Costillas

Las costillas del ala cumplen algunas funciones, entre ellas, las dos más importantes son:

Le dan forma al perfil aerodinámico
Transfieren las cargas a los largueros

Las costillas (si bien tienen que soportar un pequeño esfuerzo) no requieren ser construidas con el objeto de soportar gran cantidad de carga y por esto se pueden fabricar de cualquiera de los materiales que voy a clasificar a continuación, a elección del consumidor:

Polyfoam

El polyfoam es poliestireno extruido. Digamos que es un "telgopor" pero al revés. Mientras que el "telgopor" (como se lo conoce en Argentina) es poliestireno expandido. No vale la pena describir las diferencias ya que se puede buscar por google.

El polyfoam es muy liviano como imaginarán y se lo ha comenzado a utilizar en la construcción de costillas de alas de la categoría "ultralivianos". Es decir de aviones que son más livianos que los de categoría "experimental". Es una solución de aeromodelismo a la aviación real, ya que es el material exclusivo de los modelos a escala.

El poliestireno extruido es apto en la mayoría de los casos y muy liviano, aunque no suele ser de lo más utilizado para la fabricación de costillas de aviones más pesados de lo que suele ser un ultraliviano. Aunque no hay ninguna prohibición en su uso para alas de experimentales, por el contrario, es una solución cada vez más adoptada y adaptada.

El trabajo del polyfoam se reduce a cortarlo utilizando una sola herramienta; el "segelín". Se deben hacer dos moldes de madera con la forma del perfil seleccionado, ubicar la placa de foam en el medio y cortarla con el segelín según la forma del molde. Se suelen utilizar placas de foam con un espesor de entre 15 a 25 mm. y como hay de varias densidades diferentes, se debería usar la de mas alta densidad; 40 Kg/m3 lo que equivalen a 0,04 gr/cm3. Este dato es fundamental para conocer el peso de la costilla de foam respecto de sus competidoras.

Posee una resistencia, en el mejor de los casos, de 0,7 Mpa (Nmm2) y de allí que los espesores utilizados para la fabricación de costillas son considerablemente mayores respecto de las costillas de madera o aluminio.

Probablemente, la facilidad de la que hacen alardes los construyen que utilizan este material, acaba cuando hay que laminar las costillas con PRFV, dado que las costillas que "envuelven" el tanque de combustible corren riesgo de ser "comidas" por este fluido si llegara a desparramarse por pérdida en el tanque o por una mala maniobra al cargar combustible que, por algún desafortunado orificio, pudiera correr hasta alcanzar el poliestireno extruido. Si se pretendiera remachar la tela a las costillas, también debería ser laminado al menos el borde superior e inferior (lo que llamamos platabanda).

Por tanto amigos, no hay tarea tan simple en esto de las costillas de foam. Lo ideal para su resguardo es laminarlas TODAS y ahí acaba su excesivo bajo peso (aunque no por esto terminen siendo "pesadas" claro está) y su facilidad constructiva. Al menos, en mi opinión.

Por supuesto pueden no ser laminadas (exceptuando las que lindan con los tanques)...pero es un riesgo.

Madera

Las costillas de madera son extremadamente livianas y son muy resistentes. Pudiera parecer de mayor complejidad de construcción que las de Polyfoam al tener que utilizar decenas de "pañuelitos" para el encolado (dado que se debe aumentar la superficie de contacto entre los listones a adherir).

Las costillas de maderas son utilizadas para aviones ultralivianos o son utilizadas para grandes bimotores, dada su elevada fiabilidad, probada resistencia y extremada liviandad.

Podría poner un millón de fotos de costillas de madera, dado que éstas conforman las alas de los aviones desde los inicios de la aviación. Siendo utilizadas incluso en aviones de combate de la Segunda guerra mundial

El clásico Havilland DH. 98 Mosquito. Cada vez que haya que hablar de un avión de madera y de alas de madera, nos referimos a este, el mejor ejemplo de todos los tiempos.

Un hermoso bimotor Cessna T50 Bobcat con alas cuyas costillas son de madera

Lo mismo, pero en vez de dibujado, en la realidad

La madera, como ya he mencionado en otros apartados, es realmente genial. Es el material de creación para la humanidad y la aviación no ha sido la excepción; por haberlas blandas, semi duras o duras y de muy diversas propiedades.

La madera posee distintas resistencias y densidades, pero para uso aeronáutico podemos promediar que un pino intermedio de buena calidad, posee una resistencia de 40 Mpa (Nmm2) a la humedad correspondiente.

Aluminio

A la izquierda las costillas de mis alas sin montar. A la derecha unas costillas del mismo tipo ya colocadas en otra ala, en este caso de un Zenith aircraft.

