Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, X Edición 2021, No. 2 (09)
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ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 10 Vol. 1 / 2021 (9) ISSN 1390 - 7395 (2/9)
Abstract
The present work aims to establish a global vision of
how the development of Materials and Manufacturing
Processes has evolved within the Aeronautical eld.
The current constructors of parts and components of
aircraft, face great challenges to present aeronautical
platforms with greater eciency, in which their
materials allow to improve their properties
and performance while their manufacturing or
manufacturing processes are simple and versatile
to be able to generate complex mechanisms with
aerodynamic shapes.
The recognition, identication, selection of materials
and manufacturing processes are very important in
the eld of engineering, because they provide the
necessary and relevant information in the stages of
design, manufacture and maintenance of what is going
to be built and in this way avoid possible mechanical
and structural failures in aeronautical and aerospace
applications.
Keywords: Aeronautical materials, Manufacture
process, Aeronautical and Aerospace Platforms,
Structural failures.
DESARROLLO DE LOS MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA EN EL
CAMPO AERONÁUTICO
DEVELOPMENT OF MATERIALS AND MANUFACTURING PROCESSES IN THE
AERONAUTICAL FIELD
José Trujillo Jaramillo
1
, Edison Acurio Armas
2
, Rodrigo Bautista Zurita
3
1
Escuela Técnica de la Fuerza Aérea, Latacunga, Ecuador
2
Unidad de Gestión de Tecnologías. Mecánica Aeronáutica Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE, Latacunga, Ecuador
jgtrujillo
1
@espe.edu.ec ,
2
eracurio@espe.edu.ec,
3
rcbautista@espe.edu.ec
TRUJILLO, ACURIO, BAUTISTA /
DESARROLLO DE LOS MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA EN EL CAMPO AERONÁUTICO
Resumen
El presente trabajo tiene como objetivo establecer
una visión global de la evolución el desarrollo de
Materiales y Procesos de Manufactura dentro del
campo Aeronáutico. Los actuales constructores de
partes y componentes de aeronaves, enfrentan grandes
desafíos de presentar plataformas aeronáuticas con
mayor eciencia, en la cual sus materiales permitan
mejorar sus propiedades y rendimiento mientras
que sus procesos de manufactura o fabricación sean
sencillos y versátiles para poder generar mecanismos
complejos con formas aerodinámicas.
El reconocimiento, identicación, selección de
los materiales y procesos de manufactura son muy
importantes en el campo de la ingeniería, en razón de
que estos aportan la información necesaria y pertinente
en las etapas de diseño, manufactura, mantenimiento
de lo que se va a construir y de esta manera evitar
posibles fallos mecánicos y estructurales en las
aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales.
Palabras Clave: Materiales Aeronáuticos, Procesos
de Manufactura, Plataformas Aeronáuticas y
Aeroespaciales, Fallos estructurales.
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1. Introducción
El ser humano siempre tuvo el sueño de volar y
conquistar el cielo, es por esto que desde que se
construyeron los primeros ingenios aeronáuticos,
a inicios del siglo XX hasta la actualidad, sus
diseñadores han utilizado diversos materiales tales
como tela, madera, metales, polímeros, cerámicos,
materiales compuestos y nanomateriales para
su fabricación [1]. La industria aeronáutica está
investigando constantemente y buscando el desarrollo
de materiales innovadores, con el objetivo de crear
aeronaves que sean más rápidas, ligeras y ecientes.
Figura 1. Primeros ingenios aeronáuticos
Fuente: https://historiaybiograas.com
Estos materiales deben cumplir con ciertos
requisitos tales como: ser livianos, tener alta resistencia
mecánica, soportar corrosión, altas temperaturas
y condiciones ambientales severas, por lo que los
cientícos han generado nuevas investigaciones para
fabricar nuevos materiales con propiedades mejoradas
[2].
Figura 2. Evolución de los materiales en el campo aeronáutico
Las piezas y componentes de la Industria
aeronáutica, se pueden dividir en cuatro grupos:
• Fuselaje: Estructuras que incluyen alas,
supercies de control, timones traseros.
• Motores: motores, turbinas y turbofans.
• Estructurales y Sistemas: Tren de aterrizaje,
jaciones y sujeciones del motor, puertas.
• Interior, acabados y detalles: asientos, paneles de
plástico, aviónica y comodidad electrónica [3].
