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• Diiego Becerra

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BECERRA VILLLA DIEGO ARMANDO MECANICA DE SOLIDOS

BOEING 787 MATERIALES EN SECCIONES ESTRUCTURALES

INDICE

OBJETIVO……………………………………………………………………………. 1 INTRODUCCION…………………………………………………………….………. 1 DISEÑO Y MATERIALES EMPLEADOS EN EL 787……………………………..3 COMPOSICION EN ESTRUCTURA PRIMARIA.…………………………………7 USO DE MATERIALES EN EL 787…………………………………..…………….9 USO DE MATERIALES COMPUESTOS EN EL MOTOR DEL 787……………10 CONSTRUCCION DE PARTES Y PROVEEDORES DEL 787……………..… 11 CONCLUSION………….…………………………………………………………….13 BIBLIOGRAFIA……………………..………………………………………….…….13

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OBJETIVO Conocer los diferentes tipos de materiales y sus características como la resistencia, durabilidad, elasticidad y anticorrosión que componen la estructura de la aeronave BOEING 787, así mismo su importancia de emplearlos correctamente ya que son factores fundamentales en cuanto a seguridad y confort para el usuario.

INTRODUCCION La resistencia, durabilidad, elasticidad y anticorrosión de los materiales con los que se fabrica una aeronave son fundamentales. Los aviones son capaces de soportar vuelos a más de 30 mil pies de altura, temperaturas menores de 50 grados centígrados y el peso de más de 500 pasajeros. Pero, ¿De qué están hechos los aviones para soportar tanto con ese peso tan elevado? Las aeronaves comerciales están fabricadas de diferentes materiales que deben ser resistentes, fuertes, densos, maleables y elásticos. El principal material con el que se construyen los aviones, desde la primera guerra mundial, es el aluminio, ya que ofrece ligereza, resistencia y alta conductibilidad eléctrica y térmica. La fabricación de las aeronaves requiere de varias aleaciones; por ejemplo, en las zonas del aparato que trabajan a tracción, como en el recubrimiento de las alas, se utiliza una aleación de Aluminio y Cobre. El titanio es otro material importante en el avión. Las hélices de los motores turbofan son construidos con una aleación de este material, aluminio y vanadio; de igual forma, la caja negra es producida con titanio. Los materiales ferrosos, como el acero y sus aleaciones, son indispensables para la creación de barras, varillas y piezas forjadas. Las aleaciones con cromo y níquel proveen dureza y evitan la corrosión de piezas que necesitan tratamiento térmico.

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El Boeing 787, apodado ¨Dreamliner¨, es un avión de pasajeros de tamaño medio y fuselaje ancho desarrollado por el fabricante estadounidense Boeing Commercial Airplanes. La aeronave, de doble pasillo, puede transportar entre 217 y 323 pasajeros, dependiendo del tipo (787-8, -9 o -10). Su primer vuelo tuvo lugar el 19 de diciembre de 2009. MATERIALES AVANZADOS El 787 Dreamliner es el primer avión comercial que se fabrica en un 50% con materiales compuestos, más resistentes y ligeros que el aluminio. Estos extraordinarios materiales constituyen una de las tecnologías fundamentales responsables del rendimiento incomparable del 787 en lo que a consumo de combustible se refiere. Los materiales compuestos (plásticos reforzados con fibra de carbono) conforman las principales secciones del 787: el fuselaje, la cola y las alas. RENDIMIENTO MEDIOAMBIENTAL EXCEPCIONAL Toda una serie de avances tecnológicos que aumentan la eficiencia del consumo de combustible, como materiales compuestos ligeros, sistemas avanzados, nuevos motores y aerodinámica moderna, hacen del 787 un avión eficiente también desde el punto de vista medioambiental. 

El 787 consume un 20% menos de combustible y genera menos emisiones de carbono que los demás aviones de tamaño similar.