Las costillas de aluminio, forman parte de todo el resto del mundo el que no ocupan las costillas de madera. Ambas son el River - Boca de las costillas. El Real Madrid - Barcelona. Por supuesto las costillas de aluminio son mas pesadas que todas las restantes, pero también son las mas robustas por lejos. El ala íntegramente metálica (costillas y larguero de aluminio) tienen ese "aroma" a "ala de avión verdadero" pero en honor a la verdad no son ni mas ni menos que cualquier otro tipo de costillas, hay aviones livianos con costillas de madera o aluminio y aviones más pesados con costillas de madera o aluminio.

Podría manifestar la famosa muletilla "tiene que ver con el diseño" lo que es equivalente a decir "no tengo la mas pálida idea porque al diseñador se le habrá ocurrido hacerlas de...." (completar la línea punteada con el material de las costillas). Dado que si fueran de otro material, responderían adecuadamente de igual modo.

Por tanto, casi afirmaría que el material con el que se construyen las costillas, es selección a gusto del diseñador, más que una obligación por cuestiones de diseño estructural. Costillas de madera las puede llevar un ultraliviano o un bimotor como hemos visto. Costillas de aluminio las puede llevar al igual que lo dicho; un ultraliviano o un Cessna Citation o un Boing 767.

¿Mi elección? como se ha visto; costillas robustas de aluminio 6061T6. Un "señora" ala. Mi avión es metálico (tubo de acero soldado, empenaje de aluminio) y por ende respeto la consecución del metal; alas íntegramente metálicas.

Para completar, el aluminio 6061T6 tiene una resistencia de 241 Mpa (Nmm2) y una densidad de 2,7gr/cm3.

Probablemente la "máxima" de las costillas sea la siguiente:

Si el larguero es de madera, las costillas serán de madera. O de Foam.
Si el larguero es de aluminio, las costillas serán de aluminio. O de Foam.

Difícilmente encontremos algo distinto; aunque si busco, seguramente encuentre otras cosas. Es el maravilloso mundo de la aviación experimental.

Existen también otros materiales para fabricar las costillas, se pueden hasta fabricar íntegramente de materiales compuestos. Pero la verdad, no me voy a detener en evaluar cosas de las que casi no se ven en el ambiente aeronáutico, más que en alguna excepción.

mis Costillas de aluminio

Entonces, desde el primer momento en mi diseño, mis largueros son de aluminio y por ende mis costillas serán de aluminio. El primer paso fue considerar el tema del peso final del ala, por eso calculé el peso de cada costilla contando con los datos de densidad del aluminio y la superficie total de la costilla terminada para luego determinar la cantidad de orificios necesarios a practicarle tal de alivianar lo suficiente, dejando un peso que no fuera excesivo. Finalmente, una vez terminada la primera, no tuve más que pesarla en una balanza para corroborar los datos.

Una vez analizado esto, compré las chapas de 0,8 mm de espesor de aluminio 6061T6 rotuladas y simplemente usando un plano impreso a escala real, las marqué para cortarlas. Después concluí que bien hubiera podido utilizar chapa de 0,5 mm de espesor obteniendo un peso final bastante menor y una costilla igualmente robusta. Pero me dejé llevar por todo lo que venía viendo en la web, donde casi el 100% utiliza el espesor 0,8 mm.

Se marcan las costillas de forma de aprovechar de la mejor manera posible la chapa, simplemente apoyando el plano de papel recortado con la forma del perfil y después se cortan lo más prolijamente posible con amoladora. La tijera de cortar aluminio en este caso no resulta práctica, dado que la chapa es gruesa y dura. Por mas que a simple vista, 0,8 mm de espesor parezcan escasos.

Hay que tener precaución de marcar el plano con 15 o 20 mm. de sobrante en todo el contorno de la costilla, ya que esa pestaña posteriormente será curvada a 90º.

Una vez cortada la costilla, la emprolijo en todo el perímetro con lija para quitar rebabas y emparejar posibles dientes que hubieran dejado la amoladora. No me preocupo demasiado en la exactitud del corte con amoladora, dado que el borde será curvado con la forma del molde de madera que todavía tengo que hacer.

Debajo, las costillas cortadas con amoladora, encima, un primer intento de molde en madera terciada cortado a mano con la forma del perfil aerodinámico. Este lo hice marcando con el plano de papel (ubicado arriba, ya medio destruido).

El acabado del molde de madera no me satisfizo...

La primer observación es que la madera de MDF o aglomerado no son aptas como molde. Cuando haya que doblar la chapa de aluminio, estas maderas no resistirán mucho, antes de empezar a despellejarse.

Habrá, por ejemplo, que elegir un álamo, lo cual es una madera económica y dura (respecto de las anteriores, que ni siquiera son maderas). Con buen pulso es totalmente posible realizar el corte como aquí lo muestro. Deberán quedar ambos moldes lo más parecidos posibles

Tuve que comprar mechas copas de varios diámetros distintos para realizar todos los orificios. Bien se pueden hacer varios orificios del mismo diámetro. Pero se debe intentar que todos tengan la misma distancia al borde de la chapa para alivianar lo mas posible.

