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 COMPONIENDO MATERIALES - DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN CITEDEF

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MensajeTema: COMPONIENDO MATERIALES - DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN CITEDEF   Vie 5 Ago 2011 - 0:11

DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN CITEDEF
COMPONIENDO MATERIALES




Fuego, hielo, huracanes, presiones monstruosas ponen a prueba a los materiales que conforman las herramientas tecnológicas más avanzadas. Para colmo una falla en cualquiera de ellas puede producir un accidente imprevisto y el desarrollo transformarse en un nuevo problema. Por eso es fundamental conocer y mejorar los materiales con los que se construye y asegurar que cumplirán su trabajo. A eso se dedica la división de Pulvimetalurgia del Departamento de Propulsión de CITEDEF.

Por Matías Alinovi


Es un conocimiento empírico de la vida cotidiana de cualquier persona que los distintos materiales originales que se encuentran en la naturaleza o que el hombre ha creado, presentan distintas y variadas propiedades. Algunos son combustibles y otros poseen una gran resistencia térmica; algunos son frágiles y otros parecen irrompibles; hay materiales conductores y los hay aislantes. Menos conocido, quizás, es el hecho de que componiendo unos con otros pueden obtenerse combinaciones que presenten propiedades extraordinarias, que eran moderadas en los materiales originales.

Un material compuesto puede ser más resistente a la presión mecánica o mejor conductor o soportar más altas temperaturas que cualquiera de sus componentes porque las combinaciones potencian alguna de las propiedades de los materiales individuales. Pero además, una elección inteligente de los materiales que lo componen puede optimizar alguna otra variable en el material final, como el peso. Un material compuesto, por ejemplo, puede ser mejor conductor y, al mismo tiempo, pesar menos que un conductor tradicional. Por eso, por ese juego interesante entre la potenciación de una propiedad específica y la optimización de alguna otra variable de Interés, es que los materiales compuestos se utilizan crecientemente en la industria naval, en la bélica, en la automotriz, en la aeroespacial o en la fórmula uno. En particular, diversos materiales compuestos se desarrollan para presentar gran resistencia mecánica -a la torsión, al Impacto- o térmica.
La División de Pulvimetalurgia y Materiales Compuestos del Departamento de Propulsión de CITEDEF desarrolla dos líneas distintas de investigación en materiales compuestos: una es la que corresponde a los blindajes balísticos en general y la otra es la que diseña y construye las protecciones térmicas para los cohetes del departamento. Unos materiales compuestos deberán, entonces, optimizar la resistencia mecánica, y los otros la resistencia a la temperatura.


BLINDAJES BALÍSTICOS

En un escenario de guerra es necesario preservar bienes materiales o humanos. El blindaje es, entonces, un concepto general, que se aplica en los chalecos antibalas, en los cascos o en el blindaje de los vehículos. El Capitán Raúl Marino, egresado del Instituto Balseiro, es especialista en materiales compuestos y está desarrollando materiales compuestos en base a cerámicos con aplicaciones para blindajes balísticos. Esos blindajes balísticos están compuestos por una capa principal de un óxido de aluminio sinterizado: la sinterización es el tratamiento térmico que permite incrementar la resistencia de la pieza. Lo que se obtiene así es una pieza parecida a una cerámica, sobre la que luego se van superponiendo capas de fibras de carbono, de fibras de kevlar, de fibras de vidrio, con distintos tipos de laminación, y distintos patrones. Lo que se busca potenciar, naturalmente, es la resistencia mecánica ante el impacto, pero con el mínimo peso posible. Los blindajes que el Capitán Marino y su equipo están mejorando son la evolución de unos blindajes desarrollados en CITEDEF en la década del '90 con muy buenos resultados: los ensayos en polígono mostraron que se habían alcanzado niveles de protección balística altos, que llegaban a resistir impactos de proyectiles de calibres de hasta 5,56 milímetros.

Eso en lo que respecta a las aplicaciones netamente bélicas, pero hay que decir que el mismo concepto general de blindaje se utiliza en el área aeroespacial -el blindaje térmico para entrar en la atmósfera- en la satelital - para protegerlos del impacto de meteoritos-, o en las aplicaciones industriales que blindan las carcazas de las máquinas rotantes -las turbinas o las maquinarias diversas que están rotando a altas revoluciones- para proteger, por ejemplo, a los operarios. Y la división también desarrolla materiales de gran resistencia térmica que se utilizan en la fabricación de cohetes.





