revista_plasticos_694_octubre-2014.pdf

ndice Noticias2

Publicacin del Instituto de Ciencia y Tecnologa de PolmerosEdita Asociacin para el Fomento de la Ciencia y de la Tcnica

Ilustracin PORTADA

Anuncios Clasificados

Anunciantes

Libros

Ofertas y Demandas

Noticias

Oferta Tecnolgica

Artculos

60

56

57

5

55

4

AGI Espaa

Lanxess

OMYA Clariana

Cayfi

Inteco

Equipamientos J. Puchades

Alimatic

Husyca

Arvitec

Caracterizacin ICTP

BAP Perifricos

GesterRPMOAM 108 (694) 1-53-ISSN 0034-8708DEPSITO LEGAL: 866-1958 Publicacin mensual de (R.D. 3471/77)Produccin: PGM www.pgmprogrames.businesscatalyst.comMartn Machio, 42 Tel.: 659 79 2000

Revista de Plsticos Modernos publica artculos originales y traducciones de algunas revistas internacionales del sector. Los autores son responsables de las opiniones por ellos emitidas. Queda prohibida la reproduccin de cualquier trabajo sin previa autorizacin.

La Revista de Plsticos Modernos es la ms antigua del sector en Espaa. Se edita ininterrumpidamente desde 1950. Los mejores expertos nacionales e internacionales de las empresas as como de las instituciones pblicas de I+D+I, apoyadas por el Consejo Superior de Investigaciones Cientficas (CSIC), ponen a disposicin de su empresa las ltimas novedades e investigaciones aplicadas a la industria.

REVISTA DE PLSTICOS MODERNOS Vol. 108 Nmero 694 Octubre 2014

ndice Noticias3

Staff

Publicidad

Suscripciones

BdDirectorDaniel Lpez Garca

Coordinadora generalGema [email protected] / Tel. 91 258 76 03

Comit de RedaccinDaniel Lpez Garca - PresidenteNuria Garca Garca - Jefa de RedaccinRosario Rodrguez Basalo- CoordinadoraMarta Fernndez GarcaHelmut ReineckeMara del Mar Lpez GonzlezJuan Lpez ValentnBlanca Vzquez Lasa

Coordinadora del nmeroM Luisa Cerrada Garca

RedaccinRosario Rodrguez [email protected] / Tel. 91 561 34 41

Coordinadora de Oferta TecnolgicaPatricia Thomas [email protected] / Tel. 91 561 34 41

Diseo y comunicacin Victoria Snchez [email protected]

Administracin, Suscripciones y DistribucinRosario Rodrguez [email protected] / Tel. 91 561 34 41

Maquetacin y DiseoPGM / Tel. 91 851 69 86

CATALUAJordi Puig Plz. Alfonso X el Sabio 7, 3, 4 08025 Barcelona Tel. / Fax. 93 4360226 Mvil: 649722690 [email protected] Garca Tel. 630410848 [email protected]

ALEMANIA, AUSTRIA, SUIZA Y BENELUXLerner MEDIA CONSULTING Spechbacher str. 9, AD-74931 Lobbach Tfno. 496226971515 / Fax. 496226971516 Mvil: 491718379188 [email protected]

Coordinadora de publicidadVictoria [email protected]. 34 91 258 76 03 / Fax. 34 91 564 48 53

La RPM est referenciada en las Bases de datos:

ICYT (Consejo Superior de Investigaciones Cientficas)http://bddoc.csic.es:8080/Chemical Abstractshttp://www.cas.org/index.htmlScopus (Grupo Elsevier)http://info.scopus.comLatindex (Sistema regional de informacin para Iberoamrica)http://www.latindex.orgDialnet (Universidad de la Rioja)http://dialnet.unirioja.es/servlet/revista?codigo=2271Chemical Business NewsBase (CBNB)http://www.elsevier.com

Suscripcin anual (11 nms.)30 + IVA

Las suscripciones a esta Revista se consideran renovadas automticamente si 30 das antes de su caducidad no recibimos orden en contra del interesado.

Con nuestros minerales blancosmejorar claramente su proceso deproduccin reduciendo la cantidadde polmeros. Productos naturales yecolgicos que constituyen una baseslida para sus plsticos.

Les ofrecemos una amplia gama deminerales, aditivos especialesqumicas para su sector.

Disponemos de canteras de carbonato clcico de gran pureza y blancura, con elevadas capacidades de produccin para atender sus necesidades.

Con nuestros minerales y aditivossus plsticos mejorarn limpiamente.

FBRICAS LRB (TARRAGONA),BELCHITE (XARAGOZA),PURCHENA (ALMERIA),DARRO (GRANADA)OFICINAS: AVDA. PAISOS CATALANS, 3808950 ESPLUGES DE LLOBREGAT(BARCELONA)TEL. 93-476 66 66 FAX 93-207 37 07


ndice Noticias4

Artculos

14 Los plsticos reforzados, una alternativa a tener en cuenta para la reduccin de peso en el sector transporte

27 Desarrollo de Nuevos Sustratos Textiles para Interiores de Vehculos a partir de Fibras derivadas de Materiales Biodegradables

6 Nanotecnologa para Estructuras Avanzadas de la Industria Aeronutica

En el presente artculo se describen las aplicaciones potenciales y claves de las nanotecnologas emergentes en el mbito de las estructuras de material compuesto empleadas en la industria aeronutica.

19 Nuevos desarrollos en Materiales/ Producto/Proceso para sistemas elevalunas integrados en plstico

Con la metodologa habitualmente utili-zada por la Fundacin CIDAUT, se ha de-sarrollado un innovador prototipo plstico inyectado con carriles integrados sobre el que poder validar todos los estudios reali-zados.

La industria del transporte tiene como una de sus prioridades la reduccin del consu-mo de carburante y para ello uno de los puntos clave es la reduccin del peso del vehculo.

El proyecto europeo BIOFIBROCAR aborda el desarrollo de fibras obtenidas a partir de derivados de cido polilctico como susti-tuto de las fibras de polister utilizadas en la actualidad.


REVISTA DE PLSTICOS MODERNOS Vol. 109 Nmero 692 Julio-Agosto 2014

ndice Noticias5

Noticias

43 Sensores de visin y de cdigos de barras para aplicaciones que requeran varios dispositivos

45 RPC expone en Paris

44 Impresin sobre plstico en Fakuma 2014

La nueva serie iVu Plus Gen2 de Banner Engineering incluye opciones de resolu-cin para optimizar la velocidad y la ca-lidad.

PRC estar presente en Emballage, que tendr lugar del 17 al 20 de noviem-bre en el Paris Nord Villepinte (Stand de RPC: Sala 6, Stand H116).

La impresin sobre este material permite ofrecer productos ms creativos y perso-nalizados.

30 Precios y tendencias del Mercado31 Nueva planta de fibra de carbono32 Compuestos de PLA para impresin 3D33 Tecnologa al servicio de proyectos de

innovacin

34 Plsticos de ingeniera para el sector ferroviario

35 Envases biodegradables a partir de pan36 Nuevas lneas de compuestos con

cargas minerales

37 Mquinas para extrusin en el mercado chino

38 Soluciones para tuberas de polietileno39 Optimizacin de procesos de embalaje

40 Aplicaciones de inyeccin en Empaque y Consumo

42 Tecnologa de exposicin de plancha46 10 Congreso de AMI 47 La industria plstica en PolyTalk 201448 EMPACK Madrid49 Curso sobre compounding50 MASTALMOND Networking Event 51 EuroMold 201452 MeetingPack 201553 Additives & Colors Conference54 Premio Talgo a la Innovacin

Tecnolgica

Resumen

En el presente artculo se describen las apli-caciones potenciales y claves de las nanotec-nologas emergentes en el mbito de las es-tructuras de material compuesto empleadas en la industria aeronutica. Considerando una visin global de la arquitectura del avin, se exponen los desafos tcnicos a abordar por la nanotecnologa, se identifican los requisitos ms importantes y se ilustran los principales beneficios esperados por la aplicacin de los materiales nanocompuestos en dos reas principales de la estructura aeronutica: inte-gracin de nanomateriales para proporcionar funcionalidad elctrica, no-inherente a dicha estructura, y para mejorar su comportamien-to mecnico (mecnica de fractura, toleran-cia al dao). Igualmente, se discuten otras aplicaciones potenciales en el sector, tales como estructuras sensorizadas (deteccin de dao), tecnologas de superficie, propiedades barrera y tecnologas de unin.

