A medida que surgen nuevos segmentos industriales y los ya existentes buscan mayores niveles de eficiencia, se ven abocados a los componentes compuestos como soluciones eficaces a problemas como la corrosión, la reducción de peso, la eficiencia en el consumo de combustible y la miniaturización de los componentes. Tradicionalmente, estas piezas se han fabricado con compuestos termoestables. A medida que estas piezas se hacen más pequeñas y complejas, surge la necesidad de un tipo diferente de solución de compuestos, y se están utilizando compuestos termoplásticos. Las piezas fabricadas con compuestos termoplásticos pueden diseñarse con mayor complejidad y pueden ampliarse para fabricar piezas de mayor volumen.

Las innovaciones en materiales compuestos, impulsadas por el sector aeroespacial, están empezando a calar en otros sectores y aplicaciones. Analizaremos cinco segmentos industriales que se verán afectados o facilitados por la tecnología de los compuestos termoplásticos en 2022 y más allá.

Movilidad Aérea Urbana (UAM)

 

La industria aeroespacial ha liderado la innovación en materiales compuestos. Los materiales compuestos siguen desplazando al metal en las nuevas plataformas aeroespaciales debido a sus reconocidas ventajas en cuanto a rendimiento, ciclo de vida y fabricación, con el Airbus A350 y el Boeing 787 como dos ejemplos de aviones comerciales que demuestran un contenido de materiales compuestos superior al 50% [1, 2]. Los materiales compuestos se utilizan habitualmente en aplicaciones de estructuras primarias y secundarias de gran tamaño debido a las ventajas económicas derivadas de la reducción de peso, la libertad de diseño y la vida útil. Algunos ejemplos comunes son las alas de los aviones, las palas de los aerogeneradores o los chasis de los automóviles. Estas piezas se fabrican tradicionalmente con materiales compuestos termoestables.

El reto de la congestión del tráfico moderno y los desplazamientos típicos en las áreas metropolitanas de todo el mundo ha ido empeorando en las dos últimas décadas. En lugar de pensar en dos dimensiones, los pioneros de los fabricantes de la UAM están pensando en tres dimensiones para aliviar parte de la presión de las carreteras metropolitanas.

No es tarea sencilla tomar la tecnología aeroespacial de los aviones comerciales de pasajeros más modernos de la actualidad y llevarla a un paquete a pequeña escala para el entorno urbano. El peso, el ruido, la seguridad y el rendimiento son aspectos muy a tener en cuenta. Los aviones modernos llevan muchos años utilizando estructuras de compuestos termoestables. Los fabricantes de UAM están incorporando los compuestos termoestables tradicionales a sus diseños, al tiempo que adoptan los nuevos compuestos termoplásticos.

Las aplicaciones típicas de los compuestos termoestables son los componentes de gran tamaño, pero los componentes de interconexión más pequeños siguen estando diseñados para metal. La complejidad y el volumen de los componentes metálicos hacen que sean aplicaciones difíciles de pasar del metal a los compuestos termoestables tradicionales. Aquí es donde los compuestos termoplásticos pueden aportar ligereza y resistencia, así como la capacidad de realizar formas complejas. Las empresas con plataformas de compuestos termoplásticos, como Xycomp® DLF de Greene Tweed, han superado ese reto en el sector aeroespacial y seguirán cambiando la percepción de la sustitución de metales de formas complejas en el segmento de mercado UAM con nuestros productos de compuestos termoplásticos cualificados para el sector aeroespacial.

