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El catedrático Alfredo Güemes, en el curso de La Granja.
«Ni siquiera en ‘La guerra de las galaxias’ se planteaba una autorreparación en pleno vuelo»

«Ni siquiera en ‘La guerra de las galaxias’ se planteaba una autorreparación en pleno vuelo»

Los Cursos de Verano de la UPM en La Granja de San Ildefonso analizan los primeros pasos hacia «el Internet de las estructuras»

el norte

Jueves, 14 de julio 2016, 12:37

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Los nuevos materiales son los protagonistas en el diseño y fabricación de aeronaves. El avance de la tecnología y el trabajo de los ingenieros han permitido descubrir, crear o desarrollar materiales compuestos que aumentan la calidad del producto resultante. Ello ha llevado a sustituir materiales de la naturaleza como el acero, la madera, el aluminio o el cristal por fibras de carbono, nanopartículas o composites.

Su potencial es enorme y su uso comienza a ser cotidiano en áreas tan dispares como la medicina, la energía eólica o el deporte. Es la revolución de los materiales compuestos. En el sector aeroespacial, la realización de alas, secciones de fuselaje o superficies sustentadoras de los aviones con este tipo de materiales permite un ahorro energético, ya la reducción del peso está directamente relacionada con un menor consumo de combustible. Asimismo, se disminuyen los costes de operación y de mantenimiento. Materiales y sensores. El primer paso hacia el internet de las estructuras es el título del curso de verano que la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) imparte en La Granja. Este se centrará en las funciones sensoriales y auto reparadoras de este tipo de materiales de altas prestaciones, presentando aquellas técnicas que integradas en la propia estructura durante su fabricación, pueden informar del estado de cargas a que está sometido la estructura, del inicio de grietas, y finalmente, de procedimientos de auto reparación. La jornada de hoy estará dedicada a los materiales con nanopartículas embebidas y autorreparables.

Alfredo Güemes, catedrático en la ETSI Aeronáutica y del Espacio de la UPM, dirige este curso y apunta a hacia dónde se dirigen con el objetivo de conseguir materiales aún más inteligentes, con una eficiencia estructural solo limitada por nuevos hallazgos tecnológicos.

Hace unos años la irrupción de los materiales compuestos suponía una revolución en la industria, pero ya estamos hablando de materiales inteligentes, ¿cómo ha sido la evolución de los unos hacia otros?

Los materiales compuestos son materiales construidos a medida para la aplicación en la que van a ser utilizados, con mejores propiedades en las direcciones que más se necesita. La inteligencia es una propiedad única del ser humano. La madera tiene propiedades direccionales, y además, cuando está en el árbol, es autoreparable y sensible a las acciones exteriores, y sin embargo, nadie lo definiría como material inteligente. Cuando se habla de materiales inteligentes se refieren a estructuras o materiales con capacidad sensorial y activa, es decir, que a diferencia de las estructuras convencionales pueden reconocer la solicitación a la que están sometidos, e informar si está próximo a la carga máxima que soportan.

¿El uso de materiales inteligentes da la vuelta al sistema productivo, es decir, se fabrica el material una vez ya se ha definido cuál es el diseño más eficiente de un producto concreto?

Efectivamente, esto ya ocurría con los materiales compuestos, que se construyen a medida con la estructura, dando la orientación necesaria a las fibras. E igualmente ocurre con los materiales sensoriales, donde la posición y número de sensores va a depender de la geometría de la estructura.

Los materiales compuestos están sustituyendo a los convencionales en la industria aeroespacial, ¿qué porcentaje de una aeronave comercial está hecha de material compuesto? ¿Qué materiales predominan y en qué elementos del avión?

Los materiales compuestos están sustituyendo a los convencionales en la industria aeroespacial, ¿qué porcentaje de una aeronave comercial está hecha de material compuesto? ¿Qué materiales predominan y en qué elementos del avión?

En los diseños más recientes, Airbus A350 y Boeing 787, el porcentaje en peso de la estructura de CFRP (Carbon Fibre Reinforced Plastics) es ligeramente superior al 50%. En los aviones del futuro van a participar todos los tipos de materiales, ya que los requerimientos van cambiando según la función estructural, por ejemplo, alta tenacidad en el tren de aterrizaje, alta rigidez en las superficies móviles

¿Qué son los materiales con control de forma?

Los materiales con memoria de forma, principalmente aleaciones níquel-titanio, son materiales que se pueden deformar plásticamente, pero que al calentarse recuperan la forma original. Tienen además otras propiedades, como comportamiento superelástico. Se conocen desde hace más de 30 años, pero no han encontrado muchas aplicaciones industriales.

¿Cómo funcionan los materiales autorreparables?

El mejor ejemplo de material autorreparable es el caucho en los neumáticos sin cámara (tireless), capaces de cerrar un pinchazo para evitar la pérdida de presión. En esta aplicación, el flujo de aire arrastra material, cerrando temporalmente la salida. La autoreparación de propiedades estructurales está todavía en una etapa muy básica.

¿Podríamos ver en un futuro un avión que se repare en pleno vuelo si sufre un fallo estructural?

Siendo muy futurista, podemos imaginar que el computador de a bordo sea capaz de informar al piloto de daños estructurales, de las maniobras que puede realizar y de la posibilidad de superviviencia. Pero ni siquiera en La guerra de las galaxias se planteaba una autoreparación en pleno vuelo.

El sector aereospacial siempre va a la cabeza en el uso de este tipo de materiales, pero ¿en qué otros elementos de la vida cotidiana se pueden encontrar?

Posiblemente sean otros sectores los que inicien las aplicaciones industriales a gran escala. Por ejemplo, el mantenimiento de aerogeneradores, sobre todo los off-shore, es extraordinariamente costoso, y disponer de un sistema de alerta, que tome decisiones en caso de inicio de daño estructural, será una gran ventaja. En la actualidad, estos sistemas se emplean ya en plataformas petrolíferas.

El curso se titula 'El primer paso hacia el internet de las estructuras'. ¿Qué supone que los propios materiales informen de su estado durante la vida útil de un producto?

En la actualidad, las estructuras son inertes, solo cuando se ha producido el fallo catastrófico se hace evidente la sobrecarga a la que estaba sometida. Eso obliga a hacer diseños muy conservativos, de manera que las cargas máximas estén muy por debajo de su capacidad estructural (en aeronáutica se emplea un factor de seguridad 1,5 sobre la peor condición imaginable de vuelo, pero en otras estructuras, como edificación, factores de 10 no son extraños). En una estructura que mida la carga a la que está sometida, y que además lo compare no con sus capacidades iniciales, sino con su resistencia real, va a cambiar significativamente tanto el diseño como el mantenimiento de las estructuras.

¿En qué punto se encuentran las investigaciones para acercarnos a esa revolución de las capacidades de las estructuras?

Una estructura sensorial exige una estructura, unos sensores y un sistema capaz de procesar en tiempo real toda la información. Es a partir de 1980, cuando los PC de gran potencia de cálculo y bajo coste se hacen asequibles, cuando se comienzan a desarrollar estas tecnologías. La parte más compleja es cómo sacar información útil de todas las señales que se reciben continuamente. Esa es la parte que encierra la inteligencia del sistema, y la que mayor desarrollo necesita todavía.

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