América renueva su esfuerzo ppor los composites
América renueva su esfuerzo por los composites
La industria norteamericana de composites apuesta claramente por aplicaciones estructurales en las que los termoplásticos técnicos no pueden competir
En Europa prima todavía el concepto de los composites como materiales de recubrimiento, con responsabilidad estructural limitada. Algunos procesos como la pultrusión y el bobinado la aceptan, pero su campo de aplicación está limitado a unos pocos sectores que, en el caso del último, se han visto además restringidos por aplicaciones de cálculo excesivamente apurado.
Los termoplásticos técnicos, a menudo reforzados con fibras cortas, presentan características mecánicas cada vez más elevadas. La existencia de un amplio parque de maquinaria que aprovecha su velocidad y fiabilidad de transformación hace que cuando se contemplan series importantes se sustituyan muchas veces piezas previstas inicialmente en SMC o BMC por termoplásticos técnicos. La tendencia hacia series cada vez mayores limita también las posibilidades de los procesos más primitivos, como el moldeo por contacto, que ven reducir su mercado y envilecer sus precios por el exceso de oferta.
Sin embargo, desde el punto de vista estructural tiene una gran trascendencia que exista un material de características mecánicas comparables a las de los metales pero con una densidad varias veces menor. Puede asegurarse que el mercado de los composites se multiplicará por una cifra importante cuando se superen las limitaciones que su transformación presenta actualmente.
No se trata de limitaciones de coste sino puramente técnicas, puesto que existe una demanda urgente en muchos campos para un material con las características de ligereza y ausencia de corrosión de los composites. Por ello es interesante reseñar cuál ha sido el planteamiento de la industria norteamericana, con un mercado claramente más unitario que el nuestro, para avanzar en esta dirección.
Figura 1 En Europa se desarrollan también productos estructurales avanzados, como las estructuras completas de vagones de tren realizados por bobinado (filament winding) en una construcción sandwich con núcleo de Rohacell.
Para el día a día, muchas empresas se han resituado en áreas de menor coste de mano de obra, al tiempo que las que permanecen en el país sacan el mayor partido posible del estado actual de la técnica de transformación. La primera de estas opciones se da también en España, pero no la segunda, al menos en la misma medida que en el resto de Europa. La ponencia que el autor de este artículo presentará en las próximas Jornadas de Plásticos Reforzados/Materiales Compuestos del Centro Español de Plásticos está dedicada, precisamente, a señalar las posibilidades y la problemática de la adopción de las técnicas de transformación accesibles a las empresas españolas.
Es evidente que con las técnicas actuales no se puede responder a muchos de los desafíos que plantean las industrias de gran consumo de materiales y el avance en esta dirección tiene un coste muy elevado, que no se puede acometer de forma individual. Las líneas que siguen están dedicadas a exponer cómo ha atacado este problema la industria norteamericana.
Figura 2 Uno de los procesos que permite obtener características estructurales importantes es el moldeo por transferencia de resina (RTM), del que se ilustra un juego de moldes de superficie metálica electroformada con respaldo polimérico conductor del calor.
El análisis tiene un valor añadido porque la economía de Estados Unidos, cuya desaceleración se había previsto para 1994, ha creado diez millones de puestos de trabajo en los dos últimos años, desmintiendo así aquellas previsiones, que tampoco han acertado con el brillante despegue de la economía europea para aquellas fechas que, todo y existir, tiene todavía muchas áreas de sombra.
Desarrollo de tecnologías de alto riesgo
El NIST (National Institute of Standards and Technology) creó en 1990 el programa ATP (Advanced Technology Program) en el que invierte directamente, en conjunto con las industrias del país, en el desarrollo de tecnologías innovadoras que tengan un fuerte potencial de mercado.
El ATP acelera el desarrollo de tecnologías prometedoras pero de alto riesgo que, si tienen éxito, permitirán nuevos productos y servicios mejorados para el mercado mundial. Debido a su alto riesgo, sería improbable que se desarrollasen a tiempo para competir en los cambiantes mercados mundiales sin la asociación de la industria y el gobierno, puesto que no se trata de proporcionar fondos para el desarrollo de producto sino de la técnica.
