S

ETORKIZUNEKOMATERIALAK

J. J. IMAZ, N. MARKAIDE, I. MONDRAGON1

1 Industri Injinerutza Teknikorako Unibertsitate-Eskola (Donostia). Euskal Herriko Unibertsitatea

Urtero, auto-fabrikatzaileek material eta teknologia berriak probatzen dituztebasamortuan zehar ospatzen den lasterketa automobilistiko gogorrenean. Orain delahiru urte Peugeot-205 bikain batek irabazi zuen Paris-Dakar deritzon proba hau.Beira-zuntzez indartutako erretxinak osatzen zuen kotxe honen karrozeria. Materialhonekin lortutako arintasuna garrantzi handikoa izan zen irabazi ahal izateko.

TEFFI Graft-ek emaku-mezkoen artean, eta IvanLendl-ek gizonezkoenmodalitatean paregabekobikotea osatzen dute tenis-

munduan. Biek, karbono-zuntzezindartutako erretxinaz egindakobelaraki edo erraketa erabili ohi dute.Material honekin lortzen den kol-pearen transmisioak egokiago bul-tzatzen du pilota, eskumuturrarentzatmesedegarriago delarik.

Singh jauna, cricketlari indiarrazen; kalitate handiko jokalaria. Istri-pu baten ondorioz eskuineko hankamoztu egin behar izan zioten, belau-naren parean. Ebakuntza horrek sor-tutako ondorioetatik zuzpertu on-doren, Singhek muskulu-errehabi-litaziorako programa bat segitu zuen,aluminiozko protesia ezarri aurretik.Protesi hau astunegia zen jokalariakbere lehengo arintasuna berreskura-tzeko. Honen ordez epoxi eta beira-zuntz geruzatuz egindako protesi batezarri zitzaion, bere pisua 2,1 kg-koazelarik. Protesi honen bidez 85 km/h-ko jaurtitze-abiadura lortu zuen

Steffi Graf-ekkarbono-zuntzezkobelarakiaerabiltzen du

Ciba

KONPOSITEAK:

Singh jokalariak, istripua baino lehenzuen abiadura maximoa 110 km/h-koa zelarik. Ondoren, material hauekjasan duten bilakaerari esker, 1,4 kgpisatzen duen hanka artifiziala ezarrizaio jokalari honi. Horren eraginezgarai batean zuen jaurtitze-abiaduramaximoa lortu du.

Kanadiar hockey-taldea iaztikbeira–zuntzez indartutako erretxi-nazko “stick”a erabiltzen hasia da.Makila honi esker jokalariak pilota

jotzean lortzen den erreberberazioakustikoa desagertu egiten da, kol-pearen potentzia haundiagotu egitendelarik. Gaur egun bada antzeko ma-terialak erabiltzen hasi den zenbaittalde nazional.

MATERIAL BERRIA

Eski, bizikleta, gurpil lentiku-lar… aipatutako produktu guztihauek badute elkarren arteko lotura

Ciba

Ciba

Edozein kiroletanerabiltzen dakarbono-zuntza

Jeetendra Singhbere karbono-zuntzezkooinarekin

bat: osatzen dituzten materialak, hauda, konpositeak. Orain sei urte, gureinguruan ia ezezaguna zen hitza, etagaur egun eremu eta arlo askotanerabiltzen da. Gizateriak pasa izandituen aroak finkatzeko erabiltzenden erizpidea, materialarena dazenbait kasutan. Horregatik Harri-Aroa, Brontze-Aroa, Burdin Aroa,eta Altzairu-Aroa hitzak aipatzenditugu sarritan. Beraz, Konposite-Aroan murgiltzen ari garela esandezakegu, antzeko terminologiaerabiliz.

Baina, zer dira konposite edomaterial hitzaren kontzeptua hankazgora bota duten material hauek?Nahiz eta konposite hitzaren esa-nahia nahasgarria eta zabala izan,normalean makroskopikoki hetero-geno diren bi materialen elkartearideritzo, multzoaren propietateak orohar osagai bakoitzarenak bainohobeak direlarik. Konpositeen artekokasurik arruntena zuntzaz eta matrizebatez osaturiko materialarena da.Jarraia den eta matrize deritzonmaterial bat multzoaren propietatemekanikoak hobetzen dituen zuntzbatez indartzen da. Matrizearenfuntzioa, multzoa gordetzea etaesfortzuak transmititzea izango da.