Palabras clave: Nanotecnologa; nanocom-puestos; nanotubos de carbono; estructura aeroespacial; plsticos reforzados con fibra de carbono (CFRP); funcionalidad elctrica; propiedades mecnicas; tolerancia al dao, estructuras sensorizadas, propiedades barre-ra, tecnologa de unin

ndice Noticias6

Autores: Zulima Martn1*, Tamara Blanco2, Jose Snchez2, Piet Woelcken3, Franois Pons4

* Autor responsable: [email protected]

1 AIRBUS Group Innovations, Paseo John Lennon, S/N, 28906 Getafe, Madrid2 AIRBUS Operations, S.L., Paseo John Lennon, S/N, 28906 Getafe, Madrid3 AIRBUS Operations GmbH, Airbus-Allee 1, 28199 Bremen, Germany4 AIRBUS Operations SAS, 316 Route de Bayonne, 31060 Toulouse Cedex 09, France

Nanotecnologa para Estructuras Avanzadas de la Industria Aeronutica

Red estructural elctrica de avin de ltima generacin

Abstract

Key potential applications of emerging nano-technological approaches for aircraft compo-site structures are reported. Taking an overall aircraft architecture view, this paper outlines the technical challenges addressed by nano-technologies, identifies resulting key requi-rements and illustrates the principal benefits expected from nanocomposite developments. Application of nanotechnology in two main airframe areas will be discussed: Use of na-nomaterials to bring non-inherent electrical functionality to current composite airframes and Enhancement of mechanical behavior (fracture mechanics, damage tolerance). In addition, other potential applications will be pointed out: sensing structures, surface te-chnologies, barrier properties and joining te-chnologies.

Keywords: nanotechnology, nanocomposi-te, carbon nanotubes, aerospace, airframe, CFRP, electrical functionality, mechanical pro-perties, damage tolerance, sensing structu-res, surface technologies, barrier properties, joining technologies

Introduccin

Los sistemas y estructuras aeroespaciales afrontan desafos multidisciplinares en re-lacin con su funcionamiento, eco-eficacia, mantenimiento y reduccin de costes [1]. De-bido a la presencia, cada vez ms dominante, de materiales compuestos en las estructuras de las aeronaves, el conjunto de requerimien-tos que deben cumplir dichas estructuras es cada vez ms exigente, por lo tanto, un ma-yor progresos tcnico en el rea es crucial para alcanzar un mayor beneficio tcnico y econmico.

Airbus ha aceptado este desafo evaluando una gran variedad de estrategias diferentes. Si bien el empleo de nanotecnologa an no cumple con los requisitos exigidos en algunas reas clave de la estructura de una aerona-ve, s se han identificado mejoras econmica-mente viables proporcionadas por la nanoin-geniera. La figura 1 incluye ejemplos de dos


de las reas principales de investigacin en materiales compuestos para la industria ae-roespacial: las propiedades mecnicas y las elctricas. La figura 1(a) ilustra la mejora en tenacidad a la fractura y la figura 1(b) la ca-pacidad de disipar rpidamente descargas de corriente de importante magnitud.

Las soluciones presentadas en los ejemplos anteriores supondran un ahorro de peso sig-nificativo. Con la sustitucin de las estructu-ras metlicas por las basadas en materiales compuestos la preocupacin ante el riesgo de impacto (de vehculos terrestres u objetos de distinta naturaleza proyectados desde las pistas de aterrizaje y que pueden inducir da-os invisibles en el fuselaje) se ha visto incre-mentada, siendo el dao por impacto el pa-rmetro clave en el diseo estructural de las reas expuestas a colisiones. Por consiguien-te, un aumento de la tenacidad a la fractura de los materiales compuestos utilizados en dichas reas se traduce inmediatamente en un ahorro de peso. En el caso de las propie-dades elctricas de la estructura, las solucio-

notecnologa pueden justificarse en un amplio intervalo de aplicaciones racionalizando una serie de fenmenos fsicos fundamentales del comportamiento de los materiales en la na-noescala.

Las propiedades trmicas, mecnicas, elec-trnicas, magnticas, pticas e interfaciales exhibidas por un material pueden variar com-pletamente en la escala nanomtrica debi-do, entre otros factores, al aumento del rea superficial por unidad de masa o volumen. Por consiguiente, el reto actual se centra en transferir de forma eficiente las propiedades de los materiales desde la escala nano a la macroscpica.

Este artculo ahonda en la nanotecnologa como un aspecto integral y fundamental del

nes actuales combinan materiales metlicos adicionales que se incorporan en la parte ex-terior de la estructura de material compuesto para su proteccin elctrica, siendo, adems, necesaria la permanencia de componentes metlicos en la estructura interior del avin para asegurar que se cumplan los requisitos elctricos (proteccin contra rayo, instalacin de sistemas electrnicos). Una solucin que permita sustituir o reducir estas soluciones metlicas, mediante la inclusin de las fun-cionalidades elctricas en la estructura de material compuesto, significara un ahorro de peso significativo.

Otras aplicaciones de la nanotecnologa que estn siendo estudiadas incluyen tecnologas de superficie (recubrimientos resistentes al desgaste, conductores elctricos, superficies anti-hielo, autolimpiables y antibacterianas), as como estructuras auto-sensorizadas (sen-sores inteligentes) y nuevas tecnologas de unin estructural.

Los beneficios provenientes del uso de la na-

concepto de fuselaje futuro de Airbus, que involucra la optimizacin de nuevos materia-les y diseos avanzados, as como la imple-mentacin progresiva de tecnologas en las estructuras aeronuticas.

Funcionalidad elctrica

La incorporacin en la estructura de material compuesto de funcionalidades no inherentes a dicho tipo de material es una de las reas clave en las que la nanotecnologa puede aportar beneficios sustanciales en la industria aeronutica.

La conductividad elctrica es de gran inters dado que los bajos valores exhibidos por los materiales compuestos suponen una de las principales desventajas de su uso en estruc-

ndice Noticias7

Figura 1. Ejemplos de las aplicaciones de la nanotecnologa en los fuselajes futuros de Airbus. (a) Elementos expuestos a riesgos de impacto (en verde);

(b) Localizacin principal de impacto de rayos (azul)


turas aeroespaciales, aspecto que ha adquiri-do an ms relevancia con la llegada del fu-selaje de CFRP (plstico reforzado con fibra de carbono) de ltima generacin.

La mejora de la conductividad elctrica del material compuesto permitira evitar la so-lucin actual de aadir materiales metlicos que implican un aumento importante de peso, particularmente en el rea del fuselaje, redu-ciendo, por consiguiente, el beneficio global del uso de materiales compuestos.

Requerimientos

Se resumen a continuacin los requisitos elctricos que es necesario cumplir en una estructura aeronutica:

IMPACTO DE RAYO

El impacto de un rayo en una estructura ae-ronutica de material compuesto involucra

a travs del espesor del laminado del mate-rial compuesto se considere la principal causa responsable de este fenmeno.

CORTOCIRCUITO

El fenmeno elctrico del cortocircuito en las estructuras de material compuesto de la aero-nave involucra el contacto directo de un cable elctrico con dicho tipo de estructura. Existen diferentes tipos de cortocircuito en funcin de la causa que los origina: contacto directo de cable con el laminado de CFRP, dao de un haz de cables cerca del CFRP o inadecuado comportamiento de uniones de CFRP someti-das a corriente elctrica de fallo.

efectos directos e indirectos. Se definen diferentes reas de riesgo, zonas de la aeronave, segn la probabilidad de re-cibir un impacto de rayo. La zonificacin de una aeronave segn dicha probabi-lidad puede encontrarse en otras refe-rencias [2,3]. Los efectos directos del impacto de rayo son los daos que se producen en la estructura debido al ca-lentamiento y a las fuerzas magnticas producidas por la elevada corriente aso-ciada al impacto del rayo. En cambio, los efectos indirectos se refieren a los volta-jes inducidos en los sistemas debidos a la corriente que fluye a travs del fuse-laje cuando se produce el impacto de un rayo, por ello, la resistencia elctrica del fuselaje debe ser suficientemente baja como para limitar el sobre-voltaje en los sistemas aeronuticos. Esta resistencia viene dada por la resistencia superficial de la piel del fuselaje, de modo que el requerimiento de esta propiedad se en-contrar entre 1 y 10 m/sq.

