Fibra de carbono en automoción, aeronáutica y náutica

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Sin ánimo de convertir el presente artículo en un seminario técnico sobre la fibra de carbono, porque el tema da para mucho, pero sí dar unas pinceladas generales de la mayoría de aspectos, vamos a intentar desgranar qué es y por qué se utiliza la fibra de carbono en automoción, aeronáutica, náutica y, más en general todavía, en todas aquellas aplicaciones que requieran un comportamiento mecánico exigente con el menor peso posible.

Al final del artículo se ha incluido un breve glosario para intentar definir o explicar algunos términos para que aquellos lectores que estén menos familiarizados con estos temas puedan entender mejor lo aquí contado.

¿Qué es la fibra de carbono?

Vamos a empezar por aclarar qué es la fibra de carbono o, mejor dicho, qué se entiende por fibra de carbono cuando nos referimos a ella a nivel cotidiano y de usuario final.

La fibra de carbono comúnmente conocida es en realidad un material compuesto o composite.

Se entiende por material compuesto aquel que está formado por dos o más componentes, de tal forma que las propiedades de interés del material final sean mejores que las de los componentes por separado.

En esa mezcla de componentes hay uno que hace de matriz y otro u otros que hacen de refuerzo (normalmente con forma o aspecto de fibras). La misión de la matriz es embeber (recubrir) a los materiales de refuerzo y transmitirles los esfuerzos o tensiones mecánicas para que sean ellos los verdaderos encargados de soportarlas, por lo que la unión entre matriz y refuerzo es crítica de cara a las propiedades finales del composite y lo ideal es que, además de una unión puramente física o mecánica, ambos la mayor afinidad química posible.

El ejemplo típico y uno de los más antiguos, si no el que más, es el adobe, un material compuesto por una matriz que es el barro y un refuerzo en forma de fibras que es la paja; materiales que por separado difícilmente podrían tener alguna aplicación práctica y que juntos se han utilizado y siguen utilizando para hacer, ni más ni menos, que edificaciones. Otro ejemplo clásico es el hormigón armado, donde la matriz es el propio hormigón y el refuerzo las barras de acero.

Origen de la materia prima que forma la fibra de carbono

La fibra de carbono propiamente dicha se puede obtener de diferentes sustancias que dan lugar a fibra de muy distintas propiedades, pero en la actualidad la gran mayoría de la fibra de carbono que se consume a nivel industrial procede de un material sintético denominado poliacrilonitrilo (PAN), del que mediante un procesos muy complejos y costosos de hilado y carbonización se obtienen los finísimos hilos de fibra, del orden de muy pocas micras, que posteriormente se agrupan en miles para obtener mechas de diferentes espesores que ya son fácilmente manipulables para las diferentes aplicaciones industriales.

Por otro lado, las matrices utilizadas habitualmente son todas ellas materiales sintéticos de origen polimérico diseñadas y fabricadas para optimizar la unión a la fibra de carbono tanto a nivel mecánico como químico.

Presentación y combinaciones de uso de la fibra de carbono para automoción o aeronáutica

En la concepción y definición de cualquier pieza o componente, todo buen ingeniero, diseñador, etc., que se precie de serlo debería abordar esa tarea teniendo siempre en mente “como un todo” el trinomio “material-geometría-proceso” para, por ejemplo, no diseñar productos de geometrías muy complejas que por otros requerimientos tengan que ser realizadas con materiales y procesos de fabricación cuyos límites no lo permitan.

En la actualidad la fibra de carbono se utiliza en un gran número de aplicaciones industriales en las que, dependiendo de ese trinomio “material-geometría-proceso”, se puede encontrar en diferentes formatos y con diferentes matrices, por ejemplo:

