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El Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Materiales (IMDEA Materiales) lidera el ambicioso proyecto Europeo DEFCOM cuyo objetivo es el desarrollo de herramientas de simulación y caracterización no destructiva que permitan a los fabricantes de materiales compuestos estructurales discriminar entre diferentes tipos de defectos y así poder aumentar la fiabilidad de dichos materiales.
Los materiales compuestos de matriz polimérica están siendo utilizados actualmente en muchas aplicaciones estructurales que requieren una reducción en peso importante por motivaciones energéticas y/o medioambientales. Un ejemplo paradigmático son los nuevos materiales compuestos desarrollados para aplicaciones aeronáuticas. Por ejemplo, la nueva aeronave AIRBUS A380 contiene hasta un 25% en peso de materiales compuestos (GLARE® y materiales compuestos de fibra de vidrio y de carbono) en sus alas, fuselaje y secciones de cola y el nuevo Boeing 787 Dreamliner presume de ser la primera aeronave con un fuselaje completamente fabricado en material compuesto.
Sin embargo, para que estos diseños estructurales sean verdaderamente eficientes, es necesario llevar estos nuevos materiales al límite de sus posibilidades. Y mientras no se avance en nuestro conocimiento de estos materiales, esta posibilidad se ve limitada por la presencia de defectos internos (despegues, huecos, arrugas, etc.), que bien proceden del proceso de fabricación o se generan durante el proceso de ensamblaje y mantenimiento de estas estructuras.
Pero, ¿cómo encontrar estos defectos internos? Y una vez localizados, ¿qué es lo que hace que un defecto sea inofensivo o verdaderamente comprometa la integridad estructural del material? En la actualidad, la industria aeronáutica se ve obligada a realizar vastas baterías de ensayos mecánicos a diferentes escalas (desde el material, pasando por el subcomponente, hasta llegar a la estructura completa) que pueden durar hasta la friolera de siete años, para validar y certificar la utilización de nuevos materiales. ¿No sería mejor disponer del conocimiento necesario que nos permita predecir el comportamiento mecánico de un nuevo material compuesto, y más importante, el efecto de los defectos que se puedan producir? Varios avances recientes han contribuido a que este conocimiento se encuentre actualmente al alcance de la Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Por un lado, el desarrollo de técnicas de análisis no destructivo como la tomografía computacional de rayos X. Dicha técnica se basa en la reconstrucción asistida por ordenador de la microestructura tridimensional de una material a partir de radiografías del material adquiridas desde diferentes ángulos de visión. El desarrollo de nuevas técnicas de generación y detección de Rayos X ha permitido en la actualidad alcanzar resoluciones sub-micrométricas, haciendo de esta técnica una herramienta muy valiosa para la caracterización interna de los defectos y el estudio de la propagación de daño en materiales compuestos con una gran fiabilidad, como se observa en las siguientes imágenes.
Por otro lado, las nuevas estrategias de simulación y el incremento de la potencia de cálculo en los últimos años, ha hecho posible el desarrollo de potentes modelos micro y mesomecánicos, que teniendo en cuenta explícitamente la configuración de las fibras (y la tipología de los defectos), permiten predecir tanto el comportamiento mecánico como los mecanismos responsables del fallo, y su interacción con los defectos pre-existentes en el material.
Con el objetivo de profundizar en estos aspectos y desarrollar herramientas que permitan a los fabricantes de material compuesto discriminar entre los diferentes tipos de defectos, IMDEA-Materiales lidera el proyecto DEFCOM, con financiación de la Comunidad de Madrid a través de la red ERA-net MATERA. El consorcio, formado por universidades de Austria, y empresas en el sector aeronáutico (SECAR) y en el sector de energía eólica (GAMESA), trabajará durante tres años con este objetivo. Para ello, IMDEA-Materiales dispone de un equipo de nanotomografía de rayos X de última generación, Phoenix Nanotom, con una resolución nominal de 0.3 micras, y de las técnicas más avanzadas de simulación multi-escalar aplicadas a materiales compuestos.
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Referencias bibliográficas:
P.J. Schilling, R. Bhanu Prakash, R. Karedla, A. Tatiparthi, M. Verges and P.Herrington, Composites Science and Technology 65 (2005) 2071–2078
P. Wright, X. Fu, I. Sinclair, S.M. Spearing, Journal of Composite Materials, Vol. 42, No. 19, 1993-2002 (2008)
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