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Todo, desde la forma y tamaño de las alas hasta el diseño del barquillo, contribuye a que este avión sea más aerodinámico. MAS SILENCIOSO PARA LAS POBLACIONES El impacto acústico del 787 es un 60% inferior al de otros aviones de su tamaño, lo que significa menos ruido para las poblaciones cercanas a los aeropuertos. MEJOR VISTA Las ventanillas son un 30% más grandes que en el Boeing 767 y permiten al pasajero controlar el nivel de luminosidad con sólo apretar un botón. UN VIAJE MAS CONFORTABLE Los materiales compuestos permiten un menor nivel de altitud en la cabina, haciendo el viaje más confortable para los pasajeros, de acuerdo con los últimos estudios. La cabina del 787 está presurizada a un nivel de 1.828,8 metros (609.6 metros por debajo de la mayoría de los aviones). Las pruebas muestran que, debido a que el cuerpo absorbe un 8% más de oxígeno en la sangre a esta altitud, los pasajeros sufren menos dolores de cabeza, mareos y cansancio. UN VUELO MÁS CÓMODO El 787 Dreamliner se ha diseñado para garantizar un vuelo más suave en caso de turbulencia moderada. La tecnología de vuelo más suave permitirá reducir por ocho los casos de pasajeros que experimentan cinetosis al detectar la turbulencia y enviar a la superficie de control del ala la orden de contrarrestarla, suavizando el viaje.El 787 es capaz de aportar la autonomía de vuelo de los aviones de gran tamaño a los reactores de tamaño medio, y proporciona a las líneas aéreas una eficiencia sin precedentes en cuanto a consumo de combustible, con los consiguientes beneficios para el medio ambiente. Consume un 20% menos de combustible que cualquier otro avión de su tamaño en misiones similares. Es de destacar la significativa reducción en su peso total, por el uso de materiales compuestos en la mayoría de su construcción: como referencia, el Boeing 787 pesa entre 13 600 y 18 150 kg menos que el Airbus A330-200. El nuevo avión viaja a una velocidad parecida a la de los actuales aviones comerciales más rápidos, es decir Mach 0,85 (957km/h). Boeing ha seleccionado a General Electric y Rolls-Royce para desarrollar los motores para el nuevo avión.

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PRINCIPALES ELEMENTOS DE FIBRA DE CARBONO QUE CONFORMAN EL FUSELAJE DEL 787

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Antes del 28 de enero de 2005 el 787 era conocido con la designación de desarrollo 7E7. El 26 de abril de 2005, un día y un año después del lanzamiento del programa, la apariencia final del diseño exterior del 787 fue fijada. Con una nariz menos atrevida y una cola más convencional, el diseño final tiene una aerodinámica superior. El 787 fue diseñado para convertirse en el primer avión de pasajeros construido en materiales compuestos que se fabricaría en serie, en el que el fuselaje se uniría en secciones cilíndricas de una única pieza en lugar de las múltiples capas de aluminio y los cerca de 50000 remaches empleados en las aeronaves existentes en la época. Boeing seleccionó dos plantas motrices para equipar al 787, el General Electric GEnx y el Rolls-Royce Trent 1000. Boeing afirmaba que el 787 sería una aeronave que aportaba una mejoría en el consumo de combustible del 20% con respecto al 767, del cual, cerca del 40% del aumento en eficiencia energética procedía de las nuevas plantas motrices, más los beneficios derivados de las mejoras aerodinámicas, el incremento en el uso de materiales más ligeros y en la aplicación de nuevos sistemas. El 787-8 y −9 estaban diseñados para poder operar bajo condiciones ETOPS de 330 minutos. Al necesitar ligereza, el 787 también cuenta con Magnesio, el metal más ligero del mundo, en aleaciones con zinc y aluminio. Los paneles de las alas son fabricados con aleaciones de magnesio. 6