  • Fibra de carbono corta como refuerzo de materiales termoplásticos para obtención de piezas por procesos de inyección o similares. En este caso las fibras de carbono son de muy pocos milímetros, entre 1 y 3 normalmente, y se compran ya incorporadas en los pellets de plástico para inyección (polipropilenos, poliamidas, etc.).
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  • Fibra de carbono larga, de hasta 10 o 15 mm, como refuerzo de materiales termoplásticos para procesos derivados de la inyección o extrusión o más larga aún, de varias decenas de milímetros, utilizadas como “mat de fibra” (fibras sin tejer con orientaciones casi aleatorias) en combinación con matrices termoestables (epoxi, poliéster, etc.).
  • Fibra continua, unidireccional o tejida, de “toda la longitud que se necesite” y que se adquiere en rollos para ser utilizada en combinación con matrices termoplásticas o termoestables.
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Sobra decir que la fibra de carbono, como hilos que básicamente son, tiene buenas propiedades únicamente en la dirección longitudinal de dichos hilos, por lo que las piezas, tanto si se usa fibra continua unidireccional como tejida, se hacen con la superposición de varias capas de fibra cada una de las cuales con una orientación específica en función de los esfuerzos que vaya a soportar.

Del mismo modo, los tejidos de fibra de carbono obtenidos a partir de las mechas pueden ser de muy diversas configuraciones (variando su trama y urdimbre) y gramajes en función del objetivo final perseguido y se pueden adquirir en seco o ya pre-impregnados de la resina o matriz en función del proceso de fabricación seleccionado.

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En lo que a las matrices se refiere, cuando son termoplásticas (polipropileno, poliamida, etc.) su presentación es sólida en forma habitual de pellets o planchas, según el proceso al que vayan destinadas, y mediante el calentamiento pueden ser reblandecidas o fundidas para darles la forma deseada.

En el caso de las matrices termoestables su presentación suele ser líquida o algo viscosa y mediante la adición de agentes catalizadores o simplemente mediante ciclos térmicos prolongados a elevadas temperaturas se producen las reacciones químicas irreversibles de curado o endurecimiento que dan lugar al aspecto final.

Procesos de fabricación de la fibra de carbono

Al igual que sucede con los formatos de fibra y su combinación con las matrices, hay procesos de fabricación muy diferentes en función de las piezas a realizar, cada uno de ellos con sus ventajas e inconvenientes, por lo que, como ya hemos dicho antes, es una aspecto que se debe tener en cuenta y definir desde el inicio en base a las especificaciones de cada pieza, la cantidad de piezas a fabricar, etc.

Además, dado que este aspecto es uno de los que más encarece el precio final de las piezas, los procesos de fabricación de la fibra de carbono están en constante evolución persiguiendo la mayor automatización posible, lo cual ya existe a un alto nivel cuando se trata de piezas de geometrías sencillas.

A continuación, vamos a citar y describir brevemente sólo los que consideramos más relevantes y con los que se hacen la mayoría de las piezas de fibra de carbono de automoción, aeronáutica y náutica tal como se entiende o percibe a nivel de usuario final.

En estos procesos que vamos a citar y describir, la materia prima casi siempre es tejido de fibra de carbono con matriz termoestable, mayoritariamente de tipo epoxy.

Laminado manual y curado en autoclave

Es el proceso de fabricación más clásico, tradicional y por el que a día de hoy se siguen haciendo gran número de componentes, sobre todo cuando la geometría no es del todo sencilla.

Se parte de la materia prima en forma de tejido ya pre-impregnado de la resina o matriz (lo que obliga a tenerlo que almacenar en cámaras frigoríficas a unos -18 ºC para que la resina se mantenga en buenas propiedades sin iniciar su proceso de curado) y de un molde abierto con una huella o geometría que replica sólo una de las caras de la pieza.

El endurecimiento o curado de la matriz suele ser en un autoclave mediante un ciclo de temperatura y presión que variará en función de la matriz, pero suele ser en torno a 180 ºC de temperatura, unos 4 bar de presión y durante 1,5 o 2 horas desde que se alcanza esa temperatura.

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Este proceso de fabricación manual de la fibra de carbono es, por ejemplo, el empleado de forma general en la fabricación de los monoplazas de la F1.

