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El sueño de una aeronave negra surcando los cielos

Más ligero que el aluminio y más resistente que el hierro, el plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) es un material revolucionario que ha cambiado la fabricación de última generación al encontrar su nicho en aplicaciones como componentes estructurales importantes para los aviones de pasajeros comerciales. La investigación sobre la fibra de carbono se inició en Japón a principios de los años 60. Entrevistamos a Shunsaku Noda, director general, y a Hiroshi Taiko, director general adjunto de la División de Tecnología Aeroespacial, Departamento de tecnología ACM de TORAY, acerca de los cincuenta años de historia de la fibra de carbono y del desarrollo del CFRP.

PRIMERA PLANA

¿Qué es el CFRP?

El CFRP es un compuesto de fibra de carbono y resina. Los materiales compuestos contienen varios ingredientes para crear propiedades reforzadas que no se pueden obtener con un único ingrediente. TORAYCA® Prepreg se utiliza para componentes de aeronaves. Se fabrica al dar forma a un paquete de 24 000 fibras de carbono de 5 μm de grosor en una lámina e impregnándola con resina termoestable, como el epoxi. 
La formación de capas y el endurecimiento de esta lámina genera una gran resistencia y aporta elasticidad a la fibra de carbono.
El rendimiento del CFRP tiende a cambiar significativamente en función del volumen y la disposición de las fibras de carbono (dirección de las fibras, estructura de las capas preimpregnadas). Por lo tanto, es posible obtener un gran número de características diferentes mediante su diseño para fines concretos.

Características del CFRPEs ligero y tiene una gravedad específica de 1,7, lo que supone solo una cuarta parte del hierro.

• La resistencia a la tracción del CFRP es de hasta 7 Gpa.
• La elasticidad con tracción del CFRP de alta intensidad es de hasta 630 Gpa.
• También ofrece excelentes propiedades de estabilidad dimensional, amortiguación de vibraciones, conductividad térmica alta, ausencia de magnetismo, resistencia a la corrosión y alta resistencia a la fatiga.

Procesos de fabricación de la fibra de carbono
La fabricación de la fibra de carbono basada en el PAN (poliacrilonitrilo) consta de cuatro procesos:

1. El plástico de poliacrilonitrilo se procesa y bombea a través de una máquina de hilado para la formación de las fibras. 
2. Las fibras se tratan con calor para mejorar la resistencia a las llamas (oxidación).
3. Las fibras se vuelven a calentar para carbonizarlas.
4. La superficie se trata para completar el proceso.

Parte 1　1950～

Aparición, investigación y desarrollo de la fibra de carbono

Buscando los orígenes del desarrollo de la fibra de carbono, encontramos la bombilla eléctrica inventada por Thomas Edison y Joseph Swan a finales del siglo XIX. 
El filamento utilizado para esta bombilla era de fibra de bambú carbonizada. Esta fue la primera fibra de carbono del mundo. A medida que el tungsteno se fue haciendo popular como el material para la fabricación del filamento, la fibra de carbono se fue dejando de lado gradualmente. En la década de los 50, la fibra de carbono volvió a atraer la atención cuando los Estados Unidos aceleraron la investigación y el desarrollo de las puntas de los inyectores para cohetes y motores que requerían una elevada resistencia al calor. 

Al mismo tiempo, en 1959, el Dr. Akio Shindo, del Instituto de Ingeniería y Tecnología de Osaka, inventó un método de fabricación de fibra de carbono mediante la carbonización del poliacrilonitrilo (PAN). Desde ese momento, la investigación y el desarrollo de la fibra de carbono, así como su comercialización, se aceleraron. La fibra de carbono ofrece una gran resistencia, lo que la hace ideal como ingrediente de alta funcionalidad para materiales compuestos. En 1967, Rolls-Royce, uno de los principales fabricantes mundiales de motores aeroespaciales, anunció el uso de CFRP en sus motores a reacción. Casi al mismo tiempo, TORAY inició el desarrollo a gran escala de la fibra de carbono mediante el uso de una fibra acrílica, el TORAYLONTM. En 1970, TORAY adquirió una licencia de patente al Dr. Shindo. 

Las empresas gestionan su negocio basándose en previsiones de comerciabilidad futura y potencial de ventas de sus productos. TORAY confió en el potencial del CFRP y dio prioridad a la creación de un sistema de fabricación, con una gran inversión que resultaría impensable en la actualidad.

Parte 2　1971～

Fabricación de fibra de carbono antes incluso de conocer totalmente su potencial

El año siguiente, en 1971, TORAY inició la fabricación y venta de TORAYCA®300, una fibra de carbono de alta intensidad basada en el PAN. Aunque la fibra de carbono atraía la atención por ser un material de última generación, sus usos principales aún no se habían especificado. Sin embargo, TORAY decidió construir una nueva planta con una capacidad de fabricación de 12 toneladas, la mayor del mundo en aquel momento. Esta decisión se basó en la opinión de los empleados de TORAY de que los materiales de alta resistencia tendrían una gran demanda en un futuro próximo. La dirección también tenía el sueño de una aeronave negra surcando los cielos que estuviese fabricada principalmente con CFRP.

En ese momento, Rolls-Royce estaba teniendo grandes dificultades en el desarrollo de un motor a reacción mediante el uso del CFRP.
Mientras tanto, el primer producto comercializado de TORAY fabricado con fibra de carbono fueron unas cañas de pescar, lanzadas en el mercado en 1972. El peso de estas cañas de pescar era aproximadamente la mitad que el de las cañas existentes; y aunque eran relativamente caras, su rendimiento fue muy apreciado en el mercado. Ese mismo año, el jugador de golf profesional Gay Brewer Jr. utilizó palos de caña negra fabricados con CFRP para ganar el torneo Taiheiyo Masters. Los palos de golf con caña negra se dieron a conocer rápidamente, y los jugadores se apresuraron a comprarlos. Después de eso, el CFRP se utilizó también en la fabricación de raquetas de tenis, lo que contribuyó a aumentar su popularidad. Sin embargo, el CFRP se utilizaba principalmente en aplicaciones deportivas y de entretenimiento. Teniendo en cuenta el potencial industrial del CFRP, la distribución era reducida.