PROTECCIONES TÉRMICAS

Las protecciones térmicas de la división de materiales compuestos están a cargo de Luis Gómez, que trabaja además con un grupo de especialistas.
Lo más importante en un vector es preservar su geometría, puesto que los cálculos del impulso suponen una geometría invariable durante el vuelo. Para que la geometría no cambie, se debe sacrificar necesariamente algún material no estructural. En particular, el interior del vector se recubre con un material ablativo, que se consume durante la combustión y es a expensas del consumo de ese material que las temperaturas mantienen dentro del vector un marco tolerable para la estructura de la tobera. Por un lado, el material ablativo absorbe energía del sistema en forma de calor y hace que la temperatura disminuya. Y por el otro, el material se quema generando gases, lo que forma una capa aislante entre la zona de combustión y el cuerpo del cohete. Los especialistas en protecciones térmicas desarrollan, para cada tobera, un material con un diseño específico, que permite que el vector funcione adecuadamente. Ese material será distinto de acuerdo al combustible que utilice el vector y a su tamaño, entre otras variables. Pero en general los materiales que desarrollan los especialistas suelen ser materiales compuestos que utilizan distintas capas de resina con un material de soporte, que puede ser la fibra de vidrio. Todos los materiales ablativos utilizan resinas fenólicas, y el método que se utiliza para componer el material es el de hot pressing-, todos los componentes se prensan a alta presión y temperatura.

Es bien sabido que los cohetes presentan un área de compromiso que necesita materiales de gran resistencia térmica: la zona de la menor contracción, a la salida de los gases. Las gargantas de grafito que allí se colocan evitan que esos gases liberados, sumamente corrosivos, desgasten el material y cambien la geometría del vector. El grafito, sin embargo, es un insumo costoso, que se importa de China, de Japón o de India.
Por eso, una posibilidad interesante es desarrollar materiales compuestos que mezclen resinas fenólicas con fibras de vidrio, de carbono o con mica, y que sean capaces de reemplazar el grafito. Esos materiales son capaces de resistir el calor de la salida de los gases y, aunque se desgastan más rápidamente que el grafito, lo hacen a un ritmo tolerable en el período del vuelo. Típicamente, si el tiempo de vuelo de un vector es de unos cien segundos, la combustión ocurrirá durante treinta segundos y luego el proyectil seguirá volando balísticamente, ya sin propulsión. Lo ideal, entonces, es que la estructura de resistencia térmica consuma todo el calor que le van transfiriendo los gases, y que no llegue a deformar la tobera, es decir, que mantenga su forma estructural, pero que no resista mucho más tiempo del necesario. Como, además, una de las exigencias naturales en el diseño de un vector es optimizar el peso y el grafito es más pesado que el material compuesto en cuestión, una forma de optimizar las dos variables al mismo tiempo -resistencia térmica y peso- es combinar grafito y materiales compuestos.




REACTORES PORTÁTILES

No es difícil prever cuáles serán las áreas de interés del Capitán Marino en el futuro, si las condiciones del desarrollo nacional acompañan sus deseos. En el Instituto Balseiro Marino se doctoró en Ciencias de la Ingeniería y se especializó en reactores nucleares compactos refrigerados a gas. El área específica de su especialización es la fluidodinámica dentro del combustible.

En los reactores el calor se produce en el núcleo, donde ocurren las reacciones nucleares, y de allí es extraído para ser llevado a los intercambiadores, cerrar el ciclo térmico y poder producir movimiento y energía eléctrica. Pero existen dos formas de refrigerar el núcleo, y, de allí, dos tipos generales de reactores: o mediante una mezcla de gases -dióxido de carbono, helio, entre otros- o mediante agua. La mayor parte de los reactores utiliza agua. El agua pesada, en particular, asociada en el imaginario colectivo a todo reactor nuclear, es en algunos casos refrigerante, y en otros moderadora, es decir, sirve para disminuir la velocidad de los neutrones emitidos en la reacción. Si solo cumple el papel de moderadora, el refrigerante puede ser agua liviana o agua purificada. En el caso de los reactores refrigerados a gas, el moderador es de grafito: se dice que son reactores secos. Y aunque están menos difundidos que los otros -Inglaterra, por ejemplo, trabajó con los Magnox, y Sudáfrlca con los Pebble bed- sin embargo, siguen funcionando.

