Materiales Compuestos en Aviación - Advanced Composite Materials

Los materiales compuestos son cada vez más importantes en la construcción de estructuras aeroespaciales. Las piezas de los aviones fabricadas con materiales compuestos, como los carenados, los alerones y los controles de vuelo, se desarrollaron durante la década de 1960 por su ahorro de peso respecto a las piezas de aluminio. 

Las grandes aeronaves de nueva generación están diseñadas con estructuras de fuselaje y alas totalmente de materiales compuestos, y la reparación de estos materiales compuestos avanzados requiere un conocimiento profundo de las estructuras, los materiales y las herramientas de los materiales compuestos. Las principales ventajas de los materiales compuestos son su alta resistencia, su peso relativamente bajo y su resistencia a la corrosión.

Estructuras laminadas - Laminated structures 

Los materiales compuestos consisten en una combinación de materiales que se mezclan para conseguir unas propiedades estructurales específicas. Los materiales individuales no se disuelven o fusionan completamente en el compuesto, sino que actúan juntos como uno solo. Normalmente, los componentes pueden identificarse físicamente al interactuar unos con otros. Las propiedades del material compuesto son superiores a las de los materiales individuales con los que está construido.

Un material compuesto avanzado está hecho de un material fibroso incrustado en una matriz de resina, generalmente laminado con fibras orientadas en direcciones alternas para dar resistencia y rigidez al material. Los materiales fibrosos no son nuevos; la madera es el material estructural fibroso más común conocido por el hombre.

Las aplicaciones de los materiales compuestos en las aeronaves incluyen:

• Carenados 
• Superficies de control de vuelo 
• Puertas del tren de aterrizaje 
• Paneles del borde de ataque y de salida del ala y del estabilizador 
• Componentes interiores 
• Vigas y tablas del suelo 
• Estructura primaria del estabilizador vertical y horizontal en aviones grandes 
• Estructura primaria del ala y del fuselaje en aviones grandes de nueva generación 
• Palas de los motores de turbina 
• Hélices

Principales componentes de un laminado - Major Components of a Laminate 

Un material isotrópico tiene propiedades uniformes en todas las direcciones. Las propiedades medidas de un material isotrópico son independientes del eje de la prueba. Los metales como el aluminio y el titanio son ejemplos de materiales isotrópicos.

Una fibra es el elemento principal de carga del material compuesto. El material compuesto sólo es fuerte y rígido en la dirección de las fibras. Los materiales compuestos unidireccionales tienen propiedades mecánicas predominantes en una dirección y se dice que son anisótropos, ya que tienen propiedades mecánicas y/o físicas que varían con la dirección en relación con los ejes de referencia naturales inherentes al material. 

Los componentes fabricados con materiales compuestos reforzados con fibras pueden diseñarse de manera que la orientación de las fibras produzca propiedades mecánicas óptimas, pero sólo pueden aproximarse a la verdadera naturaleza isotrópica de los metales, como el aluminio y el titanio.

Una matriz soporta las fibras y las une en el material compuesto. La matriz transfiere cualquier carga aplicada a las fibras, mantiene las fibras en su posición y orientación elegida, proporciona al material compuesto resistencia al medio ambiente y determina la temperatura máxima de servicio de un material compuesto.

Características de resistencia - Strength Characteristics 

Las propiedades estructurales, como la rigidez, la estabilidad dimensional y la resistencia de un laminado compuesto, dependen de la secuencia de apilamiento de las capas. La secuencia de apilamiento describe la distribución de las orientaciones de las capas en el espesor del laminado. A medida que aumenta el número de capas con orientaciones elegidas, son posibles más secuencias de apilamiento. Por ejemplo, un laminado simétrico de ocho capas con cuatro orientaciones diferentes tiene 24 secuencias de apilamiento diferentes.

Orientación de las fibras - Fiber Orientation 

La resistencia y la rigidez de un compuesto depende de la secuencia de orientación de las capas. El rango práctico de resistencia y rigidez de la fibra de carbono se extiende desde valores tan bajos como los proporcionados por la fibra de vidrio hasta tan altos como los proporcionados por el titanio. 

Esta gama de valores viene determinada por la orientación de las capas con respecto a la carga aplicada. La selección adecuada de la orientación de las capas en los materiales compuestos avanzados es necesaria para proporcionar un diseño estructuralmente eficiente. La pieza puede requerir capas de 0° para reaccionar a las cargas axiales, capas de ±45° para reaccionar a las cargas de cizallamiento y capas de 90° para reaccionar a las cargas laterales. 

Dado que los requisitos de diseño de la resistencia son una función de la dirección de la carga aplicada, la orientación y la secuencia de los pliegues deben ser correctas. Durante una reparación, es fundamental sustituir cada lona dañada por otra del mismo material y orientación.

Las fibras de un material unidireccional van en una dirección y la resistencia y la rigidez son sólo en la dirección de la fibra. La cinta preimpregnada (prepreg) es un ejemplo de orientación unidireccional de las capas.

Las fibras de un material bidireccional van en dos direcciones, normalmente separadas por 90°. Un tejido liso es un ejemplo de orientación bidireccional de las capas. Estas orientaciones de las capas tienen resistencia en ambas direcciones, pero no necesariamente la misma.

Las capas de una composición cuasi-isotrópica se apilan en una secuencia de 0°, -45°, 45° y 90° o en una secuencia de 0°, -60° y 60°. Estos tipos de orientación de las capas simulan las propiedades de un material isotrópico. Muchas estructuras aeroespaciales de materiales compuestos están hechas de materiales cuasi-isotrópicos.

Reloj de urdimbre - Warp Clock 

La urdimbre indica las fibras longitudinales de un tejido. La urdimbre es la dirección de alta resistencia debido a la rectitud de las fibras. El reloj de urdimbre se utiliza para describir la dirección de las fibras en un diagrama, hoja de especificaciones u hojas del fabricante. Si el reloj de urdimbre no está disponible en el tejido, la orientación se pone por defecto a cero cuando el tejido sale del rollo. Por lo tanto, 90° con respecto a cero es el ancho de la tela en sentido transversal.

Formas de fibra - Fiber Forms 

Todas las formas de producto comienzan generalmente con fibras crudas unidireccionales enrolladas y empaquetadas como hebras continuas. Una fibra individual se denomina filamento. La palabra hebra también se utiliza para identificar una fibra de vidrio individual. Los haces de filamentos se identifican como cabos, hilos o rovings. 

Los hilos de fibra de vidrio están retorcidos, mientras que los hilos de Kevlar® no lo están. Los hilos y los rovings no tienen ninguna torsión. La mayoría de las fibras están disponibles como fibra seca que necesita ser impregnada (impregnación) con una resina antes de su uso o como materiales preimpregnados en los que la resina ya está aplicada a la fibra.

Roving 

Un roving es una agrupación única de extremos de filamentos o fibras, como los rovings de vidrio de 20 o 60 extremos. Todos los filamentos están en la misma dirección y no están retorcidos. Los rovings de carbono suelen identificarse como rovings de 3K, 6K o 12K, K significa 1.000 filamentos. La mayoría de las aplicaciones de los productos de roving utilizan mandriles para el bobinado de los filamentos y luego el curado con resina hasta la configuración final.

Unidireccional (cinta) - Unidirectional (Tape)

Las cintas preimpregnadas unidireccionales han sido el estándar en la industria aeroespacial durante muchos años, y la fibra suele estar impregnada de resinas termoestables. El método de fabricación más habitual consiste en introducir los hilos crudos (secos) colimados en la máquina de impregnación, donde las resinas fundidas en caliente se combinan con los hilos mediante calor y presión. 

