Composites: materials del futur
Steffi Graft i Ivan Lendl formen una parella única en el món del tennis en la modalitat masculina. Ambdues usen esponja o raqueta de resina reforçada amb fibra de carboni. La transmissió del cop que s'aconsegueix amb aquest material empeny millor la pilota, afavorint més la nina.
El senyor Singh era un cricketista indi, un jugador de gran qualitat. Un accident el va obligar a tallar la cama dreta a l'altura del genoll. Després de recuperar-se de les conseqüències d'aquesta intervenció, Singh va seguir un programa de rehabilitació muscular previ a la implantació de la pròtesi d'alumini. Aquesta pròtesi era massa pesada perquè el jugador recuperés la seva primera lleugeresa. Es va substituir per una pròtesi de capa epoxi i fibra de vidre, amb un pes de 2,1 kg. Aquesta pròtesi va permetre al jugador Singh aconseguir una velocitat de llançament de 85 km/h, amb una velocitat màxima de 110 km/h abans de l'accident. Posteriorment, l'evolució d'aquests materials ha permès a aquest jugador aplicar una cama artificial de 1,4 kg de pes. Això ha permès aconseguir la màxima velocitat de tir que tenia en el seu moment.
L'equip canadenc d'hoquei ha començat a utilitzar un “estic” de resina reforçat des de l'any passat amb fibra de vidre. Gràcies a aquest pal, la reverberació acústica que s'aconsegueix quan el jugador colpeja la pilota desapareix, augmentant la potència del cop. En l'actualitat existeixen grups nacionals que han començat a utilitzar materials similars.
Nou material
Esquí, bicicleta, roda lenticular… tots aquests productes tenen una relació entre els materials que formen, és a dir, els composites. Fa sis anys, la paraula era gairebé desconeguda en el nostre entorn, i actualment s'utilitza en molts àmbits i àmbits. El criteri utilitzat per a fixar les èpoques passades per la humanitat és, en alguns casos, el del material. Per això sovint parlem de l'Edat de Pedra, l'Edat del Bronze, l'Edat del Ferro i l'Edat de l'Acer. Podem dir, per tant, que estem immersos en l'Edat de Composite amb una terminologia similar.
Però, què són aquests materials que han trastocat el concepte de composite o material? Encara que el terme composite té un significat confús i ampli, normalment es denomina a l'associació de dos materials macroscópicamente heterogenis, les propietats dels quals són millors que les de cada component en general. El cas més comú entre composites és el del material compost per fibra i una matriu. Un material continu denominat matriu es reforça amb una fibra que millora les propietats mecàniques del conjunt. La funció de la matriu serà guardar el conjunt i transmetre esforços.
Com a exemple d'aquesta mena de composites podem citar l'utilitzat habitualment en automòbils. La casa Citröen ha fabricat la porta posterior de la seva BX amb un material d'aquestes característiques. En aquest cas, una resina de polièster resistent a la corrosió ha substituït a la planxa d'acer. Per a aconseguir unes propietats mecàniques similars a l'acer (rigidesa i resistència), la resina de polièster es reforça amb fibra de vidre. A més, l'adherència que genera una interfase o unió adequada entre resina i fibra, millorarà la tendència del composite a l'impacte respecte a l'acer. Per tant, sembla lògic que els models Peugeot-205, Renault-5 o Renault-11 utilitzin amortidors de cops amb aquests materials.
Idea antiga
La idea de reforçar el material mitjançant una fibra és tan antiga com la civilització humana. Fa milers d'anys, en l'antiga Mesopotàmia, l'argila reforçada amb les-toz era un material comú per a la construcció. L'argila interpreta una matriu adaptable en aquest “composite”. La palla, per part seva, donava al conjunt la rigidesa i resistència tan necessària per a la construcció, actuant com la fibra.
Des de llavors els materials han canviat totalment i la humanitat també, però el concepte de composite és similar. Per tant, i de manera individual, els dos materials no vàlids per a una aplicació, formen un nou material amb propietats millorades formant un conjunt heterogeni però útil. I tan aviat com aquest material es va tancar a la maduresa tecnològica, el concepte de composite va cobrir amb amplitud tots els àmbits i àmbits de la nostra societat. Això va ocórrer després de la Segona Guerra Mundial, a causa de l'enorme evolució de les resines orgàniques.