Ese tipo de reactores trabaja con un ciclo termodinámico a más altas temperaturas que los refrigerados a agua. La temperatura de salida del núcleo está alrededor de los ochocientos grados, y lo cierto es que hace cincuenta años, cuando comenzaron a desarrollarse, no había materiales que soportaran eficientemente, y seguramente, esas temperaturas. Esa incapacidad coyuntural, más allá de razones históricas y políticas, hizo que evolucionaran más y mejor los reactores de agua que los de gas. Hoy en día, sin embargo, la tecnología de materiales ha avanzado y por eso se vuelven a estudiar los reactores a gas, que al trabajar en un ciclo a alta temperatura, son más eficientes. Y, además, son reactores más sencillos, con menos sistemas de control, menos sistemas auxiliares.

El Capitán Marino trabajó en la optimización de un reactor compacto transportable. Un reactor que cupiera en un container estándar, ésa era la premisa de trabajo. Una de las condiciones de diseño era que pudiera ser transportado por vías férreas, marítimas, o terrestres, y que pudiera entrar y salir de cualquier puerto. Era un reactor de diez megavatios eléctricos. ¿Y para qué serviría transportar un reactor? Para fundar ciudades aisladas, por ejemplo. Ese reactor se instalaría rápidamente, y a partir de la instalación se obtendría una generación continua de electricidad durante un año. También podría utilizarse en catástrofes naturales. Una inundación, un terremoto que devasta una ciudad, exige, entre otras cosas, acudir a la zona con muchos grupos electrógenos. El reactor, en cambio, podría transportarse de una vez, instalarse en un plazo relativamente corto -unos dos o tres meses-, y así obtener buena generación de energía eléctrica.

Pero entonces, si se trata de transportar, la premisa del peso es decisiva, lo que exige trabajar con materiales compuestos, con aleaciones y con súper aleaciones. El tanque que almacena los gases del proceso puede construirse, por ejemplo, con materiales compuestos y así podría blindarse con plomo, por seguridad, pero también podrían utilizarse blindajes compuestos. Durante su especialización, el Capitán Marino optimizó, mediante un código de computadora, un blindaje radiológico para ese tipo de reactores que no dejara pasar la radiación y que optimizara el peso. Lo que quedaba a partir de entonces era trabajar con los componentes estructurales. En definitiva, Marino comenzó a trabajar en materiales compuestos a partir de su especialización en un tipo de reactores en los que reducir el peso al mínimo era una premisa de construcción. Pero todavía se entusiasma ante las posibilidades que presentarían ese tipo de reactores en un país como el nuestro. Si bien esos códigos y el conocimiento general adquirido pueden ser extrapolados y llevados a otras condiciones -podría aprovecharse el mismo blindaje en un reactor grande, por ejemplo- Marino cree que el tipo de reactor es especialmente interesante. Tener un generador de potencia que pueda ser subido a un container, es tener un instrumento estratégico, y el ámbito de la defensa debería estar particularmente interesado en el desarrollo.






HILANDO FIBRAS


Dentro de la División de Materiales Compuestos el Capitán Marino y su equipo están trabajando en dos áreas distintas. Por un lado, desarrolla una máquina para poder trabajar con tubos de fibra de carbono que permita fabricar todas las protecciones térmicas de los cohetes que se diseñan en el departamento en forma automática y rápida. La técnica que utiliza la máquina se llama filament winding o devanado de fibras. Se debe imaginar una bobina de hilo y un molde que gira. Las fibras surgen de la bobina, pasan por un impregnador, donde, obviamente, se impregnan de resina -las fibras pueden ser de vidrio, de carbono, o de algún otro material, dependiendo del uso al que se destinará el tubo-, y se enrollan, mientras el carro se va desplazando de acuerdo a un patrón de laminado que también depende del uso que se la dará al tubo.

Lo dijimos, sobre el tubo, las fibras se entrecruzan con algún patrón y es el ángulo entre ellas el que da la resistencia, además de la cantidad de capas. De acuerdo al ángulo, los tubos podrán estar sometidos a la torsión o la presión. ¿Cuál es el sentido desarrollar una máquina así? ¿No puede adquirirse en el mercado? Como casi todo: hay quien la fabrica y se puede comprar, pero tiene un costo elevado y es un paquete cerrado: no se puede aprender cómo funciona Internamente. La idea de la división es entonces desarrollar la capacidad de fabricar una máquina automática de ese tipo que a su vez tenga asociado el código de cálculo.

Porque el funcionamiento de la máquina supone realizar un cálculo que determine, por ejemplo, qué cantidad de fibras deberá utilizarse, en qué resina deberán embeberse, y con qué ángulo deberán hilarse sabiendo que el tubo estará sometido a una determinada presión interna. La técnica de cálculo que se utiliza es por elementos finitos. El otro aspecto fundamental del proyecto, sobre el que Marino insistió desde el principio, es que la máquina sea diseñada por personal de CITEDEF, de forma tal que quien vaya a operarla haya además participado en su concepción, en su diseño y en su fabricación. Esos técnicos conocerán el proyecto desde la génesis.