Los productos de cinta tienen una gran resistencia en la dirección de la fibra y prácticamente ninguna resistencia a través de las fibras. Las fibras se mantienen en su sitio gracias a la resina. Las cintas tienen una mayor resistencia que los tejidos.

Bidireccional (tejido) 

La mayoría de las construcciones de tejido ofrecen más flexibilidad para la colocación de formas complejas que las cintas unidireccionales rectas. Los tejidos ofrecen la opción de impregnar la resina, ya sea por solución o por el proceso de fusión en caliente. 

Por lo general, los tejidos utilizados para aplicaciones estructurales utilizan fibras o filamentos del mismo peso o rendimiento en las direcciones de urdimbre (longitudinal) y de relleno (transversal). En el caso de las estructuras aeroespaciales, los tejidos apretados suelen ser la elección para ahorrar peso, minimizar el tamaño de los vacíos de resina y mantener la orientación de las fibras durante el proceso de fabricación.

Los tejidos estructurales se construyen normalmente con hilos de refuerzo, hebras o hilos que se entrelazan entre sí con la colocación por encima o por debajo durante el proceso de tejido. Los estilos de tejido más comunes son los tejidos lisos o satinados. La construcción del tejido liso es el resultado de la alternancia de cada fibra por encima y por debajo de cada hebra que se cruza (estopa, haz o hilo). 

En los tejidos satinados más comunes, como el de 5 hilos o el de 8 hilos, los haces de fibras se desplazan tanto en la dirección de la urdimbre como en la del relleno, cambiando de posición por encima y por debajo con menos frecuencia.

Estos tejidos satinados tienen menos ondulaciones y son más fáciles de deformar que un tejido liso. En los tejidos lisos y en la mayoría de los tejidos de 5 u 8 hilos, el número de fibras es igual en las direcciones de urdimbre y de relleno. 

Por ejemplo, el tejido liso 3K suele tener una designación adicional, como 12 x 12, que significa que hay doce cabos por pulgada en cada dirección. Esta designación de recuento puede variar para aumentar o disminuir el peso del tejido o para acomodar diferentes fibras de distinto peso.

Tela no tejida (de punto o cosida) - Nonwoven (Knitted or Stitched) 

Los tejidos de punto o cosidos pueden ofrecer muchas de las ventajas mecánicas de las cintas unidireccionales. La colocación de las fibras puede ser recta o unidireccional, sin los giros excesivos o insuficientes de los tejidos. Las fibras se mantienen en su lugar mediante el cosido con hilos finos o hilos después de orientaciones preseleccionadas de una o más capas de capas secas. 

Estos tipos de tejidos ofrecen una amplia gama de orientaciones de varias capas. Aunque puede haber algunas penalizaciones de peso añadido o pérdida de algunas propiedades de las fibras de refuerzo final, se puede obtener una cierta ganancia de propiedades de cizallamiento y tenacidad interlaminar. Algunos de los hilos de costura más comunes son los de poliéster, aramida o termoplásticos.

Tipos de fibra - Types of Fiber 

Fibra de vidrio - Fiberglass 

La fibra de vidrio se utiliza a menudo para la estructura secundaria de los aviones, como carenados, radomos y puntas de las alas. La fibra de vidrio también se utiliza para las palas de los rotores de los helicópteros. Hay varios tipos de fibra de vidrio utilizados en la industria de la aviación. 

El vidrio eléctrico, o vidrio E, se identifica como tal para aplicaciones eléctricas. Tiene una alta resistencia al flujo de corriente. El vidrio E está hecho de vidrio de borosilicato. El vidrio S y el vidrio S2 identifican a la fibra de vidrio estructural que tiene una mayor resistencia que el vidrio E. El vidrio S se produce a partir de silicato de magnesia-alúmina. 

Las ventajas de la fibra de vidrio son su menor coste en comparación con otros materiales compuestos, su resistencia a la corrosión química o galvánica y sus propiedades eléctricas (la fibra de vidrio no conduce la electricidad). La fibra de vidrio tiene un color blanco y está disponible como tejido de fibra seca o material preimpregnado.

Kevlar 

Kevlar® es el nombre de DuPont para las fibras de aramida. Las fibras de aramida son ligeras, fuertes y resistentes. En la industria de la aviación se utilizan dos tipos de fibras de aramida. Kevlar® 49 tiene una alta rigidez y Kevlar® 29 tiene una baja rigidez. Una de las ventajas de las fibras de aramida es su gran resistencia a los daños por impacto, por lo que suelen utilizarse en zonas propensas a sufrirlos. 

La principal desventaja de las fibras de aramida es su debilidad general en la compresión y la higroscopia. Los informes de servicio han indicado que algunas piezas fabricadas con Kevlar® absorben hasta el 8% de su peso en agua. Por lo tanto, las piezas fabricadas con fibras de aramida deben protegerse del medio ambiente. Otra desventaja es que Kevlar® es difícil de perforar y cortar. 

Las fibras se desvanecen con facilidad y se necesitan tijeras especiales para cortar el material. Kevlar® se utiliza a menudo para aplicaciones militares de balística y blindaje corporal. Tiene un color amarillo natural y está disponible como tejido seco y material preimpregnado. Los haces de fibras de aramida no se miden por el número de fibras, como el carbono o la fibra de vidrio, sino por el peso.

Carbono/Grafito - Carbon/Graphite 

Una de las primeras distinciones que hay que hacer entre las fibras es la diferencia entre las fibras de carbono y las de grafito, aunque los términos se utilizan con frecuencia indistintamente. Las fibras de carbono y grafito se basan en las redes de capas de grafeno (hexagonales) presentes en el carbono. Si las capas de grafeno, o planos, se apilan con orden tridimensional, el material se define como grafito. 

Por lo general, para formar este orden se requiere un procesamiento prolongado en tiempo y temperatura, lo que encarece las fibras de grafeno. La unión entre los planos es débil. A menudo se produce un desorden que hace que sólo exista un orden bidimensional dentro de las capas. Este material se define como carbono.

Las fibras de carbono son muy rígidas y fuertes, de 3 a 10 veces más rígidas que las fibras de vidrio. La fibra de carbono se utiliza para aplicaciones estructurales de los aviones, como las vigas del suelo, los estabilizadores, los controles de vuelo y la estructura primaria del fuselaje y las alas. Sus ventajas son su gran resistencia y su resistencia a la corrosión. 

Las desventajas son su menor conductividad que la del aluminio, por lo que se necesita una malla de protección contra rayos o un recubrimiento para las partes de la aeronave que son propensas a los rayos. Otra desventaja de la fibra de carbono es su elevado coste. La fibra de carbono es de color gris o negro y está disponible como tejido seco y material preimpregnado. Las fibras de carbono tienen un alto potencial de causar corrosión galvánica cuando se utilizan con sujetadores y estructuras metálicas.

Boro 

Las fibras de boro son muy rígidas y tienen una gran resistencia a la tracción y a la compresión. Las fibras tienen un diámetro relativamente grande y no se flexionan bien, por lo que sólo están disponibles como producto de cinta preimpregnada. A menudo se utiliza una matriz epoxi con la fibra de boro. 

Las fibras de boro se utilizan para reparar pieles agrietadas de aviones de aluminio, porque la expansión térmica del boro es cercana a la del aluminio y no hay potencial de corrosión galvánica. La fibra de boro es difícil de utilizar si la superficie del material base tiene una forma contorneada. Las fibras de boro son muy caras y pueden ser peligrosas para el personal. Las fibras de boro se utilizan principalmente en aplicaciones de aviación militar.

