Glare (derivado de GLAss REinforced laminate [1] ) es un laminado de fibra metálica (FML) compuesto de varias capas muy delgadas de metal (generalmente aluminio ) intercaladas con capas de preimpregnado de fibra de vidrio S-2 , unidas entre sí con una matriz como epoxi . Las capas de preimpregnado unidireccionales pueden alinearse en diferentes direcciones para adaptarse a las condiciones de estrés previstas .
Aunque Glare es un material compuesto , [2] sus propiedades materiales y su fabricación son muy similares a las de las láminas de aluminio a granel. Tiene mucho menos en común con las estructuras compuestas en lo que respecta al diseño, la fabricación, la inspección o el mantenimiento. Las piezas de Glare se construyen y reparan utilizando principalmente técnicas de trabajo de metales convencionales.
Sus principales ventajas frente al aluminio convencional son: [3]
Además, el material se puede adaptar durante el diseño y la fabricación para que la cantidad, el tipo y la alineación de las capas se adapten a las tensiones y formas locales de todo el avión. Esto permite la producción de secciones de doble curvatura, paneles integrados complejos o láminas de gran tamaño.
Si bien una simple lámina fabricada con Glare es de tres a diez veces más cara que una lámina equivalente de aluminio, [4] se pueden lograr ahorros considerables en la producción utilizando la optimización mencionada anteriormente. Una estructura construida con Glare es más liviana y menos compleja que una estructura metálica equivalente, requiere menos inspección y mantenimiento y tiene una vida útil más larga hasta que falla . Estas características pueden hacer que Glare sea más económico, liviano y seguro de usar a largo plazo.
Glare es un FML relativamente exitoso, patentado por la empresa holandesa Akzo Nobel en 1987. [5] [6] Entró en aplicación importante en 2007, cuando el avión de pasajeros Airbus A380 comenzó a operar comercialmente. Gran parte de la investigación y el desarrollo se realizaron en los años 1970 y 1980 en la Facultad de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Tecnológica de Delft , donde profesores e investigadores avanzaron en el conocimiento del FML y obtuvieron varias patentes, como una técnica de empalme para construir paneles más anchos y más largos sin requerir juntas externas. [7]
El desarrollo de los FML refleja una larga historia de investigación que comenzó en 1945 en Fokker , donde la experiencia previa en unión de De Havilland inspiró la investigación sobre las propiedades mejoradas de los laminados de aluminio unidos en comparación con el aluminio monolítico. Más tarde, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de los Estados Unidos se interesó en reforzar las piezas metálicas con materiales compuestos en el programa del transbordador espacial , lo que llevó a la introducción de fibras en las capas de unión. Así nació el concepto de los FML.
Investigaciones posteriores y la cooperación de Fokker con la Universidad de Delft , [8] el laboratorio aeroespacial holandés NLR , 3M , Alcoa y varias otras empresas e instituciones condujeron al primer FML: los laminados de aluminio reforzados con aramida (ARALL), que combinaban aluminio con fibras de aramida y fueron patentados en 1981. [9] [10] [11] Este material tenía algunos problemas de costo, fabricación y aplicación; si bien tenía una resistencia a la tracción muy alta, el material demostró ser subóptimo en resistencia a la compresión, carga fuera del eje y carga cíclica. Estos problemas llevaron a una versión mejorada con fibra de vidrio en lugar de fibras de aramida.