Las etapas del proceso son las siguientes:

  • Cortar el tejido con la forma o patrones de la geometría de la pieza, tantas capas y orientaciones como se haya definido en el diseño. Esto se hace habitualmente con máquinas de corte de tejido similares a la de la industria textil.
  • Laminar o colocar sobre el molde las sucesivas capas de tejido en las posiciones y con las orientaciones definidas, evitando generar arrugas o cualquier otro defecto.
  • Colocar por encima de todas las capas de tejido una serie de capas de materiales auxiliares de ayuda al proceso (que no procede ahora entrar en detalle) y una bolsa de vacío que se sella contra el molde para que sea estanca.
  • Introducir el molde en el autoclave y conectar las tomas de la bolsa de vacío y el resto de sensores para control de la temperatura.
  • Realizar en el autoclave el ciclo de temperatura y presión especificado, dejando al terminar que enfríe a una velocidad controlada y  no demasiado rápida.
  • Sacar el molde del autoclave y desmoldear la pieza.
  • Hacer las operaciones finales sobre la pieza (recanteos, taladros, etc.) hasta dejarla terminada.

El vacío que se aplica a la bolsa que se coloca sobre el molde por encima de las capas de tejido tiene 2 objetivos principales: El primero es pre-compactar las capas de tejido para aproximar el espesor total al espesor final deseado y el segundo y verdaderamente importante es extraer del interior de la pieza tanto el aire atrapado inicialmente durante el proceso de laminación como los gases producidos al endurecer la resina; todo ello con el objetivo de minimizar la cantidad y tamaño de los poros existentes en el interior, lo cual sería origen de fallo cuando la pieza esté en servicio.

En el autoclave, con la presión se provoca el compactado final de las capas de tejido (ya que con el vacío, que como mucho puede llegar a estar próximo a 1 bar de depresión, no es suficiente) y con la temperatura se provoca el curado o endurecimiento de la resina.

En el siguiente video, al principio, se puede ver perfectamente este proceso con todas las etapas antes citadas.

Infusión

Bastante similar al anterior, por lo que sólo citaremos las mayores diferencias:

  • Se parte de tejido seco, sin la resina.
  • La bolsa de vacío, además de tener una o varias conexiones para aplicar dicho vacío, tiene una o varias conexiones por las que se introduce la resina líquida hasta impregnar todo el tejido.
  • Dependiendo de la aplicación y, en consecuencia, de la resina utilizada, el curado puede ser como antes dentro de un autoclave, o realizarse a temperatura ambiente si la resina está catalizada (normalmente mezclando 2 componentes) y la reacción de curado no precisa de altas temperaturas.

Inyección a presión (RTM)

Conocido industrialmente como Moldeo por Transferencia de Resina (RTM).

En este caso se parte de tejido de fibra de carbono seco y de un molde cerrado y estanco en cuyo interior está la cavidad con la geometría exacta de la pieza. Este molde tiene a mayores varias conexiones por las que aplicar el vacio a su interior y por las que inyectar la resina.

Este proceso de fabricación de fibra de carbono se utiliza para piezas, normalmente, de mayor tirada de producción que las de la F1, como pueden ser algunas piezas concretas de aeronáutica y desde hace relativamente pocos años para las primeras piezas de este tipo que se han empezado a introducir en coches “de calle” de alta gama, por ejemplo capós y techos.

Las etapas del proceso son las siguientes:

  • Cortar los patrones de tejido y colocarlos en su posición y orientación en el molde.
  • Cerrar el molde evitando hacer arrugas u otro tipo de defectos.
  • Realizar las conexiones y llevar a cabo el vacío y la inyección de la resina.
  • Proceder al curado de la resina calentando el molde por el sistema elegido (en prensa con platos calientes, en un horno, con calefacción propia incorporada al molde, etc.) o a temperatura ambiente si la resina está catalizada y lo permite.
  • Dejar enfriar el molde, abrirle y desmoldear la pieza.
  • Hacer las operaciones finales sobre la pieza (recanteos, taladros, etc.) hasta dejarla terminada.

¿Por qué es “tan buena” la fibra de carbono?

Se puede resumir mucho de una manera muy sencilla y fácil de entender: La mayoría de las propiedades físicas o mecánicas que tienen verdadera importancia al diseñar y calcular una pieza, la fibra de carbono las tiene notablemente mejor que la gran mayoría de materiales, ¡¡¡ojo!!!, por unidad de masa empleada.

