¿Por qué son tan importantes las estructuras ligeras en el diseño de productos?

HBK es una marca de primera magnitud dentro del sector de los ensayos y la medición, que suministra sensores, electrónica de medición, software de adquisición de datos y herramientas de análisis, en forma de productos individuales o de soluciones integrales. Ayudamos a evaluar aspectos tales como la integridad estructural, el ruido y las vibraciones, la eficiencia o el rendimiento, en pruebas de estructuras en laboratorios, en bancos de ensayo o a bordo de vehículos.

Este artículo habla sobre una de las grandes tendencias dentro de la tecnología y la industria: los diseños estructurales ligeros y su validación. Se trata de un campo en el que HBK desempeña un papel muy destacado, ya que ofrece un ecosistema imbatible para realizar simulaciones de la vida útil y para adquirir y analizar datos de ensayos físicos. HBK ayuda a validar las construcciones y los diseños más avanzados, como paso previo a la producción en serie.

Para aclarar algunas ideas y compartir experiencias en este campo tan apasionante y complejo de las construcciones ligeras y su validación, hemos entrevistado a nuestros expertos en estructuras ligeras: Gianmarco Sironi, Lance Steinmacher, el Dr. Andrew Halfpenny, Michelle Hill, Manuel Schultheiss y Sandro Di Natale.

La tendencia hacia la reducción del peso: introducción

1. ¿Cómo pueden contribuir los materiales y diseños ligeros a un futuro más sostenible?

Gianmarco Sironi y Lance Steinmacher

Muy buena pregunta para abrir boca. Desde el punto de vista de la huella de carbono, ahorrar peso es esencial para reducir al mínimo nuestro impacto en el cambio climático. Los fabricantes de aeronaves utilizan técnicas CAE/CAD para estudiar materiales compuestos con diferentes estructuras, con el fin de regular su resistencia o flexibilidad. Ejemplos de ello son las alas de los aviones 787 y 777X: se ha reducido su peso y, como consecuencia directa, se ha rebajado el consumo de combustible. En el caso de los helicópteros, se pueden crear estructuras de materiales compuestos que den rigidez en una determinada dirección y la flexibilidad deseada en otra.

No obstante, también tienen sus inconvenientes: reciclar los materiales compuestos es mucho más complejo —incluso imposible—; en contraste, los metales tradicionales se pueden reciclar fácilmente. Por otro lado, algunas técnicas de producción de materiales compuestos no son precisamente respetuosas con el medio ambiente.

 

2. ¿Cuáles son los tres sectores en los que los diseños ligeros tienen más aplicaciones? ¿Por qué?

Manuel Schultheiss y Sandro Di Natale

Sin duda, la industria aeronáutica, la industria del automóvil y el sector de material deportivo:

  • Industria aeronáutica: La industria aeronáutica ha sido pionera en el desarrollo y el uso de diseños ligeros, y no ha dejado de trabajar en esa línea. En todo el mundo, las compañías aéreas y los fabricantes de aviones necesitan ahorrar combustible, por razones tanto económicas como medioambientales. El combustible es la partida de costes más importante de los vuelos. Cualquier reducción, por pequeña que sea, termina compensando. Y el diseño ligero es una de esas áreas que permiten obtener ahorros.
  • Industria del automóvil:La reglamentación más reciente —por ejemplo, la nueva norma EURO 7— exige a los fabricantes que reduzcan las emisiones de sustancias contaminantes como el CO2 y los NOX. Las restricciones son cada vez más estrictas. Una de las vías para cumplir las normas pasa por rebajar el peso de los vehículos y, con ello, sus consumos. Otro aspecto interesante es la popularización de los vehículos eléctricos.
  • Material deportivo: En el esquí, en las bicicletas de montaña, en las carreras de todo tipo y en las motos de competición se emplean multitud de materiales ligeros. En todos los deportes del motor, los vehículos se benefician enormemente de las estructuras ligeras, que se han hecho indispensables para ganar competiciones. Y no solo eso; los materiales compuestos también han contribuido a aumentar la seguridad de los pilotos.