Fibras cerámicas - Ceramic Fibers 

Las fibras cerámicas se utilizan para aplicaciones de alta temperatura, como los álabes de una turbina de gas. Las fibras cerámicas pueden utilizarse a temperaturas de hasta 2.200 °F.

Fibras de protección contra rayos - Lightning Protection Fibers 

Un avión de aluminio es bastante conductor y es capaz de disipar las altas corrientes resultantes de un rayo. Las fibras de carbono son 1.000 veces más resistentes que el aluminio al flujo de corriente, y la resina epoxi es 1.000.000 veces más resistente (es decir, perpendicular a la piel). 

La superficie de un componente externo de material compuesto a menudo consiste en una capa de material conductor para la protección contra el rayo porque los materiales compuestos son menos conductores que el aluminio. 

Se utilizan muchos tipos diferentes de materiales conductores que van desde la tela de grafito recubierta de níquel hasta las mallas metálicas, pasando por la fibra de vidrio aluminizada y las pinturas conductoras. Los materiales están disponibles para la colocación en húmedo y como preimpregnado.

Además de una reparación estructural normal, el técnico también debe recrear la conductividad eléctrica diseñada en la pieza. Estos tipos de reparación suelen requerir una prueba de conductividad que se realiza con un óhmetro para verificar la resistencia eléctrica mínima en la estructura. 

Cuando se reparan estos tipos de estructuras, es extremadamente importante utilizar sólo los materiales aprobados de los proveedores autorizados, incluyendo elementos tales como compuestos de encapsulado, selladores, adhesivos, etc.

Materiales de la matriz - Matrix Materials 

Resinas termoestables - Thermosetting Resins

Resina es un término genérico utilizado para designar el polímero. La resina, su composición química y sus propiedades físicas afectan fundamentalmente al procesamiento, la fabricación y las propiedades finales de un material compuesto. 

Las resinas termoestables son las más diversas y ampliamente utilizadas de todos los materiales artificiales. Se vierten o moldean fácilmente en cualquier forma, son compatibles con la mayoría de los otros materiales y se curan fácilmente (por calor o catalizador) en un sólido insoluble. Las resinas termoestables son también excelentes adhesivos y agentes de unión.

Resinas de poliéster - Polyester Resins 

Las resinas de poliéster son relativamente baratas y de procesamiento rápido, y se utilizan generalmente para aplicaciones de bajo coste. Las resinas de poliéster que producen poco humo se utilizan para las partes interiores de los aviones. 

Los poliésteres reforzados con fibra pueden ser procesados por muchos métodos. Entre los métodos de procesamiento más comunes se encuentran el moldeo de metal emparejado, la colocación en húmedo, el moldeo en prensa (bolsa de vacío), el moldeo por inyección, el bobinado de filamentos, la pultrusión y el autoclave.

Éster de vinilo - Vinyl Ester 

El aspecto, las propiedades de manipulación y las características de curado de las resinas de éster de vinilo son las mismas que las de las resinas de poliéster convencionales. Sin embargo, la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas de los compuestos de éster de vinilo son mucho mejores que las de los compuestos de resina de poliéster estándar.

Resina fenólica - Phenolic Resin 

Las resinas de fenol-formaldehído se produjeron por primera vez comercialmente a principios del siglo XX para su uso en el mercado comercial. El ureaformaldehído y la melamina-formaldehído aparecieron en los años 1920-1930 como una alternativa menos costosa para su uso a baja temperatura. Las resinas fenólicas se utilizan para los componentes interiores por sus características de baja emisión de humos e inflamabilidad.

Epoxi 

Los epoxis son resinas termoestables polimerizables y están disponibles en una gran variedad de viscosidades, desde líquidas hasta sólidas. Hay muchos tipos diferentes de epoxi, y el técnico debe utilizar el manual de mantenimiento para seleccionar el tipo correcto para una reparación específica. Los epoxis se utilizan ampliamente en resinas para materiales preimpregnados y adhesivos estructurales. 

Las ventajas de los epoxis son su alta resistencia y módulo, sus bajos niveles de volátiles, su excelente adhesión, su baja contracción, su buena resistencia química y su facilidad de procesamiento. Sus principales desventajas son la fragilidad y la reducción de las propiedades en presencia de humedad. El procesamiento o curado de los epoxis es más lento que el de las resinas de poliéster. 

Las técnicas de procesamiento incluyen el moldeo en autoclave, el bobinado de filamentos, el moldeo en prensa, el moldeo en bolsa al vacío, el moldeo por transferencia de resina y la pultrusión. Las temperaturas de curado varían desde la temperatura ambiente hasta aproximadamente 350 °F (180 °C). Las temperaturas de curado más comunes oscilan entre los 250° y los 350 °F (120-180 °C).

Polimidas - Polyimides 

Las resinas de poliimida destacan en entornos de alta temperatura donde su resistencia térmica, estabilidad oxidativa, bajo coeficiente de expansión térmica y resistencia a los disolventes benefician al diseño. Sus principales usos son las placas de circuitos y las estructuras de motores y fuselajes calientes. Una poliimida puede ser una resina termoestable o un termoplástico. 

Las poliimidas requieren altas temperaturas de curado, normalmente superiores a los 290 °C (550 °F). Por lo tanto, los materiales de ensacado de compuestos epoxídicos normales no son utilizables, y el utillaje de acero se convierte en una necesidad. Se utilizan bolsas de poliamida y películas de liberación, como Kapton®. 

Es muy importante que Upilex® sustituya a las bolsas de nylon y a las películas separadoras de politetrafluoroetileno (PTFE), de menor coste, habituales en el procesamiento de compuestos epoxídicos. Deben utilizarse tejidos de fibra de vidrio para los materiales de sangrado y respiración en lugar de materiales de estera de poliéster debido al bajo punto de fusión del poliéster.

Polibenzimidazoles (PBI) - Polybenzimidazoles (PBI) 

La resina de polibenzimidazol es extremadamente resistente a las altas temperaturas y se utiliza para materiales de alta temperatura. Estas resinas están disponibles como adhesivo y fibra.

Bismaleimidas (BMI) - Bismaleimides (BMI) 

Las resinas de bismaleimida tienen una mayor capacidad de temperatura y una mayor tenacidad que las resinas de epoxi, y proporcionan un excelente rendimiento a temperatura ambiente y elevada. El procesamiento de las resinas de bismaleimida es similar al de las resinas epoxi. 

Las IMC se utilizan para motores aéreos y componentes de alta temperatura. Las IMC son adecuadas para el procesamiento estándar en autoclave, el moldeo por inyección, el moldeo por transferencia de resina y el compuesto moldeado en lámina (SMC), entre otros.

Resinas termoplásticas - Thermoplastic Resins 

Los materiales termoplásticos pueden ablandarse repetidamente mediante un aumento de la temperatura y endurecerse mediante una disminución de la misma. La velocidad de procesamiento es la principal ventaja de los materiales termoplásticos. El curado químico del material no tiene lugar durante el procesamiento, y el material puede moldearse mediante moldeo o extrusión cuando está blando.

Termoplásticos semicristalinos - Semicrystalline Thermoplastics 

Los termoplásticos semicristalinos poseen propiedades de resistencia inherente a las llamas, una tenacidad superior, buenas propiedades mecánicas a temperaturas elevadas y tras el impacto, y una baja absorción de humedad. Se utilizan en las estructuras secundarias y primarias de los aviones. 