Aquests materials polimèrics tenien dues propietats principals (útils per a certes àrees): ser aïllants per a la construcció i aplicacions elèctriques, i lleugeresa per a aplicacions de transport. No obstant això, les propietats mecàniques que presentaven aquests materials eren massa febles, per la qual cosa era impossible substituir els materials convencionals quan es necessitava una elevada rigidesa o resistència mecànica.
D'altra banda, al costat de l'evolució d'aquestes resines orgàniques, també s'ha avançat notablement en la tecnologia de fabricació de les fibres que s'utilitzarien per a reforçar. Entre ells destaca la fibra de vidre, que per la seva relació qualitat/preu té un major ús.
El procés de fabricació d'aquesta fibra consisteix en la fusió del vidre fos, format per sílices, a través d'una sèrie de tubs, després d'un procés de tiraje a alta velocitat. Carrosseries d'automòbils, autobusos, exteriors i interiors de trens, canyes de pesca, interiors d'avions i altres peces es componen principalment de fibra de vidre. La forma d'aquesta fibra en cada cas dependrà de l'aplicació. Per exemple, es pot utilitzar fibra llarga unidireccional. També un teixit bidimensional, formant un conjunt dispers bidimensional anomenat “mat” o formant formes multidimensionals. Per tant, el món dels composites té una nova variable, la de la forma.
Somio realitat
S'han esmentat carrosseries, aïllants i productes similars. Però com aconseguir una peça estructural amb millors propietats que l'acer? El que fins fa poc era un somni dels dissenyadors, s'ha convertit en una realitat gràcies a la fibra de carboni. La fibra de carboni és un material més rígid que l'acer, amb un pes CINC vegades menor. A tall d'exemple, es pot veure en la imatge el lema que segueix a l'Airbus-320. Aquest lema està format per resines epoxi i fibres de carboni.
En l'actualitat també es fabriquen hèlixs i rotors d'helicòpters. L'àmplia utilització dels composites en aplicacions aeronàutiques ha fet possible la fabricació d'avions indetectables amb radars. I si és convenient aconseguir una resistència especial a l'impacte, Kevlar té molt a veure. El blindat i el seu ús en les guerres contra les bales (armilles) té alguna cosa a veure amb això.
El composite té almenys dos components. Cadascun d'ells pot ser un material diferent. Tenen diferents aplicacions i propietats mecàniques evidents: alta lleugeresa, aïllament elèctric, interessants propietats tèrmiques i resistència a la corrosió. No obstant això, encara no hem esmentat dos dels avantatges més destacats que pot tenir aquest tipus de materials: l'anisotropia i la seva capacitat per a integrar peces i funcions.
Què dir de l'anisotropia? Atès que els composites estan composts per fibres podem orientar-los en les direccions en les quals s'han d'aplicar esforços mecànics. Per exemple, en el disseny d'una barra que passa per tracció pura, el lògic seria utilitzar un composite de fibres unidireccionals. Si l'esforç mecànic fos torsió, agafaríem el teixit cilíndric o la fibra enrotllada com a solució adequada. Per a què gastar material en direccions innecessàries? Què obtenim amb propietats innecessàries? Aquesta capacitat de disseny en funció de cada necessitat pot convertir-se en una eina enorme per al dissenyador.
Però aquest avantatge també té els seus errors. Encara que l'optimització del disseny d'aquests materials ofereix oportunitats excepcionals, per a això es requereix al dissenyador un gran coneixement dels composites. Més d'un ha definit els composites com a “material de carta”. Cada client té una necessitat. Un producte per a cada necessitat. I cada producte té un material diferent. El material haurà de dissenyar-se amb la peça.
Funcionalitat
També s'ha esmentat la capacitat d'integració de funcions. Explicemos aquest concepte mitjançant un exemple. En 1983 la casa Peugeot va decidir dissenyar una nova peça de composites per al seu nou model. El model va ser el 405 que avui coneixem. En la part davantera de l'automòbil, sota el capó, hi ha trenta components amb diferents funcions; suport de l'amortidor de cops, radiador, porta-llums, etc. La idea ideada per Peugeot va consistir a dissenyar una carcassa que complís els següents objectius:
- Suport de l'amortidor de cops amb una funció estructural.