 COMPOSICIONES EN PRIMARIA

LA CÉLULA Y ESTRUCTURA

El Boeing 787 hace un mayor uso de materiales compuestos en su fuselaje y estructura primaria que cualquier avión comercial Boeing anterior. Realizar el proceso de diseño sin ideas preconcebidas permitido a los ingenieros de Boeing para especificar el material óptimo para aplicaciones específicas a lo largo de la estructura del avión. El resultado es una célula que comprende casi la mitad de fibra de carbono de plástico reforzado y otros materiales compuestos. Este enfoque ofrece un ahorro de peso en promedio de 20 por ciento en comparación con los diseños de aluminio más convencionales. Selección del material óptimo para una aplicación específica significaba el análisis de todas las áreas de la estructura del avión para determinar el mejor material, dado el entorno de funcionamiento y las cargas que un componente experiencias a lo largo de la vida de la estructura del avión. Por ejemplo, el aluminio es sensible a las cargas de tensión pero se encarga de compresión muy bien. Por otro lado, los materiales compuestos no son tan eficientes en el tratamiento de cargas de compresión, pero son excelentes en el manejo de la tensión. El mayor uso de materiales compuestos, especialmente en el entorno altamente cargado de tensión del fuselaje, reduce en gran medida el mantenimiento debido a la fatiga cuando se compara con una estructura de aluminio. Este tipo de análisis ha resultado en un aumento del uso de titanio también. Cuando la carga indica el metal es un sistema material preferido pero las consideraciones ambientales indican aluminio es una mala elección, el titanio es una excelente solución de diseño de bajo mantenimiento. El titanio puede soportar cargas comparables mejor que el aluminio, tiene preocupaciones mínimas de fatiga, y es altamente resistente a la corrosión. El uso de titanio se ha ampliado en el 787 a aproximadamente el 14 por ciento del total de la estructura del avión. Cada elemento estructural de la 787 ha sido objeto de este tipo de análisis del ciclo de vida y tipos de materiales se basan en un proceso de selección exhaustivo y disciplinado.

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ESTRUCTURA DE LAS ALAS Las alas del B787 sin duda alguna son un elemento muy importante, en las cuales destaca el uso de la tecnología de curvatura variable. Este concepto significa que el ala se va adaptando de forma automática a cada fase del vuelo para ofrecer la máxima eficiencia. Esto se logra mediante el uso de los flaps y slats durante todas las fases del vuelo para modificar ligeramente la sustentación según el peso del avión en cada momento. Finalmente, el ala da una de las principales características de la aeronave y que la hacen diferenciarse en gran medida de las demás por su aspecto destacado en la clara curvatura del ala. Esto se debe a que es mucho más sencillo producir formas complejas en materiales compuestos que en metal, por lo que el ala del B787-8 tiene una geometría mucho más cercana al ideal aerodinámico que una ala similar metálica, y ello significa una acusada curvatura en vuelo como la que adopta el ala de las grandes aves planeadoras y que tan claramente se puede ver también en los veleros y planeadores. Otra ventaja que ofrece el diseño del ala del B787-8 está representada en el conjunto ala-motor; ya que al proporcionar mayor levantamiento y menor resistencia al avance se pueden emplear motores de menor consumo de combustible, por lo que no hace falta tanto combustible para llegar a la misma distancia en comparación con otras aeronaves similares, lo que permite reducir el tamaño del ala (considerando que los tanques principales de combustible están situados prácticamente a todo lo largo del ala) y esa reducción al mismo tiempo permite adoptar unos motores ligeramente más pequeños. La fibra de carbono es el desarrollo más reciente en el campo de los materiales compuestos siguiendo la idea de que uniendo fibras sintéticas con varias resinas, se pueden lograr materiales de baja densidad, muy resistentes y duraderos. La fibra de carbono (FC) se desarrolló inicialmente para la industria espacial, pero ahora, al bajar de precio, se ha extendido a otros campos: la industria del transporte, aeronáutica, al deporte de alta competición y, últimamente encontramos la FC hasta en carteras de bolsillo y relojes. Por los

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altos costos que representaba su producción en el pasado, la FC era utilizada solamente para la industria aeroespacial y en la aeronáutica militar. ´´El material adecuado para la aplicación correcta. Sin ideas preconcebidas, los ingenieros de Boeing fueron capaces de especificar el material óptimo para aplicaciones específicas a lo largo de la estructura del avión.´´

