• Investigadores del Instituto IMDEA Materiales y del Centro de Tecnología AIMEN están detrás del desarrollo de sensores imprimibles que ofrecen monitoreo de deformaciones y detección de daños en los componentes del fuselaje.

• El avance podría llevar tanto a nuevas rutas de fabricación del fuselaje como a aeronaves más seguras.

Investigadores del Instituto IMDEA Materiales han liderado un estudio innovador sobre el desarrollo de sensores de deformación basados en hilos de nanotubos de carbono (CNT) para el monitoreo de salud estructural (SHM por sus siglas en inglés) de los componentes del fuselaje.

El SHM proporciona una evaluación crítica del rendimiento e integridad de los componentes en servicio y es una medida clave para mejorar la seguridad y fiabilidad de las aeronaves modernas.

El estudio, Strain sensing of structural composites by integrated piezoresistive CNT yarn sensors, es el trabajo colaborativo de investigadores del IMDEA Materiales y del Centro de Tecnología AIMEN en Galicia.

El estudio describe el desarrollo de los sensores, que ofrecen detección piezoresistiva en partes del fuselaje de termoplásticos. Los sistemas actuales de SHM, como las galgas extensométricas, sensores acústicos y de vibración, y sensores de fibra óptica, siguen siendo problemáticos debido al rango de medición limitado y, en algunos casos, al hardware costoso y dificultades en su manejo.

El enfoque innovador tomado por los investigadores, como parte del proyecto de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea, DOMMINIO, consiste en integrar hilos de CNT en laminados estructurales de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) termoplásticos.

Los sensores basados en hilos de CNT, que son flexibles y robustos, están diseñados para integrarse completamente en un componente del fuselaje durante la fabricación, evitando así problemas de unión y delaminación. Se consideran un componente clave para futuros sistemas integrados de SHM con detección de fallos en tiempo real basada en datos.

Enfocado en el desarrollo de sensores basados en filamentos termoplásticos recubiertos con polieterquionona (PEKK) y reforzados con hilos continuos de CNT, la publicación describe las capacidades de detección de deformaciones en comparación con las galgas extensométricas comerciales.

“Hemos alcanzado un hito significativo en la fabricación de paneles a escala de laboratorio con sensores de CNT completamente integrados utilizando el polímero de alto rendimiento de la familia PEEK”, explicó la Dra. Anastasiia Mikhalchan, una de las autoras correspondientes.

“Los composites estructurales ligeros basados en termoplásticos ocupan una parte significativa del mercado en la industria aeroespacial en la actualidad, por lo que es importante mostrar la relevancia de los materiales basados en hilos de CNT para esta tendencia”, añadió.

Los sensores fueron capaces de detectar las deformaciones por tracción tensiles y compresivas en diferentes cargas de flexión con un factor de galga del orden de 12 para deformaciones por tracción tensiles de hasta el 0,2% de deformación.

Efectivamente, esto significa que son capaces de detectar problemas potenciales en la integridad estructural de los componentes de manera más temprana y con mayor precisión, mejorando la seguridad y el mantenimiento de las aeronaves.

“El artículo demuestra las prometedoras capacidades de detección de deformaciones de los sensores basados en hilos de CNT, integrados en laminados de CFRP mediante consolidación en prensa caliente”, afirmó la Dra. Mikhalchan.

“La investigación tiene implicaciones significativas para la futura comercialización de los hilos de CNT en la industria aeroespacial, enfocándose en fuselajes ligeros, materiales sostenibles y rendimiento multifuncional.”

“Uno de los hallazgos clave del proyecto DOMMINIO es que las fibras y los hilos de CNT son compatibles con matrices de polímeros exigentes, Fabricación por Filamento Fundido y tecnologías robotizadas, como la Colocación Automatizada de Fibras (AFP).”

“Los resultados abren la puerta a geometrías complejas y diseños innovadores de componentes del fuselaje.”

Junto con la Dra. Mikhalchan, los investigadores detrás del estudio incluyen al Prof. Carlos González, los Drs. Juan José Vilatela y Davide Mocerino, y Moisés Zarzoso de IMDEA Materiales, y los Drs. Pablo Romero y Ricardo Losada de AIMEN.

Los resultados fueron destacados en la edición especial Advanced High Strength Composites for Aerospace Structures de Composites Part B: Engineering, una de las principales revistas científicas en el campo de los composites.

La edición especial presenta el trabajo líder de los últimos 5 años en el campo de materiales basados en CNTs de alto rendimiento y sus aplicaciones en el sector aeroespacial.

Fue dirigida por los Editores Invitados, el Prof. Gregory Odegard, Director del Instituto de Tecnología Espacial de la NASA para Composites Ultra-Fuertes por Diseño Computacional, el Prof. Zhiyong Liang (Universidad Estatal de Florida), el Prof. Ibrahim Guven (Universidad de Virginia Commonwealth) y la Dra. Emilie Siochi, Investigadora Principal en el Centro de Investigación Langley de la NASA.

La Dra. Mikhalchan admitió que recibir una invitación para participar en la prestigiosa edición especial fue algo sorprendente.

“Para ser honesta, me sorprendió ver mi nombre en la lista de invitaciones”, dijo. “El hecho de que esta edición especial esté organizada por la NASA y expertos líderes en el campo habla por sí mismo.”

“La oportunidad de contribuir y mostrar nuestra última investigación aplicada sobre materiales basados en CNT es un honor para mí y para todos los co-autores involucrados.”

Este trabajo fue apoyado por fondos del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el Acuerdo de Subvención No. 101007022 (DOMMINIO).