Ensayos en la industria aeroespacial
La tecnología aeroespacial es clave, de gran relevancia desde el punto de vista económico y estratégico. Los desarrollos tecnológicos en el ámbito de los vuelos autónomos y no tripulados –Advanced Air Mobility (AAM) y Unmanned Air Systems (UAS)– se encuentran actualmente en pleno apogeo, franqueado por importantes avances en los sistemas de gestión y control de vuelos. En la actual "Nueva era espacial", las empresas privadas cooperan con las organizaciones espaciales establecidas impulsando el desarrollo de sus propios vehículos de lanzamiento en todo el mundo para satisfacer la creciente demanda de servicios de lanzamiento espacial. Con el objetivo de impulsar la industria de la aviación hacia un futuro sostenible, se está acelerando el desarrollo de sistemas de propulsión basados en combustibles de aviación sostenibles (Sustainable Aviation Fuels, SAF) a medio plazo, y basados en hidrógeno a largo plazo. Las flotas existentes se modernizan y la necesidad de mantenimiento de las aeronaves –Maintenance, Repair and Overhaul (MRO)– aumenta constantemente.
Con los sistemas de ensayos de materiales a temperaturas criogénicas de -253 °C (20K) hasta sistemas de ensayos a alta temperatura de hasta 2.000 °C, ayudamos a nuestros clientes a desarrollar materiales y estructuras ligeros cada vez más eficientes. Descubra nuestro know-how, nuestra dilatada experiencia y nuestro profundo conocimiento de las aplicaciones en el área de los ensayos mecánicos de materiales metálicos, plásticos reforzados con fibras y compuestos tipo sándwich, materiales cerámicos y de ensayos de elementos de fijación utilizados en la industria aeroespacial. Nuestros clientes de la industria aeroespacial de todo el mundo utilizan las máquinas de ZwickRoell en todos los niveles de madurez tecnológica (technology readiness level TRL) para realizar ensayos estáticos y dinámicos de materiales acreditados por NADCAP.
Metal Composites Alta temperatura Temperaturas criogénicas Elementos de fijación Ensayo de dureza Proyectos de clientes
Las aleaciones de aluminio se utilizan mucho en estructuras aeroespaciales por sus buenas características en relación al peso, procesos de fabricación y métodos de cálculo establecidos. Las aleaciones de titanio, otra clase de metales ligeros, también tienen características muy favorables en relación al peso, una resistencia a la corrosión muy superior a la del aluminio y muy buenas propiedades ante las altas temperaturas. Por ello, se utilizan especialmente para componentes sometidos a grandes esfuerzos mecánicos y para componentes de turbinas. A menor escala, las aleaciones de acero de alta resistencia pueden encontrarse en componentes estructurales que también están sometidos a tensiones igualmente elevadas.
Los grandes avances en los procesos de fabricación aditiva de metales permiten ahora diseñar estructuras ligeras de gran complejidad que antes no podían conseguirse con los procesos de fabricación convencionales. Los materiales metálicos, especialmente los metales ligeros y sus aleaciones, desempeñan un papel fundamental en el diseño y la fabricación de aeronaves y sistemas espaciales.
Normas de ensayo relevantes para metales
Junto a los métodos de ensayo estáticos, los ensayos de fatiga en materiales metálicos tienen un papel destacado en la determinación del comportamiento de materiales metálicos empleados en estructuras aeroespaciales en condiciones de carga reales. Con nuestros sistemas de ensayos, en ZwickRoell cubrimos todas las normas para metales más comunes. Además de soluciones estandarizadas, también ofrecemos varios niveles de adaptación a medida del cliente y sistemas de ensayos automatizados para metales.
Plásticos reforzados con fibra y compuestos sándwich
Gracias a sus excelentes propiedades mecánicas específicas en función del peso, está muy consolidado el uso de plásticos reforzados con fibra y compuestos sándwich para estructuras ligeras en la tecnología aeroespacial. Especialmente los laminados de plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP), permiten simplificar la construcción y el diseño de estructuras aeroespaciales gracias a sus favorables propiedades ante la fatiga. La mayor resistencia a la corrosión en comparación con materiales metálicos bien consolidados es otro de los motivos a favor del uso de plásticos reforzados con fibra en este sector. La industria aeroespacial ha sido y sigue siendo pionera en el desarrollo continuo de sistemas de materiales compuestos, procesos de fabricación y métodos de ensayo mecánico para la caracterización de laminados compuestos y compuestos sándwich.
Además de una amplia gama de ensayos estáticos y dinámicos a temperatura ambiente, los ensayos de materiales compuestos para estructuras aeroespaciales también se realizan a menudo en un rango de temperatura definido entre -55 °C (-67 °F) y 121 °C (250 °F). En la actualidad, el desarrollo de conceptos de propulsión alternativos y sostenibles, que se ha intensificado considerablemente en los últimos años, y el almacenamiento de hidrógeno líquido a temperaturas criogénicas, que es la opción más favorable para las aeronaves de mayor tamaño, están poniendo cada vez más los ensayos estáticos y de fatiga a temperaturas ultrabajas de -253 °C (20K) en el punto de mira.