Konposite hauen adibide bezala,automobiletan erabili ohi dena aipa

dezakegu. Citröen etxeak, bere BX-aren atzeko atea hauetako materialbatez fabrikatu du. Kasu honetankorrosioarekiko erresistente denpoliester-erretxina batek altzairuzkoxafla ordezkatu du. Altzairuarenantzeko propietate mekanikoak(zurruntasuna eta erresistentzia)lortu ahal izateko, poliester-erretxina

beira-zuntzez indartzen da. Horrezgainera, erretxina eta zuntzarenartean sortzen den interfase edolotura egokiak sorterazten dituenadherentziak, konpositeak talkenaurrean duen joera hobetu egingo dualtzairuarekiko. Beraz, logikoadirudi Peugeot-205, Renault-5 edoRenault-11 ereduek material hauetaz

CibaAirbus A320: konpositez egindako abioia

Ciba

Airbus A320abioiarenkonpositezkohegalaosatzen

osatutako kolpe-motelgailuakerabiltzea.

IDEIA ZAHARRA

Zuntz baten bidez materialaindartzearen ideia giza zibilizazioabezain zaharra dugu. Duela milakaurte, antzinako Mesopotamian, las-toz sendotutako buztina etxegintza-rako material arrunta genuen. Buz-tinak matrize moldagarriaren paperabetetzen zuen “konposite¨ honetan.Lastoak berriz, etxegintzarako hainbeharrezkoa zen zurruntasuna etaerresistentzia ematen zion multzoari,zuntzaren antzera jokatuz.

Geroztik materialak guztiz aldatudira eta gizateria ere bai, baina kon-positearen kontzeptua antzekoadugu. Beraz eta bakarka aplikaziobaterako baliogabeak diren bi ma-terialek, multzo heterogeno baina ba-liagarria osatuz propietate hobetuakdituen material berria eratzen dute.

Eta material hau heldutasun tekno-logikora iritxi zen bezain azkar,

konposite-kontzeptuak bere zabalta-sunaz gure gizartearen eremu eta arlo

Ciba

Fokker abioietankonpositezko piezak

"Spirit ofApricot",mundukobelauntziospe-tsuenetakoa,konpositezegina dago

Ciba

guztiak bete zituen. Hori BigarrenMundu-Gerraren ondoren gertatuzen, erretxina organikoek izan zutenizugarrizko bilakaerak eraginda.

Material polimeriko hauek bipropietate nagusi zituzten (zenbaitarlorentzat baliagarri zirenak): iso-latzaile izatea etxegintza eta apli-kazio elektrikoetarako, eta arinta-suna garraio-aplikaziotarako. Halaere, material hauek zituzten pro-pietate mekanikoak ahulegiak zi-renez, ezinezkoa zitzaien material

tiratze-prozesu bat jasanez. Automo-bilen karrozeriak, autobusak, trenenkanpo eta barne aldeak, arrantzarakokainaberak, hegazkinetako barneaketa beste zenbait piezak beira-zuntzadaramate osagai nagusi bezala. Zuntzhonek kasu bakoitzean izango duenforma, aplikazioaren araberaezberdina izango da. Norabidebakarrerako zuntz luzea erabildaiteke adibidez. Ehun bidimen-tsional bat ere bai, “mat” deritzonmultzo sakabanatu bidimentsionala

konbentzionalak ordezka-tzea zurruntasun edo erre-sistentzia mekaniko altuabehar zenean.

Bestalde, erretxina or-ganiko hauen bilakaerarekinbatera, indartzeko erabilikoziren zuntzen fabrikazio-teknologiak ere aurrerapennabarmena izan zuen.Hauen artean beira-zuntzaaipatu beharrezkoa dugu;bere kalitate/prezio-erlazioaren eraginez era-bilpen handiagoa duena baitda.

Zuntz honen fabrikazio-prozesua honetan datza:silizez osatutako beira urtuagaldatu egiten da hodibatzuetan zehar, ondorenabiadura handiz egindako

osatuz edo forma multidimentsio-nalak osatuz. Beraz, konpositeenmunduak beste aldagai berri bat du;formarena.