A lo largo del desarrollo del material, que tardó más de 30 años desde su inicio hasta su aplicación principal en el Airbus A380 , han participado muchos otros socios de producción y desarrollo, entre ellos Boeing , McDonnell Douglas , Bombardier y la Fuerza Aérea de los EE. UU . [12] Con el paso del tiempo, las empresas se retiraron de esta participación, a veces para volver después de un par de años. Por ejemplo, Alcoa se fue en 1995, regresó en 2004 y se retiró nuevamente en 2010. Se alega que los desacuerdos entre algunos de estos socios hicieron que Boeing eliminara Glare del piso de carga del Boeing 777 en 1993 [13] (antes de la entrada en servicio del avión en 1995) y bloqueara los planes de Bombardier de utilizar Glare en su avión CSeries en 2005. [14] [12] Estas decisiones estratégicas muestran la naturaleza dinámica de los procesos de innovación. [14]
El deslumbramiento se ha aplicado con mayor frecuencia en el campo de la aviación. Forma parte del fuselaje del Airbus A380 y del borde de ataque de las superficies de la cola. En 1995, un contenedor de carga de aeronaves hecho de Glare se convirtió en el primer contenedor certificado por la Administración Federal de Aviación (FAA) para resistencia a explosiones; el contenedor puede absorber y neutralizar la explosión y el fuego de una bomba como la utilizada en el desastre del vuelo 103 de Pan Am sobre Lockerbie , Escocia , en 1988. [15] [16] El deslumbramiento también se ha utilizado en el mamparo del radomo delantero del avión comercial Bombardier Learjet 45 , [17] que se entregó por primera vez en 1998. [18] El material se utilizó como una solución de revestimiento de carga para aviones regionales , [19] en los revestimientos inferiores de los flaps en el avión de transporte militar Lockheed Martin C-130J Super Hercules , [20] y en correas para los marcos de carga más altos en el transportador militar Airbus A400M . [21]
Hay seis grados Glare estándar (Glare1 a Glare6) con densidades típicas que van desde 2,38 a 2,52 gramos por centímetro cúbico (0,086 a 0,091 lb/cu in), [ cita requerida ] que es similar a la densidad de 2,46 a 2,49 g/cm 3 (0,089 a 0,090 lb/cu in) de la fibra de vidrio S-2 . [22] Estas densidades son menores que la densidad de 2,78 g/cm 3 (0,100 lb/cu in) de la aleación de aluminio 2024-T3 , [23] una aleación de aluminio común en estructuras de aeronaves que también se incorpora en todos menos uno de estos grados Glare. (Glare1 utiliza la aleación 7475-T761 en su lugar). Como la resistencia del compuesto varía con la dirección de la fibra, los grados Glare difieren por el número y la complejidad de las capas preimpregnadas y las orientaciones dentro de una capa compuesta. [ cita requerida ] Cada grado Glare tiene variantes A y B que tienen el mismo número de capas pero con orientaciones de fibra alternadas. [24] Los grados Glare estándar se curan en un autoclave a 120 °C (248 °F) durante 3,5 horas bajo una presión de 11 bares (11 atm; 160 psi; 1100 kPa), y utilizan el preimpregnado epoxi FM94. [25]
Una sola lámina de Glare puede denominarse utilizando la convención de nomenclatura Grado GLARE - Capas de aluminio / Capas de fibra de vidrio - Espesor de la capa de aluminio . El número de capas de aluminio es siempre uno más que el número de capas de fibra de vidrio, y el espesor de la capa de aluminio se expresa en milímetros, que pueden variar de 0,2 a 0,5 mm (0,0079 a 0,0197 pulgadas; 7,9 a 19,7 milésimas de pulgada). (Sin embargo, Glare1 solo puede constar de capas de aluminio de 0,3 a 0,4 mm (0,012 a 0,016 pulgadas; 12 a 16 milésimas de pulgada) de espesor). Por ejemplo, Glare4B-4/3-0.4 es una lámina Glare con un grado Glare4 (utilizando la variante B) donde hay cuatro capas de aluminio y tres capas de fibra de vidrio, y el espesor de cada capa de aluminio es de 0,4 mm (0,016 pulgadas; 16 milésimas de pulgada). [26] (En contraste, una hoja típica de papel para fotocopia tiene un grosor de 0,097 mm (0,004 pulgadas; 4 milésimas de pulgada), mientras que una tarjeta de presentación típica tiene un grosor de 0,234 mm (0,009 pulgadas; 9 milésimas de pulgada). [27]
No es necesario especificar por separado el espesor de un grado Glare, ya que cada capa preimpregnada tiene un espesor nominal de 0,125 mm (0,0049 in; 4,9 mils), y el número de capas ya está definido para un número de grado Glare. Los grados Glare 1, 2, 3 y 6 tienen solo dos capas de fibras de vidrio, por lo que el espesor de una capa de fibra de vidrio individual es de 0,25 mm (0,0098 in; 9,8 mils). Glare4 tiene tres capas, por lo que sus capas de fibra de vidrio tienen cada una 0,375 mm (0,0148 in; 14,8 mils) de espesor. Glare5 tiene cuatro capas, con capas de fibra de vidrio individuales de 0,5 mm (0,020 in; 20 mils) de espesor. [ cita requerida ] Las láminas antideslumbrantes tienen espesores generales típicos de entre 0,85 y 1,95 mm (0,033 y 0,077 pulgadas; 33 y 77 milésimas de pulgada). [23]
También existen otros grados y denominaciones menos comunes de híbridos de aluminio y fibra de vidrio. Una clase más nueva de Glare, llamada High Static Strength Glare (HSS Glare), incorpora la aleación 7475-T761 y se cura a 175 °C (347 °F) utilizando preimpregnado de epoxi FM906. HSS Glare viene en tres grados (HSS Glare3, HSS Glare4A y HSS Glare4B), que reflejan las capas y orientaciones de sus grados Glare estándar correspondientes. [25] Rusia, que en un momento iba a incorporar Glare en su avión de pasajeros de fuselaje estrecho Irkut MS-21 , [28] se refiere a su versión de Glare como SIAL. El nombre es una traducción del acrónimo ruso para fibra de vidrio y aluminio/plástico (С.И.А.Л.). Define los grados SIAL-1 a SIAL-4, que generalmente contienen la aleación de aluminio y litio rusa de segunda generación 1441 y varían en densidad de 2,35 a 2,55 g/cm 3 (0,085 a 0,092 lb/cu in). [29] SIAL se utiliza en la cubierta del ala del hidroavión anfibio Beriev Be-103 . [30] Airbus basa sus designaciones de materiales en la aleación de aluminio subyacente, utilizando prefijos como 2024-FML, 7475-FML y 1441-FML [25] [31] en lugar de Glare y HSS Glare.