Combinados con fibras de refuerzo, están disponibles en compuestos de moldeo por inyección, láminas aleatorias moldeables por compresión, cintas unidireccionales, preimpregnados fabricados a partir de estopa (towpreg) y preimpregnados tejidos. Las fibras impregnadas en termoplásticos semicristalinos incluyen el carbono, el carbono recubierto de níquel, la aramida, el vidrio y el cuarzo, entre otros.

Termoplásticos amorfos - Amorphous Thermoplastics 

Los termoplásticos amorfos están disponibles en varias formas físicas, como películas, filamentos y polvos. Combinados con fibras de refuerzo, también están disponibles en compuestos de moldeo por inyección, láminas aleatorias moldeables por compresión, cintas unidireccionales, preimpregnados tejidos, etc. 

Las fibras utilizadas son principalmente de carbono, aramida y vidrio. Las ventajas específicas de los termoplásticos amorfos dependen del polímero. Normalmente, las resinas destacan por su facilidad y rapidez de procesamiento, su capacidad para las altas temperaturas, sus buenas propiedades mecánicas, su excelente tenacidad y resistencia al impacto y su estabilidad química. La estabilidad se traduce en una vida útil ilimitada, eliminando los requisitos de almacenamiento en frío de los preimpregnados termoestables.

Poliéter éter cetona (PEEK) - Polyether Ether Ketone (PEEK) 

La poliéter éter cetona, más conocida como PEEK, es un termoplástico de alta temperatura. Este material de cetona aromática ofrece excelentes características térmicas y de combustión, así como resistencia a una amplia gama de disolventes y fluidos propios. El PEEK también puede reforzarse con vidrio y carbono.

Etapas de curado de las resinas 

Las resinas termoestables utilizan una reacción química para curar. Existen tres etapas de curado, que se denominan A, B y C.

Etapa A: 

Los componentes de la resina (material base y endurecedor) se han mezclado pero la reacción química no ha comenzado. La resina se encuentra en la etapa A durante un procedimiento de colocación en húmedo.

Etapa B: 

Los componentes de la resina se han mezclado y la reacción química ha comenzado. El material se ha espesado y es pegajoso. Las resinas de los materiales preimpregnados se encuentran en la fase B. Para evitar un mayor curado, la resina se coloca en un congelador a 0 °F. En el estado congelado, la resina del material preimpregnado permanece en la fase B. El curado comienza cuando el material se saca del congelador y se calienta de nuevo.

Etapa C: 

La resina está totalmente curada. Algunas resinas se curan a temperatura ambiente y otras necesitan un ciclo de curado a temperatura elevada para curarse completamente.

Productos preimpregnados (Prepregs) 

El material preimpregnado consiste en una combinación de matriz y refuerzo de fibra. Está disponible en forma unidireccional (una dirección de refuerzo) y en forma de tejido (varias direcciones de refuerzo). Las cinco principales familias de resinas de matriz pueden utilizarse para impregnar diversas formas de fibra. 

La resina ya no se encuentra en una etapa de baja viscosidad, sino que se ha avanzado a un nivel de curado de etapa B para obtener mejores características de manejo. Los siguientes productos están disponibles en forma de preimpregnado: cintas unidireccionales, tejidos, mechas continuas y esteras cortadas. Los materiales preimpregnados deben almacenarse en un congelador a una temperatura inferior a 0 °F para retrasar el proceso de curado. 

Los materiales preimpregnados se curan con una temperatura elevada. Muchos materiales preimpregnados utilizados en el sector aeroespacial están impregnados con una resina epoxi y se curan a 250 °F o 350 °F. Los materiales preimpregnados se curan con un autoclave, un horno o una manta térmica. Normalmente se compran y se almacenan en un rollo en una bolsa de plástico sellada para evitar la contaminación por humedad.

Material de fibra seca 

Los materiales de fibra seca, como el carbono, el vidrio y el Kevlar®, se utilizan en muchos procedimientos de reparación de aeronaves. El tejido seco se impregna con una resina justo antes de comenzar el trabajo de reparación. Este proceso se denomina a menudo "wet layup". La principal ventaja de utilizar el proceso de laminación en húmedo es que la fibra y la resina pueden almacenarse durante mucho tiempo a temperatura ambiente. 

El composite puede curarse a temperatura ambiente o puede utilizarse un curado a temperatura elevada para acelerar el proceso de curado y aumentar la resistencia. La desventaja es que el proceso es sucio y las propiedades del refuerzo son menores que las del material preimpregnado.

Agentes tixotrópicos 

Los agentes tixotrópicos son similares a un gel en reposo, pero se vuelven fluidos cuando se agitan. Estos materiales tienen una alta resistencia al cizallamiento estático y una baja resistencia al cizallamiento dinámico al mismo tiempo para perder viscosidad bajo tensión.

Adhesivos 

Adhesivos en película

Los adhesivos estructurales para aplicaciones aeroespaciales se suministran generalmente como películas finas apoyadas en un papel antiadherente y almacenadas en condiciones de refrigeración (-18 °C, o 0 °F). Los adhesivos en película están disponibles utilizando aminas aromáticas de alta temperatura o agentes de curado catalítico con una amplia gama de agentes flexibilizadores y endurecedores. Los adhesivos de película epoxi endurecidos con caucho se utilizan ampliamente en la industria aeronáutica. 

El límite superior de temperatura de 121-177 °C (250-350 °F) suele estar dictado por el grado de endurecimiento requerido y por la elección global de las resinas y los agentes de curado. En general, el endurecimiento de una resina da lugar a una temperatura de servicio utilizable más baja. Los materiales de las películas suelen estar soportados por fibras que sirven para mejorar la manipulación de las películas antes del curado, controlar el flujo del adhesivo durante el pegado y ayudar a controlar el grosor de la línea de pegado. 

Las fibras pueden incorporarse como esteras de fibras cortas con orientación aleatoria o como tela tejida. Las fibras más comunes son los poliésteres, las poliamidas (nylon) y el vidrio. Los adhesivos que contienen tela tejida pueden tener propiedades ambientales ligeramente degradadas debido a la absorción de agua por parte de la fibra. 

La tela scrim de estera aleatoria no es tan eficaz para controlar el grosor de la película como la tela tejida, ya que las fibras no restringidas se mueven durante el pegado. Las telas no tejidas hiladas no se mueven y, por lo tanto, se utilizan ampliamente.

Adhesivos en pasta 

Los adhesivos en pasta se utilizan como alternativa al adhesivo en película. Suelen utilizarse para pegar parches de reparación secundarios a piezas dañadas y también se utilizan en lugares donde el adhesivo en película es difícil de aplicar. Los adhesivos en pasta para la unión estructural están hechos principalmente de epoxi. Existen sistemas de una y dos partes. 

Las ventajas de los adhesivos en pasta son que pueden almacenarse a temperatura ambiente y tienen una larga vida útil. La desventaja es que el grosor de la línea de unión es difícil de controlar, lo que afecta a la resistencia de la unión. Para mantener el adhesivo en la línea de unión cuando se pegan parches con adhesivo en pasta, se puede utilizar una tela de rejilla.

Adhesivos espumantes 

La mayoría de los adhesivos espumantes son láminas de 0,025 pulgadas a 0,10 pulgadas de grosor de epoxi en fase B. Los adhesivos de espuma curan a 250 °F o 350 °F. Durante el ciclo de curado, los adhesivos espumosos se expanden. 

Los adhesivos espumosos deben almacenarse en el congelador al igual que los preimpregnados, y su vida útil es limitada. Los adhesivos espumantes se utilizan para unir piezas de nido de abeja en una construcción tipo sándwich y para unir tapones de reparación al núcleo existente durante una reparación con preimpregnado.

