperaron para desarrollar una solución computacional que, según sus desarrolladores, puede reducir tiempo y costos de desarrollo y certificación de nuevos materiales en un 40 % [3]. Los cientí­ficos de Solvay vieron en la simulación una herramienta que podrí­a funcionar brindando las siguientes ventajas:

A. Entradas del proceso como fracción del volumen de fibra, orientación, efectos de la interfaz, ductilidad de la resina, variabilidad del material.

B. Cuantificación de proporción de material necesaria para definición apropiada y prueba de nuevos materiales.

C. Proporcionar una visión rápida del desempeño mecánico del compuesto de acuerdo a cambios en el material constituyente.

D. Retroalimentación corta de la determinación acertada del compuesto con base a la proporción del constituyente.

2

Procesos automatizados y consolidación de piezas pequeñas: la industria aeroespacial ha estado focalizada en maquinaria de gran tamaño de colocación de cinta y fibras para el fuselaje de la aeronave; sin embargo, todas las piezas tienen gran cantidad de clips, soportes, remaches, marcos, largueros y otros componentes pequeños. Compañí­as innovadoras como Orbital ATK en Estados Unidos han desarrollado equipos automáticos para prensado de estos componentes a bajo costo. Simultáneamente muchas otras firmas en Europa y EE. UU. han introducido procesos de laminado rápido, con menor generación de residuos para estas piezas. Este tipo de soluciones es escalable no sólo al sector aeronáutico, sino también a la industria automotriz, ya que proporciona tiempos más cortos de prensado/moldeo/curado, obteniendo una reducción notable en el tiempo de ciclo de producto terminado y los costos.

3
Moldeo hí­brido: el refuerzo selectivo, usando insertos de fibra continua en estructuras discontinuas, no es un proceso moderno; ha estado presente en diferentes aplicaciones durante al menos los últimos 15 años. En este método se aplican pequeños parches de manera local, reforzando la zona de interés. Sin embargo, en industrias de precisión es importante ver cómo porciones continuas forman gran parte de la superficie, combinando peso ligero y estructura hí­brida resistente, pues al tener un proceso discontinuo se pierde resistencia y se requieren procesos subsecuentes.
Toyota Motor Corporation recientemente fabricó la carcasa de su nueva embarcación, combinando fibra de carbono, fibra de vidrio (GFRP) y un poco de aluminio, lo que contribuyó a lograr siete veces la rigidez de un plástico estándar reforzado con fibra (FRP), así­ como reducir el peso 10 %. Según Toyota, la producción a gran escala es posible gracias al moldeo por infusión en vací­o, un método que consiste en el moldeo de un FRP, empleando presión de vacio para llenar e impregnar los moldes con resina. Esta es la primera aplicación de este método en Japón y ha dado muy buenos resultados en resistencia y densidad [4].

4

Proveedores de termoplásticos desarrollan know-how: Engel, desde la creación de su propio centro de composites en 2012, se ha convertido en pionero en el procesamiento reactivo cuando se trata del uso de materiales con matriz termoplástica. Para ello, desarrolló una celda de manufactura que combina la polimerización in-situ de É›-Caprolactam (T-RTM), con funcionalidad subsecuente de estructura portadora en el molde de inyección montado en la máquina Engel v-duo [5]. Por el lado de fabricantes de materia prima, Covestro fundó el Centro de Aplicaciones en Compuestos (CAC) en Singapur. El grupo de partners, liderado por el Composite Cluster de Singapur (CCS), es una respuesta a requerimientos de la industria de materiales compuestos para integrar socios que hacen parte de toda la cadena de valor. Todo esto se logra a través de la creación de una plataforma enfocada en pruebas personalizadas, prototipado, manufactura piloto, entrenamiento y servicios de soporte [6].

5

Reciclaje: el reciclaje de los compuestos es un asunto ampliamente tratado, gracias a su creciente uso a través del tiempo. Para estos materiales hay también tratamiento y disposición de los residuos generados en el procesamiento de un componente, al final de su vida útil.

La fibra de vidrio brinda buenas propiedades mecánicas y quí­micas. No obstante, en compuestos FRP con resinas termoestables no hay biodegradación. Para este tipo de fibra se han planteado el molido, incineración y pirólisis como medio de eliminación, aunque la práctica más aceptada es reciclar estas fibras para cargar componentes nuevos y brindar mejores propiedades en operación.

En el campo de la fibra de carbono, se obtienen propiedades 10 veces mejores que en el acero y ocho veces que el aluminio, además de obtener menor masa. Sus ventajas plantean un consumo mundial de 30.000 toneladas al año y en proporción se da la generación de residuos. El método más apropiado es su reutilización en componentes sin carga de rodamientos, compuestos de moldeo de lámina y en carcasas de teléfonos móviles y de computador.

El futuro del reciclaje de materiales compuestos lo marcarán las regulaciones que deben estar alineadas con los centros de desarrollo e investigación para garantizar un fin de vida sostenible del material [7].

6

El Internet de las Cosas (IoT): la sensórica integrada se une a la simulación de modelos fí­sicos que validan en instancias tempranas la calidad de la pieza, a través de predicciones antes del fallo y haciendo ajustes sobre la marcha. Para aplicaciones de materiales compuestos se tienen equipos ópticos que verifican el conteo de capas y la orientación de fibras. Las cámaras infrarrojas capturan datos exotérmicos y de infusión en procesos de moldeo por transferencia de resina (RTM), con asistencia de bombas de vací­o que permiten verificar de manera precisa el flujo y la reacción cinética de curado. Por otro lado, el etiquetado electrónico de los prepregs determina qué tan longeva va a ser la vida útil de uso y clasifica su historia para las actividades de reciclaje.

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