El punto de inflexión se produjo en 1975. La crisis del petróleo de 1973 forzó a los fabricantes de aviones a dar prioridad a la reducción del peso del fuselaje para obtener un menor consumo de combustible. Esto supuso una mayor atención al CFRP como material estructural secundario, para componentes que tuvieran una influencia directa en la seguridad del vuelo. Fue entonces cuando se hizo realidad el sueño de TORAY de ver el CFRP aplicado a la fabricación de aeronaves. Con la aplicación del CFRP en componentes de aeronaves para Boeing y Airbus, la producción acumulada de fibra de carbono TORAYCA® ya superaba las 10 000 toneladas en 1988. Muchos fabricantes extranjeros, en países como Inglaterra y los Estados Unidos, se habían retirado del negocio del CFRP debido a su baja rentabilidad; sin embargo, las empresas japonesas que habían desarrollado su tecnología siguiendo un enfoque basado en el largo plazo, incluida TORAY, siguieron trabajando en el desarrollo y la fabricación de CFRP mediante el uso de fibras de carbono de altas prestaciones. En 2010, los fabricantes japoneses de fibra de carbono llegaron a alcanzar una cuota de mercado mundial de aproximadamente el 70 %.

Parte 3　1990～

Ampliación de la aplicación del CFRP como aterial estructural para aviones

En 1990, TORAYCA® Prepreg (CFRP de tipo lámina) fue adoptado por Boeing como su material estructural principal para el fuselaje (componentes importantes que influyen directamente en la seguridad), lo que sirvió para certificar el CFRP como un material altamente funcional y de alta fiabilidad. La resistencia a la tracción del CFRP es más de diez veces superior a la del hierro, mientras que solo pesa una cuarta parte. El CFRP también puede adoptar una gran variedad de formas. 

En el proyecto del Boeing 787 presentado en 2003, el CFRP supone aproximadamente el 50 % del peso total de la aeronave, incluida la estructura y las alas. En 2006, TORAY y Boeing formalizaron un contrato de larga duración para el suministro de CFRP, en el que se especificó el suministro del material estructural principal por parte de TORAY.

Parte 4　2010～

El uso industrial acelera la demanda de CFRP

Al inicio de esta última década, la demanda mundial de CFRP aumentó rápidamente para cubrir una amplia gama de aplicaciones. Además de su uso en productos deportivos y aeronáuticos, se inició su aplicación en las palas de los generadores de energía eólica, tejados, piezas de automóviles, como ejes de transmisión, depósitos de gas natural y vehículos con células de combustible, componentes de los trenes de alta velocidad, componentes informáticos, etc.

El negocio de materiales compuestos con fibra de carbono está incluido en la estrategia de expansión básica de TORAY. TORAY ha invertido recursos ejecutivos en nuevas áreas de crecimiento, como las industrias aeronáutica y del automóvil, así como en otras áreas novedosas, para ampliar la demanda. Para el año 2020, TORAY tiene previsto aumentar su inversión en Norteamérica para ampliar su negocio en ese país.

La resistencia alcanzada hasta ahora de la fibra de carbono es tan solo de una décima parte de su valor teórico, lo que ofrece margen suficiente para seguir mejorando. El coste de la fibra de carbono sigue siendo una barrera para aumentar su popularidad en el mercado; no obstante, además del mayor número de aplicaciones en la industria de los componentes de automóviles, la producción en masa puede reducir de forma importante los costes y aumentar la demanda rápidamente en un futuro cercano.

Casi ha pasado medio siglo desde que TORAY inició la primera producción comercial de fibra de carbono. Fue necesario mantener el esfuerzo durante un largo periodo de tiempo para encontrar mercados estables. ¿Qué fue lo que les motivó? Fue la filosofía corporativa de TORAY, el mantenimiento a largo plazo, respaldado por el fuerte deseo de sus directivos de ver un avión fabricado con CFRP surcando los cielos. El CFRP seguirá mejorando como el material altamente funcional más avanzado disponible para las industrias de todo el mundo.

Un vistazo a la historia del CFRP

Noda: Estamos muy satisfechos de ver que los productos que desarrollamos cambian el mundo a mejor, como en el caso de un menor consumo de combustible en la industria aeroespacial. El CFRP de TORAY se ha convertido en negocio de expansión estratégica y nuestra misión es seguir expandiendo el CFRP hasta convertirlo en un pilar fundamental del negocio de TORAY. En comparación con la madurez alcanzada con los materiales metálicos, los tipos, la cantidad y las aplicaciones de los materiales compuestos de fibra de carbono siguen siendo desconocidos. No obstante, creemos que el CFRP tiene un número ilimitado de posibilidades y seguimos explorando estas posibilidades para cambiar el mundo a mejor.

Taiko: Mi amor juvenil por la aviación me llevó a seguir una carrera profesional relacionada con los aviones y los cohetes. Mi sueño, como alguien comprometido con la investigación y el desarrollo, es que alguien se suba a una aeronave fabricada con materiales que yo he diseñado. El CFRP utilizado en la fabricación del Boeing 787 fue desarrollado por el equipo principal de I+D, y solo estuve implicado de forma indirecta. Espero hacer realidad mi sueño algún día.