 EL USO DE MATERIALES COMPUESTOS ESTRUCTURA DEL AVIÓN DREAMLINER

EN

LA

El Dreamliner tiene un fuselaje de fibra de carbono que comprende casi el 60% de materiales compuestos (53% fibra de carbono y 7% de otros materiales compuestos como fibra de vidrio, panel de abeja, Etc.) y 40% de metales (aluminio, acero y titanio). Los materiales compuestos en la estructura del avión tienen ventajas de mantenimiento también. Una reparación en condiciones de servidumbre típica puede requerir 24 o más horas de tiempo de inactividad del avión, pero Boeing ha desarrollado una nueva línea de capacidad de reparación de mantenimiento que requiere menos de una hora de aplicar. Esta técnica rápida ofrece la posibilidad para las reparaciones temporales y una respuesta rápida que dicha daños menores podría haber puesto a tierra un avión de aluminio. El fuselaje está construido en los segmentos tubulares que luego se unen entre sí durante el montaje final. Se dice que el uso de materiales compuestos para ahorrar 50.000 remaches por avión. Cada sitio remache habría requerido el 9

mantenimiento comprobar como un lugar potencial fracaso. Y eso es sólo remaches.

 COMPUESTOS EN LOS MOTORES El Dreamliner tiene GE (GEnx-1B) y Rolls Royce (Trent 1000) opciones de motor, y los dos compuestos de uso ampliamente. Las góndolas (capuchas de entrada y ventilador) son candidato obvio para materiales compuestos. Sin embargo, los materiales compuestos se utilizan, incluso en las aspas del ventilador de los motores de GE. La tecnología blade ha avanzado enormemente desde los días de la Rolls Royce RB211. La tecnología temprana bancarrota a la compañía en 1971, cuando sus aspas del ventilador de la fibra de carbono fallaron en las pruebas de choques con aves. General Electric ha liderado el camino con la tecnología aspa del ventilador compuesto de titanio con punta desde 1995. En la planta de energía Dreamliner, materiales compuestos se utilizan para las primeras 5 etapas de la turbina de baja presión 7 etapa. Más información Menos Peso ¿Qué pasa con algunos números? Luz caja peso de contención del ventilador de la planta de energía de GE reduce el peso del avión por 1.200 libras (más de ½ tonelada). El caso está reforzado con fibra de carbono trenza. Eso es sólo el caso del ventilador ahorro de peso, y es un indicador importante de los beneficios de fuerza / peso de los materiales compuestos. Esto se debe a un caso del ventilador tiene que contener todos los residuos en caso de un fallo del ventilador. Si no contendrá los escombros entonces el motor no puede ser certificado para el vuelo. Peso guardado en hojas de pala de turbina también ahorra peso en el caso de contención requerida y rotores. Esto multiplica su ahorro y la mejora de su relación potencia / peso. En total cada Dreamliner contiene alrededor de 70.000 libras (33 toneladas) de plástico reforzado con fibra de carbono - de los cuales unas 45.000 (20 toneladas) libras son de fibra de carbono. Además de reducir el peso total del avión, pasando a una estructura primaria compuesta promete reducir tanto la carga de mantenimiento programado y no rutinaria a las líneas aéreas.

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Además de utilizar un diseño estructural robusto en las zonas propensas a dañar, el 787 ha sido diseñado con la capacidad de ser reparado exactamente de la misma manera que las aerolíneas podrían reparar un avión hoy con las reparaciones atornilladas. Estos pueden ser tan permanente y dañar tolerantes ya que están en una estructura metálica. Además de utilizar un diseño estructural robusto en las zonas propensas a dañar, como el de pasajeros y carga puertas, el 787 ha sido diseñado desde el principio con la capacidad de ser reparado exactamente de la misma manera que las aerolíneas podrían reparar un avión hoy - con pernos refacción. La capacidad de realizar reparaciones atornilladas en la estructura compuesta es un servicio probado en el 777 y ofrece tiempos de reparación comparable y habilidades que se han empleado en los aviones metálicos. (Por diseño, reparaciones atornilladas en estructura compuesta pueden ser permanentes y daños tolerante, del mismo modo que pueden estar en una estructura metálica.) Además, las compañías aéreas tienen la opción de realizar reparaciones compuestas unidas, que ofrecen un mejor acabado aerodinámico y estético. Estas reparaciones son permanentes, daño tolerante, y no requieren de un autoclave. Mientras que una reparación en condiciones de servidumbre típica puede requerir 24 o más horas de tiempo de inactividad avión, Boeing ha tomado ventaja de las propiedades de materiales compuestos para desarrollar una nueva línea de capacidad de reparación de mantenimiento que requiere menos de una hora de aplicar. Esta rápida técnica de reparación de material compuesto ofrece una capacidad de reparación temporal para conseguir un avión que volaba de nuevo rápidamente, a pesar de daños menores que podrían fundamentar un avión de aluminio.