Figura 3. Materiales y Procesos de Manufactura comunes en la
Industria aeronáutica
Los fabricantes de motores de turbinas
aeroespaciales se enfrentan a continuos desafíos para
producir sistemas de propulsión con mayor eciencia
y menores emisiones. Para lograr estos objetivos, se
están implementando tecnologías maduras en sistemas
heredados, se están desarrollando materiales en
evolución y tecnologías de procesos para su aplicación
en sistemas de campo y de próxima generación, y se
están desarrollando tecnologías revolucionarias de
materiales y procesos para cambios radicales en los
futuros sistemas de motores de turbina. (Green, 2009)
Numerosas investigaciones de las características
mecánicas del material durante el funcionamiento de
la turbina de gas revelan una gran acumulación de
daños y la rápida degradación de sus propiedades.
La degradación general es la disminución de la
ductilidad, la resistencia, el límite de resistencia
y, al mismo tiempo, el aumento de la velocidad de
propagación de la uencia y el agrietamiento, etc.
Esto se reere especialmente al material de los bordes
de las cuchillas anterior y posterior. Las grietas y
distorsiones generalmente aparecen solo en estos
lugares, lo que limita la vida útil del motor. (Karpinos,
2013)
Por otro lado, empresas como Boeing, Airbus y
General Electric, desarrollan procesos de manufactura
y concentran su potencial principalmente en
ingeniería y fabricación de aditivos metálicos de
aluminio y titanio, una tecnología que permite generar
partes impresas en 3D más ligeras y más fuertes para
aplicaciones aeronáuticas. La impresión en 3D de
estos tipos de componentes, implica una reducción
drástica de los costes de fabricación, el impacto
ambiental, los tiempos de producción y la masa.
Así mismo, los avances y técnicas manufactureras
han permitido la construcción de partes y componentes
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• Puesta en solución
• Temple
• Maduración natural a temperatura ambiente
• Revenido o maduración articial
Primero se realiza una puesta en solución o
solubilización, que es el proceso mediante el cual la
aleación sube a una temperatura elevada y prolongada
alrededor de los 530ºC. Durante este tratamiento, los
compuestos intermetálicos del tipo de Mg2Si para las
aleaciones de la serie 6XXX y Al2Cu para las series
2XXX, se disuelven y la aleación se transforma en
una solución líquida homogénea.
Posterior a este calentamiento, se procede a un
temple que se trata de un enfriamiento muy rápido del
metal ya sea por inmersión o ducha de agua fría.
Finalmente, después del temple, la solución sólida
sobresaturada está en un estado estable consiguiendo
de esta manera un endurecimiento estructural.
Figura 4. Tratamiento térmico de endurecimiento estructural del
aluminio
Fuente: http://www.alu-stock.es/tecnica/tratamientos
El aluminio 2024, también llamado Aclad es una de
las aleaciones más utilizadas en el sector aeronáutico
en elementos de jación (remaches, tornillos, pernos,
lockbolts, hi-lock, taper-lock, tuercas) capaces
concentrar las cargas concentradas y transferirlas.
Laminado se utiliza en el fuselaje de la aeronave.
Estos elementos deben poseer características como:
• Resistencia a la corrosión.
• Resistencia a la fatiga (Tracción y cortadura).
• Permeabilidad magnética (a ciertos equipos o
sistemas de control)
La aleación de aluminio 6061 es muy dúctil y ligero,
utilizada en estructuras tubulares en la mayoría de
aeronaves experimentales como ultralivianos. Otras
de sus aplicaciones son accesorios de aeronaves,
pasadores de bisagras, pistones de freno y pistones
hidráulicos. Esta aleación es ideal para trabajos con
un buen acabado supercial, presenta facilidad de
aeronáuticos más grandes y complejos de bra de
carbono, kevlar, bra de vidrio permitiendo de esta
forma, tener más del 50% de las aeronaves fabricadas
con materiales compuestos.
Los cerámicos como la berilia, alúmina, silicatos,
carburos o nitratos, son utilizados principalmente
como aislantes térmicos, sin embargo, una de las
aplicaciones en las que este tipo de materiales es muy
estudiado, es en la creación de aviones hipersónicos,
en especial para el desarrollo de la nariz y de los bordes
de ataque de las alas y supercies aerodinámicas. Las
plataformas aeronáuticas o aeroespaciales que utilicen
este tipo de materiales podrán alcanzar velocidades
que bordean Mach 5 o superiores y altitudes muy
grandes, resistiendo temperaturas que superan los
1000ºC.
1. Materiales y procesos de manufactura
1.1. Materiales Metálicos
Aluminio: Las aleaciones de aluminio, dentro del
sector aeronáutico son reconocidas por su elevada
relación de resistencia a bajo peso, resistencia a
la corrosión, conductividad térmica y eléctrica,
exibilidad, apariencia y facilidad de conformado y
facilidad en los procesos de mecanizado.