Aplicaciones espaciales

 

En los últimos diez años ha habido muchas primicias en la industria espacial, entre las que destaca "el regreso a la Tierra de la primera etapa del cohete Falcon 9 de SpaceX cerca de su lugar de lanzamiento" [3]. Las empresas espaciales comerciales han sido pioneras en avances como las etapas de cohetes reutilizables, que están llevando a la industria espacial a nuevas cotas. Los cohetes reutilizables han reducido drásticamente el coste del lanzamiento de naves espaciales a la órbita terrestre baja (LEO), lo que ha empezado a permitir la creación de constelaciones de satélites a una escala nunca vista. Los satélites y las constelaciones de satélites (grupos más grandes de satélites que trabajan juntos como un sistema) no son nada nuevo, pero la escala y el volumen de estas nuevas constelaciones empequeñecen cualquier cosa que se haya hecho en el pasado. La llegada del "ride-sharing" (división de la zona de carga del cohete en secciones separadas que se pueden comprar para que varias empresas compartan un cohete) ha abierto el sector a organizaciones y universidades más pequeñas para que puedan poner en órbita su(s) propio(s) satélite(s). En enero de 2021, el cohete Falcon 9 de SpaceX puso en órbita 143 naves espaciales, lo que supone un nuevo récord mundial de lanzamiento simultáneo de naves espaciales [4].

Estos satélites utilizan materiales avanzados, como los compuestos, para reducir su peso en el lanzamiento y prolongar su vida útil. Los materiales compuestos aportan valores únicos, como la reducción de peso que permite añadir más satélites a la carga útil de un cohete, la consolidación de piezas para reducir el tiempo de montaje y uniformizar el coeficiente de expansión térmica (CTE), y la capacidad de moldear características que permiten conseguir nuevas configuraciones con el mismo tamaño o con tamaños más pequeños. Varios componentes de los satélites pueden beneficiarse del uso de materiales compuestos, como los paneles solares, las antenas, la estructura de la nave espacial y la carga útil, los sistemas de energía y los sistemas de propulsión, entre otros.

¿Cuáles serán las primicias de la exploración espacial en los próximos diez años? ¿Podrían ser los primeros vuelos comerciales de turismo espacial, la primera estación espacial comercial y/o el primer hombre en Marte? El tiempo lo dirá, pero es muy probable que los compuestos termoplásticos estén presentes.

Robótica

 

La tecnología robótica ha influido en muchos sectores y aplicaciones, como el aeroespacial, defensa, fabricación industrial, petróleo y gas, medicina y otras industrias. Estas aplicaciones de la tecnología robótica pueden incluir robots que trabajan codo con codo con sus compañeros humanos, robots controlados por humanos que trabajan en condiciones extremas (para que los humanos no tengan que hacerlo) y vehículos no tripulados que realizan trabajos que antes no podía hacer un humano. La robótica es una tecnología verdaderamente revolucionaria que puede afectar a todos los ámbitos de la vida y a todos los sectores.

Como resultado de la creciente presencia de robots, para determinadas aplicaciones, el peso del robot, el peso de la carga útil, la duración de la batería y la seguridad se convierten en características de diseño críticas. Aquí es donde los compuestos termoplásticos de alto rendimiento pueden aportar valor. Normalmente, el tamaño y la complejidad de estos robots no se prestan a los compuestos termoestables tradicionales, sobre todo teniendo en cuenta los volúmenes necesarios.

La sustitución del metal de forma compleja por un termoplástico moldeado por compresión puede contribuir a reducir drásticamente el peso del robot, ayudándole a transportar cargas más pesadas y/o a prolongar la duración de la batería. Estas ventajas pueden contribuir a la eficacia operativa y, en ocasiones, ser el factor que hace posible la robótica (en una aplicación específica). Las soluciones de compuestos termoplásticos Xycomp® DLF (fibra larga discontinua) de Greene Tweeds pueden aportar reducción de peso, consolidación de piezas, características de moldeado y mucho más al sustituir piezas metálicas de formas complejas.

Economía del hidrógeno

 

La nueva economía del hidrógeno tiene el potencial de trastornar y cambiar el mundo de la energía, pero la única forma de que la economía del hidrógeno tenga sentido es que se base en hidrógeno verde. El auge de las energías renovables, la apuesta de los gobiernos y el sector privado por la economía neta cero y el potencial del hidrógeno verde son factores que contribuyen a la aparición de una economía del hidrógeno. Las aplicaciones actuales del hidrógeno son el combustible para cohetes, los procesos industriales y la fabricación de productos químicos, pero el verdadero potencial del hidrógeno en el futuro es como fuente limpia de combustible para el transporte y la generación de energía. El procesamiento del hidrógeno posee sus propios retos, más allá del simple cambio de infraestructura.