Veamos un pequeño ejemplo que aporta algunas cifras:

En la industria aeronáutica y aeroespacial, los diseños ligeros se amortizan por sí solos. Una reducción del peso de tan solo 1 kg ahorra unos 0,02-0,03 kg de queroseno (es decir 2-3 céntimos) por cada 1000 km. Pensemos en un avión como el 777, que vuela más de 80 millones de kilómetros a lo largo de su vida útil. Eso son aproximadamente 80.000.000 km x 2,5 céntimos/1000 km = 2000 euros por cada kilo que consigamos aligerar el peso a lo largo de la vida útil del avión. Pensemos lo que supone eso en un avión que, por su diseño, pesa 100 kg menos.

Por este motivo, los aviones y los vehículos espaciales ya utilizan diseños ligeros de segunda generación. Por ejemplo, se están utilizando polímeros reforzados con nanotubos de carbono (CNRP) para sustituir componentes que actualmente se fabrican con otros tipos de materiales. Los CNRP son más resistentes y pesan un 30% menos. En los aviones de última generación se utiliza ampliamente la fabricación aditiva, que también hace posibles nuevos diseños con pesos más reducidos; por ejemplo, en los soportes de cabina.

3. ¿A qué se le llama "material ligero" y cuáles son las ventajas de las construcciones ligeras?

Michelle Hill y el Dr. Andrew Halfpenny

No es fácil categorizar los materiales ligeros. Se puede abordar desde dos puntos de vista:

  • El peso del material en sí: eso nos lleva a pensar en materiales como el aluminio, el titanio, el magnesio, etc. y, por supuesto, los materiales compuestos. Con este enfoque, la prioridad es el peso del material en sí.
  • La masa total: un determinado material puede ser más pesado, pero si necesitamos menos cantidad, reduciremos el peso total. Un buen ejemplo de ello es el avión Boeing 787 Dreamliner, que se fabrica con un 50% de materiales compuestos. Sin embargo, también lleva acero en los puntos que deben soportar grandes cargas. Análogamente, muchos componentes hechos de materiales compuestos se unen entre sí mediante piezas de aluminio, titanio, etc. Por lo tanto, no se trata de hacerlo todo con el material más ligero, sino de utilizar el material adecuado en cada punto, jugando de forma inteligente con los materiales para reducir el peso total de la estructura.

Por más ventajas que ofrezca la construcción ligera, tampoco hay que olvidar el aspecto de la eficacia de costes, no en términos del material, sino de coste energético. En los vehículos terrestres —coches, camiones, trenes— y en el sector aeroespacial, siempre tendremos el problema de que cualquier masa extra requiere una fuerza extra y, en consecuencia, un mayor consumo de energía. Las construcciones ligeras pueden reducir la fuerza de propulsión necesaria. Por tanto, no solo ahorran costes directos sino que, además, ayudan a ser más respetuosos con el medio ambiente.

Aparte de los materiales compuestos de fibra larga, no debemos perder de vista los polímeros (lo que llamamos coloquialmente "plásticos"). Los polímeros se utilizan ampliamente como componentes estructurales en la industria del automóvil. De nuevo, la clave es tener el material exactamente donde lo queremos y, en ese terreno, la fabricación aditiva ofrece grandes ventajas. La fabricación aditiva permite crear geometrías más elaboradas. Ahorra mucho tiempo y dinero porque elimina la necesidad de cortar todo el material sobrante.

 

4. ¿Cuáles son los parámetros más críticos de un diseño estructural ligero?

Lance Steinmacher

Cuando una empresa crea un nuevo material, procura proteger su propiedad intelectual con el fin de obtener una ventaja competitiva. Por tanto, algunas de las propiedades del nuevo material compuesto se patentan o registran, o quedan cubiertas por acuerdos de confidencialidad. Eso puede afectar tanto a la composición del material (fibra cortada, fibra, unidireccional o multidireccional, etc.), a los adhesivos o la resina epoxi que se utilizan en el proceso o al propio proceso de fabricación. La consecuencia de todo esto es que la información de dominio público sobre los materiales compuestos es limitada.

Nuevos enfoques y tecnologías

5. ¿Qué ventajas e inconvenientes tienen los materiales compuestos?