Descripción de las estructuras sándwich 

Teoría A. construcción tipo sándwich es un concepto de panel estructural que consiste, en su forma más simple, en dos láminas frontales paralelas relativamente finas unidas y separadas por un núcleo ligero relativamente grueso. El núcleo soporta las chapas frontales contra el pandeo y resiste las cargas de cizallamiento fuera del plano. 

El núcleo debe tener una alta resistencia al corte y a la compresión. La construcción de sándwiches de material compuesto se fabrica más a menudo utilizando el curado en autoclave, el curado en prensa o el curado en bolsa de vacío. 

Los laminados de la piel pueden ser precurados y posteriormente adheridos al núcleo, curados conjuntamente con el núcleo en una sola operación, o una combinación de los dos métodos. Ejemplos de estructuras de nido de abeja son: alerones de las alas, carenados, alerones, flaps, góndolas, tablas de suelo y timones.

Propiedades 

La construcción en sándwich tiene una alta rigidez a la flexión con un peso mínimo en comparación con la construcción de aluminio y laminados compuestos. La mayoría de los panales son anisotrópicos; es decir, las propiedades son direccionales. 

La figura ilustra las ventajas de utilizar una construcción en forma de panal. El aumento del grosor del núcleo incrementa en gran medida la rigidez de la construcción en forma de panal, mientras que el aumento de peso es mínimo. Debido a la gran rigidez de la construcción en nido de abeja, no es necesario utilizar refuerzos externos, como largueros y marcos.

Materiales de revestimiento 

La mayoría de las estructuras de nido de abeja utilizadas en la construcción de aviones tienen láminas frontales de aluminio, fibra de vidrio, Kevlar® o fibra de carbono. Las láminas frontales de fibra de carbono no se pueden utilizar con material de núcleo de nido de abeja de aluminio, porque provoca la corrosión del aluminio. 

El titanio y el acero se utilizan para aplicaciones especiales en construcciones de alta temperatura. Las láminas frontales de muchos componentes, como los alerones y los controles de vuelo, son muy finas, a veces sólo 3 o 4 capas. Los informes de campo han indicado que estas chapas frontales no tienen una buena resistencia al impacto.

Materiales del núcleo 

Nido de abeja - Honeycomb 

Cada material de nido de abeja proporciona ciertas propiedades y tiene beneficios específicos. El material de núcleo más comúnmente utilizado para las estructuras de nido de abeja de los aviones es el papel de aramida (Nomex® o Korex®). La fibra de vidrio se utiliza para aplicaciones de mayor resistencia.

Papel kraft: resistencia relativamente baja, buenas propiedades aislantes, está disponible en grandes cantidades y tiene un bajo coste.

Termoplásticos: buenas propiedades aislantes, buena absorción y/o redirección de energía, paredes celulares lisas, resistencia a la humedad y a los productos químicos, son compatibles con el medio ambiente, son estéticamente agradables y tienen un coste relativamente bajo.

Aluminio: mejor relación resistencia-peso y absorción de energía, tiene buenas propiedades de transferencia de calor, propiedades de apantallamiento electromagnético, tiene paredes celulares lisas y finas, es mecanizable y tiene un coste relativamente bajo.

Acero: buenas propiedades de transferencia de calor, propiedades de blindaje electromagnético y resistencia al calor.

Metales especiales (titanio): relación resistencia-peso relativamente alta, buenas propiedades de transferencia de calor, resistencia química y resistencia al calor a temperaturas muy altas.

Papel de aramida: resistente a la llama, retardante del fuego, buenas propiedades aislantes, bajas propiedades dieléctricas y buena conformabilidad.

Fibra de vidrio: propiedades de cizallamiento adaptables por laminación, bajas propiedades dieléctricas, buenas propiedades aislantes y buena conformabilidad.

Carbono: buena estabilidad y retención dimensional, retención de propiedades a alta temperatura, alta rigidez, muy bajo coeficiente de expansión térmica, conductividad térmica adaptable, módulo de cizallamiento relativamente alto y muy caro.

Cerámica: resistente al calor a temperaturas muy altas, buenas propiedades aislantes, está disponible en tamaños de celda muy pequeños y es muy cara.

Las celdas con núcleo de panal para aplicaciones aeroespaciales suelen ser hexagonales. Las celdas se fabrican pegando láminas apiladas en lugares especiales. Las láminas apiladas se expanden para formar hexágonos. La dirección paralela a las láminas se denomina dirección de la cinta.

El núcleo hexagonal bisecado tiene otra lámina de material que atraviesa cada hexágono. El panal hexagonal bisecado es más rígido y resistente que el núcleo hexagonal. El núcleo sobreexpandido se hace expandiendo las láminas más de lo necesario para hacer hexágonos. Las celdas del núcleo sobreexpandido son rectangulares. 

El núcleo sobreexpandido es flexible perpendicularmente a la dirección de la cinta y se utiliza en paneles con curvas simples. El núcleo en forma de campana, o flexicore, tiene paredes celulares curvadas, que lo hacen flexible en todas las direcciones. El núcleo en forma de campana se utiliza en paneles con curvas complejas.

El núcleo de nido de abeja está disponible con diferentes tamaños de celdas. Los tamaños pequeños proporcionan un mejor soporte para las láminas frontales en sándwich. El núcleo de nido de abeja también está disponible en diferentes densidades. Los núcleos de mayor densidad son más fuertes y rígidos que los de menor densidad.

Espuma - Foam 

Los núcleos de espuma se utilizan en los aviones caseros y en los más ligeros para dar fuerza y forma a las puntas de las alas, los controles de vuelo, las secciones del fuselaje, las alas y las costillas de las alas. Los núcleos de espuma no se utilizan habitualmente en los aviones de tipo comercial. Las espumas suelen ser más pesadas que los panales y no son tan resistentes. Se puede utilizar una variedad de espumas como material de núcleo, incluyendo:

Poliestireno (más conocido como espuma de poliéster): espuma de poliestireno de calidad aeronáutica con una estructura de celdas bien cerrada y sin huecos entre las celdas; alta resistencia a la compresión y buena resistencia a la penetración del agua; puede cortarse con un alambre caliente para hacer formas aerodinámicas.

Fenólico: tiene muy buenas propiedades ignífugas y puede tener una densidad muy baja, pero propiedades mecánicas relativamente bajas.

Poliuretano: se utiliza para fabricar el fuselaje, las puntas de las alas y otras partes curvas de los aviones pequeños; es relativamente barato, resistente al combustible y compatible con la mayoría de los adhesivos; no se debe utilizar un hilo caliente para cortar la espuma de poliuretano; se puede contornear fácilmente con un cuchillo grande y un equipo de lijado.

Polipropileno: se utiliza para fabricar formas de aeronaves; puede cortarse con un alambre caliente; es compatible con la mayoría de los adhesivos y resinas epoxi; no debe utilizarse con resinas de poliéster, se disuelve en combustibles y disolventes.

Cloruro de polivinilo (PVC) (Divinycell, Klegecell y Airex): espuma de célula cerrada de media a alta densidad con gran resistencia a la compresión, durabilidad y excelente resistencia al fuego; puede moldearse al vacío para darle formas compuestas y doblarse con calor; es compatible con resinas de poliéster, éster de vinilo y epoxi.

Polimetacrilamida (Rohacell): espuma de celdas cerradas utilizada para la construcción de sándwiches ligeros; excelentes propiedades mecánicas, gran estabilidad dimensional al calor, buena resistencia a los disolventes y excelente resistencia a la compresión por fluencia; más cara que los otros tipos de espuma, pero con mayores propiedades mecánicas.

