De acuerdo al Dr. Chris Pastore, profesor de la Universidad de Filadelfia, un compuesto es definido como, “un producto compuesto de dos o más componentes distintos, usualmente uno de ellos fibroso por naturaleza, y el cual se comporta como un material uniforme y monolítico”.
Lo que la mayoría reconoce como un compuesto hoy en día, generalmente comienza como una especie de “cosa” fibrosa en forma de fibras individuales, hilos, tejidos o preformas parecidas a redes. Si a esto se agrega una resina o un aglutinante como matrix, probablemente usando un molde de algún tipo, y luego se aplica una combinación de calor y presión para curar la resina, seguido por un poquito de acabado cuando sea necesario, el resultado es una parte compuesta. En muchos casos, es literalmente así de sencillo. Sin embargo, en otros casos, es mucho más complicado que esto. ¿Cuál es el principal impulsor para que la industria de los compuestos continúe su aparente crecimiento sostenible y porqué los compuestos son tan interesantes?
Crawford Composites LLC, Denver, N.C., trabajó con Formula Lites, Cohasset, Mass., en vehículo de carrera FL15 de rueda abierta, diseñado para ser económico pero seguro.
Foto: Boyd Jaynes, cortesía de Formula Lites
Rendimiento real versus percibido
En una palabra, todo se puede referir al rendimiento. Para la mayoría de las aplicaciones, los compuestos simplemente ofrecen un mejor rendimiento o, como mínimo, ofrecen algún grado apreciable de ventaja de rendimiento en comparación con el producto en cuestión. Es seguro que las fibras de carbono lucen esbeltas y atractivas para las personas jóvenes y para la gente conocedora, pero el rendimiento, en alguna forma o la otra, es el principal ingrediente detrás del crecimiento actual y futuro de la industria de los compuestos.
Sin embargo, antes de ser demasiado entusiastas sobre el rendimiento de los compuestos, hay que considerar el hecho de que en años recientes la palabra rendimiento ha sido más usada en términos de mercadeo más bien que de ingeniería. Cuando el mercadeo es a menudo la fuerza principal, el “rendimiento” puede significar muchas cosas diferentes, que se pueden dividir en dos categorías principales: rendimiento percibido y rendimiento real.
El rendimiento percibido es típicamente impulsado por los esfuerzos de marketing para crear la percepción de rendimiento y valor. En este caso, el producto compuesto es seleccionado más por su apariencia estética, tacto y razones de vanidad más bien que por sus méritos funcionales. Como resultado, el rendimiento se convierte en algo más bien sujetivo. Términos tales como “la mejor cosa que he usado”, y “se ve muy bien”, son usados a menudo en la descripción, pero la verdad es que el producto no provee realmente un elemento crítico para el uso de la aplicación.
General Composites Inc. (GCi), Willsboro, N.Y., usa procesos de moldeo de transferencia de resina de alto rendimiento para crear aparatos médicos de fijación externa.
Por otra parte, el rendimiento real es lo que la mayoría de los productos compuestos son realmente diseñados. Este rendimiento es impulsado por los datos de los ensayos, se puede medir o cuantificar, y es tangible y generalmente contribuye grandemente al éxito de la aplicación. Lo que es más importante, no es una percepción.
Muchas nuevas aplicaciones están siendo definidas como compuestos de alto rendimiento, lo que exhibe un rendimiento inherente del producto que es crítico o vital para el éxito del producto en dicha aplicación. En estas aplicaciones, si el producto compuesto no se desempeña como es debido, puede ocurrir a menudo una falla catastrófica.
El llamar estas aplicaciones de compuestos como de alto rendimiento indica generalmente que hay un criterio de diseño definido, especificaciones cuantificables, y más posiblemente, grandes cantidades o, en esta época, terabytes de análisis de ingeniería y datos de ensayos para la validación.
Empujando el sobre
Mientras que el factor principal en otros tiempos fue ahorros significantes en el peso, otros factores relacionados con el rendimiento contribuyen ahora al crecimiento del uso de los compuestos alrededor del mundo. Ingenieros que han sido históricamente cautelosos están aceptando ahora el uso de compuestos en aplicaciones de alta visibilidad y alto rendimiento.