Glare aporta 485 metros cuadrados (5.220 pies cuadrados) de material a cada avión A380. Este material constituye el tres por ciento en peso de la estructura del A380, [3] que tiene un peso operativo en vacío (OEW) de 277.000 kg (610.700 lb; 277,0 t; 305,4 toneladas cortas). Debido a la densidad diez por ciento menor de Glare en comparación con una aleación de aluminio independiente típica, el uso de Glare en el A380 da como resultado un ahorro directo estimado (basado en el volumen) de 794 kg (1.750 lb; 0,794 t; 0,875 toneladas cortas), [33] que no incluye el ahorro de peso posterior en toda la estructura de la aeronave que resulta del menor peso del material. Por ejemplo, un estudio interno de Airbus de 1996 calculó que el ahorro de peso de Glare en el fuselaje superior sería de 700 kg (1.500 lb; 0,70 t; 0,77 toneladas cortas) solo con el material más ligero, pero totalizaría 1.200 kg (2.600 lb; 1,2 t; 1,3 toneladas cortas) debido a los "efectos de bola de nieve" de motores más pequeños, tren de aterrizaje más pequeño y otros cambios positivos. [34] (Sin embargo, esto es mucho menor que la afirmación temprana de un vicepresidente de Airbus de que Glare resultaría en 15.000 a 20.000 kg (33.000 a 44.000 lb; 15 a 20 t; 17 a 22 toneladas cortas) de ahorro, [14] [35] presumiblemente si se usara en la mayor parte de la aeronave).
Para aprovechar la mayor resistencia a la tracción de Glare, se utilizan 469 m2 ( 5050 pies cuadrados) en la parte superior del fuselaje de las secciones delantera y trasera. Glare se eliminó del fuselaje superior central en 2000 [36] como precaución de resistencia al corte (aunque el proveedor de Glare consideró que podría haber manejado esa área), [37] y la parte inferior del fuselaje está hecha de otros materiales con valores de módulo de Young (rigidez) más altos para resistir el pandeo . [3]
En el fuselaje, se aplica Glare2A a los largueros , Glare2B a las correas de los extremos y Glare3 y Glare4B a los revestimientos del fuselaje. [38] Más tarde en el proceso de desarrollo del A380, se descubrió que el avión era más pesado que las especificaciones originales, por lo que Airbus reemplazó el aluminio convencional con Glare5 como medida de ahorro de peso para los bordes de ataque del estabilizador horizontal y el estabilizador vertical , [38] aunque a un gran costo. [4] Los paneles de revestimiento del fuselaje Glare del A380 tienen un espesor mínimo de 1,6 mm (0,063 in; 63 mils) [31] pero pueden ser mucho más gruesos, ya que algunas áreas de las carcasas pueden necesitar hasta 30 capas de aluminio y 29 capas de fibra de vidrio. [39]
Glare es fabricado actualmente por GKN -Fokker y Premium AEROTEC . GKN-Fokker fabrica 22 de las 27 carcasas del fuselaje Glare del A380 en sus instalaciones de 12.000 m2 ( 130.000 pies cuadrados) en Papendrecht , Países Bajos , [40] que utiliza un autoclave con una longitud de 23 metros (75 pies) y un diámetro de 5,5 m (18 pies). [41] La empresa produce láminas de 3 por 12 m (9,8 por 39,4 pies), [39] que incorpora el fresado de recortes de puertas y ventanas en una fresadora de 5 ejes. [40] Premium AEROTEC fabrica las cinco carcasas restantes en Nordenham , Alemania [40] en un autoclave con una longitud útil de 15 m (49 pies) y un diámetro interno de 4,5 m (15 pies). [42] La empresa también produce las correas de tope Glare2A para el programa A400. [21] Su producción fue de 200 m2 ( 2200 pies cuadrados) por mes en 2016. [43]
Dado que Airbus finalizará la producción del A380 en 2021, [44] Glare dejará de producirse en volumen a menos que sea seleccionado para otro programa de fabricación de aviones.
