Las tecnologías que la Fuerza Aérea emplea en la actualidad requieren un mayor rendimiento de los materiales empleados en aplicaciones muy específicas. Para satisfacer esta necesidad, el equipo AFRL Composites Performance desarrolla nuevas herramientas para hacer que las plataformas militares modernas sean más seguras, más asequibles y siempre listas para cualquier misión.
El equipo del AFRL Materials and Manufacturing Directorate’s Composites Performance, dirigido por el Dr. Craig Przybyla, trabaja para cambiar el enfoque tradicional usado en la predicción del comportamiento y vida de los materiales cerámicos y polímeros compuestos.
Su enfoque consiste en el desarrollo de herramientas que aumentan la comprensión del comportamiento y del rendimiento del material, reduciendo al mismo tiempo la necesidad de experimentación excesiva. La capacidad para caracterizar, predecir y comprender los comportamientos de los materiales compuestos es esencial para la operación segura, realización de diseños eficientes y mantenimiento de algunas de las plataformas más avanzadas de la Fuerza Aérea.
Przybyla dice que el equipo trabaja mediante la cuantificación de la estructura del material, las pruebas mecánicas altamente instrumentadas y el modelado basado en la física para el rendimiento del material.
A través de técnicas de modelado físicas desarrolladas internamente, el equipo determina cómo se comportarán los materiales en entornos de aplicación específicos, incluyendo los extremos que sean relevantes para las plataformas actuales y emergentes de la Fuerza Aérea.
Estos modelos también ayudan a predecir la degradación del material y el consecuente inicio y crecimiento de daños con el tiempo. Esta capacidad de predicción ayuda a los diseñadores y mantenedores a desarrollar mejores materiales para aplicaciones muy exigentes, a definir ciclos de mantenimiento con mayor precisión y a evaluar los efectos del procesamiento o del daño inducido en el rendimiento del sistema. Como resultado, los diseñadores de aeronaves podrán evitar los diseños excesivamente conservadores o ineficientes, predecir con más precisión la vida útil de los componentes y evaluar internamente y de forma más eficaz los problemas que surgen durante la vida del sistema.
Przybyla dijo que la aparición de composites multifuncionales es un área que plantea nuevos retos para su equipo. Específicamente, además de caracterizar el rendimiento estructural, su equipo debe ahora entender cómo los factores de rendimiento funcional influyen también. Al comprender los factores funcionales de un material tales como las propiedades térmicas y eléctricas, los investigadores podrán entender mejor si los nuevos composites multifuncionales son viables para aplicaciones exigentes de la Fuerza Aérea, bajo una variedad de condiciones de carga estructurales y funcionales.
«Por ejemplo, la hipersónica es un escenario aéreo y termal extremadamente demandante. Ayudamos a completar el diseño de los aspectos técnicos de los materiales existentes a través de nuestras pruebas de física, de modo que cuando se diseña un vehículo, se puede hacer con la confianza de que va a cumplir con los requisitos de la misión, siendo necesarios menos programas de prueba de los que eran necesarios en el pasado.
Los códigos de software, las herramientas de modelado y las bases de datos que el equipo produce benefician a los diseñadores de aeronaves y a las oficinas de programas de sistemas que buscan desarrollar y ensayar sistemas de aeronaves con un alto grado de seguridad y mayores intervalos de tiempo entre revisiones.
Przybyla afirma que su equipo emplea el pensamiento innovador para superar los retos especiales asociados con el modelado y la caracterización de materiales compuestos. Dijo que una serie de factores entran en juego, incluyendo las muchas variables y matices que el equipo tiene que considerar al evaluar un material y cómo se comportará en condiciones dadas, con otros materiales y en diferentes aplicaciones. Además, el equipo debe considerar cómo modelar para entornos extremos, como los encontrados en vuelo hipersónico, ya que esas condiciones son prácticamente imposibles de replicar en un entorno de laboratorio.
«Nos encontramos con desafíos, pero también hemos tenido muchos éxitos, incluyendo la asociación con organizaciones clave que realmente han encontrado que nuestras herramientas les han permitido conseguir sus objetivos», dijo Przybyla.
Un buen ejemplo de este tipo de asociación es un proyecto reciente para una oficina de programa que estaba teniendo problemas con un sistema específico de armas de la Fuerza Aérea. La herramienta de modelado de progresión de daños del equipo de Composites Performance, llamada BSAM, ayudó a la oficina a entender cómo las condiciones de operación estaban causando fallos en un componente particular de este sistema. Específicamente, las predicciones hechas usando el BSAM permitieron que la entidad del fallo fuera estimada basándose en el perfil de misión del sistema.
De hecho, el equipo ayuda a muchas organizaciones empleando las herramientas más adecuadas para su trabajo. El Equipo respondió recientemente a una necesidad dentro de la “comunidad hipersónica” proporcionando una base de datos de parámetros de rendimiento para un conjunto clave de compuestos cerámicos, que esencialmente consiste en una biblioteca de datos que los desarrolladores de sistemas actuales pueden utilizar para examinar rápidamente los materiales disponibles y determinar la viabilidad de varios conceptos de diseño basados en estos materiales.
«Constituimos una fuente fiable para proporcionar datos de materiales esenciales en apoyo a los programas de hipersonics para que avancen en un tiempo y con un presupuesto razonable», dijo Przybyla.
Cuando Przybyla mira hacia el futuro, ve un crecimiento continuo y avances en el modelado de compuestos. Dijo que el equipo está mirando hacia la transición del modelo de predicción de daños basado en la física (BSAM) a la industria. Para que esto suceda, trabajarán para optimizarlo para problemas a mayor escala a nivel de sistema. Dijo que el equipo también continuará avanzando en los modelos de progresión de daños físicos en compuestos cerámicos, algo que es de gran interés para la Fuerza Aérea a la luz del impresionante historial de seguridad de esfuerzos similares de modelado de materiales metálicos.
Przybyla dijo que el trabajo de su equipo está cambiando el paradigma del diseño y vida de los componentes fabricados con composites, cambiando desde un enfoque basado en la experimentación a otro más eficiente basado en el modelamiento físico, que necesitará menos pruebas.
Fte.: US Air Force
