SIMULAR EL ÉXITO

Para lanzar al mercado nuevos aviones de una forma más rápida y económica los fabricantes deben agilizar la certificación de los nuevos materiales compuestos, un proceso lento y costoso. Las pruebas virtuales por ordenador están empezando a sustituir algunas pruebas físicas, pero los críticos advierten de que la lentitud de estos avances amenaza la viabilidad de la industria aeroespacial.

La mayor parte de las alas, el fuselaje y la cola del Boeing 787 y del Airbus A350, además de un alto porcentaje de estructuras de otros aviones importantes actualmente en desarrollo, están hechas con materiales compuestos avanzados. Basta echar un vistazo a las ideas que Boeing y Airbus tienen reservadas para su futura flota comercial —fuselaje integrado, estructuras que imitan la estructura ósea de los pájaros, superficies de vuelo que cambian de forma e interiores que recogen energía— para darnos cuenta de que los materiales compuestos serán el denominador común de los nuevos diseños, habida cuenta de que este tipo de productos no son factibles con los materiales actuales.

No obstante, a nadie escapa su elevado coste de fabricación y, sobre todo, de desarrollo. Una de las razones es que el tradicional enfoque modular utilizado durante décadas para certificar los materiales compuestos de los aviones pasa por realizar miles de costosas pruebas técnicas.

Sustituir al menos algunas de estas pruebas físicas por simulaciones virtuales se erige como una solución para documentar de una forma más rápida y rentable la efectividad de los nuevos materiales compuestos, las modernas herramientas de diseño y los procesos de fabricación. La creencia de que la simulación por ordenador acabe reemplazando por completo las pruebas físicas es minoritaria, pero muchos vislumbran un futuro en el que la simulación y el análisis por ordenador jugarán un papel mucho más determinante para agilizar los ciclos de desarrollo y reducir los costes.

MENOS ENSAYOS

Un ejemplo de la eficacia de estas pruebas virtuales es el primer tanque de combustible de una nave espacial diseñado para desintegrarse a su regreso a la atmósfera. El diseño a base de materiales compuestos de fibra de carbono es obra de Cobham Life Support, empresa con sede en Westminster, Maryland (EE. UU.), por encargo del centro Goddard de vuelos espaciales de la NASA, para el satélite utilizado en la medición de la precipitación mundial (GPM). Gracias en parte a un uso extensivo de diseños y pruebas por ordenador, el programa de desarrollo de Cobham cumplió todos los objetivos de la NASA en cuanto a costes, calendario y toda una serie de exigencias técnicas.

Cobham redujo los ensayos destructivos en un 50 %, lo que supuso un ahorro aproximado de 500 000 dólares a lo largo de los 38 meses que duró el programa. «Combinando pruebas y análisis hemos mejorado en eficiencia», señala Robert Grande, director de negocio de Cobham. «Hemos incorporado propiedades de materiales reales de los ensayos en los modelos y, posteriormente, hemos utilizado las pruebas virtuales para validar los resultados durante las iteraciones del diseño. Dado que nuestros ensayos coincidieron con las predicciones analíticas, desde subcomponentes hasta pruebas de rotura y fatiga con el depósito lleno, en el momento de finalizar el diseño ya habíamos logrado todas las validaciones.»

Otro ejemplo es el del Automobili Lamborghini Advanced Composite Structures Laboratory (ACSL) de la Universidad de Washington en Seattle (EE. UU.), que combina el desarrollo de materiales compuestos para las industrias aeroespacial y automotriz. En colaboración con Boeing y la US Federal Aviation Administration (FAA), el ACSL facilita la certificación de nuevos materiales y estructuras compuestos, normalmente basados en sólidas pruebas virtuales concebidas para los automóviles Lamborghini.

«LAS HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN PUEDEN

AYUDARNOS A ENTENDER LA INCERTIDUMBRE DEL

DISEÑO Y CÓMO SE PROPAGA DICHA INCERTIDUMBRE.»

DR. R. BYRON PIPES

PROFESOR DE INGENIERÍA QUE OCUPA LA CÁTEDRA JOHN BRAY

EN LA UNIVERSIDAD PURDUE (EE. UU.)

El ACSL y Boeing colaboraron en métodos avanzados de análisis para predecir en caso de colisión el comportamiento del monocasco fabricado a base de materiales compuestos del emblemático Lamborghini Aventador. El vehículo superó la certificación de la prueba de choque al primer intento; los modelos anteriores habían necesitado dos o tres pruebas. A razón de un millón de dólares por choque, el ahorro fue sustancial sin ni siquiera tener en cuenta el tiempo y dinero que cuesta construir otros vehículos para realizar dichas pruebas.

CAMBIO RADICAL DE PARADIGMA

Aunque en este tipo de programas se hace un uso de las pruebas virtuales mayor de lo que estipulan los estándares del sector, R. Byron Pipes, que ocupa la cátedra John Bray en la Escuela de Ingeniería de la Universidad Purdue (EE. UU.), cree que todavía hay camino por recorrer.