BRILLO DE BORDE DEL LAMINADO (EDGE GLOW)

Durante la realizacin de determinados ensayos de impacto de rayo en probetas de material compuesto de matriz ter-moestable de ltima generacin, la cual ha sido modificada en la zona interlami-nar para mejorar su tenacidad, se han observado chispas elctricas, brillo, en los bordes. Este fenmeno, que ha sido denominado brillo de borde del lamina-do, ms conocido por su designacin en ingls edge glow, debe ser evitado, sobre todo en las reas de tanque de combustible, como es el caso del cajn central del ala, debido al elevado riesgo de ignicin. Este fenmeno se atribuye a que las capas exteriores de CFRP (plsti-co reforzado con fibra de carbono) alcan-zan un elevado potencial debido al pro-pio arco elctrico, de modo que el buen aislamiento entre capas proporcionado por la matriz, genera un campo elctri-co intenso que provoca esas chispas. De ah que la baja conductividad elctrica

UNIN ELCTRICA (ELECTRICAL BONDING)

La unin o continuidad elctrica (electrical bonding) es el retorno de las corrientes de defecto o fallo en la aeronave, de modo que el camino de estas corrientes circula a travs de los elementos estructurales. En la actua-lidad se emplea una red metlica especfica, denominada MBN (Metallic Bonding Network, Red de Unin Metlica), para llevar a cabo esta funcin en las estructuras fabricadas con materiales compuestos. Esta red normalmen-te integra las partes metlicas estructurales, como los rieles de los asientos, para generar una malla que permita evacuar las corrien-tes de defecto de los diferentes sistemas. La malla completa en la zona del fuselaje se de-nomina ESN (Electrical Structural Network,

ndice Noticias8

Figura 2. Red estructural elctrica de avin de ltima generacin


Red Estructural Elctrica). Ahora bien, adicio-nalmente, es necesario agregar componentes especficos (tiras metlicas) para asegurar una continuidad elctrica en la aeronave que d respuesta a las especificaciones globales de todos los sistemas. La suma de todos estos elementos constituye una red compleja como se deduce de la maqueta virtual representada en la figura 2. En concreto, para la funcin de unin elctrica es necesario considerar co-rrientes elctricas de 2000 A durante 300 ms.

TOMA ELCTRICA A MASA (ELECTRICAL GROUNDING)

La toma o conexin elctrica a masa (elec-trical grounding) es el retorno de la corriente elctrica funcional de los equipos del avin. Este retorno de corriente se refiere al esta-blecimiento de un camino de corriente de im-pedancia baja entre la referencia de la fuente de energa de un componente elctrico (0 V CD, 0 V CA o Neutro CA) y el punto de refe-rencia de voltaje del avin. Para la conexin

a masa, como referencia, han de tenerse en cuenta siguientes corrientes elctricas conti-nuas: baja de 10 A; media de 20 A y alta de 200A.

Airbus ha llevado a cabo una actividad impor-tante en trminos de simulacin y ensayos elctricos de laminados de CFRP para iden-tificar los requerimientos de conductividad volumtrica asociados a cada una las fun-cionalidades elctricas mencionadas, reque-rimientos que habran de alcanzar los nano-compuestos en desarrollo para aplicaciones elctricas en la estructura del avin.

La tabla 1, elaborada dentro del proyecto ELECTRICAL, del VII Programa Marco de la UE, muestra una clasificacin de las funcio-nes elctricas de una estructura aeronutica a cumplir por los materiales nanocompues-tos en fase de desarrollo. Esta clasificacin se realiz teniendo en cuenta los requerimien-tos elctricos para cada una de las funciona-lidades, as como la probabilidad de xito de alcanzar isotropa elctrica en los CFRP em-pleando nanotecnologa.

Resultados y Beneficios Esperados de la Nanotecnologa

Aunque los primeros estudios acerca del uso de nanomateriales para aumentar la conduc-tividad elctrica de polmeros se remontan a ms de una dcada [4], el uso extendido de nuevas nanopartculas, como los nanotubos de carbono de pared nica o de pared mlti-ple (SWCNT o MWCNT, respectivamente), ha permitido la reduccin significativa del conte-nido de carga requerido para alcanzar el um-bral de percolacin elctrica en resinas epoxi [5,6], ampliamente utilizadas en la industria aeronutica, proporcionando unas expec-tativas elevadas de satisfacer los requisitos elctricos del avin con piezas fabricadas con material nanocompuesto.

La tabla 2 ilustra los beneficios potenciales, relativos a la reduccin de peso, que se po-dran derivar del uso de nanocompuestos en estructuras aeronuticas. Cabe sealar que los valores previstos y recogidos en la tabla 2 representan un lmite inferior, ya que en la estimacin slo se han considerado par-

ndice Noticias9

Funcin Clasificacin

Brillo de borde (edge glow) 1

Impacto de rayo efectos directos

Cortocircuito 2

Unin elctrica (electrical bonding) (*)

Impacto de rayo efectos indirectos No se consideran Toma elctrica a masa (electrical grounding)

Tabla 1 Aplicaciones elctricas potenciales de materiales nanocompuestos (EU FP7 ELECTRICAL)

(*) Los materiales nanocompuestos podran facilitar el manejo de la corriente de unin para equipos pequeos

cialmente los posibles efectos derivados del uso de este tipo de materiales, tales como la reduccin de los mecanismos de proteccin de las estructuras actuales de CFRP, como la malla metlica aplicada en la superficie de la estructura para proteccin contra impacto de rayo.

Adems, esta valoracin inicial se centra com-pletamente en las piezas estructurales y, por tanto, omite otras oportunidades de expandir la aplicacin de materiales nanocompuestos a componentes de sistemas del avin. Este he-cho es de particular relevancia cuando, como resultado adicional, se observa una reduccin de la complejidad de la instalacin de los sis-temas derivada de la posibilidad de incluir componentes de CFRP en la estructura elc-trica del avin.

La figura 3 muestra la conductividad de varios materiales clave utilizados en el sector aero-nutico. Los requerimientos actuales se ba-san en las conductividades puramente met-licas, por ejemplo, 1.5 x 107 S entre la punta y la cola del fuselaje (con elevado contenido de aluminio en los aviones que se encuen-tran actualmente en servicio). Comparando con las conductividades de los materiales co-mnmente usados en la fabricacin de com-ponentes de CFRP (ver figura 3) parece im-probable que tales valores de conductividad

sean alcanzables en resinas nanorreforzadas, a pesar de que la conductividad de las resinas de fuselajes avanzados puedan incrementar-se en ms de 10 rdenes de magnitud con la integracin de nanotubos de carbono (CNT), circunstancia que probara la capacidad de usar dichas resinas para algunas aplicaciones elctricas en el fuselaje. Sin embargo, se ne-cesitan mejoras superiores para un uso ms extendido.

Ahora bien, la conductividad de la resina pura es slo una fraccin de la del laminado com-pleto, con lo que la conductividad del com-ponente final es ms cercana a la de la fibra de carbono que a la de la resina. La figura 4 muestra un conjunto ms detallado de re-quisitos de contacto elctrico en comparacin con las conductividades superficiales de la re-sina pura y del laminado. Puede observarse que, incluso con resinas base poco propicias, se pueden cubrir algunos de los requerimien-tos derivados de las actuales estructuras ae-ronuticas fabricadas en aluminio (Al) con resinas nanorreforzadas, de modo que, cabe esperar valores mejorados tras una optimiza-cin de los procesos de produccin, la consi-deracin de la fibra de carbono y la disponibi-lidad de nanopartculas a medida.

La figura 5 muestra los resultados de ensayos realizados en laminados de fibra de carbono,


incluyendo muestras cargadas con nanopar-tculas, dnde puede observarse la conducti-vidad a travs del espesor o direccin Z del laminado. En este caso, algunos de los nano-tubos de carbono de pared mltiple (MWCNT) se funcionalizaron con grupos cido (COOH) o grupos amina (NH2). Se observ una mejora muy escasa de la conductividad con respecto a la del laminado de CFRP sin modificar. Este aumento, menor del esperado, se atribuye a una dispersin poco eficiente de los nanotu-bos en el seno de la matriz. Como ejemplo, la figura 6 muestra los aglomerados de los nanotubos de carbono (CNT) dentro del ma-terial compuesto obtenido.

Tolerancia al dao

La tenacidad a la fractura es un aspecto de

particular importancia en el caso de las resi-nas que se emplean en las estructuras aero-nuticas de CFRP, ya que dicha resistencia in-fluye directamente en el comportamiento del material en una situacin de impacto. Como se ha comentado previamente, una mejora de la tenacidad a la fractura de la matriz se traducir inmediatamente en una reduccin de peso en las reas del avin expuestas a mayores riesgos de impacto, ver figura 1 (a).

Adicionalmente, con la incorporacin de na-nopartculas se prevn algunas otras mejoras en las propiedades mecnicas de los materia-les compuestos, como es el caso del mdulo y la dureza.

