Centro de Investigación Metalúrgica

  • 18 de marzo de 2022

La reciclabilidad de los materiales metálicos, clave para una industria aeronáutica más sostenible y eficiente

El Centro de Investigación Metalúrgica AZTERLAN desarrolla vías avanzadas de recuperación y reciclaje de los materiales metálicos presentes en los conjuntos del fuselaje de las aeronaves, con el fin de desarrollar y aplicar procesos de soldadura que faciliten su reutilización para estas mismas aplicaciones aeronáuticas en el seno del proyecto europeo ReINTEGRA.

Este destacado proyecto de investigación está estudiando distintas vías de recuperación de aleaciones aeronáuticas soldadas, con el fin de reutilizarlas en las mismas aplicaciones, con ajustes mínimos durante el proceso de reciclado. Concretamente, el equipo investigador centra sus esfuerzos en el desarrollo de los procesos de desmantelado y reciclaje de paneles de aeronaves fabricados en aleaciones de Al-Li de tercera generación soldados mediante las técnicas LBW - Laser Beam Welding (soldadura por láser) y FSW - Friction Stir Welding (soldadura por fricción) a los largueros (stringers), fabricados en aleaciones de aluminio, que conforman el esqueleto exterior de los aviones.

Como explica la Dra. Ana Isabel Fernández, coordinadora del proyecto ReINTEGRA, “cada proceso de unión afecta de forma distinta a la reciclabilidad de los materiales/componentes unidos. En el caso de la técnica de soldadura FSW, la soldadura se realiza en estado sólido, con la ayuda de un sellante y con una transferencia de calor inferior a la de otro tipo de procesos de soldadura, pero abarcando una mayor superficie de los materiales unidos entre sí. En el caso de la técnica LBW, la soldadura se realiza mediante el aporte de uno o varios cordones de soldadura que se funden a muy alta temperatura, permitiendo así la unión mediante soldadura de dos componentes metálicos”.

Con el fin de estudiar la incidencia y las posibles incompatibilidades entre los materiales de fabricación de los paneles y largueros, las técnicas de soldadura y los elementos utilizados para la soldadura (sellante e hilo de aporte que conforman el cordón), el equipo de ReINTEGRA ha analizado distintas muestras soldadas obtenidas a partir de varios tipos de combinaciones de materiales y técnicas de procesado. 

En el caso de las soldaduras realizadas mediante LBW el equipo ha estudiado el efecto de la aplicación de 4 hilos diferentes (2 hilos comerciales ampliamente utilizados y otros 2 hilos expresamente desarrollados en el proyecto Clean Sky2 IAWAS con este fin). Los resultados de los análisis llevados a cabo han dejado patente que la composición química de los cordones de soldadura afecta directamente a su compatibilidad de reciclaje. “Hemos podido observar que el alto contenido en silicio presente en uno de los hilos de aporte afecta negativamente a la recuperabilidad de los materiales reciclados, dificultando su reutilización en aleaciones de alta calidad”. Sin embargo, en las pruebas realizadas las soldaduras hechas mediante tecnología FSW han demostrado “una compatibilidad total para el reciclado”. En este caso, el equipo investigador ha comprobado que pueden obtenerse “aleaciones Al-Li comerciales a las que solo habría que hacer pequeñas adiciones de algunos elementos de aleación como Li, Mg o Ag”.

LBW, FSW componentes aeronáuticos soldados

Muestras de piezas soldas mediante LBW sin recubrimiento (superior izquierda) y con pintadas (superior derecha); y piezas soldadas por FSW sin recubrimiento (inferior izquierda) y con recubrimiento de pintura (inferior derecha)

En palabras de la Dra. Fernández, “es importante tener en cuenta que, cuando hablamos de compatibilidad para el reciclado, el objetivo de ReINTEGRA es no solo recuperar y reutilizar los materiales base de los paneles y largueros, sino recuperarlos de forma que no se produzca un downgrading en la aleación de partida. En ReINTEGRA buscamos conseguir las composiciones químicas lo más cercanas posibles a las originales, sin generar impurezas en el aluminio ni perder elementos de aleación valiosos”. 

Para conseguir este objetivo el equipo investigador también estudia diferentes métodos de recuperación que permitan maximizar la recuperación de aleaciones metálicas con las características mencionadas. En este sentido, “nos hemos encontrado con que algunos métodos de recuperación ofrecen un alto grado de éxito pero que, si bien a escala de laboratorio y a modo de demostración son válidos, no pueden ser extrapolados a un entorno industrial por resultar excesivamente complejos y poco viables”. Del mismo modo, otros métodos han demostrado “ser válidos para conseguir nuevas aleaciones de aluminio, pero suponen la degradación o pérdida de otros elementos aleantes valiosos durante el proceso”.

micrografías de soldaduras FSW y LBW

Micrografías de piezas soldadas por FSW (izquierda) y LBW (derecha).

Con todo, el trabajo en el seno del proyecto se orienta a conseguir la mayor eficacia del proceso en lo relativo a costes, impacto medioambiental y efectividad en la recuperación de metales, para, finalmente, seleccionar las mejores alternativas de reciclaje para paneles soldados.

“No debemos olvidar que en este proceso de recuperación y reciclado también tienen un peso importante los procesos de decapado, dirigidos a eliminar capas de pintura y tratamientos superficiales aplicados sobre el fuselaje de los aviones (sea con fines estéticos y/o de protección ante la corrosión)”.

Desarrollo de un software para evaluar la compatibilidad de materiales de soldadura con la reciclabilidad de los materiales metálicos y un Análisis de Ciclo de Vida del sector aeronáutico

Los resultados obtenidos por el equipo de ReINTEGRA muestran la “importancia de contemplar la compatibilidad del proceso de soldadura y de los materiales utilizados (así como los tratamientos superficiales a los que son sometidos) con vistas a su reciclabilidad desde la fase de diseño de componentes, estructuras y procesos de fabricación o ensamblaje” ya que solo así podrá asegurarse su recuperación sin perder su valor añadido. En el escenario actual, en el que la industria aeronáutica busca ser más sostenible, “no podemos permitir que se genere un problema de reciclaje desde el diseño”.

Para ello, el equipo investigador del proyecto se encuentra desarrollando un software que analizará la compatibilidad de reciclaje de cualquier estructura soldada por FSW y LBW que combine aleaciones Al-Li para su reutilización en aleaciones aeronáuticas, basándose en la composición química estimada de dicha combinación. Este software de modelización será alimentado con los datos experimentales de los ensayos de reciclado y su posterior caracterización.

Junto con ello, los flujos de energía y materiales (materias primas, emisiones y residuos) serán inventariados durante la fase experimental para estimar los impactos ambientales de los procesos de reciclado propuestos, y pasarán a formar parte de la base de datos de Análisis de Ciclo de Vida del sector aeronáutico en construcción.

Liderado por AZTERLAN, el proyecto ReINTEGRA cuenta con la participación de la empresa belga SONACA (Societé Nationale de Construction Aerospatiale SA) y del centro tecnológico CIDETEC, junto con dos asesores industriales de referencia como son la compañía francesa CONSTELLIUM y la empresa española AIR. Este proyecto ha recibido financiación por la iniciativa Clean Sky 2 en virtud del acuerdo de subvención n.º 886609.