Cerámicas Avanzadas: Beneficios, Desafíos y Aplicaciones Industriales

A pesar de una adopción a gran escala lenta, las cerámicas avanzadas y los compuestos de matriz cerámica (CMC) están encontrando su lugar en aplicaciones clave aeroespaciales y militares.

Las cerámicas de hoy han recorrido un largo, largo camino desde los hornos del mundo antiguo. Las cerámicas se remontan a 24,000 años. Su aplicación, sin embargo, continúa evolucionando, especialmente para motores a reacción militares y comerciales de alto rendimiento, misiles, naves espaciales, y en piezas de componentes y otras aplicaciones incluyendo "alta dureza para armadura y componentes de desgaste o alta resistencia a temperatura para aplicaciones refractarias", según Machine Design.

Ya sea como cerámicas estructurales o como parte de compuestos de matriz cerámica, el material versátil está ayudando a los fabricantes a aumentar la eficiencia de combustible en motores de turbinas a reacción mientras eliminan la necesidad de tanto enfriamiento como los motores tradicionales. GE Aviation, por ejemplo, afirma que sus CMC son dos tercios más ligeros que el metal y tienen una capacidad de temperatura un 20 por ciento mayor.

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

Varios de los jugadores más grandes de la industria han captado los beneficios de las cerámicas en el diseño aeroespacial. Desde General Electric hasta United Technologies, Safran, Boeing y Rolls Royce, se han concedido más de 8,000 patentes para diseño aeroespacial con cerámicas desde principios de los años 80, según American Machinist.

Cerámicas Avanzadas y Compuestos de Matriz Cerámica: Lo Bueno con lo Malo

A pesar de los beneficios, no necesariamente significa que las cerámicas sean la panacea para materiales de diseño aeroespacial. Como los fabricantes también han encontrado, las cerámicas tienen desafíos en mecanizado y en costo.

Las cerámicas están repletas de propiedades de aislamiento térmico, lo que las hace una herramienta efectiva cuando se combinan con las altas temperaturas dentro de las turbinas de aeronaves. También son extremadamente ligeras y no corrosivas, capaces de resistir el contacto con combustible de aviación y lograr velocidades más rápidas y territorio expandido 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 graciosamente como los metales", señala Lux Research. "Esta no es la única limitación: Las cerámicas estructurales tienen resistencia a temperatura extremadamente alta, lo que significa que deben procesarse por métodos de estado sólido lentos e intensivos en energía. Además, la alta dureza después de la densificación hace que el mecanizado de cerámicas para dar forma sea un desafío importante."

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

Las Cerámicas Pueden Ser Difíciles de Mecanizar, Pero No Imposibles

Los fabricantes saben que usar cerámicas en 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 hacen que el mecanizado sea más difícil", escribe Don Graham, gerente de educación y servicios técnicos en Seco Tools, en un artículo para Manufacturing Engineering. La dificultad ocurre durante el período final de mecanizado o rectificado, señala Graham, donde la integridad superficial de las cerámicas se compromete si se corta incorrectamente. Lo que es más, la posibilidad de compromiso aumenta aún más a una alta tasa de remoción de material.

"Debido a la naturaleza frágil, alta dureza, resistencia a la fluencia y alta fuerza, los métodos de mecanizado convencionales como torneado, fresado y taladrado son difíciles de realizar bien en cerámicas avanzadas debido a grietas, fracturas frágiles y astillado de bordes", explican Alexander Gorin y M. Mohan Reddy en su artículo, Cerámicas Avanzadas: Algunos Desafíos y Soluciones en Mecanizado por Métodos Convencionales.

La dificultad del mecanizado con cerámicas no puede eliminarse por completo, pero los talleres han encontrado formas de mitigar los desafíos con la selección adecuada de herramientas, según Graham. Las herramientas con bordes de corte afilados y ángulos de ataque positivos reducirán las fuerzas de corte, mientras que los insertos con sustratos de grano fino son una buena combinación para condiciones de corte abrasivas.

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

Cuando las Cerámicas se Mecanizan Incorrectamente, la Estructura Pierde su Fuerza

Si una pieza de cerámica se mecaniza incorrectamente, la fuerza de la estructura en sí disminuirá enormemente. Cuando material compuesto tipo sándwich se corta con bordes irregulares, desiguales o deformados, toda la estructura perderá una cantidad significativa de rigidez.

"El material compuesto tipo sándwich que se corta de manera desigual o deformado pierde su fuerza, muy parecido a como arrugar cartón corrugado destruye su rigidez", escribe Graham. "Para el mecanizado de acabado, los talleres deben usar fresas de extremo de alta velocidad específicamente diseñadas para tales compuestos tipo sándwich."

Cuando se mecaniza con cerámicas en diseño aeroespacial, es crucial evitar cualquier tipo de flexión o deshilachado. La solución, señala Graham, es usar una máquina de corte con bordes altamente afilados y velocidades de corte rápidas.

Las Cerámicas Son Costosas, Pero las Innovaciones Son Beneficiosas

Con tal énfasis en un corte fuerte y eficiente al mecanizar cerámicas, no es de extrañar que muchos talleres se sepa que contribuyen hasta el 80 por ciento de sus gastos totales hacia el mantenimiento de la integridad de sus estructuras basadas en cerámicas, según el artículo de Gorin/Reddy. Naturalmente, esto puede presentar un problema al mantener un presupuesto o intentar asignar fondos a otros aspectos del trabajo.

"[L]os diseñadores 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 tienen precios de aproximadamente $30/lb para formas simples, lo que aumenta dramáticamente 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 $4,000/lb, llevando a precios de preforma de más de $9,000/lb."

Los expertos señalan que la adopción de cerámicas ha sido lenta y a menudo respaldada por subsidios e incentivos de financiamiento gubernamental, así que para realmente despegar, el costo necesita bajar. Lux Research señala que "tecnologías que reducen el costo de intermedios como fibras pueden desbloquear nuevos mercados, y avances en procesamiento pueden hacer que las piezas CMC sean más confiables, facilitando así la calificación."

¿Ha mecanizado su taller con cerámicas antes? Si es así, ¿qué desafíos enfrentaron usted y su equipo? ¡Cuéntenos!