La industria concibe, financia parcialmente y ejecuta los proyectos ATP, que son revisados a priori por científicos e ingenieros en el área correspondiente. Las propuestas que obtienen buena nota en este examen pasan por una segunda evaluación sobre su impacto económico, la evidencia de un compromiso suficiente por parte del proponente y otros factores comerciales que conciernen a la posibilidad de que el resultado sea susceptible de comercialización.
Los proyectos han sido preparados por compañías de todos los tamaños, solas o en joint-venture con otras o Universidades, laboratorios federales distintos del NIST, centros de investigación u otras instituciones. Hasta aquí, mínimas diferencias con los programas europeos. Pero no sólo les distingue el que no desarrollen productos concretos, como en Europa, sino también su osadía, especialmente en el campo de los materiales poliméricos y composites, para atacar problemas de mayor envergadura y definición que los nuestros. En otras palabras, no se busca el producto inmediatamente comercial, sino las herramientas de trabajo del futuro.
Múltiples programas ATP
Existen varios programas ATP relacionados con los materiales avanzados. Se exponen a continuación los más importantes:
- Fabricación automovilística con Composites en matriz PET moldeados por inyección: AlliedSignal y Research & Technology se unieron para reemplazar las instalaciones de estampación de chapa metálica con un proceso de conformado de composites que combina PET reciclado con fibras de vidrio discretas en piezas moldeadas con propiedades mecánicas y estructurales suficientes para asumir con seguridad el mismo papel que tienen actualmente las piezas metálicas.
- Estructuras automovilísticas en composite; desarrollo de una tecnología de fabricación para grandes series: En uno de los programas más ambiciosos que, desgraciadamente, no ha visto aún aceptados sus logros, se asociaron Ford Motor Company, Chrysler Corporation y General Motors para desarrollar y demostrar las capacidades a gran escala del moldeo RTM estructural en una estructura composite grande y compleja que cumpla todos los requisitos, y para definir piezas y sistemas de montaje que puedan realizarse en gran serie y procesados/fabricados consistente y económicamente. Este proyecto no ha alcanzado una madurez suficiente para superar el obstáculo que representan las instalaciones de transformación existentes y la presión de la industria del acero, por lo que a fines del pasado año se decidió que las estructuras de los automóviles americanos continúen siendo metálicas.
Figura 3 La pultrusión es uno de los procesos consolidados que permite la producción de elementos con responsabilidad estructural. Se han instalado muchos kilómetros cuadrados de rejilla autoportante para pisos que ofrece, además una excelente resistencia a la corrosión.
- Perfiles composite para plataformas petrolíferas: Reemplazar los componentes de acero de las plataformas petrolíferas off-shore por perfilería composite tendría un efecto de reducción de peso en cascada sobre toda la instalación y reduciría de modo significativo el coste de explotación de yacimientos en aguas profundas. En este programa se han unido Brunswick Composites, Amoco Performance Products y Amoco Production, Hydryl, Hercules,Shell Development, Conoco, Stress Eng. Services y la Universidad de Houston.
- Tecnología de mejora sísmica de columnas de puentes por fabricación a bajo coste y diseño de sensores: Retrofit desarrolla un procedimiento de coste eficiente para obtener la infiltración de resinas poliméricas en y entre fibras de carbono y vidrio para constituir el material de rehabilitación y desarrollar herramientas informáticas de diseño que puedan utilizar los ingenieros de puentes para optimizar el coste y rendimiento de los materiales para cada rehabilitación en particular, así como desarrollar una serie de sensores a situar sobre o dentro de los materiales composite que monitorizarán la salud y rendimiento de éstos desde su fabricación hasta el finde su vida de servicio. A este respecto conviene recordar los sistemas puestos en práctica en puentes sobre el Rhin, incorporando fibras ópticas en espiral a barras corrugadas pultrusionadas de refuerzo del hormigón, que permiten monitorizar en todo momento el comportamiento del puente y recoger la historia de los esfuerzos soportados.