Requerimientos

La posibilidad de usar nanopartculas para

Artculos

ndice Noticias10

Figura 3. Conductividad de varios materiales

(S/m)

Tabla 2 Reduccin de peso potencial en un futuro avin de fibra de carbono de largo alcance asociado al empleo de

estructuras de material compuesto que cubran las funciones elctricas

Funcin elctrica Reduccin de peso Otros ahorros potencial (kg) identificados

Ala Fuselaje

Proteccin contra Brillo de borde (edge glow) > 80 0 Costes de fabricacinimpacto de rayo Efectos directos e indirectos Sin cuantificar an

Contacto directo de cable > 10 > 20 Daos en servicio / con pieza CFRP Mantenimiento

Cortocircuitos Comportamiento de uniones de CFRP sometidas a corriente Sin cuantificar Daos en servicio / elctrica de fallo Mantenimiento

Datos No considerados todava

Unin / Conexin elctrica Complejidad en laRed Estructural (electrical bonding) > 10 > 10 instalacin del sistema Elctrica (ESN) Toma elctrica a masa

No estimados todava

(electrical grounding)

Conductividades de varios materiales (S/m)

Conductividad

Aislantes

Semi-conductores Semi-conductoresRequerimientos A/C de rayo

Conductores


aumentar las propiedades mecnicas de una resina epoxi (en tensin, flexin, resistencia a la fractura, etctera) se ha demostrado con-cluyentemente en varios estudios [7-9]. Se han realizado varios ensayos para demostrar su efectividad en el incremento de la resis-tencia a la fractura de este tipo de resinas, como muestra la figura 7, que incluye valores de energa de tenacidad a la fractura interla-minar en modo I, G1c, extrados del anlisis inicial de viabilidad realizado por Airbus para evaluar la eficiencia de la incorporacin de nanopartculas en resinas epoxdicas. Todas las probetas ensayadas exhibieron unos va-lores de resistencia a la fractura mejorados, indicativo de la buena dispersin de las nano-partculas conseguida y de la estabilidad de dicha dispersin durante la fase de curado.

Para demostrar la ventaja tecnolgica de la utilizacin de nanopartculas en el campo de la tolerancia al dao de los materiales com-puestos aeronuticos, la mejora debera ser tal que permitiese una disminucin del espe-sor superficial mnimo de la piel del fuselaje de CFRP de 1.6 a 1.5 mm. As, se fija un re-quisito conservador de 30% de aumento en el valor de G1c del material, ya que esta ga-nancia en tenacidad a la fractura implica una

mejora en el comportamiento a pandeo del componente de CFRP suficiente como para permitir una reduccin del nmero de capas y, por tanto, de su espesor.

En la actualidad es de todos conocido que una variable clave para la mejora del com-portamiento de materiales nanocompuestos basados en polmeros es la dispersin del nanorrefuerzo en la matriz polimrica, dado que las propiedades ltimas dependern de la estructura y la morfologa generada durante el procesado y transformacin del material. Se espera que una dispersin homognea y estable de las nanopartculas en la resina conduzca a que stas acten como inhibido-res de la formacin de grietas, forzndolas a esquivar y rodear a las nanopartculas. Las partculas ms grandes o los aglomerados de partculas tendrn, sin embargo, el efecto opuesto y actuarn como puntos de concen-tracin de tensiones. La tendencia natural de las nanopartculas a formar aglomerados y el aumento de la viscosidad de la resina al in-corporar los nanorrefuerzos representan los mayores problemas a solventar en el rea de la fabricacin de laminados de CFRP nanorre-forzados.

Artculos

ndice Noticias11

Figura 6. Imgenes de microscopa electrnica de barrido (SEM) a un voltaje de aceleracin de 20 kV de la superficie de CFRP con un 0.5 % en peso de

nanotubos de carbono de pared mltiple (MWCNT)

Figura 4. Conductividades de Contacto (S) en funcin de requerimientos

Figura 5. Conductividad en la direccin Z de estructura de CFRP despus de la incorporacin de la nanocarga: Laminado CF (resina C); Laminado + 0.5% SWCNT; Laminado + 0.5% MWCNT; Laminado + 0.5% MWCNT-COOH modificado; Laminado + 3% MWCNT-COOH modificado; Laminado + 0.5% MWCNT-NH2 modificado; Laminado + 1% MWCNT-NH2

modificado (de izquierda a derecha).

Resinas nanomejoradas / laminados

Base esttica, Pintura de conductividadmoderada

Pinturas de conductividad baja

Sistemas hidrulicos y neumticos

Masa hidrulica, descarga esttica Tuberas, sistema de oxgeno

Uniones metlicas Corrientes de intensidad elevada

Con

du

ctiv

idad

(S

/m

)

Conductividad (S/m) Conductividad (%)


Resultados y Beneficios Esperados de la Nanotecnologa

La figura 8 (a) muestra los valores de la ener-ga de tenacidad a la fractura de una resina de viscosidad baja (denominada R1) dopada con nanopartculas de diferente naturaleza (diferentes tipos de nanotubos de carbono CNT y nanopartculas esfricas). El significa-tivo aumento de esta propiedad indica que las nanopartculas se encontraban bien dispersas en el interior de la resina. Las resinas normal-mente utilizadas en la industria aerospacial (de mayor viscosidad que la presentada por R1) no mostraron el importante aumento de tenacidad a la fractura conseguido en la resi-na R1, sin embargo, mejoras de aproximada-mente el 90% (ver figura 8 (b)) son todava alcanzables.

Los ensayos preliminares de probetas extra-das de laminados de CFRP nanodopados con-firmaron que es posible extrapolar el meca-nismo de fractura observado en la resina pura a los laminados de fibra de carbono, como se deduce de la figura 9. Los laminados de CFRP

mostraron una mejora prxima al 40% en los valores de resistencia a cortadura interlami-nar al incorporar 0.5 % en peso de nanotu-bos de carbono de pared mltiple (MWCNT) funcionalizados. Es notable el efecto de la funcionalizacin de los nanotubos de carbo-no, facilitando la dispersin del nanorrefuerzo en el seno de la resina y conduciendo, as, a valores ms elevados de la resistencia a cor-tadura. La comparacin de los resultados de muestras con contenidos diferentes de MWC-NT funcionalizados revela una ligera dismi-nucin de los valores de la resistencia inter-laminar con el incremento de la cantidad de nanotubos de carbono, lo que lleva a pensar que el contenido de 0.5 % en peso representa el umbral para la formacin de aglomerados de nanopartculas, cuya presencia deteriora el comportamiento mecnico del laminado.

Otras aplicaciones

(i) Estructuras Sensorizadas

La integracin de estructuras auto-sensoriza-das en el avin se convierte en una posibi-lidad muy interesante y con gran potencial, una vez se disponga de resinas conductoras elctricas [10]. Hasta entonces ser necesa-rio seguir empleando para esta tarea sistemas convencionales de sensorizacin, que pueden ser complementados no slo con estructuras inherentemente sensoras, sino tambin con diseos de sensores avanzados impresos di-rectamente sobre la estructura [11], tcnicas que estn actualmente en fase de desarrollo y demonstracin de viabilidad. Resulta parti-cularmente interesante el proceso de deposi-cin en la mesoescala sin mscara investiga-do por Airbus en colaboracin con Fraunhofer IFAM. En este proceso se depositan nano y micropartculas sobre un sustrato o estructu-ra y, posteriormente, se sinterizan por lser. El elemento sensor resultante puede adqui-rir cualquier forma, adaptada no solamente para su propsito ltimo, como la deteccin de grieta o sensorizacin de carga, sino tam-bin para la localizacin especfica en la que se debe colocar el sensor. La figura 10 repre-senta el proceso, donde se dispersan nano o micropartculas en un gas que, a travs de un

Artculos

ndice Noticias12

Figura 8. Energa de resistencia a la fractura (G1c) de (a) una resina de viscosidad baja (R1) y (b) una resina utilizada en la industria aerospacial (R4) dopadas ambas con diferentes tipos de nanocargas

Figura 7. Energa de tenacidad a la fractura (G1c) de laminados de CFRP con diferentes nanodopados

Resumen de ensayos exploratorios

Serie de datos

G1

c (J/

m2)


embudo, se depositan en el sustrato ubica-do en la parte inferior. Finalmente, un lser sinteriza localmente la estructura siguiendo el patrn de deposicin para producir al sensor completo.

Utilizando formulaciones de tintas adecuadas, los modelos de medida de deformacin se im-primieron sobre probetas, tanto de material metlico como compuesto, y se demostr la capacidad de disear a medida la resistividad de los sensores. Adicionalmente, cabe desta-car que se ha conseguido controlar las imper-fecciones de los sensores impresos, debidas a la deposicin extremadamente fina sobre una superficie comparativamente rugosa, hasta el punto de demostrar su capacidad de detectar la deformacin de forma repetitiva y preci-sa, as como una adhesin capa depositada sustrato suficiente como para considerar el uso de esta tecnologa en el desarrollo de sensores para estructuras aeronuticas.

(ii) Tecnologas de superficie

Los desarrollos de productos y procesos en

notecnologa para reducir la absorcin de agua de los laminados de CFRP se considera tambin una aplica-cin clave. Igualmente la resistencia al fuego de las estructuras fabricadas con materiales compuestos se considera de gran inters para las reas del fuselaje con requerimientos de resistencia a fuego, humo y toxicidad.