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En total, la reducción del riesgo de corrosión y la fatiga asociada con compuestos combinados con las técnicas de reparación compuestos descritos bajará los costos de mantenimiento y maximizar los ingresos aerolínea manteniendo aviones volando tanto como sea posible. La experiencia con el Boeing 777 demuestra que las estructuras compuestas requieren menos mantenimiento programado que las estructuras no compuesta. Por ejemplo, el 777 de la cola compuesto es 25 por ciento más grande que la cola de aluminio del 767, sin embargo, requiere 35 por ciento menos de horas de trabajo programadas de mantenimiento. Esta reducción horas de trabajo se debe al resultado de una reducción del riesgo de la corrosión y la fatiga de los materiales compuestos en comparación con el metal. Reducción del mantenimiento rutinario. Una estructura compuesta también se traduce en un menor mantenimiento no rutinario. La estructura 777 pisos es todo compuesto y destaca las ventajas de este material cuando se aplica en un medio hostil. Operadores de líneas aéreas son conscientes de las craqueo fatiga y la corrosión dificultades experimentadas con vigas tradicionales de piso de aluminio. El modelo 777 ha estado volando durante más de 10 años con más de 565 aviones de la flota y hasta la fecha no ha reemplazado un solo haz compuesto de suelos. Boeing ha puesto en marcha también un proceso riguroso para evaluar el uso de aluminio que combina la probabilidad de corrosión con consecuencia de la corrosión. Este sistema de puntuación proporciona una medida definitiva para establecer la aplicación aceptable de aluminio en el diseño con pleno conocimiento de las implicaciones de mantenimiento. La corrosión y la fatiga en una estructura aumentan significativamente la carga de mantenimiento rutinario de un operador. El mantenimiento no rutinario con frecuencia se duplica o incluso triplica las horas laborales totales consumidas durante una revisión de mantenimiento. Con la expansión del uso de materiales compuestos y titanio combinados con una mayor disciplina en el uso de aluminio, Boeing espera que el 787 que tienen mucho más bajos costos de mano de obra no rutinarias que un fuselaje metálico más convencional.

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CONCLUSIÓN El diseño y producción de los problemas tempranos de la utilización de los aviones ya han sido superados gracias a la tecnología y a su desarrollo con los materiales. El Dreamliner es sinónimo de eficiencia del combustible gracias a su diseño aerodinámico; además contribuye al impacto ambiental reducido al mínimo; y cabe recalcar mayor tiempo en el aire los gastos de apoyo se reducen de manera significativa para los operadores de aerolíneas. Las aspas del ventilador, el fuselaje y las alas son garantía de la eficiencia del Dreamliner ya que no serían posibles sin compuestos avanzados y materiales tan eficientes en su estructura. La seguridad del usuario depende directamente de la eficiencia de los materiales compuestos de la aeronave y su correcto funcionamiento, por eso es que siempre se busca la mejoría de su diseño, estructura y sus materiales.

BIBLIOGRAFIA  http://www.technologyreview.com/news/409929/boeings-compositeproblem/  http://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/articles/qtr_4_06/ article_04_2.html  https://es.wikipedia.org/wiki/Boeing_787#cite_note-rdmag_20070720  http://www.aerospaceweb.org/aircraft/jetliner/b787/pics02.shtml  http://www.boeing.com/commercial/787/

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