Adhesivos en la construcción (II): los adhesivos en los orígenes de la fabricación industrial

A diferencia de los adhesivos tradicionales de la construcción, basados en la penetración de un material en el otro formando vínculos mecánicos, los adhesivos modernos establecen uniones de naturaleza química. En la segunda parte de su análisis de los adhesivos, el arquitecto Ramón Araujo realiza un recorrido histórico sobre el desarrollo de los adhesivos y su aplicación en la industria de la construcción aeronáutica y naval, y en la fabricación del automóvil y del electrodoméstico. El texto se completa con el artículo previo Adhesivos en la construcción (I): conceptos generales y el que completa este bloque de contenido: Adhesivos en la construcción (III): aplicaciones en la industria de la construcción.

Los contrachapados de madera en los albores de la industria de la aviación

Aunque se conocen adhesivos desde la antigüedad, como la caseína (el suero de la leche que da consistencia al queso) o las disoluciones de harina (el “engrudo” de la postguerra), los adhesivos, tal y como hoy los entendemos, son el resultado del explosivo desarrollo de los polímeros en el período de entreguerras y su inicio está directamente ligado al desarrollo de la aviación y de los contrachapados de madera.

Al gran éxito de aquella experiencia se debe seguramente el carácter casi mítico de los adhesivos, la esperanza en su gran potencial de cambio. La historia la cuenta de un modo muy sugestivo J. E. Gordon en “La Nueva Ciencia de los Materiales”.

En los comienzos de la aviación, los aeroplanos eran de madera, de la que no es posible disponer en grandes piezas, lo que limita absolutamente sus posibilidades. Un gran cambio en su tecnología se produjo con la posibilidad de unir maderas de menores dimensiones con un polímero entonces naciente, el fenol-formaldehído (bakelita), que se solidificaba, primero en caliente y más adelante en frío, mediante un catalizador. Estas experiencias dan lugar al contrachapado, un material compuesto por láminas de madera ensambladas mediante adhesivos fenólicos.

El fuselaje del Mosquito, “la maravilla de madera”, construido por De Havilland en 1941, es una estructura monocasco de entramado y paneles sándwich de madera contrachapada, montado principalmente mediante un nuevo adhesivo: el Redux. (Fuente: Aerospace Blog, zonamilitar.com).

Los adhesivos habían dado lugar tanto a un nuevo material, el contrachapado, como a un nuevo tipo de estructura, el “monocasco”, una superficie compuesta por el entramado y el revestimiento contrachapado actuando conjuntamente, que daba al avión mucha más rigidez ante los esfuerzos de torsión característicos que las anteriores estructuras organizadas como sistemas de barras, a las que la superficie envolvente no aportaba rigidez.

Buckminster Fuller diseñó en los años treinta del sigo pasado el coche Dymaxion de manera paralela a su modelo de casa prefabricada. Un monocasco metálico y compacto de forma aerodinámica que transmitía la modernidad de la construcción aeronáutica.

En los años siguientes aparecen superficies más complejas para la construcción de los aviones basadas en la adhesión, como los paneles con alma en nido de abeja y superficies de tablero contrachapado adheridas a ella.

Estructura del panel de nido de abeja.

Cuando el avión se hizo metálico se aplicaron las mismas técnicas, especialmente con el aluminio, que después continuarán aplicándose con los nuevos materiales compuestos.

La técnica de los paneles armados en celda de abeja y su montaje mediante adhesivos se extenderá al fuselaje de aluminio, como en el Avro RJ, que se comienza a construir en 1980 (sobre estas líneas)

Por otra parte los incidentes que se sucedieron en la aplicación de la nueva tecnología explican bien los grandes problemas que van a estar asociados en el futuro con las uniones por adhesión, como la influencia de la humedad –pues los primeros adhesivos no eran impermeables–, o los problemas derivados de la deformación de la madera debida a su inestabilidad higrotérmica, que se traduce en estados tensionales alternos que producen el fallo del adhesivo.

Un problema particularmente relevante será el de la fragilidad de las uniones adheridas. Los primeros adhesivos eran resistentes, pero frágiles, y resultó que materiales tan seguros como la madera –debido a su gran deformabilidad y ductilidad– perdían sus propiedades en los ensambles, disminuyendo la capacidad de la estructura para adaptar su forma y disipar energía.

Y también se tropezará con el que será tema central en las técnicas de adhesión: su dependencia del proceso de ejecución, de las condiciones de aplicación, de la preparación de superficies y finalmente de la falta de garantías y dificultad de control de las uniones.