Gianmarco Sironi y Lance Steinmacher

Mucha gente piensa que la principal cualidad de los materiales compuestos es que son ligeros, pero no es la única: en algunas aplicaciones se han adoptado materiales compuestos no por el ahorro de peso sino por su excelente resistencia a la fatiga.

Pensemos, por ejemplo, en la pala del rotor principal de un helicóptero fabricada en material compuesto. La verdad es que no es mucho más "ligera" que la aleación de aluminio que se utilizaba antes, pero es mucho más duradera. Su resistencia a la fatiga, expresada en horas de vuelo, es superior en un orden de magnitud. Es una mejora considerable, pero aún hay más. El mantenimiento de las palas metálicas de los rotores era una pesadilla. Había que hacer muchísimas inspecciones no destructivas porque aparecían en ellas fisuras de forma repentina y sin previo aviso. De hecho, en el pasado, eran una causa importante de accidentes. En ese sentido, las palas de materiales compuestos también han aportado una mejora muy significativa, especialmente en helicópteros de tamaño mediano y pesado. En otras palabras, no es solo el peso, sino también seguridad del vuelo y un mantenimiento más sencillo y eficaz.

Por otro lado, los materiales como el aluminio o las aleaciones de titanio tienen a su favor que existe muchísima literatura sobre su comportamiento de fatiga, ya que se han estudiado durante décadas. Los materiales compuestos avanzados son relativamente jóvenes en comparación con los metales y esa literatura no existe todavía o presenta limitaciones.

Los materiales compuestos no son uniformes ni isótropos. Caracterizarlos es todo un desafío. Además, cada vez que cambiamos una sola capa en el laminado o, sin ir más lejos, mantenemos la misma capa pero cambiamos su orientación... se puede decir que hemos creado un nuevo material. Y, en consecuencia, hay que caracterizar el comportamiento de fatiga desde cero, lo que supone mucho tiempo y dinero. Por lo tanto, cuando se diseña un laminado, es muy conveniente conocer bien los materiales y contar con capacidades de simulación.

 

6. ¿Qué ventajas e inconvenientes tiene la fabricación aditiva?

Sandro Di Natale

Es difícil responder a esta pregunta de forma genérica porque el término "fabricación aditiva" aglutina tecnologías muy variadas. Además de las tecnologías orientadas a la fabricación de productos de consumo basadas en filamentos, tenemos la estereolitografía, las técnicas de chorro de aglutinante y muchas más. Desde una perspectiva industrial, creo que dos de las tecnologías más prometedoras son el sinterizado selectivo por láser (SLS) y la fusión selectiva por láser (SLM), que trabajan con polvo metálico.

Los componentes que se fabrican, por ejemplo, con polvo de titanio, se comportan de forma similar a los componentes de fundición o mecanizados. Sin embargo, en los ensayos hay que verificar cuidadosamente que las propiedades sean isotrópicas y que no se vean influidas por la estructura de capas. Si se dan estas condiciones, tienen un potencial casi infinito de reducción del peso y de desarrollo de nuevos diseños. Como contrapartida, el polvo metálico es todavía bastante caro y la velocidad de fabricación es lenta. Las máquinas más modernas y grandes producen a un ritmo de unos cientos de centímetros cúbicos por hora.

 

7. ¿Qué atributos se emplean para decidir si puede o no utilizarse fabricación aditiva en la producción?

Sandro Di Natale

La viabilidad de la fabricación aditiva en la producción depende de los siguientes criterios:

  • Complejidad del diseño del producto: Los nuevos diseños, imposibles de fabricar con los métodos tradicionales, son campo abonado para la fabricación aditiva que, básicamente, no tiene límites.
  • Coste de las herramientas empleadas en la fabricación tradicional y volumen de producción:Si se pretende fabricar muchas unidades, digamos decenas de miles, el coste de las herramientas por unidad producida es pequeño. En cambio, en series más cortas, el coste de las herramientas por unidad producida aumenta enormemente. Por lo general, el punto de inflexión que inclina la balanza hacia la fabricación aditiva se encuentra en el rango de unos centenares o unos pocos miles de unidades al año. Precisamente por eso, los sectores aeronáutico y espacial fueron los primeros en adoptar estas tecnologías.