Madera de balsa 

La balsa es un producto de madera natural con células cerradas alargadas; está disponible en una variedad de grados que se correlacionan con las características estructurales, cosméticas y físicas. La densidad de la balsa es menos de la mitad de la densidad de los productos de madera convencionales. Sin embargo, la balsa tiene una densidad considerablemente mayor que los otros tipos de núcleos estructurales.

Daños de fabricación y en servicio 

Defectos de fabricación 

Los defectos de fabricación incluyen:

• Delaminación 
• Zonas sin resina 
• Zonas ricas en resina 
• Ampollas, burbujas de aire 
• Arrugas 
• Vacíos 
• Descomposición térmica

Los daños de fabricación incluyen anomalías como la porosidad, las microfisuras y las delaminaciones resultantes de las discrepancias de procesamiento. También incluye elementos como cortes involuntarios en los bordes, gubias y arañazos en la superficie, orificios de fijación dañados y daños por impacto. 

Algunos ejemplos de defectos que se producen en la fabricación son una superficie contaminada de la línea de unión o inclusiones, como el papel de soporte del preimpregnado o la película de separación, que se dejan inadvertidamente entre las capas durante la colocación. Los daños involuntarios (no relacionados con el proceso) pueden producirse en piezas o componentes de detalle durante el montaje o el transporte o durante el funcionamiento.

Una pieza es rica en resina si se utiliza demasiada resina; para aplicaciones no estructurales esto no es necesariamente malo, pero añade peso. Una pieza se denomina falta de resina si se desprende demasiada resina durante el proceso de curado o si no se aplica suficiente resina durante el proceso de colocación en húmedo. Las zonas con falta de resina se indican con fibras que aparecen en la superficie. La proporción de 60:40 de fibra a resina se considera óptima. Las fuentes de defectos de fabricación incluyen

• Curado o procesamiento inadecuado 
• Mecanizado incorrecto 
• Manipulación incorrecta 
• Perforación incorrecta 
• Caída de la herramienta 
• Contaminación 
• Lijado incorrecto 
• Material de baja calidad 
• Herramientas inadecuadas 
• Mala colocación de agujeros o detalles

Los daños pueden producirse a varias escalas dentro del material compuesto y la configuración estructural. Estos daños van desde la matriz y la fibra hasta los elementos rotos y el fallo de las uniones atornilladas. El alcance de los daños controla la duración de la carga repetida y la resistencia residual y es fundamental para la tolerancia a los daños.

Rotura de fibras 

La rotura de fibras puede ser crítica porque las estructuras suelen estar diseñadas para que dominen las fibras (es decir, las fibras soportan la mayor parte de las cargas). Afortunadamente, el fallo de las fibras suele limitarse a una zona cercana al punto de impacto y está restringido por el tamaño y la energía del objeto de impacto. Sólo algunos de los sucesos relacionados con el servicio enumerados en la sección anterior podrían provocar grandes áreas de daños en las fibras.

Imperfecciones de la matriz 

Las imperfecciones de la matriz suelen producirse en la interfaz matriz-fibra o en la matriz paralela a las fibras. Estas imperfecciones pueden reducir ligeramente algunas de las propiedades del material, pero rara vez son críticas para la estructura, a menos que la degradación de la matriz sea generalizada. La acumulación de grietas en la matriz puede causar la degradación de las propiedades dominadas por la matriz. 

En el caso de los laminados diseñados para transmitir las cargas con sus fibras (dominante de la fibra), sólo se observa una ligera reducción de las propiedades cuando la matriz está gravemente dañada. Las grietas en la matriz, o microfisuras, pueden reducir significativamente las propiedades que dependen de la resina o de la interfaz fibra-resina, como el cizallamiento interlaminar y la resistencia a la compresión. 

Las microfisuras pueden tener un efecto muy negativo en las propiedades de las resinas de alta temperatura. Las imperfecciones de la matriz pueden convertirse en delaminaciones, que son un tipo de daño más crítico.

Delaminación y desprendimiento 

Las delaminaciones se forman en la interfaz entre las capas del laminado. Las delaminaciones pueden formarse a partir de grietas en la matriz que crecen en la capa interlaminar o a partir de un impacto de baja energía. Las delaminaciones también pueden formarse a partir de la no adhesión de la producción a lo largo de la línea de unión entre dos elementos e iniciar la delaminación en las capas adyacentes del laminado. 

En determinadas condiciones, las delaminaciones o los desprendimientos pueden crecer cuando se someten a cargas repetidas y pueden provocar un fallo catastrófico cuando el laminado se carga en compresión. La criticidad de las delaminaciones o desprendimientos depende de:

• Las dimensiones. 
• Número de delaminaciones en un lugar determinado. 
• Ubicación: en el espesor del laminado, en la estructura, proximidad a bordes libres, región de concentración de tensiones, discontinuidades geométricas, etc. 
• Cargas: el comportamiento de las delaminaciones y desprendimientos depende del tipo de carga. Tienen poco efecto en la respuesta de los laminados cargados en tensión. Sin embargo, bajo cargas de compresión o cizallamiento, los sublaminados adyacentes a las delaminaciones o elementos desprendidos pueden pandearse y provocar un mecanismo de redistribución de la carga que conduzca al fallo estructural.

Combinaciones de daños 

En general, los impactos provocan combinaciones de daños. Los impactos de alta energía por parte de objetos grandes (por ejemplo, las palas de las turbinas) pueden provocar la rotura de elementos y el fallo de las fijaciones. Los daños resultantes pueden incluir fallos significativos en las fibras, grietas en la matriz, delaminación, rotura de fijaciones y elementos despegados. 

Los daños causados por el impacto de baja energía son más contenidos, pero también pueden incluir una combinación de fibras rotas, grietas en la matriz y múltiples deslaminaciones.

Agujeros de fijación defectuosos 

En la fabricación pueden producirse taladros inadecuados, una mala instalación de los elementos de fijación y la falta de éstos. El alargamiento de los agujeros puede producirse debido a los ciclos de carga repetidos en servicio.

Defectos en servicio 

Los defectos en servicio incluyen: 

• Degradación ambiental 
• Daños por impacto 
• Fatiga 
• Grietas por sobrecarga local 
• Desprendimiento 
• Delaminación 
• Fractura de la fibra 
• Erosión

Muchas estructuras de nido de abeja, como los alerones de las alas, los carenados, los controles de vuelo y las puertas del tren de aterrizaje, tienen láminas frontales delgadas que han experimentado problemas de durabilidad que podrían agruparse en tres categorías: baja resistencia al impacto, a la entrada de líquidos y a la erosión. 

Estas estructuras tienen una rigidez y una fuerza adecuadas, pero una baja resistencia a un entorno de servicio en el que se arrastran las piezas, se dejan caer las herramientas y el personal de servicio a menudo no es consciente de la fragilidad de las piezas de sándwich de piel fina. Los daños en estos componentes, como el aplastamiento del núcleo, los daños por impacto y los desprendimientos, suelen ser fáciles de detectar con una inspección visual debido a sus finas láminas frontales. 

Sin embargo, a veces se pasan por alto o son dañados por el personal de servicio que no quiere retrasar la salida de la aeronave o llamar la atención sobre sus accidentes, lo que podría reflejar mal su historial de rendimiento. 