Estas aleaciones se identican mediante cuatro
dígitos y en algunos casos seguidos por una
designación de tratamiento térmico conocido como
temple:
Tabla1: Codicación de aleaciones de aluminio
Estas aleaciones, con la nalidad de mejorar sus
propiedades mecánicas y darles un endurecimiento
estructural, son sometidas a una secuencia de
tratamientos térmicos:
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maquinado, posee excelentes características para
soldadura fuerte y al arco, además de no ser tóxico.
El aluminio 7075 o duraluminio es utilizado en
vigas, uniones de estructuras, en la fabricación de
fuselajes de ala delta o del área de militar, accesorios
de aeronaves, engranajes, ejes, partes de misiles,
tornillos sin n, es perfecto para áreas en donde es
necesaria una alta resistencia mecánica y además es:
• Resistente a la corrosión (sin embargo, es baja
respecto a otras aleaciones).
• Resistencia a la fatiga.
• La relación resistencia-densidad es alta.
• Alta dureza.
• Alto índice de endurecimiento.
Adicionalmente existen remaches de aleación de
aluminio de los siguientes tipos: aleaciones 1100,
5056, 2117, 2017 y 2024.
Los remaches de aleación 1100 se utilizan para el
remachado de láminas de aleación de aluminio en las
que es adecuado un remache de baja resistencia; en
cambio los remaches de aleación 5056 se utilizan en
la condición para remachar láminas de aleación de
magnesio.
Los remaches de aleación 2117 tienen una resistencia
moderadamente alta y son adecuados para remachar
láminas de aleación de aluminio. Estos remaches
reciben solo un tratamiento térmico, realizado por
el fabricante, y se anodizan después de ser tratados
térmicamente. No requieren más tratamiento térmico
antes de ser utilizados. Los remaches de la aleación
2117 conservan sus características indenidamente
después del tratamiento térmico y se pueden accionar
en cualquier momento. Los remaches hechos de esta
aleación son los más utilizados en la construcción de
aviones.
Figura 5. Relación Resistencia vs Peso de aleaciones de aluminio
Titanio: El titanio se encuentra dentro del grupo de
los metales ligeros que por tener una menor densidad
(4.55 g/cm3) que la del acero; aunque posee mayor
densidad que el aluminio con una densidad de 2.70
g/cm3, el magnesio con densidad de 1.75 g/cm3, y
el berilio con densidad de 1.85 g/cm3, su resistencia
mecánica representa una gran fortaleza ya que bordea
los 1400 MPa.
El titanio además de ser más ligero que el acero,
posee una excelente resistencia frente a los diversos
tipos de corrosión, una buena resistencia especíca
y un elevado punto de fusión (1668°C). Estas
propiedades lo hace un material sustituto del aluminio
en la industria aeronáutica y con gran importancia en
el área aeroespacial; desgraciadamente es muy caro.
Las aleaciones más utilizadas en el campo
aeronáutico son:
Ti-6Al-4V de aplicación general. Esta aleación
posee una excelente combinación de resistencia
y dureza, además de ser muy resistente a ataques
corrosivos por lo que su uso está muy extendido en el
campo aeronáutico.
Ti-5Al-2´5Sn para aplicaciones tubulares.
Ti-6Al-6V-2´5Sn para conjuntos de ala, guías de
aletas y alerones, abrazaderas para el montaje de
motores, conjuntos de frenos y elementos de control
del timón de dirección en el Jaguar, Tornado, Trident,
Airbus, A 300 B y el Concorde.
En la actualidad, la industria aeroespacial está
trabajando con materiales compuestos de una matriz
de titanio con refuerzos cerámicos, los cuales tienen
mayor módulo elástico y resistencia mecánica que
las aleaciones convencionales de titanio. Para este
tipo de materiales compuestos se puede utilizar un
refuerzo en forma de partículas o en bras pequeñas.
La principal ventaja de utilizar un refuerzo en forma
de partículas es su comportamiento isotrópico. Los
refuerzos cerámicos del material deben de permanecer
estables a la temperatura y formar una buena intercara
con la matriz. Se han reportado diferentes familias
cerámicas como reforzantes donde se incluyen SiC,
Al2O3, TiB2, TiC, TiN, B4C, etc. (Lagos, 2019)
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Figura 6. Relación Resistencia vs Peso de aleaciones de titanio
Acero: Al inicio el acero sustituyó a las piezas de
madera en las aeronaves y aunque en la actualidad ha
perdido protagonismo en la aplicación aeronáutica,
todavía se utilizan en aquellas zonas donde la
resistencia mecánica y a la fatiga es muy importante
Las aleaciones de acero que contiene carbono en
porcentajes que van del 0,10 al 0,30 por ciento se
clasica como acero bajo en carbono. Los números
de SAE equivalentes van de 1010 a 1030. Los aceros
de este grado se usan para hacer artículos, como
cables de seguridad, ciertas tuercas, bujes de cables
o extremos de varilla roscada. Este acero en forma de
lámina se utiliza para piezas estructurales secundarias
y abrazaderas y en forma tubular para piezas
estructurales moderadamente tensadas. El alambre de
frenado para las tuercas, se hace también con este tipo
de aceros.