AMETSA ERREALITATE

Karrozeriak, isolatzaileak etaantzeko produktuak aipatu ditugu.Baina nola lortu altzairuak bainopropietate hobeak dituen piezaestrukturala? Orain dela gutxi artediseinatzaileen amets hutsa zena,

CibaAbiadura handiko tren honen karrozeria konpositezkoa da

VetrotexPeugeot 405 automobil berriaren karrozeria konposite–mota batez egin da

errealitate bihurtu da karbono-zun-tzari esker. Karbono-zuntza, altzai-ruak baino zurruntasun handiagoaduen materiala da, bere pisua BOSTaldiz txikiagoa delarik. Adibidebezala, hor dugu argazkian ikusi

daitekeen Airbus-320-aren atzekolema. Lema hori epoxi erretxinaz etakarbono-zuntzez osatuta dago. Gauregun helikopteroen helize eta erro-toreak ere material honetaz fabri-katzen dira. Konpositeek aplikazio

aeronautikoetan duten erabilpenzabalak, radarrez detektaezin direnhegazkinak fabrikatzea posible egindu. Eta talkarekiko aparteko erresis-tentzia lortzea komeni bada, Kevlarzuntzak badu zeresanik. Blindatuak

"Renault espace" furgoneta, ondoan konpositezko despiezea duelarik Vetrotex

eta balen kontrako gerrontzetan(txalekotan) duen erabilpenak baduhonekin zerikusirik.

Konpositeak gutxienez bi osagaiditu. Horietako bakoitza materialezberdina izan daiteke. Erabilpenezberdinak eta propietate mekanikonabarmenak dituzte: arintasun han-dia, isolatzaile elektriko izatea, pro-pietate termiko interesgarriak etakorrosioaren aurka puntako erresis-tentzia. Eta hala ere material hauekerabiltzeko izan ditzakeen bi aban-taila nabarmen ez ditugu oraindikaipatu: anisotropia eta pieza eta fun-tzioak integratzeko duten gaitasuna.

Zer esan anisotropiari buruz?Konpositeak zuntzez osatuak daude-nez gero, esfortzu mekanikoak apli-katu behar diren norabideetan orientaditzakegu. Adibidez, trakzio hutsapasa behar duen barra bat di-seinatzean, norabide bakarrekozuntzez osatutako konpositea era-biltzea izango litzateke logikoena.Esfortzu mekanikoa bihurduraizango balitz, ehun zilindrikoa edozuntz biribilkatua hartuko genituzkesoluzio egokien bezala. Beharrezkoez diren norabideetan zertarako ma-teriala gastatu? Zer lortzen dugubeharrezko ez diren propietateakizanda? Behar bakoitzaren araberadiseinatzeko gaitasun hau, izuga-

rrizko tresna bihur daiteke diseina-tzailearen eskuetan. Baina abantailahonek baditu bere akatsak ere. Ma-terial hauen diseinua optimizatzeakaparteko aukerak ematen baditu ere,horretarako konpositeak oso ongiezagutzea eskatzen zaio diseinatzai-leari. Batek baino gehiagok “kartakomaterial” bezala definitu ditu kon-positeak. Bezero bakoitzak, behar batdu. Behar bakoitzak produktu bat.Eta produktu bakoitzak material bat.Materiala piezarekin batera diseinatubeharko da.

FUNTZIONALTASUNA

Eta funtzioak integratzeko gaita-suna ere aipatu dugu. Azal dezagunkontzeptu hau adibide baten bidez.1983.ean Peugeot etxeak bere ereduberriarentzat konpositez egindakopieza berri bat diseinatzea pentsatuzuen. Eredua gaur egun ezagutzendugun 405 izenekoa izan zen. Auto-mobilaren aurrekaldean, kapotarenazpian, funtzio ezberdinak dituztenhogeitamar osagai daude; kolpe-mo-telgailuaren euskarria, erradiadorea,lanpara-etxeak eta abar. Peugeotetxeak pentsatutako ideia, ondorengohelburu hauek betetzen zituenkarkasa bat diseinatzea izan zen:– Kolpe-motelgailuaren euskarri

izan, funtzio estruktural bat betez.– Automobilaren aurrekaldeak duen

bihurdura-erresistentzia hobetu,eskuinetik ezkerrera doan ardatzaosatuz.

– Automobilaren aurrekaldea osa-tzen duten osagai eta pieza guztienmuntaketa erraztu.Horren ondorioz robotak erabil

daitezke, prozesu honen kostuak na-barmen txikiagotuz.

Helburu hauek betetzeko aipatu-tako aurrekaldeko modulua diseinatuzen konpositez (S.M.C., “SheetMoulding Compound” deritzon ma-terialaz; poliester-erretxina eta beira-zuntza osagai nagusi dituenaz).Aurrekaldeko modulua argazkianazaltzen da. Pieza hau osorik blokebakarrean muntatzen da fabrikazio-katean, lana erraztuz eta kostuak

Konpositeak transmisio-piezamekanikoetan erabil daitezke

Focus

murriztuz. Kasu honetan bada, kon-positeak erabiltzearen ondorioa zeraizan da: pieza ezberdinen funtzioakbakar batean integratzea, piezaren fi-dagarritasuna handiagotzea etamuntaketa-kostuak txikiagotzea.Konpositeei esker diseinu-zaleta-suna piztu izan da.