Por lo tanto, a veces se permite que los daños no se controlen, lo que a menudo resulta en el crecimiento del daño debido a la entrada de líquido en el núcleo. Los detalles de diseño no duraderos (por ejemplo, los cierres inadecuados de los bordes del núcleo) también conducen a la entrada de líquido.

La reparación de las piezas debido a la entrada de líquidos puede variar en función del líquido, normalmente agua o Skydrol (fluido hidráulico). El agua tiende a crear daños adicionales en las piezas reparadas cuando se cura, a menos que se elimine toda la humedad de la pieza. La mayoría de los sistemas de materiales de reparación se curan a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua, lo que puede provocar un desprendimiento en la interfaz piel-núcleo donde reside el agua atrapada. 

Por esta razón, normalmente se incluyen ciclos de secado del núcleo antes de realizar cualquier reparación. Algunos operadores dan el paso adicional de colocar una pieza dañada pero no reparada en el autoclave para que se seque y así evitar que se produzcan daños adicionales durante el curado de la reparación. El Skydrol presenta un problema diferente. 

Una vez que el núcleo de una pieza sándwich está saturado, la eliminación completa del Skydrol es casi imposible. La pieza sigue rezumando el líquido incluso en el curado hasta que las líneas de unión pueden contaminarse y no se produce una adhesión completa. Se recomienda encarecidamente la eliminación del núcleo y del adhesivo contaminados como parte de la reparación.

Se sabe que la capacidad de erosión de los materiales compuestos es menor que la del aluminio y, como resultado, se ha evitado generalmente su aplicación en superficies de borde de ataque. Sin embargo, los materiales compuestos se han utilizado en zonas de geometría muy compleja, pero generalmente con un revestimiento contra la erosión. 

La durabilidad y la capacidad de mantenimiento de algunos revestimientos contra la erosión son menos que ideales. Otro problema, no tan evidente como el primero, es que los bordes de las puertas o paneles pueden erosionarse si están expuestos a la corriente de aire. Esta erosión puede atribuirse a un diseño o una instalación/montaje inadecuados. 

Por otra parte, las estructuras metálicas en contacto o en las proximidades de estas piezas de material compuesto pueden mostrar daños por corrosión debido a una elección inadecuada de la aleación de aluminio, a un sellado de corrosión dañado de las piezas metálicas durante el montaje o en los empalmes, o a un sellado insuficiente y/o a la falta de capas de aislamiento del tejido de vidrio en las interfaces de los largueros, costillas y accesorios.

Corrosión 

Muchas piezas de fibra de vidrio y Kevlar® tienen una fina malla de aluminio para la protección contra los rayos. Esta malla de aluminio a menudo se corroe alrededor de los agujeros de los pernos o tornillos. La corrosión afecta a la unión eléctrica del panel, y es necesario retirar la malla de aluminio e instalar una nueva para restaurar la unión eléctrica del panel.

La luz ultravioleta (UV) afecta a la resistencia de los materiales compuestos. Las estructuras de materiales compuestos deben protegerse con un revestimiento superior para evitar los efectos de la luz ultravioleta. Se han desarrollado imprimaciones y pinturas especiales contra los rayos UV para proteger los materiales compuestos.

Inspección no destructiva (NDI) de materiales compuestos 

Inspección visual 

La inspección visual es el principal método de inspección para las inspecciones en servicio. La mayoría de los daños chamuscan, manchan, abollan, penetran, desgastan o astillan la superficie del material compuesto, haciendo que el daño sea visible. Una vez detectado el daño, es necesario inspeccionar la zona afectada más de cerca utilizando linternas, lupas, espejos y boroscopios. Estas herramientas se utilizan para ampliar los defectos que de otro modo no se verían fácilmente y para permitir la inspección visual de las zonas que no son fácilmente accesibles. 

La falta de resina, la riqueza de la resina, las arrugas, la formación de puentes, la decoloración (debida al sobrecalentamiento, a la caída de un rayo, etc.), los daños por impacto por cualquier causa, las materias extrañas, las ampollas y el desprendimiento son algunas de las discrepancias que pueden detectarse con una inspección visual. 

La inspección visual no puede encontrar defectos internos en el material compuesto, como delaminaciones, desprendimientos y agrietamiento de la matriz. Se necesitan técnicas de NDI más sofisticadas para detectar este tipo de defectos.

Prueba sónica audible (Coin Tapping) 

Esta técnica, a veces denominada "audio", "sónica" o "coin tap", utiliza frecuencias en el rango audible (10 Hz a 20 Hz). Un método sorprendentemente preciso en manos de personal experimentado, la prueba de golpeo es quizás la técnica más común utilizada para la detección de delaminación y/o desprendimiento. 

El método se lleva a cabo golpeando la zona de inspección con un disco redondo sólido o un dispositivo ligero parecido a un martillo y escuchando la respuesta de la estructura al martillo. Un sonido claro, nítido y sonoro es indicativo de una estructura sólida bien adherida, mientras que un sonido sordo o sordo indica una zona discrepante.

La velocidad de golpeo debe ser lo suficientemente rápida para producir un sonido suficiente para que cualquier diferencia en el tono del sonido sea perceptible para el oído. El ensayo de golpeo es eficaz en las líneas de unión de pieles finas con rigidizadores, en los sándwiches de nido de abeja con láminas frontales finas o incluso cerca de la superficie de laminados gruesos, como los soportes de las palas de los aviones de rotor. 

Una vez más, es inherente al método la posibilidad de que los cambios dentro de los elementos internos de la estructura puedan producir cambios de tono que se interpreten como defectos, cuando en realidad están presentes por diseño. Esta inspección debe realizarse en un área lo más silenciosa posible y por personal experimentado y familiarizado con la configuración interna de la pieza. Este método no es fiable para estructuras con más de cuatro capas. A menudo se utiliza para determinar los daños en las láminas frontales de nido de abeja delgadas.

Prueba de golpeo automatizada - Automated Tap Test 

Esta prueba es muy similar a la prueba de golpeo manual, salvo que se utiliza un solenoide en lugar de un martillo. El solenoide produce múltiples impactos en una sola área. La punta del impactador tiene un transductor que registra la señal de fuerza frente al tiempo del impactador. 

La magnitud de la fuerza depende del impactador, la energía de impacto y las propiedades mecánicas de la estructura. La duración del impacto (período) no es sensible a la magnitud de la fuerza de impacto; sin embargo, esta duración cambia cuando se altera la rigidez de la estructura. Por lo tanto, la señal de una región sin defectos se utiliza para la calibración, y cualquier desviación de esta señal sin defectos indica la existencia de daños.

Inspección por ultrasonidos 

La inspección por ultrasonidos ha demostrado ser una herramienta muy útil para la detección de delaminaciones internas, vacíos o inconsistencias en los componentes de materiales compuestos que no se pueden discernir de otra manera utilizando la metodología visual o de toma. Existen muchas técnicas de ultrasonidos; sin embargo, cada una de ellas utiliza energía de ondas sonoras con una frecuencia superior a la gama audible. 

Se introduce una onda sonora de alta frecuencia (normalmente varios MHz) en la pieza y puede dirigirse para que se desplace de forma normal a la superficie de la pieza, o a lo largo de la superficie de la pieza, o en algún ángulo predefinido con respecto a la superficie de la pieza. Puede ser necesario probar diferentes direcciones para localizar el flujo. El sonido introducido se monitoriza entonces mientras recorre su ruta asignada a través de la pieza para detectar cualquier cambio significativo. 