El acero que contiene carbono en porcentajes que
oscilan entre 0.30 y 0.5 por ciento se clasica como
acero de carbono medio. Este acero es especialmente
adaptable para maquinado o forjado y donde la dureza
de la supercie es deseable. Ciertas varillas de mando
de controles de vuelo y forjados ligeros están hechos
de acero SAE 1035, además los aceros de medio
carbono son apropiados para construcción de ejes,
tornillos y bieletas.
El acero que contiene carbono en porcentajes que
van del 0.50 al 1.05 por ciento se clasica como acero
con alto contenido de carbono. La adición de otros
elementos en cantidades variables se suma a la dureza
de la serie 4000: el silicio es el principal elemento
de aleación de este grupo y reduce la temperatura de
fusión. Su uso principal es en soldadura y soldadura
fuerte. Aunque estas aleaciones de acero tienen muy
pocas aplicaciones en aeronáutica por su fragilidad
excesiva, se puede señalar que el acero SAE 1095 se
puede emplear en forma de chapas o alambres para
ejes y resortes.
Los aceros al níquel, se emplean en la construcción
de pasadores, terminales pernos y abrazaderas, ya
que la adición de níquel permite mejorar la dureza,
resistencia mecánica y límite elástico.
Los aceros al cromo se utilizan en cojinetes ya que
tienen una alta dureza, tenacidad y resistencia a la
corrosión.
Las aleaciones de acero al cromo – níquel son
utilizados con la nalidad de aumentar dureza y
tenacidad en el material; partes y componentes tales
como bielas y cigüeñales de los motores recíprocos
se fabrican con acero SAE 3140 y para cajas de
engranajes, piñones y ruedas dentadas, se recomienda
el SAE 3310.
Dentro de esta serie de aleaciones, existen aceros
resistentes a la corrosión los mismos que se utilizan en
partes aeronáuticas tales como: tabiques cortafuegos
de los compartimentos de los motores, colectores,
tubos de escape y lavabos.
Los aceros al cromo - molibdeno, gracias a la
adición de pequeñas cantidades de molibdeno, permite
mejorar las propiedades mecánicas de los aceros, pero
en especial mejora la adaptabilidad a las soldaduras.
La aleación más utilizada para nes aeronáuticos
de esta familia es el SAE 4130 para la construcción
de fuselajes, trenes de aterrizaje y bancadas de motor.
Finalmente para la construcción de ejes de bombas,
muelles de válvulas y dispositivos hidráulicos, se
utiliza el acero SAE 6195.
Tabla 2. Codicación de aleaciones de acero utilizados en aeronáutica.
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hace especialmente apropiados para árboles, anillos
y carcasas. Sin embargo, tienen propiedades de
resistencia en caliente más bajas de las tres que
componen el grupo.
Las aleaciones más comunes de este tipo son:
• Inconel 909
• A286
• Greek Ascoloy
Las aleaciones de cobalto exhiben una resistencia a
la corrosión por calor a elevadas temperaturas mayor
que la de las aleaciones de níquel. Sin embargo, son
más caras y también más difíciles de mecanizar,
debido a su gran tendencia al desgaste. Su uso en
turbinas está limitado a las piezas de la sección de
combustión en las zonas más calientes del motor.
Figura 8. Aleaciones termo resistente utilizado en aeronáutica
Fuente: Catálogo SANDVIK HRSA.2010
Gracias a este tipo de materiales, la durabilidad ha
sido mejorada signicativamente debido a avances
en el diseño de motores, tecnología de propulsión
y desarrollo de materiales. El mejoramiento de
durabilidad permite el mejor uso de aeronaves al
incrementar la vida de los motores y reduciendo las
inspecciones de mantenimiento.
Figura 7. Relación Resistencia vs Dureza de aleaciones de acero
utilizado en aeronáutica.
Super Aleaciones Termoresistentes (HRSA)
Las súper aleaciones termoresistentes o HRSA
(Heat Resistant Super Alloy) son un grupo de
aleaciones base níquel, hierro-níquel y cobalto
usadas en los motores de las aeronaves por sus
excepcionales propiedades de resistencia térmica. Los
materiales usados en los motores de jet deben resistir
largos periodos de tiempo en un ambiente de alta
temperatura, alto estrés y gases corrosivos calientes.