La ¡dea es entonces desarrollar un Instrumento que pueda trabajar con la técnica de filament winding para satisfacer necesidades específicas, pero una vez optimizado el método, ¿qué hacer con la máquina? Lo primero será suplir las necesidades de fabricación de componentes de CITEDEF. Las protecciones térmicas de los cohetes CP-30, por ejemplo, que hoy en día se fabrican a mano -el molde se hace girar y una persona va corriendo la fibra a la que va embebiendo con un pincel; esto conlleva los tiempos y la Imprecisión propia del proceso artesanal. Una vez automatizado el proceso, se podrían fabricar componentes básicos de grandes estructuras, como las antenas, o aún desarrollar aplicaciones a la misma cohetería: las cabezas y las colas de los cohetes, por ejemplo, podrían fabricarse de este modo. Lo primero, en definitiva, es cubrir las áreas que lo necesitan dentro de CITEDEF.
En segundo lugar, poder brindar un servicio a terceros, transfiriendo quizás planos y cálculos. Y en tercer lugar, dejar Instalada en CITEDEF la capacidad productiva que supone, como instituto de investigación, poder fabricar una máquina a medida. El objetivo es que CITEDEF tenga la capacidad y el personal necesario para asistir a la Industria en esa materia.

El proyecto de la división se ha venido cumpliendo satisfactoriamente y es de prever que a través de él CITEDEF efectivamente adquirirá en breve la capacidad, no solo de suplir sus necesidades Internas, sino también de transferir planos o códigos a terceros que lo soliciten. Es verdad que hoy existen empresas que utilizan la misma técnica de filament winding para fabricar tubos de petróleo, o de gas. Pero también es cierto que eso ocurre a otra escala y de acuerdo a otros procesos. La ventaja del desarrollo de CITEDEF es que produciría elementos para sus propias necesidades y en las dimensiones necesarias. Para terminar, otra de las premisas del Capitán Marino es que todos los materiales con que se construya la máquina estén disponibles en el mercado nacional. Una manera de independizarse de los vaivenes de la importación.






EL PROTOTIPO

El primer producto de la máquina sería entonces el de las protecciones térmicas de los cohetes, además de sus partes estructurales. Ya dijimos que las protecciones térmicas de los CP-30 -el proyecto del Ejército que emplea un camión lanzador con una grúa autoportante para lanzar ráfagas de cohetes a treinta kilómetros de distancia- se desarrollan hoy artesanalmente, a través de la técnica del hilado de fibras no automatizado.
Pero además, los tubos guía de los CP-30 son de aluminio. Y esos tubos, que soportan todo la estructura del cohete, podrían fabricarse con fibras de carbono. Esa decisión estratégica reduciría el peso del cohete en un treinta o cuarenta por ciento, lo que supondría a su vez contar con módulos más livianos, y, en definitiva, con un sistema hidráulico menos exigido.

Pero otra de las aplicaciones en las que trabaja el Capitán Marino en su división es el desarrollo de un mortero de 60 milímetros. En materia de morteros, el Ejército cuenta con tres calibres clásicos: el de 60 milímetros, el de 81 milímetros, y el de 120 milímetros. Si se piensa que hoy en día una de las premisas de cualquier desarrollo de este tipo es alivianar el peso al combatiente moderno, un mortero más liviano, que pudiera ser transportado con mayor facilidad, es sin duda una contribución interesante. La primera aplicación de la máquina automática de hilado, su prototipo insignia, digamos, sería entonces un nuevo mortero de 60 milímetros.

El mortero que utiliza hoy el Ejército es de aluminio y pesa unos cinco kilos y medio. El nuevo prototipo reemplazaría todo el tubo por uno de fibra de vidrio capaz de resistir presiones internas y altas temperaturas. Ese nuevo mortero pesaría unos dos kilos y medio. En conclusión, el modo de verificar la máquina de hilado una vez construida será fabricar un mortero de 60 milímetros que ya ha sido diseñado, que se ensayará primero y luego podrá dispararse. Puesto que CITEDEF es un instituto de investigación, que no tiene la capacidad de producir en serie, el desarrollo implicaría una transferencia, por ejemplo hacia Fabricaciones Militares.


DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN
COMPONIENDO MATERIALES
Por Matías Alinovi
Revista TEC2 Nº2 CITEDEF

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Última edición por Marcelo R.Cimino el Vie 5 Ago 2011 - 15:23, editado 9 veces
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mario venditto



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MensajeTema: Re: COMPONIENDO MATERIALES - DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN CITEDEF   Vie 5 Ago 2011 - 2:38



Hola Marcelo..que lindo articulo..cuanta info interesante que nos da....gracias por subirla master..!!
Uno se da cuenta viendo los herrajes que se usan, como en la primera foto del cano del mortero o cuando preparaban el Gradicom hace unas semanas,y lo traian en lo que parecia un cajon de frutas y un carromato de verduleria...eso me dice que todo es muy a pulmon...ojo, no es queja, simplemente es lo que hay y por lo menos se hace....pero te das cuenta que falta mucho por hacer..ojala se automaticen los sistemas lo antes posible como lo menciona el articulo...
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MensajeTema: Re: COMPONIENDO MATERIALES - DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN CITEDEF   Vie 5 Ago 2011 - 18:42

Muy buen articulo Marcelo, ahora alguna ves realice bobinados y he ise alguna cosa con fribra, si bobinan así los CP30, mamá querida que laburo, el tipo que hace ese trabajo estará esperando con ansias que terminen la maquina.

Saludos
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MensajeTema: Re: COMPONIENDO MATERIALES - DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN CITEDEF   Vie 5 Ago 2011 - 19:46

Buenas noches:
Como siempre Marcelo, excelente informe. Descartes decía: "daría todo lo que se por la mitad de lo que ignoro". Nunca se me hubiera ocurrido que los cohetes se "tejen".

Saludos
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INVITADO



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MensajeTema: Re: COMPONIENDO MATERIALES - DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN CITEDEF   Vie 5 Ago 2011 - 20:51

Anduve urgando en la página de CITEDEF y aún no está publicado el N º 2 de TEC2. Esta y otras notas están buenísimas, así que me largué a digitalizarla. Parafraseando al amigo "Pancho Ibañez" con su -todo tiene que ver con todo- saqué alguna conclusión que me viene rondando desde el sábado pasado.
Como verán el Capitán Raúl Marino, continúa con estudios y trabajos realizados por el ex CITEFA en los ´90, sin entrar en el tiempo que se perdió y la implicancia política (ya pasó, el punto es no dejarlo pasar más). La importancia de preservar, proteger y mantener A TODA COSTA estas instituciones, de una manera u otra, en mayor o menor mediada; capitaliza a futuro inevitablemente. Hoy se puede retomar el hilo de lo estudiado años atrás y se puede concluir con estas investigaciones preconcebidas, no quiero imaginar lo que hubiera sucedido, si el organismo se hubiera ido a lavar platos, como dijo el traidor a la patria Domingo Cavallo, se hubiera perdido absolutamente todo. También convengamos que hubo gente que luchó para mantener el organismo aún dentro de ese gobierno.
Necesitamos desarrollar nuevos materiales que nos independicen tal cual reza la nota, necesitamos desarrollar las maquinas que necesitamos, sin esa llave, ningún desarrollo tiene sentido. Al menos para abastecer nuestras necesidades no necesitamos grandes estructuras, y si llegado el caso la situación lo amerita ante eventuales interesados, podemos encarar lo que venga.
Dentro de poco tiempo, si llegan los recursos, se irá por una plataforma de lanzamiento de mayor capacidad, por el vector Orbit y por los vectores (tal vez dos desarrollos más) que sean necesarios para pasar la barrera de los 500 km de altura , imaginen la importancia de un material ablativo entonces y de nuevos materiales más livianos y resistentes. No es moco de pavo poner 1 kgr en el espacio, sin embargo con los medios que están a mano esta gente hace maravillas.
Hace unos años veía la tecnología ALOTEC, aplicada a chalecos antibalas. Obviamente costaba un ojo de la cara. Claro! tecnología alemana pura y no eran más hexágonos de óxido de aluminio. Seguramente algún material especial, pero no mucho más complejo que el que fabrica aquí nuestras fábricas de abrasivos sólidos.
Proyectos como este, que no son tan onerosos, multiplican por mil cuando se es dueño de la llave tecnológica, no debemos olvidarlo, como tampoco de salir en defensa de estas instituciones las veces que haga falta por el bien de la nación.

Saludos
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MensajeTema: Re: COMPONIENDO MATERIALES - DEPARTAMENTO DE PROPULSIÓN CITEDEF   Hoy a las 9:29

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