Aplikazio aeronautikoak aipatuditugu lehen eta baita lehorreko ibil-gailuetarako egindako piezak ere.Baina, zer esan itsasoari buruz? Bri-tainia Haundiak nazioarteko lehiake-tetan aurkeztu duen azken belauntzia18 metro luzeko trimaran bat izan da.“Spirit of Apricot” izena duen bela-untziak 50 milioi pezetatik gora baliodu eta batez ere epoxi-erretxina eta

Vetrotex

500 pieza fabrikatzeko aukera ema-ten duten prozesuak. Eta minutu ba-teko prozesaketa-denbora ez da iautopia hutsa. T.R.E. (Termoplasti-ques renforcées par estampage) de-ritzon prozesua erabiliz lortu izan da.Teknika honen bidez, konposite ter-moplastikozko xaflak estanpaziometalikoaren antzeko prozesuarenbidez hotzetan prozesatzen dira. Pro-zesu honen abantailarik nagusienabertan erabiltzen diren materialenbirziklagarritasuna da; material ter-moplastikoak bait dira. Transforma-zio-prozesu hauek duten automatiza-zio-maila baxua ere, oztopo da be-raien zabalkuntzarako. Handikap as-tun hau, automatismoen erabilpe-naren bitartez serieak handitzendoazen arabera konpon daitekeenarazoa da.

Orain arte aipatu ditugun mate-rialak arruntenak dira; matrize orga-nikoa dutenak. Hala ere matrize etazuntz berriak sortzen ari dira eguneroarlo honetan. Konposite kontzeptuamaterial metaliko eta zeramikoetarairitxi da. Aleazio metalikoak zuntzzeramikoen bidez indartzen dira,matrize metalikoa duten konpositeaksortuz (M.M.C. Metal Matrix Com-posites). Material hauek aeronautika-arloan oso erabiliak dira gaur egun;aparteko propietateak bait dituzte.Zeramika hauskorrak ere zuntzzeramikoak erabiliz indartzen dira,zailtasuneko materiala lortuz; Ce-ramic Matrix Composites (C.M.C.)deritzonak. Gaur egun materialhauekin Diesel motoreen pistoiakfabrikatzea aipatzen da. Berriz erezuntzaren bidez indartutako ze-ramikak, antzinako Mesopotamiakobuztinaren antzera... Bestalde, ma-trize organiko berriak ere sortu dira;PEEK, PES, PSP eta abar deritzenak,350°C-ko muga gaindi dezaketenak.

Gaur egun erabiltzen diren zun-tzak ahaztu egingo dira. Matrizeberriek oraingoak ordezkatukodituzte. Baina konposite kontzeptuakaurrera egingo dio. Material hutsabaino gehiago da. Beharbada di-seinatzeko ideia berria.

Gure trenak, geroeta gehiagokonpositezkoakizango dira

karbono-zuntza erabiliz eraiki da.Diseinatzaileak, Barry Noblek, zeradio: Bitarteko guztiak erabili dira“bultzada/pisua” deritzon erlaziohandiena lortzeko. Material aurrera-tuenak erabili dira: karbono-zuntzakaskoan eta flotagailuetan etatitanioa presio altuko zirkuituhidraulikoetan. Kasu hau ez pentsasalbuespena denik. Arlo honetan ma-terial hauen hedapena aipagarria izanda. Aisiarako arrantzuntzietako%95ek konpositeak daramatza. 9metro baino luzera txikiagoko bela-untzietako %99ak eramaten ditu kon-positeak, %92ak 9 metrotik 12 me-trorainoko luzera dutenek, eta %79ak12 metrotik gorakoa dutenek. Kasu

honetan arintasuna, korrosioarenaurka material hauek duten erre-sistentzia eta diseinu-zaletasuna diraordezkatze honen arrazoi nagusi.

ETORKIZUNAZ ZER?

Eta zer diogu etorkizunari buruz?Orain arte material hauen hedakuntzaapartekoa izan da. Bilakaera honenhurrengo pausoa automobilen fa-brikazioko serie handietan sartzeaizan daiteke. Hala ere, konpositeentransformazio-prozesuek ez duteoraindik material konbentzionaleklortutako heldutasuna lortu. Bainamartxa hau hobetzen ari da. Badiragaur egun molde batekin egunean