Muchos materiales simplemente no pueden sobrevivir
las severas condiciones en las secciones más calientes
del motor. Cuando las temperaturas alcanzan sobre los
1300°C estas aleaciones, poseen muchas propiedades
que son requeridas para el material de un motor como
son alta resistencia, larga vida a la fatiga, resistencia a
la fatiga y resistencia a alto estrés a alta temperatura.
Las HRSA resisten la corrosión y la oxidación a altas
temperaturas, cuando esto causa el rápido deterioro de
muchos otros materiales metálicos. Estos materiales
pueden operar a temperaturas por encima de los 950-
1300°C por largos periodos, haciéndolos materiales
adecuados para el uso en motores jet modernos.
Las aleaciones de níquel son las más utili¬zadas,
y constituyen más del 50% del peso de los motores
de aeronaves de tecnología punta. La tendencia en los
motores futuros es a aumentar esta proporción. Las
aleaciones más comunes son:
• Inconel 718, Waspaloy, Udimet 720 – templadas
por precipitación
• Inconel 625 – reforzada con solución (no
templada)
Las aleaciones con base de hierro han sido
desarrolladas a partir de los aceros inoxi-dables
austeníticos. Algunos tienen un muy bajo coeciente
de dilatación (tales como Incoloy 909) lo que los
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Figura 9. Relación Resistencia vs Temperatura máxima de servicio de
HRSA utilizado en aeronáutica
Aleaciones de Magnesio
Desde el punto de vista estructural, las aleaciones
de magnesio son las más ligeras que se conocen; su
densidad es 1,7 g/cm3 y su resistencia mecánica se
la considera muy buena. Es de fácil mecanizado y su
materia prima procede de fundición o moldeado. Su
uso en aeronáutica radica en la construcción de partes
y componentes en cárteres, equipos menores y parte
de los trenes de aterrizaje.
Figura 10. Relación Resistencia vs Densidad aleaciones de magnesio
utilizado en aeronáutica
1.2. Materiales y procesos de manufactura
Plásticos y elastómeros
Los plásticos se utilizan en muchas aplicaciones en
los aviones modernos. Estas aplicaciones van desde
componentes estructurales de plásticos termoestables
reforzados con bra de vidrio hasta molduras
decorativas de materiales termoplásticos, canopys y
ventanas.
Los polímeros termoplásticos son aquellos que el
calor los ablanda de tal manera que pueden moldearse
repetido número de veces, siempre y cuando no se
supere la temperatura máxima que el material soporta.
Los polímeros termoestables, en cambio son
aquellos que se endurecen por calentamiento y no se
pueden volver a fundir y moldearse. Además de la
clasicación anterior, los plásticos transparentes se
fabrican en dos formas: monolítica (sólida) y laminada.
Los plásticos transparentes laminados están hechos de
láminas frontales de plástico transparente unidas por
un material de capa interna, generalmente polivinil
butirilo. Debido a sus cualidades de resistencia a la
rotura, el plástico laminado es superior a los plásticos
sólidos y se utiliza en muchos aviones presurizados.
La mayor parte de la lámina transparente utilizada
en la aviación se fabrica de acuerdo con varias
especicaciones militares. Un nuevo desarrollo en
plásticos transparentes es el acrílico estirado. El
acrílico estirado es un tipo de plástico que, antes
de ser moldeado, se tira en ambas direcciones para
reorganizar su estructura molecular. Los paneles
acrílicos estirados tienen una mayor resistencia al
impacto y están menos sujetos a rotura; su resistencia
química es mayor, los bordes son más simples y el
agrietamiento y los rasguños son menos perjudiciales.
Los plásticos termoestables suelen también
utilizarse en zonas de aislamiento eléctrico,
conducciones de aire caliente, poleas y pequeños
engranajes de transmisión.
El teón (politetrauoretileno o PTFE) es un
plástico que soporta altas temperaturas y vibraciones,
buenas propiedades eléctricas y es anticorrosivo.
Se utiliza para hacer tuberías exibles, rodillos,
mamparos, resbalones de cerradura. Así mismo
Buna N es un elastómero que se utiliza para fabricar
mangueras exibles que soportan altas presiones,
sellos y empaques.
Figura 11. Relación Resistencia vs Densidad plásticos utilizado en
aeronáutica
Materiales compuestos
Un material compuesto se podría denir como
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loa unión de dos o más materiales con la nalidad
de generar uno nuevo con mejores propiedades,
generalmente está compuesta por dos partes, el
refuerzo y la matriz.