Las ondas sonoras ultrasónicas tienen propiedades similares a las ondas de luz. Cuando una onda ultrasónica choca con un objeto que la interrumpe, la onda o la energía es absorbida o reflejada hacia la superficie. La energía sónica interrumpida o disminuida es recogida por un transductor receptor y convertida en una pantalla en un osciloscopio o un registrador gráfico. 

La visualización permite al operador evaluar las indicaciones discrepantes en comparación con las zonas que se sabe que son buenas. Para facilitar la comparación, se establecen estándares de referencia que se utilizan para calibrar el equipo de ultrasonidos.

El técnico de reparaciones debe darse cuenta de que los conceptos aquí expuestos funcionan bien en el entorno repetitivo de la fabricación, pero es probable que sean más difíciles de aplicar en un entorno de reparación, dado el gran número de componentes compuestos diferentes instalados en la aeronave y la relativa complejidad de su construcción. 

Las normas de referencia también tendrían que tener en cuenta las transmutaciones que tienen lugar cuando un componente de composite está expuesto a un entorno en servicio durante un periodo prolongado o ha sido objeto de una actividad de reparación o de una acción restauradora similar. A continuación se analizan las cuatro técnicas ultrasónicas más comunes.

Inspección ultrasónica por transmisión 

La inspección ultrasónica por transmisión utiliza dos transductores, uno a cada lado de la zona a inspeccionar. La señal ultrasónica se transmite de un transductor al otro. A continuación, el instrumento mide la pérdida de intensidad de la señal. El instrumento muestra la pérdida como un porcentaje de la intensidad de la señal original o la pérdida en decibelios. La pérdida de señal se compara con un estándar de referencia. Las zonas con una pérdida mayor que la norma de referencia indican que hay una zona defectuosa.

Inspección ultrasónica por pulso-eco 

La inspección por ultrasonidos de un solo lado puede llevarse a cabo mediante técnicas de eco de pulso. En este método, una sola unidad de búsqueda funciona como transductor transmisor y receptor que es excitado por pulsos de alto voltaje. Cada impulso eléctrico activa el elemento transductor. 

Este elemento convierte la energía eléctrica en energía mecánica en forma de onda sonora ultrasónica. La energía sónica viaja a través de una punta de contacto de teflón® o metacrilato hasta la pieza de prueba. En la pieza de prueba se genera una forma de onda que es captada por el elemento transductor. 

Cualquier cambio en la amplitud de la señal recibida, o el tiempo necesario para que el eco regrese al transductor, indica la presencia de un defecto. Las inspecciones por eco de pulso se utilizan para encontrar delaminaciones, grietas, porosidad, agua y disbondes de componentes adheridos. El eco de pulso no encuentra disbondes o defectos entre las pieles laminadas y el núcleo del panal.

Inspección por ultrasonidos 

Los comprobadores de adherencia de baja y alta frecuencia se utilizan para inspeccionar por ultrasonidos las estructuras de materiales compuestos. Estos equipos utilizan una sonda de inspección con uno o dos transductores. El equipo de alta frecuencia se utiliza para detectar delaminaciones y vacíos. No puede detectar una desvinculación entre la piel y el núcleo del panal ni la porosidad. Puede detectar defectos de hasta 0,5 pulgadas de diámetro. 

El comprobador de adherencia de baja frecuencia utiliza dos transductores y se emplea para detectar delaminaciones, vacíos y desprendimientos de la piel al núcleo del panal. Este método de inspección no detecta qué lado de la pieza está dañado y no puede detectar defectos menores de 1,0 pulgadas.

Inspección Phased Array 

La inspección Phased Array es uno de los últimos instrumentos ultrasónicos para detectar defectos en estructuras de materiales compuestos. Funciona según el mismo principio de funcionamiento que el eco de pulso, pero utiliza 64 sensores al mismo tiempo, lo que acelera el proceso.

Radiografía 

La radiografía, a menudo conocida como rayos X, es un método de NDI muy útil porque básicamente permite ver el interior de la pieza. Este método de inspección se lleva a cabo haciendo pasar rayos X a través de la pieza o el conjunto que se está probando mientras se registra la absorción de los rayos en una película sensible a los rayos X. 

La película expuesta, una vez revelada, permite al inspector analizar las variaciones en la opacidad de la exposición registrada en la película, creando en efecto una visualización de la relación de los detalles internos del componente. Dado que el método registra los cambios en la densidad total a través de su grosor, no es el método preferido para detectar defectos como las delaminaciones que se encuentran en un plano normal a la dirección del rayo. 

Sin embargo, es un método muy eficaz para detectar defectos paralelos a la línea central del haz de rayos X. Las anomalías internas, como las delaminaciones en las esquinas, el núcleo aplastado, el núcleo soplado, el agua en las celdas del núcleo, los vacíos en las juntas adhesivas de la espuma y la posición relativa de los detalles internos, pueden verse fácilmente mediante la radiografía. 

La mayoría de los materiales compuestos son casi transparentes a los rayos X, por lo que deben utilizarse rayos de baja energía. Por motivos de seguridad, no es práctico utilizarlo alrededor de las aeronaves. Los operadores deben estar siempre protegidos por escudos de plomo suficientes, ya que existe la posibilidad de exposición, ya sea por el tubo de rayos X o por la radiación dispersa. Es esencial mantener una distancia mínima de seguridad con respecto a la fuente de rayos X.

Termografía 

La inspección térmica comprende todos los métodos en los que se utilizan dispositivos de detección de calor para medir las variaciones de temperatura de las piezas que se inspeccionan. El principio básico de la inspección térmica consiste en la medición o cartografía de las temperaturas de la superficie cuando el calor fluye desde, hacia o a través de un objeto de prueba. 

Todas las técnicas termográficas se basan en las diferencias de conductividad térmica entre las zonas normales, sin defectos, y las que tienen un defecto. Normalmente, se utiliza una fuente de calor para elevar la temperatura de la pieza que se examina mientras se observan los efectos del calentamiento de la superficie. 

Dado que las zonas sin defectos conducen el calor con más eficacia que las zonas con defectos, la cantidad de calor que se absorbe o refleja indica la calidad de la unión. El tipo de defectos que afectan a las propiedades térmicas son los desprendimientos, las grietas, los daños por impacto, el adelgazamiento del panel y la entrada de agua en los materiales compuestos y en el núcleo del panal. Los métodos térmicos son más eficaces para los laminados finos o para los defectos cercanos a la superficie.

Radiografía de neutrones 

La radiografía de neutrones es una técnica de imagen no destructiva capaz de visualizar las características internas de una muestra. La transmisión de neutrones a través de un medio depende de las secciones transversales de neutrones para los núcleos en el medio. La atenuación diferencial de los neutrones a través de un medio puede ser medida, mapeada y luego visualizada. 

La imagen resultante puede utilizarse para analizar las características internas de la muestra. La radiografía de neutrones es una técnica complementaria a la radiografía de rayos X. Ambas técnicas visualizan la atenuación a través de un medio. La mayor ventaja de la radiografía de neutrones es su capacidad para revelar elementos ligeros como el hidrógeno que se encuentra en los productos de la corrosión y el agua.

Detector de humedad 

Un medidor de humedad puede utilizarse para detectar agua en las estructuras de panal en sándwich. Un medidor de humedad mide la pérdida de potencia de radiofrecuencia (RF) causada por la presencia de agua. El medidor de humedad se utiliza a menudo para detectar la humedad en los domos de la nariz.

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Fuente: La información (texto e imágenes) utilizado para este artículo está basado en el manual de la FAA (Aviation Maintenance Technician Handbook– Airframe, Volume 1 - FAA-H-8083-31A ) y manuales de instrucción de centros académicos aeronáuticos.