- Composites de alto rendimiento para grandes estructuras comerciales: Con la participación de DuPont, la John Hopkins University, la Universidad de Delaware, Dow Chemical, Brunswick tecnologies y Hardcore Composites, el grupo se propone derribar una barrera principal para el uso de composites estructurales de FRP posibilitando la producción puntual en el tiempo de piezas de calidad. Los resultados del proyecto se han implantado ya en España.
- Composites termoplásticos para aplicaciones estructurales: DuPont, Cambridge Industries, Owens Corning y la Fundación Herty llevan adelante un programa para desarrollar métodos efectivos para fabricar grandes volúmenes de composites a un coste menor que el del acero y con el adecuado equilibrio de propiedades físicas para aplicaciones estructurales en la industria del automóvil.
- Mecanizado CNC síncrono en línea de perfiles pultrusionados: Ebert Composites, W. B. Goldsworthy & Assoc. y el Centro de Naval Surface Warfare se proponen desarrollar un proceso completo para crear estructuras grandes y complejas sin uso de tornillos ni adhesivos, integrando en un paso contínuo de fabricación, en el que resinas poliméricas infiltran y rodean redes de fibras de refuerzo, con pasos de fabricación subsiguientes. Es seguro que nuestro amigo Goldsworthy continúa siendo, a sus jóvenes 80 años, el principal impulsor de un proyecto que ha acariciado largo tiempo. A los veinte años ya era el titular de la primera patente de transformación del mundo de los composites.
- Proceso de fabricación de composites estructurales: GenCorp yla Universidad del Estado de Ohio desarrollan un método de fabricación económico para la industria del automóvil y se proponen demostrar su utilidad realizando "enlaces de suspensión" con estos materiales.
- Técnicas de fabricación innovadoras para producir grandes formas de composites fenólicos: Morrison Molded Fiber Glass se propone reducir el coste de la rehabilitación de puentes desarrollando composites de mayor duración y menor mantenimiento para reemplazar materiales de acero y hormigón deteriorados, optimizando las propiedades mecánicas del composite mediante una selección juiciosa de las materias, la optimización de la forma y tamaño de las piezas y el establecimiento de normas de diseño y capacidad de carga. Esta empresa es, probablemente, el transformador más importante de Estados Unidos.
- Equipamiento de fabricación de tubería enrollable: Un impresionante grupo de empresas se han reunido para desarrollar la tecnología y equipamiento para la producción de tubería composite enrollable de varias milas de longitud y producir materiales composites cuya combinación de rendimiento, fiabilidad y coste gane aceptación como material que puede abrir zonas de aguas más profundas a la minería del petróleo. No será, de todos modos, el primer tubo composite enrollable puesto que el ingeniero español Manuel Aguirre, actualmente en la Agencia Europea del Espacio, diseñó y calculó un tubo lenticular enrollable para antena espacial cuyo desarrollo fue iniciado por el autor y completado luego por un equipo del Harwell Laboratory dirigido por D. H. Bowen. Participan Hydril, Amoco, Mobil, Shell, Phillips Petroleum, Dow Chemical, Dowell Schlumberer, Elf-Atochem y la Universidad de Houston.
- Desarrollo de tecnologías de fabricación de chasis composite de vehículos: The Budd desarrolla métodos efectivos en coste para fabricar en composite los chasis portadores de carga de camiones ligeros, creando moldes y preformas para inyectar la resina y curando la preparación en piezas confiables y aceptables que cumplan los estrictos requisitos de la industria de la automoción.
- Proceso avanzado de bajo coste para fabricar vehiculos de tránsito ligeros: U.S. Electrical, GE Plastics y Miles desarrollan un proceso de fabricación que produce composites que son reciclables, no requieren pasos de acabado perjudiciales para el medio ambiente y son los suficientemente eficientes en coste para integrarlos en las pequeñas series de vehículos eléctricos que se esperan. La impresionante instalación de GE Plastics en Bergen-op-Zoom produce ya composites termoplásticos que cumplen con estos requisitos.