Arriba en la imagen, unas costillas parcialmente agujereadas, debajo algunas costillas ya terminadas. Como se ve en la imagen de la izquierda, he juntado varias para agujerearlas de una sola vez. No es sencillo. El aluminio 6061T6 ofrece la misma resistencia que el acero inoxidable

Por lo dicho, los moldes de madera los volví a hacer. Esta vez, como sí necesito perfección en la forma del perfil aerodinámico, forma definitiva que tomará la costilla una vez curvados los bordes, los mandé a cortar por medio de CNC sobre una madera dura (álamo). Se puede apreciar la diferencia en las líneas suaves del contorno, respecto de lo bruto que había hecho yo a mano. También aproveché para cortar por CNC los moldes para las costillas de los alerones (imagen de la derecha).

Al molde hay que hacerle unos hoyuelos tipo "media caña" a distancia regular unos de otros. Cuanto más se curva el perfil, más juntos tienen que estar esas caladura. Cuando la costillas se colocan en medio de los moldes de madera y se curva con martillo de goma, parte de la chapa va a parar dentro de esa canaleta, sirve para que el borde tome la forma correcta del perfil sin que se levante y para darle rigidez. En el vídeo que se encuentra en "Técnicas de taller" menciono los motivos de éstos y muestro como lo hago.

Una cosa que omito indicar en el vídeo, bastante importante, es que se debe utilizar casi obligatoriamente un secador de pelo y calentar bien la parte de la chapa que será golpeada con el martillo de goma. Esto hace al material mas maleable y mucho mas fácil de trabajar. También es posible usar una pistola de calor, solo que la temperatura a la que trabaja es demasiado elevada y no se debe olvidar que la chapa es 6061 "T6". Ese "T6" es un tratamiento que le otorga propiedades, las cuales no pretendemos deshacer. Por tanto, no se extralimiten con el calor o quitarán todos los tratamientos térmicos de la chapa. El trabajo del doblado es más maña que fuerza. Pero definitivamente es agotador.

De igual modo que la costilla del ala, he trabajado la costilla de los alerones, lo que por supuesto resultó en un trabajo mucho más ameno y menos agotador. En el borde de la circunferencia de la costilla tuve que practicarle cortes, los cuales tuve previamente que calcular, para que al curvarlos quedaran casi unidos. Los orificios pequeños que se observan en la parte superior cumplen con la finalidad de evitar bordes rectos en el final de cada corte. Esto se realiza para que la costilla, al trabajar, no continué fisurándose. Nada en la costillas debería tener un borde a 90º puntiagudo.

Las costillas, tanto de las alas como las de los alerones, fueron marcadas sobre chapa, cortadas con amoladora, agujereadas para alivianar con gran perdida de material y por ende muy pobre rendimiento, lo que ocasiona gran gasto, sus bordes curvados, utilizando moldes de madera de álamo con la forma exacta del perfil.

Ahora resta el último paso, el biselado de los orificios intermedios de las costillas. Esto se hace para que la costilla obtenga finalmente una rigidez mayúscula y es lo que la hace la mas robusta entre todas las demás. Es definitivamente indestructible y muy difícil de deformar.

Mientras las costillas de madera o de polifoam se destrozarían si tan solo les arrojara una morsa encima de ellas, la costillas de aluminio de este modo trabajadas, no sufrirían daño alguno. De hecho, se me ha caído la maza encima de varias de ellas, mas de una vez, sin consecuencias. Estas costillas son mas pesadas, pero son indestructibles.

Como se ve, los orificios intermedios ya se han biselado, para esto pueden ver el vídeo de como lo he hecho en "Técnicas de taller" "Biselado en orificios de costillas" y la herramienta que hice para tal fin la cual también menciono sobre los pormenores de su construcción. Tuve que biselar 200 orificios. La fabricación de tal herramienta cada ampliamente justificada.

Finalmente el trabajo está a medio terminar. Todavía faltaban los herrajes, también en aluminio, necesarios para unir las costillas a los largueros primario y secundario.

Las costillas se remachan a estos herrajes y ellos a su vez se remachan al larguero. Con remache preferentemente de aleación de aluminio tipo Cherry (pop) o remache del tipo roblón...sino, la última opción, remache pop de acero inoxidable. Pero esto último no es lo más recomendado.

¿Acaso no se puede remachar directamente la costillas al larguero?