Es decir, si por ejemplo comparamos la fibra de carbono con el acero, en valores absolutos el acero tiene más rigidez, resistencia a rotura, etc., pero si esa comparación la hacemos por masa empleada, la fibra gana con creces, ya que tiene esas propiedades 2 o 3 veces menor que el acero, pero con una densidad casi 5 veces menor. Para que se entienda mejor, podemos hacer una viga que soporte lo mismo que una de acero pesando bastante menos; podemos construir gran parte del chasis de un coche o de un monoplaza en fibra de carbono y que pese menos que si fuera de acero con la misma resistencia mecánica, otra cosa es el coste.

A mayores, el hecho de que las piezas de fibra de carbono se hagan a partir de diferentes capas superpuestas, cada una de ellas con la orientación deseada de las fibras, tanto si es unidireccional como tejido, concede a los ingenieros una libertad muy amplia para poder optimizar aun más el peso de las piezas colocando en cada zona el número de capas mínimo necesario, con la orientación correcta, en base a los esfuerzos a los que van a estar sometidas esas piezas en servicio, cosa que no se puede hacer con otros materiales y procesos con los que las piezas hay que diseñarlas en base a su zona más crítica, provocando que en la misma pieza haya otras zonas sobredimensionadas en base a sus requerimientos y, en consecuencia, con mayor peso del que sería estrictamente necesario si se pudiera fabricar.

Así por ejemplo, si tuviéramos que hacer de fibra de carbono una viga cuyos esfuerzos son casi en exclusiva en la dirección longitudinal, la mayoría de capas de fibra estarían orientadas en esa dirección y su comportamiento a flexión sería el óptimo con el mínimo peso. En cambio, si la pieza es por ejemplo una parte del chasis o carrocería de un coche, que va a sufrir esfuerzos en muy variadas direcciones (el propio peso del coche, fuerzas centrífugas, aerodinámica, etc.), debería estar hecha por capas de fibra tejida y orientadas en todas esas posibles direcciones para soportar las cargas.

Todo esto hace que, como decíamos en el primer párrafo, la fibra de carbono sea la mejor opción en todas aquellas aplicaciones que requieran un comportamiento mecánico exigente con el menor peso posible.

Y ahora la gran pregunta es: ¿Si es tan buena por qué no se utiliza más… para todo? La respuesta, como ya sabréis u os podáis imaginar, es sencilla, por su precio. Tanto el precio de las materias primas aquí descritas, como los propios procesos de fabricación, que en general requieren mucha mano de obra directa, hacen que las piezas de fibra de carbono tengan un coste mucho más elevado que si esas piezas, para cumplir su función, se hacen con otros materiales y por otros procesos.

Por eso normalmente sólo se hacen con fibra de carbono piezas para aplicaciones de muy alto nivel donde el peso sea una variable tan crítica que deje en segundo lugar al propio precio: Coches de competición o de muy alta gama, estructura de aviones, cascos de embarcaciones de competición, equipamiento deportivo de primer nivel como esquís, canoas, remos, cuadros de bicicletas, etc.

La fibra de carbono en automoción

Por todo lo que ya hemos explicado es fácil entender que la fibra de carbono como la entendemos a nivel de calle se sigue usando a día de hoy casi a nivel exclusivo de la alta competición.

El ejemplo típico conocido por todos es la Fórmula 1, donde la relación peso/potencia es crítica para ser competitivos a primer nivel y donde parece que el dinero no es el problema…

Actualmente, casi la totalidad del chasis o estructura de los monoplazas se hace de fibra de carbono, además de muchas otras piezas como el morro, los alerones, el volante, el asiento, el propio casco de los pilotos (mezclando fibra de carbono con kevlar para mejorar el comportamiento a impacto), etc.