Desde aproximadamente 2014, Airbus , sus dos proveedores actuales de Glare y Stelia Aerospace han estado colaborando para fabricar Glare en un entorno de producción automatizado de alto volumen que proporcionará paneles de fuselaje más grandes para aviones de aluminio. Utilizando robots para la colocación de cintas y otras tareas, la producción automatizada implicará un proceso de unión de un solo disparo que curará el aluminio, el preimpregnado, el larguero y los dobladores simultáneamente en el autoclave, seguido de un solo ciclo de pruebas no destructivas (NDT), en lugar de que los largueros y los dobladores requieran un segundo ciclo de unión y NDT en el proceso existente. [43] [45] La creencia es que el material reducirá el peso del fuselaje entre un 15 y un 25 por ciento en comparación con las secciones de aluminio que reemplazarían en aviones de pasillo único como el Boeing 737 y el Airbus A320 . [46] [45] (Antes del anuncio de la paralización de la producción del A380, [44] el programa de automatización también tenía como objetivo reducir el peso de las secciones Glare del A380 en 350 kilogramos (770 libras; 0,35 toneladas métricas; 0,39 toneladas cortas) a un coste de fabricación del 75% de los paneles Glare existentes del A380.) [39]
Para respaldar estos objetivos de producción de aviones de pasillo único, GKN-Fokker planeó abrir una línea de producción automatizada en su planta en 2018, con el objetivo de fabricar paneles de hasta 8 por 15 m (26 por 49 pies) de tamaño y aumentar la tasa de producción en un factor de diez. [39] Con el objetivo de aumentar cincuenta veces la capacidad de producción de Glare a 10.000 m2 ( 110.000 pies cuadrados) por mes, Premium AEROTEC [43] planeó actualizar su celda de prueba automatizada en el verano de 2018 para fabricar paneles de demostración de 4 por 12 m (13 por 39 pies). Este tamaño coincidirá con los paneles Glare más grandes que potencialmente utilizará Airbus en aviones de corto y medio alcance. [45] El proceso de automatización de Glare para prototipos de 2 por 6 m (6,6 por 19,7 pies) alcanzó el nivel de preparación tecnológica (TRL) 4 a fines de 2016, [39] superó el TRL 5 a partir de 2018, [47] y tiene un objetivo final de TRL 6. [48]
En 2014, Embraer construyó y probó un demostrador de tecnología de 2,2 m de diámetro (7,2 pies; 2200 mm; 87 pulgadas) y 3 m de largo (9,8 pies) que estaba parcialmente hecho de FML y se basó en el fuselaje central de su avión ERJ-145 . [49] Más tarde, Embraer trabajó con Arconic (anteriormente Alcoa ) para construir un demostrador para un revestimiento de ala inferior compuesto de laminados de fibra y metal, que contenían láminas de aleación de aluminio 2524-T3 y capas unidireccionales de fibra de vidrio. Embraer construyó y probó el demostrador de ala para aumentar el TRL del proceso de fabricación de FML para que pueda aplicarse a futuras aplicaciones estructurales. [ cita requerida ] Los revestimientos de las alas inferiores en los aviones de pasillo único son más gruesos que los revestimientos del fuselaje, midiendo al menos 8 mm (0,31 pulgadas; 310 milésimas de pulgada) de espesor en general y entre 10 y 15 mm (0,39 y 0,59 pulgadas; 390 y 590 milésimas de pulgada) de espesor entre el fuselaje y el soporte del motor. [50]
Se espera la certificación europea del jet de negocios Learjet 45 para mediados de julio. La certificación estadounidense se recibió en septiembre pasado, pero las entregas no comenzaron hasta mayo, después de la aprobación para el vuelo en una zona de formación de hielo conocida. Hasta ahora solo se ha entregado un avión, pero Bombardier espera entregar entre 35 y 40 este año financiero, y se prevé que la producción alcance los 60 el próximo año.
Jarry: 'Stel que miramos voor de A3xx gebruiken, dan zou dat zeker 15 a 20 ton aan gewicht schelen. "Nosotros no ganamos un juego de materiales deslumbrantes en una prueba uitgebreid om te zien hoe het zich onder omstandigheden houdt."
"No pusimos Glare en el fuselaje central debido a las altas cargas de corte, pero creemos que podemos adaptar las propiedades de Glare para que se adapten a la ubicación", dice de Koning.