Las ventajas son aún mayores en series de una sola unidad. En el sector médico, es muy habitual recurrir a la fabricación aditiva para crear prótesis y soportes correctivos.

 

8. ¿Qué podemos aprender de la biónica?

Manuel Schultheiss

La biónica tiene un papel muy destacado en el desarrollo de estructuras ligeras. Por ejemplo, estudiar la anatomía de las aves nos ha ayudado a construir aviones y a conseguir que vuelen. 

La naturaleza nos ofrece ejemplos fantásticos de los que podemos aprender muchas cosas y aplicarlas a la optimización de diseños técnicos. Por ejemplo, hay conceptos de la piel de los tiburones que se están aplicando a la superficie de las alas de los aviones y a los dispositivos que reducen las turbulencias en las puntas alares (winglets). La estructura mecánica de las plantas y los árboles puede utilizarse para calcular diseños mecánicos optimizados, con un riesgo mínimo de rotura y con tensiones más bajas en el interior del material. La naturaleza ha sabido encontrar los mejores diseños para adaptarse al entorno.

Quizá lo más interesante de los nuevos materiales y métodos de fabricación es que simplifican los diseños personalizados. Un buen ejemplo es la fabricación aditiva, que permite crear diseños con curvas más suaves y con menores concentraciones de tensiones. O matrices mecánicas optimizadas, con tensiones minimizadas y vidas útiles más largas.

El diseño ligero en nuestra vida cotidiana

9. ¿Qué es lo que más le ha sorprendido en los últimos años en el ámbito de la construcción, la simulación y la validación de estructuras ligeras?

Michelle Hill y el Dr. Andrew Halfpenny

Se nos ocurren dos cosas. La primera no debería ser una sorpresa, pero el caso es que lo ha sido. Utilizamos muchos materiales y necesitamos unirlos entre sí. Antes solo se soldaba acero con acero, pero ahora se estudian diferentes tipos de uniones, como remaches autoperforantes, conexiones roscadas, adhesivos o soluciones mixtas como, por ejemplo, adhesivos con remaches. Hay muchos otros tipos de uniones, algunos bastante exóticos, y para todo se requiere más precisión. En el pasado, las soldaduras se hacían de forma conservadora y a todo el mundo le parecía bien. Pero, ahora, necesitamos reducir peso hasta en las curvas de soldadura y ya no interesa ser tan conservadores.

El segundo aspecto es la necesidad de conocer mejor las incertidumbres. Antes, un ingeniero diseñaba algo y le aplicaba un factor de seguridad, que tenía un componente de seguridad real y un "coeficiente de ignorancia". Eso ya no es aceptable, hay que cuantificar ese factor de seguridad. Este requisito viene impuesto por sectores en los que la seguridad tiene una importancia crítica, como la industria nuclear o la aeroespacial. Existe una necesidad real de comprender mejor de dónde procede ese margen de seguridad y si de verdad es tan amplio como pensamos. Ya no se trata de predecir una cifra, sino de dar un rango de valores fiables, que nos permita decir que aceptamos un defecto por cada mil unidades y que, si ese defecto produce un fallo, no tendrá consecuencias catastróficas.

En el caso de la adquisición de datos (DAQ), esto significa que cada vez se exige más exactitud, más precisión de los datos o requisitos más estrictos. Un ejemplo concreto es nuestro trabajo actual sobre la fatiga probabilística. El cálculo de la probabilidad de vida de los componentes no es un campo nuevo. Hace diez años, ya les hablábamos a los clientes sobre esta nueva tecnología. Por aquel entonces, la mayoría de ellos contestaban que desconocían cuáles eran las cargas previstas y mucho menos su grado de variación. Ahora, gracias al internet de las cosas, esos mismos clientes tienen una idea bastante aproximada de la magnitud de esas cargas e incluso conocen su desviación estándar. En la última década, hemos podido acceder a volúmenes de datos que antes no teníamos. Eso ha supuesto un cambio enorme y ha sido el verdadero motor de esta necesidad de precisión. Ahora tenemos la capacidad, las entradas de datos que necesitamos y la necesidad de materializarlos en diseños más ligeros. En un principio, la inexactitud de una medida puede parecernos pequeña, pero cuando estudiamos el comportamiento de fatiga, su importancia crece exponencialmente. Eso es lo que tenemos que estudiar.