En los años de 1970, la industria aeronáutica
comenzó a desarrollar bras sintéticas para mejorar
el diseño de las aeronaves. Desde entonces, los
materiales compuestos se han utilizado cada vez
más. Cuando se mencionan compuestos, la mayoría
de la gente piensa solo en bra de vidrio, bra de
carbono o kevlar. El uso de los compuestos comenzó
en la aviación, pero ahora están siendo aceptados por
muchas otras industrias, incluidas la automoción, los
artículos deportivos y la navegación, así como los
usos de la industria de la seguridad y defensa.
Estos materiales presentan muchas ventajas:
• Alta relación resistencia-peso
• Transferencia de tensión de bra a bra
permitida por la compatibilidad química con la
matríz.
• Módulo (relación de rigidez / densidad) de 3.5
a 5 veces mayor que la del acero o el aluminio.
• Vida más larga que los metales.
• Mayor resistencia a la corrosión
• Resistencia a la tracción 4 a 6 veces mayor que
la del acero o el aluminio.
• Mayor exibilidad de diseño.
• La construcción encolada elimina juntas y
sujetadores.
• Fácil de reparar.
Las desventajas de los materiales compuestos son:
• Métodos de inspección difíciles de realizar,
especialmente la detección de
• Falta de base de datos de diseño a largo plazo,
métodos de tecnología relativamente nuevos
• Elevado costo
• Equipo de procesamiento muy caro.
• Gran variedad de materiales, procesos y
técnicas.
• Falta general de conocimientos y experiencia
en reparaciones.
• Productos a menudo tóxicos y peligrosos.
• Falta de metodología estandarizada para la
construcción y reparación.
Existen otro tipo de conguraciones estructurales
de materiales compuestos, tales como tipo sándwich,
lattice o enrejados y segmentados, los mismos que en
aeronáutica son muy utilizados principalmente para
fuselaje, pisos de aviones, cubiertas de ventilados,
alas con misiles entre otras.
La estructura honeycomb o panal de abeja, tiene
una geometría que permite minimizar la cantidad
de material para alcanzar el peso y costo mínimo
del material. Esta estructura posee muy buenas
propiedades de compresión y cortante, buena
resistencia a la corrosión y humedad.
Figura 12. Estructura compuesta tipo sándwich (honeycomb)
Figura 13. Relación Resistencia vs Densidad materiales compuestos
utilizado en aeronáutica.
Cerámicos
Conocidos también como materiales UHTC (Ultra
High Temperature Ceramics), se caracterizan por
tener un alto punto de fusión, sirven como aislantes
térmicos y se los utiliza en zonas o lugares de las
plataformas aeronáuticas y aeroespaciales donde
se generan grandes cantidades de calor y altas
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temperaturas como revestimientos de barrera térmica
en álabes, combustores, turbinas y sistemas de escape.
Dentro de esta familia de materiales se encuentran
los boruros, carburos, nitruros, óxidos, etc.
Figura 14. Construcción del borde de ataque de un ala con materiales
UHTC.
Fuente: Promising Ultra_High_Temperature Ceramic Materials for
Aerospace Applications, Simonenko
Figura 15. Relación Temperatura máxima de servicio vs Densidad
materiales cerámicos utilizado en aeronáutica.
1.3. Materiales y procesos de manufactura
Procesos de Manufactura en Aeronáutica
Partiendo que un proceso de manufactura busca
dar forma a un material conservando las propiedades
del mismo, en la Industria aeronáutica, existe una
diversidad de procesos de manufactura que exigen
en la actualidad mayor precisión, optimización de
tiempos y recursos, pero sobretodo menores costos,
por lo que los fabricantes se encuentran en la
búsqueda de procesos de manufactura más ecientes.
(Ingeniería concurrente).
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Figura 16. Procesos de Manufactura para componentes aeronáuticos.
Las partes y componentes de las aeronaves en su
gran mayoría son mecanizados en máquinas CNC
de 4,5 y hasta 6 ejes de gran envergadura y última
tecnología, sin embargo existen más de 250 procesos
de manufactura para el conformado de las plataformas
aeronáuticas. Las piezas de titanio, bras de
carbono y cerámicos aunque son más livianas, son
muy difíciles de mecanizar, debido a su estructura,
propiedades y características de mecanizado, por lo
que los grandes fabricantes tienen nuevos retos para
la consolidación de procesos de manufactura más
ecientes y productivos.
Figura 17. Máquinas para mecanizar componentes aeronáuticos.