Uno de los mayores retos del cambio de infraestructuras será trasladar el hidrógeno desde la producción hasta los puntos de uso. El hidrógeno es un gas de moléculas pequeñas, y los compresores centrífugos tradicionales son incapaces de transportar hidrógeno puro debido a problemas de fragilización del metal y a una menor relación de presión que requiere un aumento de la velocidad de rotación imposible de alcanzar con los impulsores metálicos tradicionales debido a las limitaciones de velocidad de la punta.

El desarrollo de toda una nueva cadena de suministro de hidrógeno, desde la producción de hidrógeno ecológico hasta el almacenamiento de energía de hidrógeno y los vehículos eléctricos de pila de combustible, aumentará la necesidad de compresores centrífugos de nueva generación que puedan manipular hidrógeno de alta pureza de forma eficiente. Estos nuevos compresores centrífugos serán posibles gracias a soluciones de compuestos termoplásticos de alto rendimiento.

Las juntas laberínticas de materiales compuestos termoplásticos pueden mejorar la eficiencia de los compresores centrífugos en un 1% o más, sin ser víctimas de la corrosión ni de la fragilización del metal. Los impulsores fabricados con compuestos termoplásticos de alta relación resistencia-peso tienen el potencial de permitir a los compresores centrífugos procesar hidrógeno de alta pureza, al reducir el peso del impulsor y la tensión en el rotor, permitiendo así velocidades de rotación más altas. Estas tecnologías permitirán a los fabricantes de equipos originales suministrar los equipos necesarios para que las empresas energéticas y los gobiernos aprovechen las ventajas del hidrógeno ecológico como alternativa energética eficaz a los combustibles fósiles.

Fabricación de semiconductores

 

La industria de los semiconductores ha sufrido una increíble presión de la demanda y la oferta durante la pandemia, con la aparición de la economía del trabajo desde casa y los retos de la cadena de suministro debidos al COVID-19. La fabricación de chips de circuitos integrados consta de muchas etapas, como el grabado, la litografía, la deposición y la limpieza de obleas, entre otras. Estos pasos utilizan productos químicos exóticos y agresivos para crear estructuras de nodos complejas que permiten el nivel actual de potencia informática.

Los retos asociados al control de la contaminación por partículas y productos químicos para lograr un alto rendimiento de los dispositivos semiconductores a medida que se reduce el tamaño de los patrones son cada vez más difíciles de resolver. Las piezas utilizadas en cámaras y procesos de limpieza deben soportar temperaturas más elevadas y entornos químicos agresivos sin degradarse ni generar partículas. Estas condiciones llevan a sustituir los materiales existentes por materiales compuestos termoplásticos avanzados y nuevos métodos de fabricación para cumplir los requisitos de resistencia a temperaturas y productos químicos de la próxima generación de equipos de procesamiento de obleas.

Referencias:

[1] "Boeing 787 Design Highlights", www.boeing.com, consultado el 22 de abril de 2015, http://www.boeing.com/ commercial/787/#/design-highlights/visionary-design/composites/advanced-composite-use/.

[2] Keith Campbell. "Airbus empezará a fabricar piezas para el nuevo A350 XWB a finales de 2009", Engineering News online, 11 de mayo de 2009, http://www.engineeringnews.co.za/article/airbus-to-start-manufacturing-parts-fornew-a350-xwb-in-late-09-2009-05-11.

[3] "SpaceX" , britanica.com, consultado en octubre de 2021, https://www.britannica.com/topic/SpaceX.

[4] Michael Sheetz. "SpaceX launches a 'rideshare' mission carrying 143 spacecraft, a record for a single launch", CNBC, 24 de enero de 2021, https://www.cnbc.com/2021/01/24/spacex-launches-rideshare-mission-with-143-spacecraft.html.