265. Fabricación de fibra de carbono

Autor: Jorge Elías

A. Proyecto: Fabricación local de fibra de carbono

B. Fundamentación: Se denomina "fibra de carbono" a un compuesto no metálico de tipo polimérico, integrado por una fase dispersante que da forma a la pieza que se quiere fabricar - normalmente alguna resina - y una fase dispersa - un refuerzo hecho de fibras, en este caso, de carbono y cuya materia prima es el poliacrilonitrilo. Las razones del elevado precio de los materiales realizados en fibra de carbono se debe a varios factores:
-El refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de producción. Este proceso se realiza a alta temperatura -entre 1100 y 2500 °C- en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus características una vez se ha obtenido la fibra.
-El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya que se requiere de un complejo utillaje especializado, como el horno autoclave.
-Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes

Uno de los objetivos prioritarios de la industria aeronáutica internacional en la actualidad consiste en incrementar la eficiencia y reducir el consumo de carburantes y, con ello, reducir substancialmente la factura por ese concepto, así como los efectos sobre el calentamiento global. Una estrategia pasa por aligerar el peso de las aeronaves. Y un método cada vez más común para lograrlo es utilizar materiales compuestos, en especial plásticos reforzados con fibra de carbono, en lugar de los metales que han sido la norma a lo largo de la historia de la aviación.

Estos compuestos están integrados por plásticos impregnados con filamentos de fibra de carbono que forman finas láminas. Para crear estructuras como las utilizadas en las piezas de los aviones, estas láminas se depositan en capas en un molde, con la trama alineada en determinadas direcciones para asegurar una fortaleza óptima. Una vez conformado el compuesto se analiza, habitualmente por ultrasonidos, para garantizar que cada pieza esté libre de imperfecciones internas. El material resultante es ligero, fuerte, durable y resistente a variaciones de temperatura.

El avión militar Airbus 400 será el primer modelo que se construirá con alas de fibra de carbono. Aproximadamente una tercera parte de las estructuras del nuevo Airbus 380 serán de fibra de carbono, y se prevee que el A350, aún en fase de diseño, contendrá un porcentaje aun mayor de piezas de ese material. Boeing está incrementando el porcentaje de fibra de carbono de su 787 hasta suponer el 50%. Para el desarrollo tecnológico del país es fundamental incorporar la tecnología de fabricación de fibra de carbono, dado que su empleo cada vez es mayor en la industria aeronáutica y automotriz.

C. Objetivos generales:

- Incorporar un nuevo material de fabricación nacional a la industria en general, en especial la aeronáutica y automotriz.

- Introducir una nueva tecnología, no disponible actualmente

- Desarrollar un laboratorio de Investigación y Desarrollo

- Permitir el ahorro de divisas al evitar la importación de material extranjero

- Desarrollar un nuevo nicho tecnológico aún no explotado

- Permitir nuevos productos a menor costo

- Generar nuevas fuentes de trabajo (Pymes)

- Incrementar la independencia tecnológica

D. Lugar: Instituto Nacional de Tecnología Industrial.

E. Recursos necesarios:

- Estudio de factibilidad

- Estudio de impacto ambiental

- Aprobación del proyecto por el PEN (Ministerio de Industria y Ciencia y Tecnología)

- Obtención de la partida presupuestaria para el desarrollo del Laboratorio de Fibra de Carbono en el INTI

- Convenio con empresa nipona Toray Industries, de Japón, el mayor productor de fibra de carbono del mundo, para la producción y desarrollo bajo licencia.

- Implementar un cluster para Investigación y Desarrollo de elementos.

- Creación de una empresa mixta (INTI + Privada) para la explotación de la producción.

Foto: Recorte computarizado de la Fibra de Carbono (Boeing)

F. Características generales: Entre los rasgos principales de la fibra de carbono compuesto podemos destacar una gran cantidad. Uno de ellos es su elevada resistencia a todo lo mecánico, ya que funciona con una suerte de módulo de elasticidad muy elevado. Otra característica importante es la baja densidad que posee, sobre todo si se trazan paralelismos con otros elementos (el acero, por mencionar un ejemplo). Su elevado precio es algo que definitivamente diferencia a este material de otros y que se produce por las razones mencionadas anteriormente. Otra clase de resistencia que tiene la fibra de carbono es la resistencia a los agentes exteriores, a lo que podemos unir su capacidad para realizar un aislamiento. Una resistencia más que posee es aquella vinculada con las variaciones en los grados de temperatura, pudiendo además conservar su forma, aunque siempre y cuando intervenga la matriz termoestable. Asimismo, cuenta con buenas propiedades ignífugas. En lo que respecta a los usos, la fibra de carbono es ampliamente utilizada en industrias como la aeronáutica y automovilística, al tiempo que puede ser empleada para la fabricación de barcos y bicicletas, donde se destacan como fundamentales sus propiedades mecánicas y su relevante rasgo de ligereza.

Podemos ubicar las primeras fibras de carbono de uso industrial en la época de fuerte trabajo de Thomas Edison, quien las preparó gracias a un proceso de carbonización, que logró por el empleo de filamentos de otras fibras (de bambú, celulosa). Las mismas fueron posteriormente utilizadas para la preparación de otros filamentos: los de las lámparas incandescentes. Sin embargo, fue recién en 1960 cuando la Union Carbide pudo desarrollar un proceso industrial consistente en la obtención de este material y con la utilización de un carbono de alto módulo de Young. Seis años después se obtuvieron fibras de PAN, es decir, de poliacrilonitrilo y se desarrollaron muchas otras a partir del uso de breas de carbón, de petróleo y de resinas fenólicas. En la década del ’80, se las fabrica a partir de breas de mesofase, ahora de ultra-alto módulo y las cuales fueron destinadas a muy altas prestaciones.

Foto: Autoclave

Es un material muy caro, de propiedades mecánicas elevadas y ligero. Al tratarse de un material compuesto, en la mayoría de los casos -aproximadamente un 75%- se utilizan polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque otros polímeros, como el poliéster o el viniléster también se usan como base para la fibra de carbono aunque están cayendo en desuso.
Las propiedades principales de la tela de fibra de carbono son:
-Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado.
-Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero.
-Elevado precio de producción.
-Resistencia a agentes externos.
-Gran capacidad de aislamiento térmico.
-Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable.
-Buenas propiedades ignífugas.