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El cielo es el límite para los AMCs

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A medida que los fabricantes aeroespaciales continúan buscando nuevas formas de aumentar la capacidad y el rendimiento de los productos y, al mismo tiempo, cumplir con los ambiciosos objetivos de eficiencia y sostenibilidad del combustible, Richard Thompson, director comercial de Alvant, examina los crecientes beneficios que ofrece al sector los compuestos de matriz de aluminio (AMC).

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Reducir el peso sin comprometer la integridad estructural es una obligación para la mayoría de los proyectos de ingeniería, y no más que en la industria aeroespacial, donde la reducción del peso puede reducir el consumo de combustible y las emisiones de carbono.

Los típicos aviones comerciales modernos tienen una mezcla de materiales (por peso) de 50% de compuestos, 20% de aluminio, 15% de titanio, 10% de acero, 5% de otros materiales. Además del peso, la industria también busca reducir el contenido de titanio debido al costo, la dificultad de mecanización y el impacto ambiental de la minería y el procesamiento.

Mientras que la industria se enfrenta a un enorme desafío para cumplir con amplios criterios, podría haber esperanza en forma de una solución gracias a los CMA. Son una clase avanzada de materiales compuestos en los que el aluminio se refuerza con un material secundario de alto rendimiento y son adecuados para aplicaciones en las que se espera que los metales convencionales se acerquen o superen sus límites de rendimiento. Los AMC también podrían encontrar aplicaciones en sellos de alta presión, trenes de aterrizaje de aviones y asientos, donde la seguridad y la fiabilidad son esenciales.

Colaboración de la industria

El creciente interés en los AMC ha sido afirmado por proyectos de colaboración de grandes marcas como el del grupo de alta tecnología, Safran Landing Systems, que recientemente se ha asociado con Alvant en un proyecto de dos años y 28 millones de libras esterlinas, titulado "El gran tren de aterrizaje del futuro" con el objetivo de reducir el peso del tren de aterrizaje hasta en un 30%.

El proyecto examina cómo los AMC pueden desafiar los materiales tradicionales en el diseño y la fabricación de conjuntos de trenes de aterrizaje. Los sistemas actuales de trenes de aterrizaje son típicamente más fuertes y pesados de lo necesario, representando aproximadamente el tres por ciento del peso de la aeronave, con el correspondiente efecto en el consumo de combustible.

"El proyecto tiene por objeto utilizar nuevos materiales y métodos de fabricación para desarrollar y demostrar tecnologías que reduzcan el peso del tren de aterrizaje, el consumo de combustible y el ruido, al tiempo que se mejora la fiabilidad y se reducen los costos de mantenimiento, reparación y funcionamiento", dice Thompson.

La contribución de Alvant al proyecto es el diseño, la fabricación y las pruebas de una varilla de freno de AMC, con el objetivo de reducir el peso en un 30% con respecto a un componente equivalente de titanio, manteniendo la misma resistencia que el acero.

"Un objetivo clave del proyecto del Gran Tren de Aterrizaje es probar y demostrar tantos avances tecnológicos como sea posible", añade Thompson. "Los AMC de Alvant son una solución sostenible que mejora las capacidades del producto. Este componente del tren de aterrizaje es sólo una de las muchas maneras en que los AMCs pueden ayudar.

Solución de un solo disparo

Otra innovación de Alvant es CorXal, un AMC multifásico único de alto rendimiento que es similar en concepto a un material de sándwich pero hecho en un proceso de disparo único, proporcionando una rigidez ultra alta y una densidad similar a la del compuesto de carbono.

Alvant está trabajando actualmente con empresas aeroespaciales para explorar las posibles aplicaciones de este material, un ejemplo de ello es la incorporación de un AMC de una sola pieza en el borde de ataque de las alas de los aviones.

Las alas de los aviones están sujetas a grandes fuerzas aerodinámicas, enormes cambios de temperatura y son susceptibles a los impactos de pájaros y relámpagos.

Se ha comprobado que los materiales existentes utilizados en la fabricación tradicional de alas son susceptibles de degradación de la unión entre la piel y los elementos del núcleo. Esto puede deberse a factores ambientales como la temperatura, la entrada de humedad y la contaminación, que pueden afectar negativamente a la integridad de la unión. El resultado ha sido una tendencia a diseñar componentes con factores de seguridad excesivos para compensar esta degradación potencial.

Debido al proceso de producción de una sola vez de CorXal no hay una interfaz de unión entre la piel y los elementos del núcleo, en su lugar una matriz continua de aluminio en todo el material proporciona un sistema cerrado. Esto significa que las piezas fabricadas con CorXal no sucumbirán a las condiciones ambientales, manteniendo las propiedades estructurales necesarias, aumentando la rigidez hasta cuatro veces en comparación con algunos grados de aluminio, y reduciendo el peso en un objetivo del 40% en comparación con algunos aceros. La reducción del peso de las aeronaves también tendrá un efecto correspondiente en el consumo de combustible.

Beneficios de los AMC

Los CMA ofrecen importantes reducciones de peso en comparación con los materiales heredados, lo que ofrece a los fabricantes la posibilidad de afrontar el reto de reducir el peso y el consumo de combustible, manteniendo al mismo tiempo la fiabilidad y reduciendo los costes de propiedad durante toda la vida útil.

Los AMC son únicos en el sentido de que están disponibles en múltiples variantes (en las que el material metálico ha sido reforzado con un material secundario de alto rendimiento -típicamente, una fibra larga, una fibra corta o una partícula-) y las propiedades, como la rigidez, la resistencia y la densidad, pueden adaptarse mediante el refuerzo de las partículas con un refuerzo de fibra continua (CFR). Este método es el preferido para las aplicaciones en las que se necesita un mayor rendimiento.

Según Alvant, los AMC pueden tener una resistencia superior a la del acero con menos de la mitad del peso, lo que significa que los componentes altamente cargados, generalmente fabricados con metales tradicionales, como el acero, el titanio y el aluminio, pueden ser sustituidos por piezas ligeras de baja inercia sin que aumente el tamaño del paquete.

Cuando se utilizan para diseñar componentes ligeros y duraderos para entornos difíciles, los AMC pueden tener mayor resistencia, mayor rigidez, menor peso, mayor resistencia al desgaste, menores coeficientes de expansión térmica y mayor conductividad eléctrica, en comparación con los metales no reforzados.

Los AMC también presentan múltiples ventajas sobre los materiales reforzados con fibras poliméricas, como una mayor resistencia y rigidez transversal, un mayor rango de funcionamiento térmico, una mejor resistencia al desgaste, una mayor tolerancia a los daños y más oportunidades de reciclaje.

"Estas industrias se enfrentan al reto de encontrar materiales adecuados que disminuyan el peso, manteniendo la fiabilidad y reduciendo los costes que puede conllevar la propiedad de toda la vida", añade Thompson. "Los AMCs ofrecen un potencial excitante a las industrias que necesitan un cambio en el rendimiento para cumplir con las cada vez más estrictas demandas del mercado y de la legislación. Estamos en las etapas de crecimiento de una era de Nuevos Materiales, ahora es el momento de que la industria aeroespacial deje de depender de las tecnologías tradicionales y adopte el cambio"

www.alvant.com

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