 

10. Estamos viendo muchos desarrollos y nuevos actores que están introduciendo en el mercado vehículos eléctricos con baterías de iones de litio muy pesadas. ¿Pueden ser de ayuda los diseños ligeros en este terreno?

Michelle Hill y el Dr. Andrew Halfpenny

Dejando a un lado la parte química, una batería es un componente que necesita un chasis o un sistema de soporte. Lo interesante es que las baterías se están utilizando como elementos estructurales de los coches eléctricos; es decir, forman parte de la estructura del vehículo y, junto con el chasis, deben ser capaces de transferir las cargas estructurales. Por otro lado, las baterías tienen una masa considerable y botan arriba y abajo, lo que a su vez genera una carga dinámica. Por lo tanto, los diseñadores se enfrentan a un escenario complejo, en el que la batería es a la vez una masa que produce vibraciones y un elemento que debe transferir cargas estructurales.

Por si fuera poco, los ocupantes del vehículo deben estar protegidos de las altas tensiones eléctricas que pone en juego la batería. Eso significa que el uso de metales puede ser problemático. En ese sentido, el uso de uniones no metálicas, por ejemplo, de adhesivo, puede ser interesante más allá de la reducción del peso que ofrece.

En general, los ensayos asociados son todo un desafío. Nos están haciendo muchas preguntas que aún no sabemos cómo responder, pero es un tema que nos apasiona.

11. ¿Cómo se puede crear una actitud positiva hacia la construcción ligera en las empresas?

Gianmarco Sironi y Lance Steinmacher

No es algo muy distinto de una mentalidad "orientada a la eficiencia". La construcción ligera consiste en utilizar estrictamente el material necesario para alcanzar la resistencia estática y/o el comportamiento a la fatiga que se requiere. Sin embargo, en sectores como el aeronáutico, esta actitud suele entrar en conflicto con otros requisitos, como la seguridad o la redundancia. En nuestra opinión, es importante tener una actitud positiva hacia la construcción ligera, pero nunca en detrimento de la seguridad. Los ensayos estructurales siguen siendo la forma más eficaz de armonizar estas dos necesidades.

 

12. La construcción ligera tiene una serie de inconvenientes. ¿Cómo podrían resolverse?

Manuel Schultheiss

El primer inconveniente son los costes y los plazos. La producción en serie de piezas plantea varios desafíos. Cuando se fabrican artículos individuales, como piezas para un equipo de automovilismo o para un yate, los plazos y los costes no suelen ser un problema, a condición de que existan procesos para producir esas piezas de manera rápida y segura. Y esa es una cuestión que no está todavía resuelta, especialmente si hablamos de fabricación aditiva y de materiales compuestos de fibra (por ejemplo, los polímeros reforzados con fibra de carbono o CFRP). No obstante, es un campo en el que se están introduciendo muchas innovaciones.

Otro aspecto importante es el reciclaje de este tipo de materiales. Queremos crear productos que encajen en nuestra visión de un futuro sostenible. Pero si, por su propia estructura, los materiales no pueden reutilizarse, tenemos un problema de base. Para resolverlo, podrían adoptarse planteamientos más naturales sobre el uso de fibras y resinas epoxi.

 

13. La pandemia de COVID-19 ha afectado a muchos sectores y ha acelerado los procesos digitales. ¿Ha afectado de alguna manera a la innovación en estructuras ligeras?

Manuel Schultheiss

No hay que exagerar la influencia de la pandemia. No creo que haya supuesto un impulso significativo en la adopción de construcciones o materiales ligeros. Ya existía una tendencia constante hacia la aceleración y la digitalización de los procesos. No obstante, sí que es cierto que algunas empresas han empleado este tiempo para "reinventarse" y probar cosas nuevas en este terreno.

Simulación y ensayos de nuevos materiales y diseños

14. ¿Qué valor siguen teniendo los ensayos físicos a la vista de la mejora de las herramientas de simulación y la potencia de cálculo?