Su cautela es mitigada por un creciente conocimiento y por el uso de una gran base de datos recogida del rendimiento notable de productos compuestos en aplicaciones previas y existentes, estimulando así la confianza general, el crecimiento de las aplicaciones, y la diversificación.
Formax, del Reino Unido, desarrolló tejidos de fibra de carbono biaxial optimizados por infusión usando napas de monofilamento de poliamida entre las capas de tejido para mejorar la infusión y propiedades mecánicas generales del catamarán B53 de Gold Coast Yachts, de alto rendimiento. Foto cortesía de Gold Coast Yachts.
Diseños que han sido grandemente mejorados y nuevas herramientas de ingeniería están ayudando a las capacidades de diseño, permitiendo a los diseñadores e ingenieros a empujar más el sobre. También se puede inferir que los compuestos proveen a los ingenieros y diseñadores con una mayor flexibilidad en el diseño debido al lujo de colocación de fibras específicas en áreas de alto esfuerzo mecánico, y el hecho de que los compuestos se pueden moldear en formas más bien complejas, y como tal, el rendimiento del producto ciertamente continúa desempeñando un papel crucial para el sostenimiento del momento ganado por la industria de los compuestos.
Resistencia superior
Los compuestos usados en aplicaciones impulsadas por el rendimiento se benefician de varios atributos deseados. Entre estos cabe mencionar superiores relaciones de resistencia-a-peso de los compuestos ingenierizados en comparación con productos similares de metal. Los ahorros en el peso conducen a un menor consumo de energía, lo que típicamente se traslada en ahorros de combustibles, pero también puede conducir directamente a mayores velocidades, una mejor transferencia de la energía, y un mejor rendimiento general.
Otros atributos deseados de los compuestos incluyen una mejor habilidad para definir áreas de alto esfuerzo mecánico, relaciones de dureza mucho mejor en comparación con el peso, una flexibilidad más controlada, y una mejor conformidad. Los compuestos sobresalen también por su resistencia al calor y a la corrosión.
En muchos casos, los compuestos ofrecen también atributos ecológicos y de sostenibilidad, incluyendo una posible reducción en la huella de carbono durante la manufactura. Y, por supuesto, aunque no está específicamente relacionado con el rendimiento, para muchos, la apariencia de algunas piezas de compuestos, es algo atractivo.
La empresa suiza Bcomp dice que su tecnología powerRibs ofrece un alto rendimiento por rata de precio comparado con otros componentes estándar , y es de interés particular para la industria automotriz.
©JEC Group
Mercados en crecimiento
Las aplicaciones de los compuestos continúan creciendo y evolucionando en una amplia variedad de mercados y en un tipo cada vez más amplio de usos finales basados en el rendimiento. La industria aeroespacial sigue siendo uno de los principales usuarios de los compuestos y continúa siendo el segmento de mayor crecimiento para el uso de compuestos de alto rendimiento. La mayor relación de dureza-a-peso de esos compuestos en comparación con los metales proveen un punto de entrada en muchas de estas aplicaciones, pero también entran en juego otros atributos.
Compuestos de carbono-carbono y matrix de cerámica tienen un gran desempeño a temperaturas extremadamente altas, por encima de 2.000 °F. Avances en el proceso y la tecnología permiten el diseño de compuestos más eficientes e integrados que sacan provecho de la habilidad para crear preformas con formas de casi una red, así como la definición de áreas de esfuerzo mecánico específicas.
Los investigadores están descubriendo que los compuestos reforzados con fibras experimentan menos fallas relacionadas con alta fatiga que los metales. También se anticipa que el uso de compuestos llevará a una reducción en los costos relacionados con el mantenimiento.
Ejemplos actuales de uso aeroespacial de alta visibilidad incluyen el nuevo jet Boeing 787 Dreamliner, en donde los componentes de compuestos representan más del 50% del marco y estructura del avión. Como resultado, se han logrado ahorros de un 20% en el peso en comparación con los diseños tradicionales, lo que hace que este avión sea el más eficiente de su clase en ahorros de combustible.