(iv) Tecnologas de unin

Mientras que la aplicacin de adhesivos con nanopar-tculas incorporadas est relativamente prxima, la explotacin activa de la elevada rea superficial es-pecfica asociada a los nanomateriales, con reaccio-nes qumicas muy aceleradas, todava requiere una investigacin ms extensa. Un ejemplo relativamente nuevo de esta tecnologa es la soldadura de reas de grandes dimensiones.

el campo de las tecnologas de super-ficie se pueden beneficiar de la na-notecnologa, mediante el uso inge-nieril de componentes nanomtricos avanzados para mejorar aplicaciones especficas, como las propiedades de resistencia al desgaste o los recubri-mientos elctricamente conductores. Adems, se estn investigando otros desarrollos prometedores como las superficies y/o recubrimientos con propiedades anti-hielo, hidrfobas, autolimpiables o antibacterianas.

(iii) Propiedades barrera

La respuesta mecnica de los mate-riales compuestos actualmente em-pleados en la estructura aeronutica se ve altamente influenciada por la absorcin de agua de la resina que forma parte de dichos materiales, cir-cunstancia que se traduce en factores de reserva en el diseo y, finalmente, lleva a una penalizacin considerable de peso. Por tanto, el empleo de la na-

Conclusiones

Se requiere un entendimiento detallado de la fsica en la escala del nanmetro para lograr mejorar mediante el uso de la nanotecnologa las propiedades de los materiales ingenieriles utilizados actualmente, mejora que se consi-dera inalcanzable mediante la simple extra-polacin de las relaciones del material a dicha escala. Asimismo, se precisa un mayor es-fuerzo en investigacin para lograr optimizar la fabricacin de productos que incorporen nanotecnologa y sean apropiados para volar.

Aunque no todos los conceptos nanotecnol-gicos aportan progresos considerables para la estructura de los aviones, en lnea con los grandes retos futuros a afrontar por di-cha estructura, se han identificado, ensaya-do y verificado algunos desarrollos altamente prometedores y con gran potencial para su aplicacin en este campo. En particular, el au-mento significativo de las funcionalidades de los materiales, como la integracin de propie-dades elctricas en materiales de otro modo aislantes, as como la significativa mejora de ciertas propiedades mecnicas de los mate-riales y la disponibilidad de tecnologas inno-vadoras de superficie, sensorizacin y unin.

ReferenciasEuropean Aeronautics: a vision for 2020. 2001Fisher, F. A.; Plumer, J.A.; Perala, R.A. Aircraft Lightning Protection Handbook, 1989Laroche, P. et al., Al05-00, 2012, 5, 1-111Kupke, M.; Cuvillier Verlag Gttingen ISBN-13: 9783736901650 2001Martin, C.A.; Sandier, J.K.W.; Shaffer, M.S.P.; Shwarz, M.K.; Bauhofer, W.; Shulte, K.; Windle, A.H.; Compos. Sci. Technol. 2004, 64, 2309-2316Bauhofer, W.; Kovacs, J.Z.; Compos. Struct. 2009, 69, 1486-1498Gojny, F.H.; Wichmann, M.H.G.; Fiedler, B.; Schul-te, K.; Compos. Sci. Technol. 2005, 65, 2300-2313Gojny, F.; Nastalczyk, J.; Roslanied, Z.; Schulte, K.; Chem. Phys. Lett. 2003, 370, 820-824Coleman, J.N.; Khan, U.; Blau, W.J.; Gunji, Y.K.; Carbon 2006, 44, 1624-1652Fiedler, B.; Gojny, F.H.; Wichmann, M.H.G.; Bauho-fer, W.; Shulte, K.; Ann. Chim. Sci. Mat. 2004, 29, 81-94Neumair, M.; Buderath, M.; DGLR-Jahrestagung 2001.

Artculos

ndice Noticias13

Figura 10. Proceso de deposicin en la mesoescala sin mascara, por cortesa de

Optomec

Figura 9. Resistencia a cortadura interlaminar de laminados CFRP dopados con nanotubos de carbono

Defo

rmaci

n

(%

)

Sinterizacinpor lser

NanopartculasTubo de gas

Corriente de partculas

Tiempo de ensayo (s)


Resumen

La industria del transporte tiene como una de sus prioridades la reduccin del consumo de carburante y para ello uno de los puntos cla-ve es la reduccin del peso del vehculo. Esta reduccin de peso es posible con una mejora en el diseo, pero tambin en la utilizacin de materiales ms ligeros y con prestaciones si-milares a los materiales utilizados actualmen-te. Entre estos materiales se encuentran los plsticos reforzados que, con los nuevos de-sarrollos en cuanto a la materia prima como a los procesos productivos, son una muy buena alternativa a los materiales ya existentes.

Palabras clave: Plsticos reforzados, com-posites termoplsticos, hilos hbridos, tejidos hbridos reduccin de peso, cadencia produc-tiva, eficiencia energtica, pultrusin

Abstract

The transportation industry has as one of its priorities the fuel consumption reduction and one of the key points for it is the vehicle light weighting. This weigh reduction is possible

biocombustibles. Por tanto, es lgico que los fabricantes de automviles, trenes y aviones busquen, cada vez ms, piezas que puedan cumplir varios requerimientos al mismo tiem-po. Dentro de estas caractersticas estn la resistencia mecnica, resistencia qumica, durabilidad y reduccin de peso entre otras.

Una de las razones ms importantes del in-ters en la reduccin de peso es la mejora sustancial en la eficiencia del vehculo ya que, con una reduccin de un 10% en su peso to-tal se consigue entre un 6 y un 8% de ahorro en combustible. Actualmente, tres cuartas partes del peso del vehculo son materiales metlicos y aunque es posible reducir hasta un 30% del peso total sustituyendo estos metales por mezclas metlicas ideales, la tendencia a medio y largo plazo es la intro-duccin de mayor porcentaje de materiales polimricos y composites.

La reduccin de peso del automvil mediante la utilizacin de materiales plsticos seguir siendo una tendencia muy marcada en el prximo perodo 2020-2025. De hecho, la re-duccin de peso de todos los componentes

improving the part design but also using ma-terial lighter and with similar features than the material currently used. These materials include reinforced plastics that, with the new developments in terms of raw material and production processes, are a very good alter-native to the existing materials.

Keywords: Reinforced plastics, thermoplas-tic composites, hybrid yarns, hybrid fabrics weight reduction, production rate, energy ef-ficiency, pultrusion

Introduccin

El desplazamiento de un punto A hasta un punto B a menudo requiere gran canti-dad de energa adems de una gran canti-dad de contaminacin no deseada. Pero las tendencias actuales dirigidas a un trasporte ms sostenible muestran como, pensando en global y actuando localmente, es posible moverse de manera ms verde. Entre estas actuaciones podemos destacar el desarrollo del coche elctrico, la reduccin de peso en los vehculos, las ciudades inteligentes o los

del vehculo es actualmente objeto de inves-tigacin, y los plsticos avanzados y materi-ales compuestos plsticos ofrecen un aliger-amiento de peso muy significativo. Se pueden encontrar plsticos reforzados con fibra hasta un 35% menos pesados que las piezas de acero de igual resistencia mecnica.

Entre los materiales plsticos reforzados uti-lizados para reducir el peso en piezas estruc-turales se incluyen las tecnologas de fabri-cacin con fibra continua y el incremento en la utilizacin de plsticos reforzados con fibra de carbono y otros composites de menor coste. Por consiguiente, tanto los plsticos como los composites polimricos son una buena alter-nativa a los metales en cuanto a reduccin de peso para muchos sectores y para el sector transporte en particular donde esta exigencia es uno de sus puntos clave.

Dentro de los plsticos reforzados podem-os distinguir dos grupos bien diferenciados. Los composites de matriz termoestable, que son compuestos bien conocidos en sectores tan diversos como la aeronutica, la auto-mocin o la construccin, y los composites

Artculos

ndice Noticias14

Autora: M Eugenia Rodrguez Responsable de la Lnea de [email protected]

Fundacin Privada ASCAMM.Av. Universitat Autnoma, 23. Parc Tecnolgic del Valls08290 Cerdanyola del Valls (Barcelona)Tfno.: +34935944700www.ascamm.com

Los plsticos reforzados, una alternativa a tener en cuenta para la reduccin de peso en el sector transporte


termoplsticos donde en los ltimos aos ha habido un incremento importante en el de-sarrollo de nuevos materiales, procesos de conformado y en su utilizacin.

