De la aviación a la ortopedia: parche polimérico fabricado con redes dinámicas de polímeros

Investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología de Fabricación y Materiales Avanzados IFAM han desarrollado un nuevo parche de polímero que puede acelerar y simplificar considerablemente los procesos de reparación de componentes ligeros de aeronaves dañados, que antes eran laboriosos, caros y lentos. El parche de reparación termoformable y reciclable se presiona sobre la zona dañada y se endurece por completo en sólo 30 minutos. El innovador plástico reforzado con fibra es tan versátil que puede utilizarse en una amplia gama de sectores, desde la aviación hasta la ortopedia.

La reparación de componentes ligeros de compuestos de fibra, como los utilizados en las alas, las secciones del fuselaje, las superficies de la cola y las puertas de los aviones, es un proceso largo y costoso con múltiples pasos de trabajo. La zona dañada suele repararse mediante un laborioso proceso de laminación en húmedo o aplicando a la superficie polímeros reforzados con fibra (FRP) o estructuras de aluminio conocidas como dobladores. Sin embargo, estos métodos implican un largo tiempo de curado y requieren adhesivos adicionales.

Investigadores del Instituto Fraunhofer IFAM han desarrollado un parche de reparación a base de redes de polímeros dinámicos, también conocidos en el sector como vitrímeros, que reduce a 30 minutos el largo y laborioso proceso de reparación. Lo realmente especial del innovador material —basado en benzoxazinas, una nueva clase de material termoendurecible conocido como termoestable— es que el plástico polimerizado no se funde ni se comporta como un sistema de resina tradicional utilizado en laminación húmeda. Los procesos dinámicos de interconexión del polímero permiten calentar el material localmente. El parche completamente curado se adapta al lugar de la reparación en su estado calentado. A temperatura ambiente, el polímero tiene propiedades termoendurecibles, por lo que el parche no es pegajoso y es estable cuando se almacena. Esto ahorra energía, ya que el parche puede almacenarse a temperatura ambiente y no requiere refrigeración, lo que reduce los costes de almacenamiento.

El parche se aplica al componente ligero que requiere reparación mediante presión y reacciones de intercambio inducidas térmicamente. Permite reparaciones rápidas, fraguando completamente en 30 minutos. No es necesario trabajar con materiales reactivos peligrosos, como ocurre con los sistemas de resina tradicionales. Las propiedades vitriméricas permiten retirar el parche cuando sea necesario, sin dejar residuos. “Nuestro parche reforzado con fibras, sin adhesivo y almacenable, permite reparar directamente materiales compuestos y estructuras híbridas dañados. Dado que el polímero es un vitrimer por naturaleza, el parche se comporta como un material compuesto termoestable convencional durante el almacenamiento, pero también se adhiere limpia y fácilmente cuando simplemente se calienta, sin necesidad de adhesivos adicionales”, explica Katharina Koschek, jefa de la sección de Adhesivos y Materiales Poliméricos del Fraunhofer IFAM de Bremen.

El innovador material presenta una gran resistencia mecánica y termoestabilidad, lo que lo hace especialmente adecuado para aplicaciones de movilidad como la ingeniería de vehículos de automoción y ferroviarios y en aviación. Puede deformarse y tiene propiedades autorreparadoras. Una vez que llega al final de su vida útil, puede reciclarse, ya que la red polimérica puede disolverse y tanto las fibras como el sistema polimérico pueden reutilizarse. “Los termoestables convencionales no pueden deformarse después, y no son reciclables. En cambio, nuestros vitrímeros a base de benzoxazina presentan todas estas propiedades”. Este material versátil cubre muchos aspectos del uso sostenible de polímeros con vistas a la economía circular”, señala Koschek. “Mediante la reparación y la reutilización, prolonga la vida útil de las estructuras ligeras y ayuda a reducir las nuevas materias primas consumidas”. Otra ventaja es que puede combinarse con otros materiales, por lo que también es apto para integrarse en estructuras de metales como el acero.

La versatilidad de los vitrímeros a base de benzoxazina abre posibles aplicaciones en diversas industrias, incluso más allá del sector de la movilidad. En ortopedia, por ejemplo, el material termoformable podría utilizarse en el futuro para fabricar prótesis y órtesis ajustables individualmente. En la actualidad, la fabricación a medida de dispositivos ligeros como éstos es un proceso muy laborioso, ya que los materiales compuestos de fibra convencionales no permiten muchos ajustes una vez que la resina se cura. “Las prótesis se fabrican a medida para cada paciente. Pero no siempre encajan. La más mínima imperfección en el ajuste o cambio fisiológico puede significar que la prótesis u órtesis cause dolor o molestias al paciente, interfiriendo en su tratamiento. Antes, eso significaba que había que fabricar una nueva prótesis, y debido a la exigencia y la cantidad de trabajo manual minucioso que conlleva la ortopedia, eso puede llevar hasta varios meses”, explica Koschek. “El uso de materiales termoformables podría eliminar la necesidad de rehacer este tipo de ayudas médicas”.

En el proyecto CFKadapt, investigadores del Fraunhofer IFAM unieron fuerzas con la empresa de ortopedia y prótesis REHA-OT Lüneburg Melchior und Fittkau GmbH, E.F.M. GmbH y el Instituto Leibniz de Investigación de Polímeros de Dresde (IPF) para desarrollar un novedoso polímero reforzado con fibras que se basa en redes dinámicas de polímeros y puede ajustarse de diversas maneras. La diferencia clave entre el nuevo material y los sistemas de matriz comerciales para dispositivos ortopédicos fabricados con compuestos de fibras es la posibilidad de reajustar y modelar el nuevo material a los puntos de presión o apoyo adecuados, lo que permite un ajuste dinámico al paciente y a sus necesidades cambiantes a lo largo del tratamiento. El truco está en que la nueva mezcla de compuestos de fibra de polímero puede calentarse localmente y ajustarse individualmente. “Las ventajas residen en la gran libertad de diseño y configuración y en la significativa reducción de residuos durante la producción, junto con una mayor vida útil de estos dispositivos, ya que pueden ajustarse de forma continua durante el tratamiento. Para los pacientes, el factor principal es que pueden obtener un dispositivo ortopédico ajustado a medida lo antes posible”, afirma Koschek. La producción estandarizada de componentes con ajuste individual posterior también tiene el potencial de generar beneficios económicos y mejorar la eficiencia del proceso de producción.