Pros y contras de la cerámica avanzada

A pesar de la lenta adopción a gran escala, las cerámicas avanzadas y los compuestos de matriz cerámica están encontrando un hogar en aplicaciones aeroespaciales y militares clave.

La cerámica de hoy ha recorrido un largo camino desde los hornos del mundo antiguo. La cerámica se remonta a 24.000 años. Sin embargo, su aplicación continúa evolucionando, especialmente para motores a reacción militares y comerciales de alto rendimiento, misiles, naves espaciales y en piezas de componentes y otras aplicaciones que incluyen "alta dureza para armaduras y componentes de desgaste o resistencia a altas temperaturas para aplicaciones refractarias", según al diseño de máquinas.

Ya sea como cerámica estructural o como parte de compuestos de matriz cerámica, este material versátil está ayudando a los fabricantes a aumentar la eficiencia del combustible en los motores de turbina a reacción, al mismo tiempo que elimina la necesidad de tanta refrigeración como en los motores tradicionales. GE Aviation, por ejemplo, afirma que sus CMC son dos tercios más livianos que el metal y tienen una capacidad de temperatura un 20 por ciento más alta.

“[L]as cerámicas avanzadas, que comenzaron a surgir tras el descubrimiento del proceso Bayer para refinar la bauxita en 1887, tienen propiedades mecánicas, térmicas y electrónicas superiores en comparación con las cerámicas tradicionales”, escriben Anthony Vicari y Anthony Schiavo de Lux Research, en un artículo para MachineDesign.

Varios de los jugadores más importantes de la industria también se han dado cuenta de los beneficios de la cerámica en el diseño aeroespacial. Desde General Electric hasta United Technologies, Safran, Boeing y Rolls Royce, se han concedido más de 8.000 patentes de diseño aeroespacial con cerámica desde principios de la década de 1980, según American Machinist.

Cerámica avanzada y compuestos de matriz cerámica:tome lo bueno con lo malo

A pesar de los beneficios, no significa necesariamente que la cerámica sea el principio y el fin de todo para los materiales de diseño aeroespacial. Como también han descubierto los fabricantes, la cerámica tiene desafíos en el mecanizado y en el costo.

La cerámica está repleta de una gran cantidad de propiedades de aislamiento térmico, lo que la convierte en una herramienta eficaz cuando se combina con las altas temperaturas dentro de las turbinas de los aviones. También son extremadamente livianos y no corrosivos, capaces de resistir el contacto con el combustible para aviones y alcanzar velocidades más rápidas y un territorio más amplio en el espacio. Pero dar forma y procesar puede ser lento y arduo.

“[C]uando las cerámicas fallan, lo hacen repentina y catastróficamente, en lugar de hacerlo con gracia como los metales”, señala Lux Research. “Esta no es la única limitación:las cerámicas estructurales tienen una resistencia a la temperatura extremadamente alta, lo que significa que deben procesarse mediante métodos de estado sólido lentos y que consumen mucha energía. Además, la alta dureza después de la densificación hace que el mecanizado de cerámica para dar forma sea un gran desafío”.

Para contrarrestar fallas catastróficas, el refuerzo de fibra se usa para ayudar a controlar la "propagación de grietas a través de la matriz y las cargas de soporte después de que el material comienza a fallar", señala Lux Research, que permite que las CMC "fallen gradualmente, más como la falla dúctil del metal".

La cerámica puede ser difícil de mecanizar, pero no imposible

Los fabricantes saben que el uso de cerámica en el diseño aeroespacial es una forma segura de reducir el peso de sus aeronaves mientras usan un material duradero.

“Las mismas propiedades que aumentan la fuerza y ​​la resistencia a la temperatura también dificultan el mecanizado”, escribe Don Graham, gerente de educación y servicios técnicos de Seco Tools, en un artículo para Manufacturing Engineering. La dificultad ocurre durante el período final de mecanizado o rectificado, señala Graham, donde la integridad de la superficie de la cerámica se ve comprometida si se corta incorrectamente. Además, la posibilidad de verse comprometido aumenta aún más a una tasa alta de eliminación de material.