Michelle Hill y el Dr. Andrew Halfpenny

Cuando hablamos de ensayos físicos, la mayoría de la gente piensa en pruebas a escala real como, por ejemplo, medir las vibraciones de un helicóptero y cosas así. Sin embargo, si nos fijamos en la pirámide de la Figura 1, que representa el alcance de los distintos tipos de ensayos, se puede apreciar que los ensayos a escala real son muy minoritarios. Hay que distinguir entre los ensayos de calificación —entre los que se encuadran los ensayos a escala real— y los ensayos de parametrización. El hardware y software de HBK se emplea principalmente en ensayos de parametrización o, más concretamente, en ensayos con probetas. En la actualidad, está aumentando el número de esta modalidad de ensayos.

El objetivo principal de los ensayos con probetas es obtener parámetros físicos que permitan derivar modelos físicos para utilizarlos en simulaciones. Antes de que se popularizase el diseño ligero, las propiedades de los materiales solían consultarse en internet, porque los "coeficientes de ignorancia" eran enormes. Ahora, eso es un lujo que nadie puede permitirse. Es mucho más económico invertir 15.000 o 30.000 euros en un ensayo que sacar al mercado un millón de coches sobredimensionados.

El siguiente nivel de la pirámide son los ensayos de elementos. Incluso los componentes ligeros más sencillos son el resultado de algún tipo de proceso de moldeo, fundición o fabricación. Hacemos ensayos hasta alcanzar el punto de rotura, para determinar las cargas que soportan a lo largo de su vida útil. A continuación, transformamos esas cargas en tensiones a lo largo de la vida útil. Para ello, es preciso recalcular las propiedades del material a través del modelo de simulación. Así que construimos un modelo de elementos finitos del elemento objeto del ensayo y realizamos una compleja optimización para determinar los parámetros necesarios. En este sentido, es importante que utilicemos las mismas pautas de modelización de elementos finitos que nuestros clientes en su modelo de la estructura completa: es la única manera de proporcionarles resultados de utilidad.

El siguiente nivel son los ensayos de componentes. En este caso, lo que interesa es determinar algunos parámetros de carácter más holístico. Por ejemplo, cuando estudiamos la vibración, la amortiguación tiene una importancia crítica porque es lo único que absorbe energía. Necesitamos conocerla y los parámetros que requieren las simulaciones se obtienen en los ensayos de componentes.

Los ensayos de calificación suelen llevarse a cabo al final del ciclo de desarrollo. En estos ensayos se realiza un gran número de mediciones que sirven para comprobar si los supuestos que hemos aplicado eran correctos. Si la estructura falla, tenemos que entender por qué, para que las simulaciones nos permitan eliminar el fallo antes de pasar a la siguiente ronda. No hay que perder de vista que las pruebas de calificación se hacen al final del todo, lo que significa que cualquier cambio es tremendamente costoso para el cliente. Por eso, para construir modelos más robustos y precisos, hay que hacer más pruebas de parametrización.

En la pirámide se menciona una tercera categoría de pruebas: los ensayos de fiabilidad. Los ensayos de parametrización proporcionan un modelo físico hasta el punto de rotura de una estructura. Los ensayos de fiabilidad aportan un modelo estadístico. En HBK, el objetivo de estos ensayos es obtener información sobre cuántos de los productos fallarán si el cliente ofrece, digamos, una garantía de 10 años y cuánto le costará.

 

15. ¿En qué se diferencia la certificación de los materiales ligeros en comparación con los metales tradicionales?

Manuel Schultheiss

Existen varios niveles de certificación. Veamos cómo funciona a nivel de materiales:

  • Para los ensayos de materiales como los CFRP, existen normas como la ASTM D 3039/DIN 65378 (tracción), la ASTM D 695 (compresión en el plano), la ASTM D 3518 (cizallamiento en el plano) y la ASTM D 707 (cizallamiento en un carril en V). Estas normas han ido evolucionando a lo largo del tiempo. 
  • Sin embargo, para otras tecnologías más novedosas, como la certificación de materiales creados mediante fabricación aditiva, todavía no se han elaborado normas. Hay pocas bases de datos de este tipo de materiales, lo cual dificulta su adopción en los productos actuales.
  • En cambio, los materiales tradicionales estándar pueden certificarse sobre la base de una larga experiencia y con arreglo a numerosas normas. Por ejemplo, existen ensayos de probetas adaptados a distintas situaciones de carga y escenarios de pruebas. Los ingenieros de diseño están acostumbrados a esas normas y les resulta mucho más fácil trabajar con materiales tradicionales que con nuevos materiales innovadores.