En resumen, los plsticos reforzados con fibra presentan las siguientes ventajas:

Alta relacin resistencia/peso

Buena resistencia al desgaste Resistencia a fatiga Rigidez Aislantes trmicos, elctricos, acsticos y

radio translcidos Alta resistencia a la corrosin: Muy buen

comportamiento en ambientes qumicos y marinos

Libertad de diseo y buen acabado super-ficial

Los Composites Termoplsticos y su gran importancia en el sector transporte

Los composites termoplsticos son aquellos que se componen, principalmente, de una matriz termoplstica y un refuerzo de fibra de vidrio, carbono o aramida, aunque pue-den incluirse otros refuerzos como las fibras naturales o fibras metlicas. En cuanto a la matriz, sta puede ser una resina amorfa o semicristalina, con pesos moleculares de me-dios a altos, y englobar tanto plsticos avan-zados como poli(ter ter cetona) (PEEK) o poli(sulfuro de fenileno) (PPS), plsticos in-genieriles como poliamida (PA) o poli(butiln tereftalato) (PBT), o commodities de gran consumo como polipropileno (PP). Las pro-piedades que aporta la matriz al material compuesto son, especialmente, su tenacidad, su resistencia qumica y la reciclabilidad, en-tre otras.

Por tanto, la combinacin de una matriz ter-moplstica con los refuerzos mencionados proporciona un material compuesto de baja densidad, muy buena resistencia mecnica, alta tenacidad, excelente resistencia qumica y a la corrosin, reciclabilidad y posibilidad de ser re-moldeado, adems de la opcin de poder adaptar la composicin en funcin de los requerimientos de la pieza.

Adems, en muchos casos, son dignos sus-titutos de aluminios, aceros o titanio, sien-do 60% ms ligeros y 600% ms rgidos que el acero y 30% ms ligero que el aluminio, poseen una tolerancia al calor mejorada, son 200% ms tenaces que los composites de matriz termoestable y 200% ms rgidos que

En definitiva, los composites termoplsticos, comparados con metales tradicionales as como con plsticos y composites termoes-tables, son ms ligeros, ms tenaces, ms rgidos y ms sostenibles. Al mismo tiempo, es posible producir piezas en gran volumen escogiendo el proceso productivo adecuado.

las piezas de plstico inyectadas. Asimismo, presentan una mayor resistencia a la com-presin, una elevada vida til, a la vez que su produccin y manipulacin no es txica, sien-do tambin reciclables mediante la utilizacin de otros procesos.

Clasificacin de los composites termoplsticos

Los composites termoplsticos se pueden di-vidir en 3 categoras principales:

Composites termoplsticos a partir del compounding

Termoplsticos reforzados con fibras con-tinuas (continuous fibre reinforced ther-moplastics)

Composites termoplsticos avanzados (advanced thermoplastic composites)

El primer grupo, los composites termopls-ticos a partir del compounding, son aquellos compuestos termoplsticos obtenidos de una matriz termoplstica en forma de granza y la aditivacin de cargas o fibras mediante el proceso de extrusin - compounding.

Estos materiales son ampliamente utilizados en la industria de transformacin del plsti-co ya que se consigue mejorar significativa-mente muchas propiedades de los plsticos puros, como la resistencia mecnica, la resis-tencia a la temperatura e incluso el peso final de pieza.

Los aditivos o cargas ms utilizados son las fibras de vidrio, tanto largas como cortas, las fibras de carbono o de aramida e incluso las fibras naturales aunque tambin se utilizan cargas minerales como el talco, el carbonato de calcio u otros aditivos que se utilizan en menor porcentaje como los nanoaditivos o el grafeno.

La utilizacin de este tipo de composites ha posibilitado que el sector de la automocin y, en general, el sector del transporte haya dado un salto importante en el diseo de muchos componentes del vehculo, en el aumento de la resistencia mecnica y en la reduccin de peso.

Artculos

ndice Noticias15

Tabla 1. Comparativa de propiedades mecnicas de materiales metlicos, composites termoestables y composites termoplsticos1

1 Mir M. Atiqullah. Effect of Defects on Mechanical Properties of Composites: Undergraduate Research on Materials. Department of Mechanical Engineering Technology, Southern Polytechnic State University 1100 South Maietta Parkway

Met

ales

C. T

erm

oest

able

sC.

Ter

mop

lsti

cos

Material Densidad Mdulo de Young Resistencia a traccin Mdulo/peso Resistencia a Kg/cm3 GPa MPa traccin/peso Acero SAE 1010 (trabajado 7,87 207 365 2,68 4,72en fro)

Acero inoxidable 7,87 196 1619 2,54 31,017-7PH

Aluminio 6061-T6 2,7 68,9 310 2,61 11,7

Titanio Ti- 6Al-4v 4,43 110 1171 2,53 26,9

Epoxi/FC de alta 1,55 137,8 1550 9,06 101,9resistencia (UD)

Epoxi / FV E (UD) 1,89 39,3 965 2,16 53,2

Epoxi/ Kevlar49 1,38 75,8 1378 5,60 101,8(UD)

PEEK/FC (60% vol) 1,6 138 2068 8,6 129

PP/FV (60% vol) 2,1 20 400 1,0 19,5


Los procesos de transformacin ms cono-cidos son el moldeo por inyeccin o por ex-trusin, aunque en los ltimos aos se han desarrollado nuevos procesos que permiten el moldeo de piezas por inyeccin a partir de granza y aditivos o cargas, unificando as el compounding y el moldeo. Los ms conocidos comercialmente podran ser el IMC (injec-tion moulding compounding) desarrollado por Krauss Maffei y el PushtrusionTM (direct in-line compounding) desarrollado por PlastComp.

Los termoplsticos reforzados con fibra con-tinua, estn formados por una matriz termo-plstica, normalmente PP, PA o PBT, y fibras continuas de vidrio, aramida o carbono, entre otras. Estos materiales llevan en el mercado varios aos pero todava es necesario inver-tir en investigacin y desarrollo con el fin de mejorar las propiedades de las matrices, los refuerzos, los tipos de tejidos as como la va-riabilidad en su composicin para poder fabri-car piezas a medida con los requerimientos

El ltimo grupo dentro de los plsticos re-forzados son los composites termoplsticos avanzados. Estos materiales son muy simi-lares a los anteriores en cuanto a tipologa y procesos de fabricacin. La diferencia ms significativa es el tipo de matriz termopls-tica, ya que son plsticos avanzados como PEEK, poli(ter cetona cetona) (PEKK), PPS o poli(amida imida) (PAI), con muy notables propiedades mecnicas y temperaturas de uso en continuo cercanas a los 300C. Nor-malmente, se combinan con fibras de carbono o aramida y se utilizan en forma de pre-im-pregnados unidireccionales aunque es posible encontrar otras combinaciones en el mercado como hilos y tejidos hbridos y placas pre-im-pregnadas. El inconveniente principal de es-tos materiales, adems de su alto coste, es la temperatura de procesado, ya que en algunos casos es necesario alcanzar los 400C para fundir la matriz y conformar la pieza lo que se traduce en problemas en su manipulacin e inversiones importantes en cuanto a maqui-naria y utillajes.

Sin embargo, a pesar de su alto coste y los inconvenientes en su procesado, los compo-sites termoplsticos avanzados tienen gran

establecidos por los diseadores e ingenieros. Este tipo de compuestos se pueden encon-trar en forma de hilos hbridos, tejidos hbri-dos, placas impregnadas, lminas o cintas y los procesos de transformacin son similares a los procesos de fabricacin de composites termoestables como el moldeo mediante bol-sa de vaco o diafragma, termoconformado/estampacin, pultrusion o bobinado de fila-mentos (filament winding) entre otros. En todos estos casos es importante tener en cuenta que no se manejan resinas lquidas y que el aporte de calor es para fundir la matriz ya que en este tipo de composites no hay un proceso de curado ni post-curado.

Se pueden destacar, como ejemplos de apli-cacin en el sector transporte, paneles de acceso y bordes de ataque del ala, asientos y otros interiores en el mercado aeronutico o vigas de parachoques, conos de choques y otros componentes estructurales en automo-cin.

inters en el sector transporte y ms con-cretamente en la industria aeronutica y en vehculos de alta gama donde los altos re-querimientos mecnicos y la necesidad de reduccin de peso hacen a estos materiales realmente atractivos.

En resumen, podemos afirmar que los pls-ticos reforzados tienen un importante nicho de mercado en muchos sectores, siendo el sector transporte uno de los ms beneficia-dos con el desarrollo de estos materiales ya que pueden proporcionar una reduccin de peso importante si se escoge la combinacin de material/diseo y proceso adecuados. Asi-mismo, son materiales con unas propiedades mecnicas excelentes y una resistencia qu-mica inmejorable adems de su facilidad de ser re-conformados y reciclados.