Según él, las tendencias actuales de las pruebas virtuales de nuevos materiales compuestos son solo una mejora gradual, y no representan el cambio radical de paradigma que se necesita para potenciar el desarrollo de estos materiales. «Seguimos lidiando con la fabricación empírica y la certificación basada en pruebas físicas», afirma. «Validar cada material antes de incorporarlo a un avión cuesta 100 millones de dólares. Una vez certificado, cambiar un material es económicamente inviable.»

Pipes explica que hoy en día el desarrollo de materiales compuestos está dominado por los experimentos y solo está asistido por los análisis. «Tenemos toda la potencia de cálculo necesaria para cambiar este paradigma y sustituir miles de pruebas físicas por una sólida simulación multiescala de fabricación y rendimiento», revela. «Solo así abonaremos el terreno a las innovaciones en la composición y procesamiento de los materiales, sin necesidad de repetir costosas certificaciones.»

Para seguir sacando provecho de los ensayos virtuales, Pipes defiende la conveniencia de usar herramientas de análisis y simulación avanzadas a fin de comprender los orígenes y la propagación de la incertidumbre en el diseño y la fabricación de los materiales compuestos. Para lograrlo, se imagina un sistema online orientado a la fabricación de materiales compuestos, que permita utilizar herramientas de simulación en la nube a toda la comunidad de usuarios. «La idea inicialmente estaba inspirada en el crowdsourcing y en la necesidad de reforzar nuestro sistema de simulación y de poner las herramientas al alcance de quienes no las tengan», explica Pipes.

Hay muchas herramientas de simulación avanzadas que no están al alcance de las pequeñas empresas, de modo que solo pueden acceder a ellas a través de otras empresas de mayor tamaño o de las universidades. Pero esta tendencia está empezando a cambiar. «Algunas funciones de simulación de materiales ya se están ofreciendo a través de programas que se ejecutan en ordenadores pequeños e incluso en dispositivos móviles.» Crear un sistema en la nube especializado en la fabricación de materiales ayudaría a repartir costes, mejoría la difusión y agilizaría el desarrollo de herramientas de simulación. «Si no se simula el proceso de fabricación, nunca se conocerá toda la variabilidad que caracteriza a un material compuesto», argumenta.

nanoHUB.org proporciona un modelo que casaría con esta visión. Tras diez años de funcionamiento, ofrece 260 herramientas de simulación a más de 12 000 usuarios y cuenta con una comunidad de 240 000 usuarios que participan en herramientas de investigación, clases y grupos interactivos. En los doce meses anteriores a julio de 2012, se realizaron más de 570 000 simulaciones, se desarrollaron 80 nuevas herramientas de simulación, y el tiempo medio transcurrido entre la publicación de una herramienta y la primera vez que esta se utilizaba en un aula fue inferior a seis meses.

«CREANDO CAPACIDAD DE SIMULACIÓN PODRÍAMOS

REDUCIR LOS COSTOS DE LOS ENSAYOS, DE 500 000 A

100 000 EUROS, POR EJEMPLO.» 

DR. MARK ANDERSON

ASESOR TÉCNICO DEL LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY

MENOS INCERTIDUMBRE

Actualmente, los fabricantes prueban físicamente cada elemento antes de montarlo y cada pieza antes de colocarla en un avión, de modo que los ciclos y costes de desarrollo son insostenibles. «Nunca podremos abandonar del todo las pruebas físicas para validar los modelos, pero debemos resolver el problema de la certidumbre en los resultados de la simulación, o mejor dicho, tenemos que saber cómo gestionar la incertidumbre», sostiene Pipes. «Las herra – mientas de simulación pueden ayudarnos a entender la incertidumbre del diseño y cómo se propaga dicha incertidumbre.»

Para demostrar el potencial de este planteamiento, Pipes pone el ejemplo de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA).

1 M$

Un millón de dólares cuesta una prueba de

choque de un solo Lamborghini Aventador.

A causa de la moratoria de los Estados Unidos para los ensayos nucleares, la NNSA, una división del Departamento de Energía de Estados Unidos, no puede llevar a cabo pruebas de comportamiento físico a gran escala. «Hace unos quince o veinte años definimos un plan de ruta de lo que necesitábamos para conseguir una certificación mediante simulación», recuerda Mark Anderson, asesor técnico para la NNSA que trabaja en Los Alamos National Laboratory, una agencia de investigación que cuenta con el apoyo del gobierno estadounidense. Dicho plan preveía, entre otras cosas, la transición hacia una capacidad predictiva validada que se basara en una simulación por ordenador con base física y multiescala, y la cuantificación del grado de incertidumbre existente en las herramientas de simulación de la NNSA.

Al principio, la NNSA podía simular el comportamiento de las armas nucleares basándose en datos de pruebas recalibrados previos a la moratoria, pero la confianza en estas previsiones se fue perdiendo a medida que estos se alejaban de las pruebas físicas. Por eso, la NNSA intentó sustituir sus modelos predictivos por modelos validados basados en pruebas físicas.