La mayoría de estas piezas se hacen por laminado manual y curado en autoclave, ya que al hacerse muy pocas unidades iguales el coste de los moldes y utillajes es mucho menor que en el proceso de RTM. A eso hay que añadir que el proceso de diseño de los F1 no termina cuando empieza la primera carrera, su evolución constante hace que un molde de cualquier pieza aerodinámica pueda tener que sufrir varias modificaciones, o directamente tenerle que hacer nuevo, a lo largo de toda la temporada para satisfacer la evolución del monoplaza.

Al margen de la alta competición, BMW ya introdujo hace cerca de 15 años algún componente de fibra de carbono hecho por RTM, como el capó, en algunos de sus modelos M (M3 y M5), aunque creemos que fue casi más como novedad y argumento de marketing para esos modelos.

Mucho más recientemente BMW sí apostó ya en serio por la fibra de carbono para vehículos de calle al hacer con ella casi todo el chasis del BMW i3, evidentemente por ser un modelo 100 % eléctrico en el que la reducción de peso conlleva un aumento directo de autonomía, el gran objetivo buscado por todos…

En la actualidad hay todavía muy pocos coches de calle, y por supuesto sólo los de muy alta gama, que incorporen piezas de fibra de carbono tanto en su estructura como en su interior a nivel decorativo, por el “caché” asociado a este material cuando queda a la vista el tejido de carbono. Pero ojo, no todo lo que parece fibra de carbono en automoción, es en realidad fibra de carbono, la inmensa mayoría de piezas de carbono que puedes ver en el interior de vehículos, de gama incluso alta hacia abajo, no son en realidad de fibra de carbono, son piezas convencionales de termoplástico con un film exterior decorativo de imitación o hechas por inyección con un molde que tiene ese dibujo garbado en la cavidad para que el plástico al ser inyectado lo replique.

Compartimos un par de vídeos de dos coches que tienen en su estructura mucha fibra de carbono, en el caso del monoplaza de F1 la fibra de carbono está dispuesta de tal forma que ante un impacto se va pulverizando de forma progresiva y es capaz de absorber una gran parte de la energía que hay en juego.

El primer vídeo es del equipo de Formula 1 Red Bull en el que podemos ver los crash test de verificación de calidad del frontal del F1 y de una protección de cabeza del piloto ya un poco antigua.

En este vídeo podrás ver cómo en accidentes reales de la F1 la seguridad pasiva de piezas de fibra de carbono ha salvado la vida de pilotos.

En este vídeo se puede apreciar un comportamiento de la fibra de carbono en automoción muy distinto al empleado en la F1, o al menos parcialmente distinto. La fibra de carbono en el Polestar puede absorber parte de la energía, pero fundamentalmente transmite los esfuerzos hacia un subchasis de acero que absorbe energía por deformación de sus largueros de una manera más tradicional.

Se puede ver que la fibra de carbono cuando sufre un crash test y se requiere que absorba energía se pulveriza en partículas muy pequeñas. Siempre lo recordamos y es que en la misma pista de ensayos en las que se ensayan los morros de fibra de carbono de los F1 Ferrari y Sauber también RiveKids realiza sus ensayos de impacto tanto de investigación como de conformidad de producción de RiveMove. CSI es el centro tecnológico de automoción que hay en Italia y optimiza una de sus instalaciones de ensayos de sistemas de retención infantil con un equipo de aspiración especial para fibra de carbono que usa en diciembre y enero para los crash test de la Formula1.

La fibra de carbono en aeronáutica

La aeronáutica, sobre todo la aviación civil, es un sector en el que la variable peso es crucial, ya que está directamente relacionado con el consumo, uno de los mayores costes de operación de los aviones. A más peso del propio avión mayor consumo y menos peso para transportar, lo que implica directamente mucho menos beneficio.

Esto es lo que justifica el uso ya masivo de fibra de carbono en los aviones comerciales actuales, habiendo multiplicado por 3 o 4 en las 2 últimas décadas el porcentaje de piezas estructurales hechas por fibra de carbono. El último gran ejemplo es el Airbus A350, donde algo más del 50 % de la estructura es ya de fibra de carbono.