“Debido a la naturaleza frágil, la alta dureza, la resistencia a la fluencia y la alta resistencia, es difícil que los métodos de mecanizado convencionales como el torneado, el fresado y el taladrado funcionen bien en cerámicas avanzadas debido a las grietas, las fracturas frágiles y el astillado de los bordes”, explica Alexander Gorin y M. Mohan Reddy en su artículo, Cerámica avanzada:algunos desafíos y soluciones en el mecanizado por métodos convencionales.

La dificultad de mecanizar con cerámica no se puede eliminar por completo, pero los talleres han encontrado formas de mitigar los desafíos con la selección adecuada de herramientas, según Graham. Las herramientas con filos de corte afilados y desprendimientos positivos reducirán las fuerzas de corte, mientras que las plaquitas con sustratos de grano fino se adaptan perfectamente a las condiciones de corte abrasivo.

“El refuerzo de fibra ha superado en gran medida los problemas de fragilidad, pero la maquinabilidad sufre debido a la baja conductividad térmica, la alta dureza y la abrasividad de las CMC”, escribe Graham. “Además de los métodos de mecanizado tradicionales, los fabricantes están experimentando con formas alternativas de procesar piezas de CMC, como chorro de agua, EDM, mecanizado asistido por láser, esmerilado y el uso de herramientas con inserción de PCBN”.

Cuando la cerámica se mecaniza de forma incorrecta, la estructura pierde su resistencia 

Si una pieza de cerámica se mecaniza incorrectamente, la resistencia de la estructura en sí misma disminuirá en gran medida. Cuando el material compuesto intercalado se corta con bordes irregulares, irregulares o deformados, toda la estructura perderá una cantidad significativa de rigidez.

“El material compuesto emparedado que se corta de manera desigual o se deforma pierde su fuerza, al igual que el cartón corrugado destruye su rigidez”, escribe Graham. "Para el mecanizado de acabado, los talleres deben usar fresas de mango de alta velocidad diseñadas específicamente para tales compuestos intercalados".

Al mecanizar con cerámica en el diseño aeroespacial, es crucial evitar cualquier tipo de flexión o deshilachado. La solución, señala Graham, es utilizar una máquina de corte con bordes muy afilados y velocidades de corte rápidas.

La cerámica es costosa, pero las innovaciones son beneficiosas

Con tanto énfasis en un corte fuerte y eficiente al mecanizar cerámica, no es de extrañar que se sepa que muchos talleres contribuyen con hasta el 80 por ciento de sus gastos generales para mantener la integridad de sus estructuras a base de cerámica, según Gorin/Reddy. papel. Naturalmente, esto puede presentar un problema al mantener un presupuesto o intentar asignar fondos a otros aspectos del trabajo.

“Los [D]eseñadores que quieran hacer uso de las propiedades mecánicas superiores de los CMC tendrán que pagar por el privilegio”, señala Lux Research en el artículo de MachineDesign. “Los CMC de grafito/fibra de carbono de menor costo alcanzan precios de alrededor de $30/lb para formas simples, lo que aumenta drásticamente con el mecanizado. Los CMC de matriz de carburo de silicio/fibra de carburo de silicio para aplicaciones de alta temperatura exigen fibras de alta pureza, con precios que comienzan en más de $4000/lb, lo que lleva a precios de preformas de más de $9000/lb”.

Los expertos señalan que la adopción de cerámica ha sido lenta y, a menudo, respaldada por subsidios e incentivos de fondos gubernamentales, por lo que para realmente despegar, el costo debe reducirse. Lux Research señala que "las tecnologías que reducen el costo de los productos intermedios como las fibras pueden abrir nuevos mercados, y los avances en el procesamiento pueden hacer que las piezas de CMC sean más confiables, lo que facilita la calificación".

¿Su taller ha trabajado a máquina con cerámica antes? Si es así, ¿a qué desafíos se enfrentaron usted y su equipo? ¡Haznos saber!