La agencia empezó reemplazando los ensayos a gran escala por una gran cantidad de experimentos a pequeña escala, diseñados para validar los fenómenos físicos predichos por los modelos informáticos de base científica. Posteriormente, estos modelos se vincularon desde el nivel atómico a escala nanométrica hasta el nivel macroscópico a escala completa, y luego se volvieron a validar para comprobar la precisión de su previsibilidad. Los vídeos de la NNSA explican este logro a través de la super – computación paralela en colaboración con empresas del sector e instituciones académicas. Tal como explica un portavoz en los vídeos: «Ahora se empieza a escuchar que la informática es el tercer pilar de la ciencia, después de la teoría y la experimentación.»

Además de lograr la ciencia multiescala que necesitaba, la NNSA empezó a cuantificar —y posteriormente reducir— la incertidumbre de sus herramientas de simulación. Una vez que la incertidumbre de las simulaciones científicas fue menor que las de las previsiones basadas en las pruebas empíricas, los modelos pudieron sustituir las pruebas físicas.

EQUILIBRIO ENTRE FÍSICO Y VIRTUAL

Anderson cree que los materiales compuestos pueden evolucionar adaptando el sistema adoptado por la NNSA. «Para la mayoría de los sectores, lo más adecuado sería encontrar un equilibrio entre el sistema de pruebas tradicional y este sistema basado en la simulación y en la cuantificación de la incertidumbre», afirma Anderson. Su impresión es que, aunque se ha teorizado mucho sobre los modelos industriales de materiales compuestos, muchos siguen utilizando una simple descripción matemática que utiliza datos de pruebas empíricas. La cuantificación de la incertidumbre pasa por controlar tanto la incertidumbre parámetrica como la incertidumbre en forma de modelo.

50%Gracias a las simulaciones virtuales, Cobham

Life Support ha reducido en un 50 % los

ensayos destructivos sobre un tanque de

combustible de la NASA, lo que ha supuesto

un ahorro de 500 000 dólares. 

«Requiere una inversión inicial, tanto de tiempo como de dinero», explica Anderson. «Pero creando capacidad de simulación podríamos reducir los costes de los ensayos, de 500 000 a 100 000 euros, por ejemplo.» Según explica, General Motors, el fabricante de coches estadounidense, ha utilizado la cuantificación de la incertidumbre en las simulaciones de las pruebas de choque, y la NASA la está incoporando en las herramientas de simulación de la agencia espacial para que le ayude con pruebas que no puede realizar físicamente, como las reacciones en un entorno espacial o las pruebas con el fuselaje completo, que actualmente escapan a las posibilidades presupuestarias.

El resultado es la posibilidad de obtener un «diseño robusto»: alto rendimiento sin el exceso de diseño necesario para compensar la incertidumbre. El diseño robusto incorpora la incertidumbre directamente en el modelo y produce diseños que son menos sensibles a la incertidumbre, con menos diversificación y exceso de diseño.

¿SE AVANZA AL RITMO ADECUADO?

Larry Ilcewicz, especialista en recursos de materiales compuestos de la Administración Federal de Aviación de Estados Unidos (FAA), cree que las ventajas directas que aportan estos materiales a los fabricantes de fuselajes y aviones se perderán, a menos que se ponga al alcance de la comunidad de ingenieros una nueva tecnología de materiales igual de accesible que los metales y que sea igual de rentable de desarrollar, fabricar y certificar.

El clamor por «un nuevo conjunto de herramientas estructurales para materiales compuestos que aceleren el diseño y el desarrollo de los aviones» es unánime en todas partes, desde la declaración de «Certificación por análisis» de la NASA en 2009 como desafío para los aviones del futuro, hasta los proyectos de simulación europeos, como el programa MAAXIMUS (More Affordable Aircraft through eXtended, Integrated and Mature nUmerical Sizing) de la Comisión Europea, que utiliza la modelización de daños y predictiva multiescala para acortar los plazos de desarrollo en un 20 %, reducir los costes de desarrollo en un 10 % y acelerar en un 50 % el montaje de los fuselajes.

Estas iniciativas ponen de manifiesto el gran desajuste existente entre el ahorro que se está logrando actualmente con las pruebas virtuales y su potencial real. Para comercializar a un precio razonable tecnologías de materiales compuestos realmente eficaces —no hay más que fijarse en las láminas asimétricas sobre un solo eje, por ejemplo, que son un 40 % más livianas que el aluminio, o las estructuras de topología optimizada con fibras discontinuas, que reducen en un 50 % los costes en comparación con las preimpregnadas—, la fabricación de materiales compuestos debe resolver las diferencias existentes en la filosofía y geografía del diseño y en las aspiraciones competitivas a fin de acelerar su evolución hacia la simulación de base científica, las pruebas virtuales y la certificación basada en los análisis.