Y, si hablamos de certificar estructuras o productos completos, como puede ser un avión, la problemática es aún más compleja. Estas certificaciones abarcan otros muchos aspectos aparte de "hacer ensayos de probetas" y definir las propiedades de los materiales; por ejemplo, hacen referencia a aspectos de diseño, fabricación y mantenimiento, así como a todo el proceso del producto entendido en su conjunto.

 

16. ¿A qué retos se enfrentan cuando hacen ensayos de estructuras ligeras innovadoras?

Michelle Hill y el Dr. Andrew Halfpenny

Reducir el coeficiente de ignorancia del que hemos hablado antes es todo un reto, con la dificultad añadida de que, además de materiales, hacemos ensayos de componentes. En el caso de las uniones, tenemos el problema de que debemos usar elementos finitos con las mismas reglas de malla que los clientes; es decir, determinamos las propiedades con respecto a una malla específica. Para ello es necesario hacer cálculos retrospectivos para determinar las propiedades.

Otro reto son las grandes diferencias que hay de unas soldaduras a otras. Supongamos que hemos hecho ensayos de soldaduras para un fabricante de automóviles A. Si mañana un fabricante B nos pide hacer el mismo ensayo, podemos estar seguros de que sus soldaduras serán distintas. Por eso hay que hacer pruebas con geometrías de muestra para cada cliente individual. Y esas diferencias no solo se dan de un cliente a otro. Un cliente dado debe ser capaz de proporcionarnos componentes que después se correspondan con los que fabrica durante la producción en serie, en especial si esa producción en serie está totalmente automatizada.

La problemática es aún más compleja en el caso de los materiales compuestos. ¿Cómo se define la rotura? En el caso de una unión es sencillo: la unión se rompe en dos. Pero los materiales compuestos pueden fallar (=pierden rigidez o resistencia) sin llegar a romperse. Además, a nivel macroscópico, los materiales compuestos no se pueden comparar con las aleaciones. Los materiales compuestos presentan muchos mecanismos de fallo a nivel macroscópico. La pérdida de enlaces entre las fibras, la aparición de fisuras en la matriz o el agrietamiento de las propias fibras pueden ser parte de un proceso muy progresivo que termina produciendo el fallo de la estructura. Y, si hablamos de fallo o rotura, también tenemos que hablar de tensiones. ¿Nos interesan las tensiones en todo el volumen, entre la fibra y la matriz, o solo las tensiones en la fibra? Todas estas cuestiones siguen abiertas y debemos seguir trabajando para encontrar respuestas.

Otro reto son las normas aplicables a los materiales compuestos. Muchas normas ASTM e ISO proceden de Airbus y Boeing, y están pensadas para el sector aeroespacial, que concede una gran importancia a la alta calidad. Sin embargo, estas normas resultan de muy difícil aplicación en la industria del automóvil, por ejemplo, que busca sobre todo materiales compuestos baratos y rápidos de producir, como la fibra de vidrio CSM. La simulación es una pesadilla: no se conoce la orientación de la fibra, que es esencial para la modelización, pero de todos modos hay que cumplir estándares muy estrictos. Y, además, las normas solo describen los ensayos, pero no explican cómo interpretar los datos. De nuevo, para encontrar respuestas es importante colaborar con laboratorios de investigación.

 

17. ¿Puede darnos algunos ejemplos de cómo se califican materiales y se hacen ensayos de estructuras ligeras?

Michelle Hill y el Dr. Andrew Halfpenny

Tradicionalmente, HBK ofrece soluciones para ensayos de materiales y para perfiles de vuelo (cargas), que se alimentan a las simulaciones. El análisis de la fatiga requiere tres entradas: las cargas, los materiales y la geometría. Podemos simular la geometría y, si los resultados no son satisfactorios, modificamos el modelo CAD/ FEA hasta obtener una buena correlación con la situación real. Luego creamos un prototipo, lo sometemos a ensayos y lo correlacionamos con nuestro análisis. Si hacemos las cosas bien a la primera, solo necesitamos construir un prototipo.