- Millorar la resistència de torsió de la façana de l'automòbil, formant un eix de dreta a esquerra.
- Facilitar el muntatge de tots els components i peces que conformen el front de l'automòbil.
Això permet la utilització de robots, reduint significativament els costos d'aquest procés.
Per a la consecució d'aquests objectius es va dissenyar en composite (S.M.C. “Sheet Moulding Compound” amb resina de polièster i fibra de vidre com a principals components). El mòdul anterior es mostra en la imatge. Aquesta peça es munta íntegrament en un bloc en la cadena de fabricació, facilitant el treball i reduint costos. En aquest cas, la conseqüència de l'ús de composites ha estat la integració de les funcions de les diferents peces en una sola, l'augment de la fiabilitat de la peça i la reducció dels costos de muntatge. Els composites han despertat l'afició al disseny.
S'han esmentat tant les aplicacions aeronàutiques com les peces fabricades per a vehicles terrestres. Però, què dir de la mar? L'últim veler presentat per Gran Bretanya en competicions internacionals ha estat un trimarà de 18 metres de longitud. El veler denominat “Spirit of Apricot” té un cost de més de 50 milions de pessetes i s'ha construït principalment amb resina epoxi i fibra de carboni. El dissenyador, Barry Noble, diu: S'han utilitzat tots els mitjans per a aconseguir la major relació denominada “empenyi/pes”. S'han utilitzat els materials més avançats: fibra de carboni en el casc i flotadors i titani en circuits hidràulics a alta pressió. No creguis que aquest cas és una excepció.
La difusió d'aquests materials ha estat destacada en aquest camp. El 95% de les embarcacions d'esbarjo porten composites. El composite porta el 99% dels velers de menys de 9 metres de longitud, el 92% dels quals tenen entre 9 i 12 metres de longitud i el 79% dels quals tenen més de 12 metres. En aquest cas, la lleugeresa, la resistència a la corrosió d'aquests materials i la seva afició al disseny són les principals causes d'aquesta substitució.
Què del futur?
I què diem del futur? Fins al moment la difusió d'aquests materials ha estat extraordinària. El següent pas en aquesta evolució pot ser la incorporació a les grans sèries de fabricació d'automòbils. No obstant això, els processos de transformació dels composites no han aconseguit encara la maduresa aconseguida pels materials convencionals. Però aquesta marxa està millorant. En l'actualitat existeixen processos que permeten fabricar 500 peces al dia amb un motlle. I el temps de processament d'un minut a penes és una utopia. T.R.E. (Termoplastiques renforcées parell estampage).
Mitjançant aquesta tècnica, les làmines de composite termoplàstic es processen en fred mitjançant un procés similar a l'estampació metàl·lica. El principal avantatge d'aquest procés és la reciclabilidad dels materials emprats, ja que són materials termoplàstics. El baix nivell d'automatització que presenten aquests processos de transformació dificulta la seva difusió. Aquest elevador pesat és un problema que es pot resoldre en funció de l'augment de sèries a través de l'ús d'automatismes.
Els materials anteriorment esmentats són els més comuns, amb matriu orgànica. No obstant això, cada dia s'estan generant noves matrius i fibres en aquest camp. El concepte de composite s'ha traduït a materials metàl·lics i ceràmics. Els aliatges metàl·lics es reforcen mitjançant fibres ceràmiques formant composites de matriu metàl·lica (M.M.C. Metall Matrix Composites). Aquests materials són actualment molt utilitzats en el camp aeronàutic, ja que tenen unes propietats úniques. Les ceràmiques fràgils també es reforcen amb fibres ceràmiques, obtenint material de dificultat; Ceramic Matrix Composites (C.M.C.) les denominades.
En l'actualitat s'esmenta la fabricació de pistons de motors dièsel amb aquests materials. De nou ceràmiques reforçades amb fibra, com l'antiga argila de Mesopotàmia... D'altra banda, també s'han creat noves matrius orgàniques denominades PEEK, PES, PSP, etc. que poden superar els 350 °C.
S'oblidaran els mocadors utilitzats actualment. Les noves matrius substituiran a les actuals. Però el concepte de composite avançarà. És més que material pur. Potser nova idea de disseny.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