Además, la nave WhiteKnightTwo, de Galactic, fue diseñada y construida como una nave espacial para llevar clientes a los confines exteriores de la atmósfera de la tierra, y es la mayor aeronave de compuestos de carbono construida hasta la fecha. Debido en gran parte al uso de compuestos, esta aeronave tiene la capacidad de llevar cargas de hasta 35.000 libras y más, a altitudes de hasta 50.000 pies, con un rango de vuelo que sobrepasa las 2.000 millas náuticas.
C-Ply de Chomarat, usado en el casco y cubierta del bote Albatros de Jean-Marie Finot.
Industria automotriz
Las aplicaciones en la industria automotriz proveen tremendas oportunidades de crecimiento para los compuestos. En la actualidad, los compuestos se usan principalmente en vehículos de alto rendimiento, pero su uso está creciendo en otros modelos de uso corriente. Los estándares de la Corporate Average Fuel Economy (CAFE), erigidos originalmente por el congreso norteamericano en 1975, continúan ejerciendo influencia en los esfuerzos de reducción del peso en los nuevos carros y camiones, lo que ha llevado a un mayor interés en los compuestos. Las posibilidades de un mayor rendimiento y numerosos éxitos en el reemplazo de estructuras de acero y aluminio en aeronaves están facilitando la transición de la industria automotriz a un mayor uso de los compuestos.
Las aplicaciones militares y del Departamento de Defensa de Estados Unidos continúan siendo una fuente de desarrollo de mercados para los compuestos, y la mayoría de los productos caen en tres categorías generales:
- Apoyo a los soldados enfocados en la reducción del peso de las cargas que tienen que transportar;
- Protección balística para los vehículos, los albergues y los soldados; y
- Componentes para armamentos selectos, en donde los ahorros de peso y la estabilidad a extremas temperaturas son de gran ventaja.
También hay que notar los avances en el uso de compuestos de alto rendimiento en productos prostéticos mejorados para uso por soldados heridos.
La industria marítima — una de las primeras aplicaciones de grandes mercados que aceptaron el uso de compuestos en gran escala — y el mercado para la energía del viento con su fuerte potencial de crecimiento, continúan beneficiándose de la resistencia y relación de dureza-a-peso de los compuestos. La resistencia a la corrosión en ambientes húmedos de muchos productos compuestos ha servido también para continuar el avance en la gama de aplicaciones de los compuestos.
Los deportes en general, los deportes “extremos”, y otros mercados emergentes, continúan ofreciendo oportunidades para los compuestos en donde los rendimientos —reales y percibidos — están siempre en gran demanda. De acuerdo a la revista Composites World, “los compuestos se pueden encontrar ahora en productos usados en 7 de los 10 deportes más populares y actividades de recreación”.
Algunos son mercados maduros — tales como palos de hockey, palos de golf, esquís, y tablas para la nieve, por ejemplo — mientras que otros mercados se están expandiendo diariamente, y otros ofrecen oportunidades de nicho o especializadas, con gran potencial de crecimiento.
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El VX-1 KittyHawk™, diseñado por VX Aerospace y que usa refuerzos de compuesto C-Ply™ de Chomarat, de Francia, ganó hace poco el Premio JEC a la Innovación. ©JEC Group.
Perspectivas futuras
Hay una frase atribuida al inventor Ray Kurzweil, quien dijo en el 2010: “Cuando yo estaba en el colegio (se graduó en 1970), todos compartíamos un computador que costó decenas de millones de dólares y ocupaba la mitad de un edificio. El smartphone (teléfono inteligente) de la actualidad es un millón de veces más barato y mil veces más poderoso. Esto representa un incremento de un billón en poder computacional y efectividad en menos de 40 años”.
Observaciones similares se pueden observar sobre los avances realizados en el rendimiento y efectividad de los compuestos durante un periodo de tiempo similar. A medida que continúa progresando el rendimiento de los compuestos, y que el mercado acepta más estos productos, las oportunidades continuarán creciendo para los compuestos. ¿Se puede usted imaginar cuáles serán las aplicaciones de los compuestos en otros 40 años?
Jim Kaufmann es ingeniero senior de T.E.A.M. Inc., de Woonsocket, R.I.; así como propietario, presidente y CEO de NovaComp Inc., de Willow Grove, Pa. Este artículo está basado en una disertación de Kaufmann durante el Foro Textile World 2014 a la Innovación Textil.
Mayo-Junio de 2015
