El Instituto IMDEA Materiales aborda el dilema del reciclaje en la industria aeronáutica

El proyecto HipPEEK busca demostrar el potencial de los sólidos celulares termoplásticos de alto rendimiento para reemplazar a los polímeros reforzados con fibras en la cadena de producción.

En los últimos años, los fabricantes han recurrido cada vez más a polímeros ligeros o polímeros reforzados con fibra para reemplazar los componentes metálicos tradicionales. Esto es particularmente evidente en la industria aeroespacial, donde estudios han demostrado que al menos entre el 30y 40% de las aeronaves están construidas ahora con materiales compuestos de polímero, una cifra que sigue aumentando.

La idea de que los pasajeros vuelen alrededor del mundo en ‘aviones de plástico’ quizás no sea tan descabellada como podría parecer en principio. La motivación detrás de esta evolución en la fabricación es simple: los polímeros hacen que las aeronaves sean más ligeras y, por lo tanto, más eficientes en el consumo de combustible.

Sin embargo, aunque se considera que la mejora en la eficiencia del combustible es clave para desarrollar una industria aérea más ecológica, el uso de polímeros reforzados con fibras (FRP) no está exento de inconvenientes. El principal de ellos es que los FRP son inherentemente insostenibles debido a la dificultad de su reciclaje.

«Por lo general, cuando necesitas un material multifuncional, por ejemplo, un componente que no solo soporte carga, sino que también actúe como aislante, la forma más directa de lograrlo es superponer diferentes materiales con propiedades distintas y unirlos», explica la Dra. Lucía Doyle del Instituto IMDEA Materiales. «Estos tipos de FRP en forma de estructuras monolíticas y tipo sándwich se utilizan ampliamente en aplicaciones aeroespaciales impulsadas por la ligereza».

«El problema -añade- es que los materiales en capas presentan enormes complicaciones cuando se trata de reciclar, ya que a menudo constan de diferentes tipos de polímeros y/o tienen materiales adicionales como adhesivos, resinas o recubrimientos que pueden hacer que su reciclaje sea extremadamente difícil, si no imposible».

«Para dar un ejemplo más concreto, casi el 98% de los FRP al final de su vida útil terminan en vertederos, por lo que hay una necesidad urgente de desarrollar materiales de ingeniería de alto rendimiento basados en criterios de ingeniería verde», agrega.

Con el fin de ayudar a resolver este dilema, donde las emisiones de carbono disminuyen, pero a costa de un aumento en los residuos plásticos, la Dra. Doyle se embarcó recientemente en el proyecto HipPEEK.

Financiado por el Programa de Becas Postdoctorales MSCA Horizon Europe 2022 de la Unión Europea (GA. no. 1010106955), HipPEEK tiene como objetivo desarrollar una nueva técnica de procesamiento para sólidos celulares termoplásticos (HPTCs) de alto rendimiento impresos en 3D.

Específicamente, el proyecto se centrará en el poli(éter-éter-cetona), más conocido como PEEK por sus siglas en inglés, un termoplástico de ingeniería de alto rendimiento con una alta relación resistencia-peso.

Se considera que el PEEK es un candidato ideal para reemplazar metales en diversas aplicaciones, no solo en la industria aeroespacial y aeronáutica, sino también en las industrias automotriz, médica y dental, que también pueden beneficiarse de las estructuras celulares desarrolladas en el proyecto.

El material será diseñado y producido mediante una combinación avanzada de técnicas de espumado físico e impresión 3D.

La combinación de espumado físico, respetuoso con el medio ambiente mediante el uso de gases inertes, con la producción de andamios tridimensionales a través de una eficiente impresión 3D, permitirá la producción de estructuras jerárquicas controladas a nivel micro y mesoescalar, junto con una topología optimizada a nivel macroscópico.

Esencialmente, esto ofrecerá a los investigadores la posibilidad de adaptar las propiedades dentro del material mediante la modificación de su microestructura.

«La idea realmente es descubrir hasta dónde podemos llegar en la adaptación del PEEK para ofrecer propiedades multifuncionales, sin necesidad de mezclarlo o superponerlo con otros materiales», dice la Dra. Doyle. «Podemos hacer esto manipulando su microestructura.»

«Si observamos las estructuras de carga en la naturaleza, como los huesos, son típicamente celulares, y siempre hay gradientes a nivel celular que permiten una optimización de las propiedades de resistencia, tenacidad, peso, transporte de fluídos, etc.

«En el proyecto desarrollaremos estructuras celulares con dos niveles de porosidad, maximizando así la reducción del peso mientras que mantenemos las propiedades de la pieza.”

Y no es solo la presencia de tales materiales multifuncionales en la naturaleza que sirve de inspiración para la investigadora de Acciones Marie-Skłodowska Curie (MSCA) y graduada de la Universidad Autónoma de Madrid. La Dra. Doyle también es una firme seguidora de los conceptos de la Cuna a la Cuna y Diseño Seguro y Sostenible (SSbD por sus siglas en inglés), donde los productos o procesos de fabricación están diseñados para reflejar sistemas naturales.

«En la naturaleza, no hay desperdicio -dice la Dra. Doyle-. El desperdicio es un concepto humano; ningún otro organismo produce desperdicio, porque todo lo que se produce se reutiliza en su ecosistema».

«Esa es toda la filosofía detrás de estos conceptos, y detrás del proyecto HipPEEK. Desarrollar técnicas de procesamiento que den como resultado, materiales que puedan ser infinitamente reutilizados y reciclados, de una manera análoga a lo que vemos en la naturaleza».