Con los materiales compuestos es diferente, ya que las simulaciones son mucho más complicadas. La estructura hace cambiar las propiedades del material. Se podría decir que, en realidad, los materiales compuestos son una entelequia: solo hay “componentes compuestos” cuyas propiedades varían según la dirección en que las observemos. En el caso de un material compuesto, las tareas y los resultados son mucho más iterativos. En la actualidad, hemos vuelto al "método antiguo". Con los materiales compuestos necesitamos muchos más prototipos, ya que la simulación es un campo relativamente nuevo con estos materiales y no da resultados fiables, a diferencia de lo que ocurre con los metales, para los que las simulaciones funcionan muy bien.

Así que, aunque hayan pasado 70 años desde que se diseñó el DeHavilland Comet (el primer avión comercial a reacción), la metodología de diseño empleada en el Dreamliner de Boeing es similar: diseñar, hacer pruebas y corregir los problemas. Hacen falta muchos más prototipos, a diferentes escalas, porque todavía no es posible simular adecuadamente los materiales compuestos.

18. En su opinión, ¿todavía faltan datos empíricos en comparación con los metales tradicionales?

Michelle Hill y el Dr. Andrew Halfpenny

Al principio, también nos parecía que faltaban datos sobre los metales tradicionales. La cuestión con los datos es: ¿te puedes fiar de ellos? Algunos de los datos que se obtienen de las normas datan de los años sesenta. O a lo mejor se obtuvieron para otros sectores. Hay que tener mucho cuidado con el origen de los datos. En el caso de los materiales compuestos, existe el problema adicional de que, incluso aunque dispongamos de parámetros, no se puede asegurar que sean los mismos en todo el material.

Nuestros clientes trabajan principalmente en la calificación de componentes y estructuras completas. Nosotros hacemos ensayos con probetas de material y es de ahí de donde obtenemos la información sobre los materiales compuestos. Cuando trabajamos con soldaduras, hacemos ensayos de las soldaduras y recalculamos las propiedades de la probeta mediante una simulación. Pero, en el caso de un material compuesto, lo que sometemos a ensayo es un componente. Puede parecer una probeta, pero es un componente.

En este sentido, un inciso: la fabricación aditiva con titanio y aluminio se trata como un material compuesto. Si tenemos dos clientes que utilizan la misma maquinaria de fabricación aditiva, los materiales resultantes no tienen las mismas propiedades, porque la configuración de la maquinaria es diferente. En este campo hay una necesidad imperiosa de hacer más ensayos, porque la fabricación aditiva presenta nuevos tipos de defectos, como porosidad o falta de fusión.

 

19. ¿Qué equipos de medición y ensayo se utilizan con las estructuras ligeras?

Michelle Hill y el Dr. Andrew Halfpenny

Utilizamos diferentes equipos de HBK; por ejemplo, células de carga, galgas extensométricas y equipos de adquisición de datos QuantumX, y también máquinas de ensayo Instron y MTS.

En el caso de las galgas extensométricas, nos encontramos con el problema de que uno de estos materiales era más resistente que nuestras galgas extensométricas. Para HBK, esto significa que tenemos que innovar constantemente para que las prestaciones de nuestros productos estén a la altura de los nuevos materiales. Hablando de innovación, tuvimos la oportunidad de hacer pruebas con un extensómetro láser. Este equipo mide sin contacto con precisión de micras y elimina un problema: cuando los materiales compuestos fallan, tienen un comportamiento "explosivo" y pueden dañar los equipos de medición.


Los expertos de HBK

  • Gianmarco Sironi: Jefe de proyectos, Medición para soluciones de ensayo de durabilidad estructural
  • Lance Steinmacher: Jefe de proyectos, Medición para soluciones de ensayo de durabilidad estructural
  • Dr. Andrew Halfpenny: Director de Tecnología, productos nCode
  • Michelle Hill: Jefa de ensayos de materiales
  • Manuel Schultheiss: Director de producto, Software de pruebas y medición
  • Sandro Di Natale: Director de productos y aplicaciones, Soluciones de medición y ensayo de durabilidad estructural

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