- Fabricación de estructuras composite para la industria del petróleo off-shore: Se han reunido Westinghouse Electric, ABB Vetco Gray, Deep Star project (16 compañías petroleras), Reading & Bates Development, Off-Shore Technology Research Center y Hercules para realizar estructuras tubulares composite que conecten las plataformas off-shore con los componentes del cabezal del pozo en el lecho marino, con el enfoque situado en el coste de fabricación, optimización del diseño, reducción de riesgos mediante predicción precisa del rendimiento en el tiempo y ensayos demostrativos.
Figura 4 Cada vez mayores, las estructuras marinas se realizan con material composite. La marina Real brit nica adoptó el material para las superestructuras de los buques de guerra en sustitución del aluminio no sólo por su resistencia mecánica, sino también por su mejor comportamiento al fuego.
Existen algunos proyectos civiles más y bastantes más militares, especialmente en el campo de construcción de buques, pero los que anteceden, en tanto que más destacados, son suficientes para percatarse de que el sentido del programa no es la búsqueda de resultados comerciales inmediatos, sino dotar a la industria de unas tecnología que ensanchen su actual campo de aplicación.
Estructura o cosmética?
Para el transformador de composites de nuestro país, bien consciente de que ni tenemos compañías petroleras que puedan consumir composites en abundancia ni capacidad de decisión en el proyecto de automóviles y que si proponemos utilizar composites en puentes y estructuras al Ministerio de Fomento pueden dudar de nuestra cordura, lo que antecede puede sonar a cuentos de hadas. Sin embargo, marca una dirección: en ninguno de los casos se prevén aplicaciones para el material que no sean de responsabilidad estructural.
Y para ello es necesario obtener productos con un contenido de fibras en volumen superior al 50%. Los procedimientos que no permitan llegar a estas proporciones están limitados a aplicaciones cosméticas, es decir, a recubrimientos o piezas de forro externo, en que son progresivamente batidos por los termoplásticos de ingeniería, devolviendo a los composites a su anterior denominación de plásticos reforzados, que señalaba cual es la materia predominante.
Existen excepciones en la industria química y eléctrica y en la gran construcción naval, sea porque se requiere un grado de resistencia a la corrosión que exige una mayor presencia del polímero o porque el tamaño impide la puesta en práctica de otros procesos, pero existen también aplicaciones de sistemas como el bobinado en que el envilecimiento de los precios ha llevado a reducir drásticamente su aplicación en tanques de almacenaje y cisternas de transporte por la falta de confianza de los productos calculados deficitariamente, en que se reducían escantillones para competir y que ha llevando a un concepto viciado del proceso.
Hay una serie de sistemas de moldeo que son ya moneda corriente en Europa y con los que se alcanzan las características estructurales que permiten al material competir con los metales. Existe el riesgo de que no se comprendan en profundidad y se utilicen con una tecnología insuficientemente exigente, lo que pronto conduciría a la decepción que acompaña a las pérdidas de tiempo y dinero.
| No se prevén aplicaciones de composites que no sean de responsabilidad estructural, pero es necesario tener productos con un contenido de fibras en volumen superior al 50% | Hay una serie de sistemas de transformación de composites que son ya moneda corriente en Europa y con los que se alcanzan unas características capaces de competir con los metales |
| Las técnicas actuales no pueden responder a los desafíos de las industrias de gran consumo de materiales y el avance tiene un coste muy elevado que no se puede hacer de forma individual | La industria americana concibe, financia parcialmente y ejecuta numerosos proyectos que son revisados a priori por científicos e ingenieros en el área correspondiente |
| Desde el punto de vista estructural tiene gran trascendencia que existan los composites, con características mecánicas comparables a las de los metales pero mucho más ligeros | Las limitaciones de los composites no son de coste sino técnicas; existe una demanda urgente para un material con sus características de ligereza y ausencia de corrosión |
