Nuevo enfoque para hacer piezas de aviones, sin una infraestructura gigante

El fuselaje de un avión moderno está hecho de múltiples láminas de diferentes materiales compuestos que, una vez que se apilan y moldean en la forma de un fuselaje, se trasladan a hornos y autoclaves del tamaño de un almacén, donde se fusionan para formar un armazón resistente y aerodinámico.

Ahora, ingenieros del MIT han desarrollado un método para producir compuestos de grado aeroespacial sin los enormes hornos y recipientes a presión. La técnica puede contribuir a agilizar la fabricación de aviones y otras estructuras de compuestos de gran tamaño y alto rendimiento, como las palas de los aerogeneradores.

«Si se está fabricando una estructura primaria, como un fuselaje o un ala, es necesario construir un recipiente a presión, o un autoclave del tamaño de un edificio de dos o tres pisos, que requiere tiempo y dinero para presurizarse», dice Brian Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. «Se trata de piezas masivas de infraestructura. Pero ahora, podemos fabricar materiales de estructura primaria sin la presión de un autoclave, de modo que podemos ahorrárnosla».

En 2015, Lee dirigió el equipo, junto con otro miembro del laboratorio de Wardle, para la creación de un método para hacer compuestos de grado aeroespacial, sin necesidad de un horno para fusionar los materiales. En lugar de colocar capas de material dentro de un horno para su curación, los investigadores los envolvieron esencialmente en una película ultrafina de nanotubos de carbono (CNT). Cuando aplicaron una corriente eléctrica a la película, los CNT, como una manta eléctrica a nanoescala, generaron rápidamente calor, haciendo que los materiales que estaban dentro se curaran y se fusionaran.

Con esta técnica de fuera del horno, (out-of-oven- OoO), el equipo fue capaz de producir compuestos tan fuertes como los materiales hechos en los hornos de fabricación de aviones convencionales, utilizando sólo el 1 por ciento de la energía.

A continuación, los investigadores buscaron maneras de hacer compuestos de alto rendimiento sin el uso de grandes autoclaves de alta presión, es decir, recipientes del tamaño de un edificio que generan presiones lo suficientemente altas, como para unir los materiales a presión, exprimiendo cualquier vacío o bolsa de aire en su interfaz.

«Hay una rugosidad superficial microscópica en cada capa de un material, y cuando se juntan dos capas, el aire queda atrapado, lo que es la fuente principal de vacíos y debilidades en un compuesto», dice Wardle. «Un autoclave puede empujar esos vacíos a los bordes y deshacerse de ellos».

Los investigadores, incluido el grupo de Wardle, han explorado las técnicas de «fuera del autoclave», para fabricar compuestos sin usar las enormes máquinas. Pero la mayoría de estas técnicas han producido compuestos en los que casi el uno por ciento del material contiene huecos, lo que puede comprometer la resistencia y la vida útil del material. En comparación, los compuestos de grado aeroespacial fabricados en autoclaves son de una calidad tan alta que los huecos que contienen son insignificantes y no se pueden medir fácilmente.

«El problema de estos enfoques de OoA es también que los materiales han sido especialmente formulados y ninguno está calificado para estructuras primarias como alas y fuselajes», dice Wardle. «Están haciendo algunas incursiones en estructuras secundarias, como alerones y puertas, pero aún tienen vacíos».

Parte del trabajo de Wardle se centra en el desarrollo de redes nanoporosas: películas ultrafinas hechas de material microscópico alineado, como los nanotubos de carbono, que pueden ser diseñados con propiedades excepcionales, incluyendo color, resistencia y capacidad eléctrica. Los investigadores se preguntaron, si estas películas nanoporosas podrían ser usadas en lugar de los autoclaves gigantes, para exprimir los vacíos entre dos capas de material, tan improbable como pueda parecer.

Una película delgada de nanotubos de carbono es algo así como un denso bosque de árboles, y los espacios entre los árboles pueden funcionar como delgados tubos a nanoescala o capilares. Un capilar como una paja puede generar presión basada en su geometría y en la energía de su superficie, o en la capacidad del material para atraer líquidos u otros materiales.

Los investigadores propusieron que, si una delgada película de nanotubos de carbono se intercalara entre dos materiales, entonces, a medida que los materiales se calentaran y suavizaran, los capilares entre los nanotubos de carbono deberían tener una energía superficial y una geometría tales que atraigan los materiales entre sí, en lugar de dejar un vacío entre ellos. Lee calculó que la presión capilar debería ser mayor que la presión aplicada por los autoclaves.

Los investigadores probaron su idea en el laboratorio cultivando películas de nanotubos de carbono alineados verticalmente, usando una técnica que desarrollaron previamente, y luego colocando las películas entre capas de materiales que se usan normalmente en la fabricación de estructuras primarias de aviones basada en autoclaves. Envolvieron las capas en una segunda película de nanotubos de carbono, a la que aplicaron una corriente eléctrica para calentarla. Observaron que a medida que los materiales se calentaban y ablandaban en respuesta, eran arrastrados hacia los capilares de la película intermedia de CNT.

El compuesto resultante carecía de vacíos, similar a los compuestos de grado aeroespacial que se producen en un autoclave. Los investigadores sometieron los compuestos a pruebas de resistencia, intentando separar las capas, con la idea de que los vacíos, si los hubiera, permitirían que las capas se separaran más fácilmente.

«En estas pruebas, encontramos que nuestro compuesto fuera del autoclave era tan fuerte como el de un proceso de autoclave estándar de oro utilizado para las estructuras aeroespaciales primarias», dice Wardle.

El equipo buscará a continuación formas de ampliar la película CNT generadora de presión. En sus experimentos, trabajaron con muestras de varios centímetros de ancho, lo suficientemente grandes como para demostrar que las redes nanoporosas pueden presurizar los materiales y evitar que se formen vacíos. Para que este proceso sea viable para la fabricación de alas y fuselajes enteros, los investigadores tendrán que encontrar formas de fabricar CNT y otras películas nanoporosas a una escala mucho mayor.

«Hay maneras de hacer mantas realmente grandes de este material, y hay una producción continua de láminas, hilos y rollos de material que pueden ser incorporados en el proceso», dice Wardle.

También planea explorar diferentes formulaciones de películas nanoporosas, capilares de ingeniería de diferentes energías y geometrías superficiales, para poder presurizar y unir otros materiales de alto rendimiento.

«Ahora tenemos esta nueva solución de material que puede proporcionar presión a demanda donde se necesite», dice Wardle. «Más allá de los aviones, la mayor parte de la producción de materiales compuestos en el mundo son tubos compuestos, para agua, gas, petróleo, todas las cosas que entran y salen de nuestras vidas. Esto podría hacer que la fabricación de todas esas cosas, sin la infraestructura de hornos y autoclaves».

Los coautores del artículo de Wardle son el autor principal y postdoctor del MIT Jeonyoo Lee, y Seth Kessler de Metis Design Corporation, una compañía de monitoreo de salud estructural aeroespacial con sede en Boston.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por Airbus, ANSYS, Embraer, Lockheed Martin, Saab AB, Saertex y Teijin Carbon America a través del Consorcio de Estructuras aeroespaciales de Nano-Ingeniería de Compuestos (NECST) del MIT.

Los investigadores detallan su nuevo método en un artículo publicado el 13 de enero en la revista Advanced Materials Interfaces.

Fte. EurekAlert