Es necesario, no obstante, un esfuerzo en I+D para la mejora de la materia prima y po-der as ofrecer una amplia gama de composi-tes a medida, bien sea mediante el desarrollo o modificacin de las matrices termoplsticas como por el desarrollo de nueva combinacio-nes matriz-refuerzo. Por otro lado, para con-seguir entrar en mercados tan competitivos como la automocin es tambin crucial la

Artculos

ndice Noticias16

Figura 1: Comparacin de los diferentes composites termoplsticos con los composites termoestables en trminos de prestaciones y coste

Figura 2: Esquema del proceso de extrusin-compounding para la fabricacin

de composites termoplsticos

Coste

Conocimiento

Termoestablescon fibra continua

TermoplasticoAvanzados con fibra continua

Termoplasticocon fibra continuaTermoplastico

con fibra larga

Termoplasticocon fibra

corta

TERMOPLSTICO

COMPOSITETERMOPLSTICO

Aditivos, cargas y refuerzos


modificacin de los procesos ya existentes e incluso el desarrollo de nuevos proceso que permitan una cadencia productiva y una re-duccin del consumo energtico significati-vas, obteniendo as un coste final de pieza acorde con el sector.

Desde ASCAMM, se ha trabajado y se est trabajando en el campo de los composites termoplsticos en diferentes proyectos de I+D en colaboracin con empresas y centros tecnolgicos de sectores tan diversos como aeronutica, automocin o arquitectura, de-sarrollando nuevos materiales, analizando su influencia en cuanto al diseo y compor-

La pultrusin es un proceso de conformado de composites polimricos que permite fabri-car perfiles con elevadas propiedades mec-nicas y bajo peso debido a su alto contenido en fibras de refuerzo (ms de un 60%) y la baja densidad tanto de la matriz polimrica como del refuerzo. Si adems se selecciona una matriz termoplstica se pueden obtener perfiles re-conformables, es decir, una vez fa-bricado el perfil, se pueden curvar mediante calor.

Si se compara el proceso de pultrusin con otros procesos de conformado de composites se pueden deducir algunas ventajas eviden-tes. Al ser un proceso continuo hay una alta cadencia productiva, la inversin en utillajes no es elevada y, adems, con un mismo mol-de se pueden fabricar piezas con diferentes caractersticas en funcin de la matriz y los refuerzos escogidos.

Uno de estos proyectos de I+D donde se es-tudia el proceso de pultrusin desde la mate-ria prima hasta las caractersticas de la pieza final es INDUSTRUSI, un proyecto colabo-rativo subvencionado por la agencia ACCI de la Generalitat de Catalunya dentro de su programa NUCLIS, donde participan cuatro empresas y dos centros tecnolgicos: Gro-ber S.A. (SAGROBER), lder del proyecto, empresa textil dedicada a la fabricacin de tejidos tcnicos y con una lnea de negocio de composites para aplicaciones industriales y, como socios, Angls Textil S.A. (ANTEX), fabricante de fibras sintticas, Construccio-nes Metalrgicas Especiales S.A. (RUIS-CO-MATEX), empresa fabricante de maquinaria textil, ULTRASION S.L., empresa de base tecnolgica dedicada al desarrollo, la fabri-cacin y explotacin comercial de soluciones industriales basadas en ultrasonidos de alta potencia, CETEMMSA, centro tecnolgico de servicios de I+D que aporta el conocimiento y los laboratorios de tejidos de alto rendimien-to, y ASCAMM, centro tecnolgico de diseo y produccin industrial, que aporta el cono-cimiento y los laboratorios de composites y fabricacin avanzada.

El objetivo principal de INDUSTRUSI es el desarrollo de una innovadora lnea de pultru-

tamiento estructural, diseando y fabricando utillajes especficos que mejoren la producti-vidad y la eficiencia energtica e incluso es-tudiando la combinacin de procesos con el fin de obtener piezas estructurales con alta cadencia productiva. Dentro de las diferentes lneas de investigacin en las que trabaja AS-CAMM est la pultrusin termoplstica, pro-ceso muy similar a la pultrusin de perfiles de matriz termoestable pero con diferencias muy significativas en cuanto al tipo de ma-teria prima, su manipulacin, el diseo de la hilera de conformado y las caractersticas del perfil pultruido.

sin de perfiles de matriz termoplstica donde se introducen dos elementos claves como son la maquina tejedora y un sistema de calenta-miento eficiente como son los ultrasonidos. Todo ello permitir obtener perfiles termo-plsticos a medida de los requerimientos es-tablecidos, alta cadencia productiva y mnimo consumo energtico con un coste competitivo para sectores tan exigentes como la automo-cin, el ferroviario o el aeronutico.

A lo largo del proyecto se han desarrollado diferentes hilos sintticos que se han mez-clado con fibra de vidrio mediante diferen-tes tcnicas, consiguiendo as un hilo hbrido idneo para utilizarse en el proceso de pul-trusin adems de ofrecer unas propiedades mecnicas inmejorables. Asimismo, tambin se han desarrollado gran variedad de tejidos con el fin de conocer los lmites del hilo hbri-do, como sus propiedades mecnicas una vez consolidado.

Por otro lado, se ha comprobado que la intro-duccin de un sistema de ultrasonidos dentro de la lnea de pultrusin no solo ayuda a re-ducir el consumo energtico del sistema sino que tambin mejora la velocidad de produc-cin de los perfiles.

A falta de las pruebas finales donde se pro-bar el sistema completo: tejedora-ultraso-nidos-pultrusin, ya es posible afirmar que es factible obtener perfiles pultruidos de ma-triz termoplstica con elevadas propiedades mecnicas en la direccin o direcciones re-queridas, con una velocidad de produccin y un coste acordes a la demanda del mercado. Adems y gracias a la matriz termoplstica, es posible conformar estos perfiles obtenien-do formas diversas utilizando el proceso y los utillajes adecuados o utilizarse, por ejemplo, como refuerzos en piezas inyectadas.

Por tanto, si analizamos la estructura de un automvil, un tren o un avin, podemos en-contrar piezas metlicas o de composites ter-mostables que pueden sustituirse por perfiles pultruidos o piezas reforzadas con perfil pul-truido escogiendo, eso s, la matriz y el re-fuerzo adecuados a los requerimientos mec-nicos, trmicos y/o qumicos de la pieza final. Ejemplos de este tipo de piezas podran ser

Artculos

ndice Noticias17

Figura 3: Piezas fabricadas a partir de plsticos reforzados con fibra contina.

(Fuente: BondLaminate)

Figura 4: Balancn de poli(ter ter cetona) / fibra de carbono (PEEK/FC)

sustituyendo al aluminio forjado, siendo el primero un 30% ms ligero

(Fuente: EIRE Composites) y costillas de alas de avin de PEEK/FC (Fuente: TENCATE)


traviesas (parachoques, tablero instrumen-tos,), rigidizadores o pilares en automocin, o paneles y diferentes tipos de costillas en aeronaves.

Conclusiones

La necesidad de obtener vehculos ms lige-ros hace imprescindible el desarrollo de pie-zas que bien sea por su diseo como por sus propiedades mecnicas reduzcan su peso y el peso global del vehculo de forma subs-tancial. Para ello, es posible utilizar nuevos materiales ms ligeros y con caractersticas y propiedades excepcionales como los plsticos reforzados o tambin llamados composites termoplsticos.

Sin embargo, a pesar de sus buenas propie-dades, todava es necesario invertir tanto en el desarrollo de estos materiales como en la mejora de los procesos productivos con el fin de obtener piezas igual de competitivas o in-cluso ms que las fabricadas con materiales y procesos ms maduros en la industria.

Desde ASCAMM existe una colaboracin muy estrecha con empresas de materiales, fabri-cantes de piezas del sector transporte as como usuarios finales para el desarrollo y mejora de los plsticos reforzados y proce-sos productivos con el fin de obtener piezas de altas propiedades mecnicas, con elevada cadencia productiva y con el menor consumo energtico posible.

Un ejemplo de proyecto colaborativo es IN-DUSTRUSI donde, se estn consiguiendo resultados relevantes en el desarrollo de per-files pultruidos de matriz termoplstica, ya que es posible obtener este tipo de piezas a medida exhibiendo los requerimientos esta-blecidos, con una productividad notable y una reduccin en el consumo energtico gracias a la introduccin de un sistema de ultrasonidos y al diseo de la hilera.

Artculos

ndice Noticias18

Figura 5: Esquema general del proyecto INDUSTRUSI

Compounding

Hilo hbrido

Hilos hbridos

Almacenamiento y guiado Fabricacin tejidos Calentamiento Conformado Pulling Corte

Caracterizacin

Tejedora

hileraPULLER

PERFIL

CORTADORAUS


Resumen

Los nuevos requerimientos de reduccin de precio y durabilidad en entornos agre-sivos, impuestos a los sistemas elevalunas de los vehculos estn motivando una au-tntica revolucin en el desarrollo de este tipo de sistemas.

En este nuevo escenario, la empresa CSA Castelln Automotive y la Fundacin CI-DAUT han realizado un proyecto completo para el desarrollo de una nueva genera-cin de sistemas elevalunas integrados en material plstico.

