Mejoran las uniones atornilladas en los aviones

Los componentes estructurales de gran tamaño de una aeronave están formados por un elevado número de elementos, ensamblados entre sí mediante diversas técnicas, como la soldadura, la unión adhesiva, mecánica o una combinación de ellas. De estas técnicas, la unión mecánica es el método más empleado en componentes de materiales compuestos.

Solo el ala del Airbus 380 se compone de más de 30.000 elementos y alrededor de 750.000 uniones mecánicas. Resultan claves dado que representan un punto débil que puede contribuir a la rotura del elemento, así como incrementar el peso si no se ha realizado un diseño eficiente y, por consiguiente, aumentar el coste de operación de la aeronave.

Los investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) han analizado el comportamiento de estas uniones mecánicas en estructuras aeronáuticas, en las que se utilizan elementos mecánicos (tornillos, tuercas, arandelas) para unir piezas fabricadas con materiales compuestos.

En concreto, los científicos de la UC3M han analizado la influencia del par de apriete del tornillo (la fuerza con la que se aprieta) y de la temperatura, que varía desde los -50ºC a los que se encuentra un avión a 10.000 metros de altura hasta los 90ºC a los que puede estar expuesta una unión mecánica cerca de una fuente de calor. Para ello, desarrollaron un modelo numérico y analizaron el comportamiento de estas uniones y diferentes condiciones.

A bajas temperaturas, se aplastan las fibras

"La principal conclusión a la que llegamos es que el par de apriete de cada unión debe estimarse teniendo en cuenta el rango de temperaturas a las que va a estar sometida la placa, porque las normas que se aplican en la industria para determinar el par de apriete no tienen en cuenta este efecto", explica uno de sus autores, el profesor Enrique Barbero, responsable del grupo de investigación de Mecánica de Materiales Avanzados del departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la UC3M, que ha publicado recientemente el estudio en el Journal of Reinforced Plastics and Composites junto a los profesores María Henar Miguelez y Carlos Santiuste.

El principal modo de fallo que han encontrado fue el aplastamiento de las placas de fibra de carbono contra el fuste del tornillo, favorecido por las temperaturas bajas o por bajos niveles del par de apriete. "A -50ºC se reduce el volumen de las placas y disminuye el efecto del par de apriete, por lo que las uniones que estén sometidas a estas temperaturas, como son las que forman parte del fuselaje y de la estructura externa del avión, deben estar sometidas a un par de apriete mayor para que su efecto se mantenga cuando la temperatura es muy baja", precisa el profesor Carlos Santiuste.

El efecto contrario también puede ser peligroso, comentan los investigadores, porque cuando la temperatura es alta o cuando el par de apriete es demasiado elevado, las placas de material compuesto se pueden dañar por la compresión entre la cabeza del tornillo y la arandela.

Las aplicaciones que puede tener este estudio son muy diversas. Optimizar de diseño de uniones mecánicas en estructuras aeronáuticas o aeroespaciales permitiría reducir los coeficientes de seguridad en el diseño, lo que se traduciría en un menor peso estructural. Además, este ahorro implica un menor consumo de combustible y, por tanto, una reducción de los costes de operación de la aeronave y del impacto medioambiental.

En este sentido, el desarrollo de aeronaves más eficientes energéticamente y con menor impacto medioambiental está definido dentro de iniciativa Clean Sky recogida en el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea.

Esta investigación se ha abordado desde de punto de vista global, considerando desde la etapa de diseño hasta la operación del elemento estructural, por lo que tiene un carácter marcadamente interdisciplinar. Por ello, se planteó una colaboración entre dos grupos de investigación de distintos departamentos de la UC3M: el de Mecánica de Materiales Avanzados, que coordina el profesor Enrique Barbero y que está centrado en el estudio de elementos estructurales ligeros; y el de Tecnologías de Fabricación y Diseño de Componentes Mecánicos y Biomecánicos del departamento de Ingeniería Mecánica, dirigido por la profesora Mª Henar Miguélez, que trabaja en el estudio de los procesos de mecanizado.

De esta forma, se pudo analizar la problemática de estas uniones, que combinan un problema térmico y otro mecánico, dados los efectos de la temperatura y del par de apriete. "Este tipo de colaboraciones entre grupos de investigación son de gran de interés, dado que la mayoría de las líneas de investigación más relevantes tienen un fuerte carácter interdisciplinar y permite abordar líneas de investigación más ambiciosas", comenta el profesor Barbero.

Fruto de la experiencia adquirida con este trabajo se ha propuesto un proyecto al Plan Nacional de I+D+i que ha sido concedido y que proporciona financiación para continuar esta línea de investigación en los próximos tres años y para realizar una campaña de ensayos experimentales.