Dentro de los aspectos claves en análisis de la
Manufactura, se debe tener en cuenta la criticidad de la
parte o componente, ya que es un aspecto relacionado
con la buena selección y abilidad del proceso,
controles de calidad, integridad supercial (grietas,
tensiones residuales o alteraciones metalúrgicas).
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Figura 18. Fallos generados a partir del proceso de manufactura en
componentes aeronáuticos
Fuente: Módulo mecanizado de alta velocidad. N López de la Calle,
Lamikiz
Al analizar el incidente presentado en la gura
anterior, se determinó que el origen del accidente fue
por una grieta generada en un debilitamiento de un
tubo del sistema de lubricación de un rodamiento de
las turbinas de media presión, en razón de que en el
proceso de fabricación del elemento, existió un mal
alineamiento de dos taladrados. Al nal se tuvieron
que reemplazar 39 turbinas RR Rolls Royce Trent 900
que presentaban el tubo defectuoso.
2. Discusión
La vinculación del diseño, los materiales y las nuevas
tecnologías de fabricación mediante simulación y
modelado por computadora (CAD-CAM-CAE) son
ahora un requisito para los componentes y sistemas de
alto rendimiento y eciencia en el campo aeronáutico.
Las plataformas aeronáuticas dependen de materiales
cuyas propiedades y formas tengan anidad con la ruta
de fabricación del producto. Los modelos permiten la
predicción de propiedades mecánicas especícas, que
respalda el diseño para la fabricación y la optimización
de materiales y la producción en masa. El modelado
y la simulación también están siendo aplicados para
optimizar materiales y procesos establecidos a través
de base de datos y softwares.
Los materiales y tecnologías de proceso de
manufactura tienen ahora, el potencial de mejorar
signicativamente la eciencia y la capacidad
ecológica de los motores de turbina. Por denición,
comienzan con un bajo nivel de madurez y requieren
investigación, desarrollo, evaluación y validación
antes de ser aplicados a cualquier sistema futuro;
sin embargo, estas tecnologías de alto riesgo / alta
rentabilidad, si tienen éxito en lograr objetivos de
rendimiento agresivos, ya que pueden habilitar nuevos
componentes y diseños de sistemas que permitan
mejoras importantes en la capacidad y el rendimiento
en general.
Así mismo, el uso de nuevos materiales, podrían
cambiar los diseños actuales de las plataformas
aeronáuticas, provocando también un ajuste en el
desarrollo de tecnología para su conformación.
Por ejemplo:
• Los materiales compuestos de cerámica de alta
resistencia a la temperatura, serán utilizados
para las cámaras de combustión, las turbinas
y los sistemas de escape de nuevos motores
avanzados y más ecientes.
• Los materiales intermetálicos de menor
densidad también podrán ser aplicados en
componentes rotativos.
• Los materiales compuestos de bra de carbono
constituirán prácticamente el 90% del total
del peso de las aeronaves o plataformas
aeronáuticas.
El uso de material compuesto en aviones, en lugar
de acero, ha dado como resultado estructuras ligeras
de aviones y, en consecuencia, ha reducido el nivel
de consumo y costos de combustible, reduciendo así
las emisiones de CO2. Existen varias aplicaciones
de nanocompuestos en la industria aeroespacial.
(Ramdani, 2019)
Entre tales aplicaciones que son especícas en la
construcción de aviones, incluyen:
• Elementos de refuerzo para estructuras, tales
como: frames, largueros o como la capa exterior
para las estructuras tipo panal de abeja usadas
en el fuselaje y las alas,
• Matrices cerámicas combinadas con
nanoadiciones; estos nanocompuestos pueden
representar un elemento único solución para los
radomes de aviones hipersónicos y
• Nanocompuestos basados en zirconio para
protección térmica en turbo motores.
• Los nanocompuestos metálicos pueden contener
un metal como segundo componente y ambos
componentes, a menudo muy namente, están
dispersos entre sí. Dichos nanocompuestos de
estas combinaciones pueden tener propiedades
eléctricas, ópticas y magnéticas mejoradas, con
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buena resistencia a la corrosión.
El uso de nanocompuestos en la industria
aeronáutica representa una solución avanzada de
material. El material nanocompuesto ayuda en
la construcción de aeronaves como elemento de
refuerzo para estructuras de aeronaves tales como
largueros, marcos o como revestimiento para las
estructuras de tipo panal utilizadas en las alas y el
fuselaje. Como materiales de base para aplicaciones
de alta temperatura, los compuestos de nano carbono
se desarrollaron por primera vez para la tecnología
aeroespacial, para la construcción de componentes
y misiles, transbordadores espaciales, vehículos de
reingreso, forros de frenos y como material de disco
de freno para aeronaves civiles y militares.
