Integración sin fisuras de materiales compuestos con estructuras de acero

Este blog es una pieza complementaria a mi artículo de diciembre de 2019, «Eliminando barreras para el aligerado de barcos con compuestos», compartiendo algunos detalles y visuales más.

HYCONNECT GmbH (Hamburgo, Alemania) es una startup fundada por el Dr. Lars Molter, arquitecto naval y veterano de 10 años en el Centro de Tecnologías Marítimas (CMT, Hamburgo, Alemania), un centro de I+D para la industria marítima alemana. «Las empresas alemanas que construyen megayates y cruceros tienen todas el mismo problema», dice Molter. «Sus clientes quieren añadir más equipos, otra cubierta, más aislamiento contra ruido y temperatura o nuevas características de diseño, como formas curvas e iluminación integrada. Incluso si pueden hacer estos diseños con aluminio o acero, es muy intensivo en tiempo y coste».

Problemas con el encolado adhesivo en estructuras híbridas

Molter y muchos otros pueden ver los beneficios que los compuestos pueden proporcionar para barcos, pero actualmente los barcos se construyen en acero. Hay muchos trabajando para desarrollar barcos totalmente compuestos, pero mientras tanto, hay una oportunidad significativa para reducir peso y emisiones de barcos con una variedad de componentes compuestos. Un problema, sin embargo, es cómo unirlos al marco de acero del barco. «Miramos el encolado», explica, «pero no hay un diseño de junta estandarizado que puedas usar en todos los barcos y no hay reglas generales sobre cómo aplicar encolado adhesivo en SOLAS».

Las regulaciones de Seguridad de la Vida en el Mar (SOLAS), emitidas por la Organización Marítima Internacional (IMO, Londres, Reino Unido), requerían que los barcos comerciales se construyeran en acero hasta 2002, cuando se emitió MSC/Circ. 1002, permitiendo diseños alternativos. Estas alternativas, sin embargo, requieren un análisis de riesgo que muestre que el diseño y construcción alternativos son equivalentes al acero —un proceso que es largo, costoso y a medida para cada buque construido.

«Preguntamos a DNV GL qué aprobarían para juntas de materiales disímiles», dice Molter. «Dijeron que la estructura primaria normalmente requeriría un anclaje mecánico; el encolado puro no se certificaría fácilmente sin fijaciones redundantes». Estos problemas con la certificación a medida y el requisito de las autoridades regulatorias de fijaciones redundantes vs. estructuras primarias puramente encoladas están idénticamente presentes en la aviación comercial. «Además, con el encolado, debes controlar el entorno y el proceso», dice, señalando que esto es difícil en medio de la soldadura y corte que típicamente dominan la construcción en astilleros.

Juntas FAUSST

«Así que necesitábamos una solución sin encolado pero con anclaje mecánico», dice Molter. «Seguimos preguntándonos cómo conectar fibras a metal». CMT respondería eso en el proyecto FAUSST (Fibra y Acero Junta Estándar) financiado por Alemania, que desarrolló, en cooperación con Fritz Moll Textilwerke (Altshausen, Alemania), un textil trenzado híbrido que transiciona de 100 % fibras de vidrio a 100 % fibras de acero.

La arquitectura del tejido está diseñada para que las fibras de acero y vidrio se entrelacen y superpongan, lo que logra transferencia de carga por fricción y entrelazado en los puntos de cruce. Esta arquitectura también equilibra el tejido trenzado para entrelazado mecánico con fibras unidireccionales para transportar carga a través de la junta. El tejido se produce con una máquina de trenzado controlada electrónicamente a velocidades de hasta 100 m/hora.

El siguiente paso es unir esto a un conector metálico, que podría ser una placa o perfil hueco. Las fibras de acero se sueldan al conector usando soldadura por resistencia de costura (prensa de soldadura) con una gran rueda de electrodo de cobre. Molter explica que esto es como la soldadura por puntos en automoción pero adaptado para producir una costura larga y continua. Este proceso permite la producción eficiente de conectores FAUSST con una o varias capas de tejido usando un proceso robusto y bien conocido.

Esto es lo que vende HYCONNECT: el tejido soldado a un conector de acero. «Un astillero o su proveedor de estructuras compuestas decide usar nuestro sistema de junta», explica Molter. «Especifican la carga de la junta y tipo de conector de acero y nosotros entonces diseñamos y producimos la junta FAUSST. Esto es lo que entregamos y ellos luego la infunden en sus estructuras compuestas y el astillero luego la suelda en el marco de acero del barco».

Gestión de desajuste de rigidez y CTE

Hay un desajuste de rigidez entre las fibras de acero y vidrio en el tejido híbrido FAUSST. Molter explica que esto se mitiga algo por la forma en que se fabrica el tejido, «usando 5-7 capas donde los hilos están entrelazados, y variamos cuánto se extienden las fibras de acero en el tejido de fibra de vidrio. No quieres picos grandes en transferencia de carga. Podemos modificar la rigidez modificando estas capas y sus fibras constituyentes, por ejemplo, el porcentaje y dirección de fibra de vidrio, etc.». Fibras adicionales ±45° pueden añadirse para manejar mayor esfuerzo cortante y también ayuda a gestionar los diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE) entre el conector de acero y el compuesto de fibra de vidrio. «También podemos diseñar para cargas más altas o construcciones especiales reforzando a través del espesor usando fibras mechadas», explica Molter.

El desajuste de espesor entre el conector de acero y el plástico reforzado con fibra (FRP) también debe abordarse. «El eje neutro de ambos materiales debe alinearse», dice Molter. «Esto se logra típicamente mecanizando el borde del conector de acero a un bisel de 30°, creando, en efecto, una junta cónica para transferencia de carga eficiente al FRP».

Desarrollando un sistema de junta estandarizado

Molter dejó CMT y fundó HYCONNECT en 2018 para comercializar la tecnología de junta FAUSST. La empresa ha trabajado con una variedad de socios industriales y autoridades regulatorias para realizar pruebas e iterar diseños de juntas. El objetivo es desarrollar una «familia» de productos de junta FAUSST. «Hay un aumento lineal en capacidad de carga al aplicar más capas de tejido FAUSST», explica Molter. «Así, un producto base podría ser cuatro capas de FAUSST con una barra plana de 1 m soldada, rated para cierta carga de tracción y flexión. Luego habría algunos productos disponibles a la izquierda, usando dos o tres capas para una carga menor, y algunos a la derecha, como cinco o seis capas para una carga mayor. Todavía estamos finalizando estos detalles, pero el objetivo es un sistema estandarizado, fácil de usar».

La caracterización mecánica de los productos de junta FAUSST aún está en progreso, pero Molter señala que son competitivos con juntas adhesivas. «También permiten inspección 100 % usando ultrasonidos o rayos X de la soldadura», añade. Los prototipos se están produciendo actualmente para clientes seleccionados y escalarán en 2020.

Mientras tanto, HYCONNECT también ha tenido interés de empresas automotrices y fabricantes interesados en aplicaciones ferroviarias. «Hay potencial para usar esta tecnología para insertos metálicos y también vemos posibles aplicaciones en construcción», dice Molter. «Cada vez más industrias ven el valor de estructuras híbridas y la posibilidad de tiempos de ensamblaje cortos usando productos semiacabados pre-equipados».