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La variedad de piezas o componentes que se hacen con fibra de carbono es muy muy amplia, siempre hablando de piezas que forman parte de la estructura del avión o que tienen requerimientos mecánicos muy altos: bordes de ataque de alas y estabilizadores, flaps, cuadernas, capós de los motores, multitud de costillas de refuerzo, etc.

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El proceso más utilizado tradicionalmente para todas estas piezas de fibra de carbono ha sido el de laminado manual y curado en autoclave, pero como ya decíamos en apartados anteriores, este es un aspecto en constante evolución debido a que representa una parte muy alta del coste final de las piezas. Por ejemplo, desde hace ya 15 o 20 años, el laminado de las capas de fibra de carbono para piezas de geometría relativamente sencilla (paneles casi lisos con ligeras curvaturas o cambios de geometría suaves) se hace de forma automática en unas máquinas denominadas ATL (Automated tape laying), consiguiendo un ahorro importante del coste de mano de obra directa. Del mismo modo, aunque por otros motivos, algunas de esas piezas se han pasado a fabricar por RTM.

La fibra de carbono en náutica

La utilización de la fibra de carbono en náutica tiene prácticamente la misma explicación que lo comentado para la Fórmula 1, máxima reducción de peso con excelentes propiedades mecánicas. Aplicándose sobre todo a embarcaciones deportivas de primer nivel para hacer, por ejemplo, los propios cascos de una única pieza (conocido como estructuras monocasco) o los mástiles para las velas.

En el caso de los cascos de estas embarcaciones, algunos de un tamaño considerable y precisamente por ello, se suelen hacer por procesos de infusión, resultando cuanto menos curioso cuando se ve, como en el siguiente video, todo el montaje de tejidos y mangueras por las que entra la resina hasta impregnar toda la estructura. (El ejemplo del video parece estar hecho con fibra de vidrio y casi con seguridad resina o matriz de poliéster, lo cual, por decirlo de alguna manera, es la “gama baja”, en cuanto a calidad y prestaciones, de los materiales compuestos de fibra y termoestable, pero el proceso para fibra de carbono con resina epoxi sería prácticamente idéntico.

Glosario:

Autoclave: Máquina o equipo que básicamente es un recipiente hermético en el que someter a lo que se introduzca en su interior a ciclos de temperatura y/o presión junto con algún otro proceso simultaneo con sustancias especiales para algunas aplicaciones concretas como el tratamiento de maderas, etc. (Por decirlo de una forma llana, es como un olla industrial).

Termoplástico: Material polimérico que por su composición y estructura y enlaces internos a nivel molecular se ablanda o funde por la acción del calor y se endurece al enfriarse, de forma reversible, lo que le hace fácilmente reciclable y reutilizable.

Termoestable: Material polimérico que por su composición y estructura y enlaces internos a nivel molecular no se ablanda o funde por la acción del calor, la aplicación excesiva y continuada de calor sólo llega a provocar su deterioro o degradación, lo que le hace no reciclable ni reutilizable.

Trama y urdimbre: Son los hilos o conjuntos de hilos con los que se hacen los tejidos en los telares. La urdimbre son los hilos longitudinales (dirección larga del tejido) que se mantienen en tensión en el marco o telar y la trama son los hilos transversales que se entrelazan de diferentes formas con la urdimbre para formar los diversos tipos de tejidos.

Cuadernas: Conjunto de piezas (“costillas”) que forman el armazón de una estructura. En su origen se referían casi en exclusiva a los barcos (“piezas curvas cuya base encaja en la quilla del buque, desde donde arranca en dos ramas simétricas, formando parte del armazón del casco”), pero por su similitud el término se adoptó también para aviones.

Flaps: Partes móviles de las alas y estabilizadores de los aviones que sirven para variar tanto su superficie como su geometría, permitiendo, en consecuencia, poder actuar sobre la sustentación y aerodinámica del avión. Utilizadas por los pilotos sobre todo denla maniobras de despegue y aterrizaje.

Puedes escuchar nuestro programa de radio relacionado con este tema pinchando aquí.

Firmado: Jesús Casado de la Fuente

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2 comentarios en «Fibra de carbono en automoción, aeronáutica y náutica»

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