Airbus y Boeing pronostican que hasta el
2035 el mercado aeronáutico mundial demandará
aproximadamente 22730 aviones comerciales y de
carga nuevos y para el 2035 la perspectiva será de
45240 aviones, es decir prácticamente se duplicará
la demanda a las existentes en la actualidad, lo que
generaría una gran oportunidad para las empresas
manufactureras de partes y componentes aeronáuticos.
Para poder llegar a estas metas ambiciosas,
las empresas manufactureras dentro del campo
aeronáutico deberán garantizar que las partes y
componentes puedan ser fabricadas de manera
continua, eciente y siguiendo las especicaciones
dentro de una losofía de seguridad operacional de
los sistemas y plataformas aeronáuticas desde los
procesos primarios hasta la nalización del producto
y de esta manera controlar su cadena de manufactura
de la manera más completa posible.
Figura 19. Proyección de ota aeronáutica 2015 – 2035
Fuente: www.boeing.com
3. Conclusiones
A continuación se describe las conclusiones
obtenidas en esta investigación:
• Los principales benecios en los materiales
utilizados en el campo aeronáutico son: buena
resistencia al rendimiento, resistencia a la
tracción, resistencia a la corrosión, resistencia
a altas temperaturas y baja densidad, pero sobre
todo, de peso ligero, que dan como resultado
materiales aeroespaciales fuertes pero más
livianos.
• La investigación, estudio y caracterización de
los materiales tradicionales en búsqueda de
nuevos materiales avanzados, compuestos o
nanomateriales, permitirán buscar las mejores
relaciones de peso, resistencia y costo dentro
del sector aeronáutico.
• En la fabricación de piezas aeronáuticas, más
que velocidad de producción, se debe priorizar
la conabilidad de la cadena de manufactura del
componente, llegando a un equilibrio óptimo
de maquinaria, herramientas, talento humano e
ingeniería de manufactura.
• La vinculación del diseño, los materiales y las
nuevas tecnologías de fabricación mediante
simulación y modelado por computadora
(CAD-CAM-CAE) son ahora un requisito para
los componentes y sistemas de alto rendimiento
y eciencia en el campo aeronáutico.
4. Referencias
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Bolivia. Revista de Información, Tecnología y
Sociedad.
[2] Ezugwu. E.O. (2004). High Speed Machining of
Aero-EngineAlloys. UK: J. of the Braz. Soc. of
Mech. Sci. & Eng.
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CRC Press.
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[5] Green, K.A., Furrer D. (2009). Advanced
turbine engine materials. Advanced Materials &
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Long Term Strength of the Material of Aircraft
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Materials for Aerospace Applications. Russian
Journal of Inorganic Chemistry.
[13] Sun, C.T. (2006). Mechanics of Aircraft
Structures, Second Edition, Estados Unidos, John
Wiley & Sons, Inc.
5. Biografía
1
José Guillermo Trujillo Jaramillo.
Nació en Quito provincia de
Pichincha, Ecuador. Magíster en
Manufactura y Diseño asistidos
por computador, Diploma
Superior de cuarto nivel en
Pedagogías Innovadoras,
Diplomado Internacional de
Gestión por competencias Ingeniero Mecánico,
Docente / Instructor Tiempo Completo de la Escuela
Técnica de la Fuerza Aérea - Carrera de Tecnología
Superior en Ciencias Militares Aeronáuticas de la
Universidad de las Fuerzas Armadas-ESPE.tario
Central Técnico.
2
Tcrn. Edison Ramiro Acurio
Armas, Lcdo. Administración
Aeronáutica, Ing. Electrónico en
Telecomunicaciones, Magister en
Educación / Jefe Dpto. Ingeniería
Centro de Investigación y
Desarrollo de la Fuerza Aérea,
Director de Carrera de la
Tecnología Superior en Ciencias
Militares Aeronáuticas de la Universidad de las
Fuerzas Armadas ESPE, Subdirector de la Escuela
Técnica de la Fuerza Aérea.
3
Rodrigo Cristóbal Zurita
Bautista. Nació en Salcedo
provincia de Cotopaxi, Ecuador.
Magíster en Sistemas de Control y
Automatización Industrial,
Ingeniero Industrial, Tecnólogo
en Mecánica Aeronáutica,
Docente Tiempo Completo de la
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Director
de la Carrera de Tecnología Superior en Mecánica
Aeronáutica.
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 14 marzo 2021
Fecha aceptación 06 mayo 2021
TRUJILLO, ACURIO, BAUTISTA /
DESARROLLO DE LOS MATERIALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA EN EL CAMPO AERONÁUTICO