Más información sobre el ensayo de composites Más información sobre el método de ensayo criogénico
Normas de ensayo relevantes para composites en la tecnología aeroespacial
| Método de ensayos | Norma | Normas Airbus / Boeing |
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| Ensayos de tracción en composites |
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| Ensayos de compresión en composites |
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| Ensayos de cizallamiento en el plano |
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| Ensayos de flexión en composites |
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| Resistencia al cizallamiento interlaminar ILSS |
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| Compresión después de impacto, CAI |
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| Compresión en cavidad abierta y resistencia a la unión |
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| Tasa de liberación de energía interlaminar |
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Para determinar el comportamiento a altas temperaturas de los materiales metálicos utilizados en los motores de los aviones, se realizan ensayos de tracción hasta 1200 °C en una máquina de ensayos estática equipada con un horno de alta temperatura. La combinación de una cámara de temperatura estándar y un horno de alta temperatura permite, además, cubrir un extenso rango de temperaturas, desde las más bajas hasta los 1.200 °C. Para determinar la fiabilidad y durabilidad de los componentes sometidos a grandes esfuerzos en condiciones extremas, los metales de alta temperatura también se someten a ensayos de fluencia / creep para determinar los límites de fluencia y las características de resistencia a la fluencia a distintos niveles de temperatura. Esto ayuda a nuestros clientes a comprender el comportamiento de las nuevas aleaciones de alta temperatura, a seleccionar el material adecuado para una determinada aplicación, además de proporcionar los datos adecuados para el diseño de componentes expuestos a altas temperaturas.
También se puede ensayar la capacidad de carga mecánica de los compuestos de matriz cerámica (CMC) a altas temperaturas hasta los 2.000 °C. Se evalúa la idoneidad de los CMC para determinadas aplicaciones, a partir de ensayos de tracción, compresión, cizallamiento, flexión, fluencia y fatiga por fluencia. Para garantizar que los CMC se prueban bajo unas condiciones de funcionamiento reales, se pueden hacer ensayos en vacío y gas inerte en un rango de temperatura de 650 °C hasta 2.000 °C.
Los Sistemas de ensayos a alta temperatura de ZwickRoell permiten, además, medir la deformación sin contacto hasta la temperatura máxima. De este modo, se puede descartar el fallo prematuro de probetas sensibles causado por muescas realizadas por los sistemas de medición de contacto convencionales. Un regulador de alta temperatura automático y adaptativo garantiza un control de temperatura de alta precisión y evita errores de manejo. Ya no es necesario las sacrificar probetas, a menudo necesarias, para los ensayos a alta temperatura.
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Para los sistemas de lanzamiento de vehículos espaciales se utilizan diversos combustibles líquidos que deben enfriarse a temperaturas criogénicas. Se seleccionan en función de los requisitos específicos de cada misión, del rendimiento deseado y de las opciones tecnológicas, incluso durante la producción de los combustibles líquidos. Con décadas de experiencia en el desarrollo de sistemas de lanzamiento espacial para la industria aeroespacial, se han adquirido conocimientos sobre el comportamiento de diversos materiales a temperaturas criogénicas. Sin embargo, dichos conocimientos no están demasiado extendidos y no existen para los sistemas de materiales nuevos. Además, los cohetes construidos hasta la fecha estaban desarrollados para un solo lanzamiento, mientras que algunos sistemas actuales están diseñados para lanzamientos múltiples y para su reutilización. Para los futuros conceptos de propulsión sostenible en la aviación, el objetivo a largo plazo es utilizar hidrógeno líquido, que deberá almacenarse a bordo a una temperatura de -253 °C (20K).
La larga vida útil de los aviones comerciales modernos hace que, además del comportamiento estático de los materiales a temperaturas criogénicas, cada vez se preste más atención al comportamiento a fatiga de los materiales utilizados para la construcción de sistemas de a bordo. Por lo tanto, los hallazgos previos sobre el comportamiento de los materiales a temperaturas criogénicas de la industria aeroespacial sólo pueden aplicarse a futuros desarrollos en el campo de la aviación hasta cierto punto.
En el ámbito de los métodos de ensayo criogénico ZwickRoell ofrece soluciones de ensayos estáticos y dinámicos para la caracterización de materiales metálicos y de plásticos no reforzados y reforzados con fibras. En función de las temperaturas criogénicas que deben alcanzarse, se emplean criostatos de inmersión (77 K) o criostatos de flujo (a una temperatura ambiente de hasta 15 K).
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Además de las propiedades mecánicas de los materiales utilizados en las estructuras aeronáuticas y aeroespaciales, el comportamiento estructural viene determinado en gran medida por las propiedades de las distintas uniones por pernos y remaches. Para ello, debe ensayarse la resistencia estática y, especialmente, la resistencia a la fatiga de los elementos de fijación mecánicos utilizados, especialmente los que se especifican en los métodos de ensayo de conformidad con ASTM F606, NASM 1312-8 y NASM 1312-13.
ZwickRoell ofrece soluciones para ensayos estáticos y dinámicos para poder realizar los ensayos de forma fiable y eficiente.
Las piezas y componentes metálicos para aplicaciones aeroespaciales y tecnología militar están sometidos a las más altas exigencias en términos de fiabilidad, vida útil e integridad funcional, en parte bajo condiciones de funcionamiento extremas. Con el principio de construcción «safe life», utilizado en la industria aeroespacial, por ejemplo, es imposible que un componente diseñado de este modo falle o se averíe durante su vida útil prevista. Por ello, los componentes metálicos se someten a un estricto seguimiento del proceso y a métodos precisos de control de calidad. En este contexto, el ensayo de dureza también desempeña un papel fundamental.
ZwickRoell ofrece durómetros y equipos de dureza que cumplen todos los métodos de ensayo de dureza y normas de ensayo internacionales.
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