Pues no, dado que mis largueros son cilíndricos y de tener que remachar las costillas a ellos, debería hacerlo por debajo y por arriba, se abrazaría la costilla al larguero y no queda otra solución que remachar desde la pestaña curvada por encima y por debajo. Justamente (si recuerdan los esfuerzos de cualquier viga sometida a flexión) las partes superiores e inferiores de un larguero, son las que mas sufren los esfuerzos, mientras que las partes centrales casi no padecen ninguna carga. Por esto, sean los largueros de la forma geométrica que sean, LA PLATABANDA SUPERIOR E INFERIOR ES INTOCABLE, ni se agujerean ni se remacha...ni nada.

Verás que los largueros de cualquier ala en general tienen adosados varios herrajes, la finalidad de estos herrajes son la toma al fuselaje, la toma de los montantes, la toma de las varillas o cables "drag y anti drag", también se agujerean los largueros para atravesar bulones, etc etc. etc...

Pero esto siempre se hace en la parte central o cercano a la parte central del larguero. Jamás por arriba ni por debajo.

HERRAJES

Cada una de mis costillas llevarán dos herrajes que las "amuran" al larguero principal y al secundario.

Además, las costillas de los alerones, también tienen su herraje. Finalmente, para 9 costillas por semi ala, son 54 herrajes en total.

Lo primero que hago es dibujar en Cad el herraje, imprimirlo, recortarlo y presentarlo en la costilla para verificar que todo esté bien.

Una vez hecho esto, voy a imprimir varios modelos en papel y a utilizar las chapas circulares de rezago que me han quedado luego de agujerear las costillas. Ahora estoy mas feliz porque aprovecho un poco mas de la chapa de aluminio. Uno podría preguntarse el porqué de la forma del herraje en cuanto a las "semis circunferencias" la respuesta ya estuvo antes, los bordes rectos no son bienvenidos. También ya he dibujado la posición de los remaches, observen que el larguero que pasa por el orificio de la costilla será tomado por el remache en el centro, 45º arriba y 45º abajo.

El molde de papel es adherido a varias chapas de aluminio, unas cinco o seis a la vez con cinta transparente envolviéndolas, he marcado también circunferencias mayores en las partes que tienen que ser acanaladas para trabajarlas con mecha, para evitar el uso de amoladora o torno de mano, ya que la situación para esa parte en particular parece ser de difícil acceso.

Como se puede ver, hay un nivel magnético sobre la base de la agujereadora de banco, para verificar que la mecha baje recta desde la primer chapa hasta la última, de lo contrario, el primer orificio se hará correctamente mientras que los subsiguientes quedarán complemente desfasados

Una vez que he cortado la totalidad de los herrajes y una vez que han sido agujereados (en conjunto de cinco o seis a la vez) pruebo colocando los remaches que voy a utilizar, de este modo verifico que todos me hayan quedado iguales. Si el remache se tuerce demasiado, algún herraje no pasará mi Control de Calidad. Siempre que me sobra material, hago dos o tres de mas para poder seleccionar y descartar a los peores. Siempre alguno no sale lo suficientemente bien como uno quisiera.

De todos modos, la realidad es que esto no reviste ninguna criticidad. Podrían no ser todos iguales...no van a verse ni van a romperse. Pero, es solo una cuestión de prolijidad.

Ahora utilizo el mismo molde en el que curvé las costillas, posiciono el primer herraje y agujereo con tornillo auto-perforante el molde. Se puede notar que las tres puntas del herraje se unen algunos milímetros por dentro del molde y no en el borde del mismo, esto lo hago para generar una curvatura y nuevamente evitar los bordes rectos. Por el mismo motivo, he lijado el borde del molde de madera de modo de darle un bisel redondeado al curvar las puntas del herraje hacia abajo. Esto también se ve en la imagen.

La respuesta es que el aluminio curvado debe poseer un pequeño radio de curvatura para que no se fisure.

Una vez hecho el primer herraje, corro inmediatamente a probarlo en el larguero y verificar que lo envuelve perfectamente.

¿Fácil? ¿Sencillo?...no, no lo es. Pero si te gusta lo fácil, no lo sé...te diría que no pienses en construir un avión.

Tampoco es algo imposible, si lo hice yo, lo hace cualquiera.

Con mucha emoción de haberlos terminado, los puse en fila india y los hice marchar, los fotografié y todas esas cosas lindas que pasan cuando uno está contento.

Como dije, no es sencillo hacerlo, no por que sea difícil tampoco, en realidad es porque resulta laborioso. Pero la satisfacción al final es enorme!

Las falsas costillas de los alerones también tuvieron sus herrajes, pero estos no pude hacerlos a mano dada su imposibilidad constructiva, por lo que los tuve que mandar a hacer con mi tornero amigo sobre un torcho de aluminio que fue torneado. Por tanto, lo que se ve, es el resultado de una sola pieza de aluminio, nada allí fue curvado.

Tengo mis largueros, mis costillas y sus herrajes. Tengo los tubos diagonales o como se les llama "tubos Drag y anti Drag".

Ahora, a ensamblar.

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