Los adhesivos nacieron tan llenos de promesas como de limitaciones.

Los adhesivos en la construcción aeronáutica, naval, del automóvil y del electrodoméstico

El desarrollo posterior de los adhesivos permitió su rápida aplicación en la construcción de todo tipo de vehículos.

Por un lado en la generalización de la construcción sándwich, posibilitando ensamblar diferentes láminas superficiales sobre un alma de un material más ligero. Aplicados en superficies continuas, los adhesivos resultan fiables e insustituibles, especialmente cuando se trata de unir materiales diferentes, donde técnicas como la soldadura no tienen cabida. Los más generalizados serán los paneles en celda de abeja, que podrá ser metálica, pero también de muchos otros materiales, principalmente compuestos de fibras y resinas. Los mismos materiales se emplearán en las superficies exteriores, incluyendo los compuestos de altas prestaciones.

Fotografía: ©David Henry.. Montaje del fuselaje del ACCAP (Advanced Composite Cargo Aircraft Project) (Fuente: CompositesWorld.com).

Los adhesivos permiten además sustituir las uniones remachadas o atornilladas, lo que reduce el riesgo del fallo por oxidación o por fatiga característico de las uniones que implican taladros. En las uniones estructurales los adhesivos tendrán también la gran ventaja de que su elasticidad les permitirá disipar energía, aportando una mayor resiliencia a la estructura global.

Otras ventajas son la reducción de las necesidades de mantenimiento, la disminución de la fricción gracias a la continuidad de las superficies, y finalmente la reducción significativa del peso estructural.

Fotografía: ©Christopher Boffoli. Hoy gran parte del avión se construye con estructuras monocasco de materiales compuestos, en la que los adhesivos tienen un papel fundamental, por ejemplo en la unión de la carcasa exterior a los nervios de rigidización, como en el Boeing 787. (Copyright de Boeing. Procedencia: Airlanders.net, 22 Randy`s Journal). 

Hemos visto que los adhesivos tienen un papel central en la construcción aeronáutica desde hace muchos años, especialmente en los enlaces entre los marcos y nervios de rigidización con los paneles para formar el monocasco. Estas técnicas se han extendido después a otras industrias, entre ellas la del automóvil, donde se ha generalizado igualmente la construcción monocasco (unibody) en sustitución del sistema de armazón independiente de una envolvente sin función estructural. Su montaje se realiza mediante diferentes soluciones: formando directamente el monocasco, o realizándolo sobre un armazón previo que se integrará finalmente en un cuerpo único.

Las uniones por adhesión se generalizan también en la estructura monocasco del automóvil (Esquema del sistema de montaje AVT de Alcan, basado en el empleo de adhesivos), en parte debido a la variedad de materiales que intervienen en la estructura. Las técnicas de adhesión están muy automatizadas, incluyendo la preparación de superficies, la aplicación del adhesivo y el control de resultados. Fuente: Alcan Automotive- Pyrotek.

En estas estructuras, en las que habitualmente cohabitan en diferentes formas el acero, el aluminio y los compuestos, los adhesivos juegan un papel central, principalmente en el montaje de paneles –donde sustituyen a las antiguas soldaduras por puntos– pero también en muchas de las uniones del armazón espacial así como del ensamblaje del conjunto.

También en la industria naval los adhesivos se han generalizado con la construcción con poliéster reforzado, o en los cascos compuestos, por ejemplo armazones de acero con revestimientos de polímeros compuestos.

Pero las aplicaciones serán de todo tipo, desde el montaje de componentes secundarios –como todo tipo de paneles en el acabado interior– hasta el recubrimiento de superficies, como las pinturas anticorrosivas de base epoxi o poliuretano, mucho más adherentes que sus antecesoras.

Un último ejemplo son las aplicaciones en todo tipo de electrodomésticos, tanto en la estructura como en el montaje de los componentes electrónicos.

El empleo de adhesivos en uniones estructurales va ganando terreno en todas estas industrias, aumentando a medida que se implantan nuevos materiales compuestos, como los polímeros reforzados con fibras de carbono.

Uniones adheridas en la fabricación de electrodomésticos. Fuente: Sika.

Este texto se completa con los artículos: Adhesivos en la construcción (I): conceptos generales y Adhesivos III: aplicación en la industria de la construcción. que, como un único artículo se publicaron por primera vez en la website tectonica-online en 2014.