Para poder satisfacer los nuevos requeri-mientos, se ha puesto a punto una meto-dologa completa de desarrollo de materia-les con propiedades tribolgicas mejoradas que aseguren la durabilidad de los nuevos sistemas en entornos agresivos. Utilizando la metodologa de desarrollo de Material/Producto/Proceso habitualmente utilizada por la Fundacin CIDAUT, se ha desarrolla-do un innovador prototipo plstico inyecta-do con carriles integrados sobre el que po-der validar todos los estudios realizados.

El conocimiento generado en el presente

proyecto va a permitir a CSA Castelln Au-tomotive posicionarse con ventaja respec-to a sus principales competidores en un tipo de producto en el cual su calidad es ya reconocida por los principales fabricantes de automviles.

Palabras claves: carril elevalunas, ter-moplstico, inyeccin, tribologa, caracte-rizacin mecnica

Abstract

New requirements in terms of price reduc-tion and durability that are being imposed to vehicles window regulators in aggres-sive environments are causing a real revo-lution in the development of this kind of systems.

CSA Automotive and Cidaut Foundation have fulfilled, within this new scenario, a complete project for the development of a new generation of plastic-integrated win-dow regulation rail.

In order to satisfy these novel require-ments, a complete methodology has been set up for the development of materials owning improved tribological

ndice Noticias19

Autores: Jess Poveda1, Guillermo Ramos1, Iaki Fernndez2, Francisco Martnez2

1Fundacin CIDAUT, Investigacin y Desarrollo en Transporte y Energa, Parque Tecnolgico de Boecillo P209, 47151 Boecillo, Valladolid, Espaa.*[email protected] Castelln Automotive, C/ Industria 44, 08291 Ripollet, Barcelona, Espaa*[email protected]

Nuevos desarrollos en Materiales/Producto/Proceso para sistemas elevalunas integrados en plstico


properties that guarantee the durability of the new systems in aggressive environments. By using the Material/Product/Process meth-odology regularly adopted by Cidaut Founda-tion, an innovative plastic injected prototype with integrated rails has been developed and will be used to validate the accomplished studies

The knowledge generated within the current project will allow CSA Automotive gaining an advantageous position in relation to their competitors with a kind of product whose quality is already agreed by the main vehicles manufacturers.

Keywords: window regulators, thermoplas-tic, injection, tribology, mechanical character-ization

Introduccin

Nuevos requerimientos tcnicos, asociados a los diferentes entornos que tienen que so-portar los vehculos en pases emergentes, surgen continuamente junto a las crecientes exigencias habitualmente impuestas por los fabricantes de vehculos (OEMs) en los m-bitos de reduccin de precio, reduccin de peso, reciclabilidad y durabilidad, Estas nue-vas exigencias son particularmente importan-tes para los fabricantes de mecanismos que han de funcionar, de manera robusta, durante muchos aos en condiciones ambientales ad-versas y cambiantes.

De entre todos los mecanismos presentes en el vehculo, uno de los ms delicados es, sin duda, el sistema de elevalunas. Este sistema, sometido a infinidad de accionamientos du-rante toda la vida til del vehculo, tiene que soportar requerimientos mecnicos impor-tantes. Unido al peso de la luna, las fuerzas de accionamiento necesarias para conseguir mover el sistema en un tiempo adecuado pro-vocan fuertes solicitaciones mecnicas sobre todos los componentes del sistema. Adems, hay que tener en cuenta otras solicitaciones que, habitualmente, tiene que soportar este sistema, por ejemplo el inevitable portazo al cerrar la puerta del vehculo.

Adicionalmente, este tipo de mecanismos es-tn inmersos en el mismo proceso de modifi-cacin y rediseo que otras muchas piezas del vehculo. Para poder cumplir las demandas de los clientes anteriormente mencionadas (reducciones de peso y precio, reciclabilidad, durabilidad) los nuevos desarrollos estn mi-grando desde materiales metlicos hacia ma-teriales plsticos e, inevitablemente, desde mdulos individuales a sistemas integrados.

Este proceso, que comenz hace unos pocos aos, se est viendo profundamente alterado por una nueva exigencia fruto de muy ma-las experiencias en la durabilidad de estos sistemas en entornos caracterizados por la presencia de polvo atmosfrico. En los pa-ses emergentes, donde la red de carreteras no est todava completamente desarrollada, los vehculos se ven obligados a transitar por caminos que desprenden polvo. Este polvo se introduce en los mecanismos de elevalunas y, entre otras cosas, reduce drsticamente la efectividad de los elementos lubricantes (gra-sa) que aseguran el correcto deslizamiento en el sistema carril/carro. Por lo tanto, los clientes empiezan a demandar sistemas in-tegrados en plstico que, adems, funcionen sin la presencia de ningn tipo de lubricante que pudiera verse afectado por el contacto con el polvo desprendido de los caminos sin asfaltar.

Este nuevo requerimiento, aparentemente sencillo, est provocando grandes quebrade-ros de cabeza a las empresas que disean y fabrican este tipo de mecanismos. Es nece-sario, por tanto, un nuevo enfoque en el de-sarrollo de este tipo de sistemas para poder solventar las complicaciones asociadas a este nuevo elemento: nuevos materiales, nuevos diseos y, muy probablemente, nuevos pro-cesos de produccin asociados.

La empresa CSA Castelln Automotive

La Sociedad Castelln Automotive (CSA), fundada en 1.929, posee tres grandes divi-siones: sistemas elevalunas, columnas de direccin y cables de control. En la Figura 1 pueden observarse los productos tipo que, histricamente, ha fabricado la empresa CSA.

Artculos

ndice Noticias20

Figura 1: Productos tipo de CSA Castelln Automotive que incluyen: regiuladores de elevalunas (window regulators), columnas de direccin (steering columns)

y cables de control (control cables).

En la actualidad, la principal divisin de la empresa, tanto por volumen de negocio como por crecimiento es la divisin de elevalunas y sistemas de puerta. La Figura 2 muestra los principales tipos de productos desarrollados y fabricados por CSA Castelln Automotive dentro de esta lnea: todo tipo de sistemas de elevalunas convencionales (ral simple, doble ral, sistemas sin marco, mdulo integrado) para un gran nmero de fabricantes (tanto para grandes plataformas como para modelos ms exclusivos y de tiradas ms cortas).

La Figura 3 identifica, a modo de ejemplo, al-gunos de los modelos de coches dotados con sistemas de elevalunas diseados y fabrica-dos por CSA Castelln Automotive.

A pesar de contar con menor tamao que sus principales competidores, la empresa CSA ha mantenido siempre una elevada conside-racin a nivel tcnico y de excelente calidad

dentro de su sector. Sin embargo, la irrup-cin de los sistemas de puerta integrados en plstico estn desplazando en algunos casos los elevalunas convencionales, posicionndo-se como estndar en algunos clientes. Dichos sistemas integran diversos componentes del entorno puerta (la cerradura, el cableado, los mandos de apertura, etc.), encontrndose entre ellos el elevalunas completo carriles incluidos-, quedando incluido dentro del pro-ceso de inyeccin del propio mdulo.

CSA posee amplia experiencia en el diseo funcional de este tipo de sistemas pero no cuenta con un elevado conocimiento tcnico en el diseo y transformacin de materiales plsticos estructurales de bajo coste (como por ejemplo el polipropileno reforzado con fibra de vidrio larga). Es en este escenario en el se enmarca el proyecto de Colaboracin entre CSA Castelln Automotive y la Funda-cin CIDAUT.


CSA necesita posicionarse en este nuevo es-cenario y, para ello, se parte del anlisis del estado actual de los desarrollos de este tipo de productos en material plstico, de las li-mitaciones inherentes a los mismos y, so-bre todo, de las oportunidades asociadas a los nuevos requerimientos impuestos por los clientes respecto a la eliminacin de los sis-temas de lubricacin. Este objetivo implica-r, necesariamente, nuevos desarrollos que tengan en cuenta todos los aspectos involu-crados, nuevos materiales, nuevos diseos y nuevos procesos de transformacin asocia-dos.

Para alcanzar este objetivo se ha utilizado la metodologa de desarrollo de Material-Pro-ducto-Proceso habitualmente empleada en la Fundacin CIDAUT (Figura 4). Dicha metodo-loga comienza con el anlisis exhaustivo del cuaderno de cargas funcionales del produc-to a desarrollar. A continuacin se realiza la caracterizacin completa de los materiales a considerar. Con la caracterizacin de los ma-teriales utilizables y los requerimientos fun-cionales reflejados en el pliego de cargas se

realiza todo el proceso de diseo y re-diseo del producto, utilizando los resultados de las simulaciones (mecnicas, trmicas, reolgi-cas, acsticas, etc.).

Una vez que, virtualmente, el diseo de con-cepto del producto cumple con todas las es-pecificaciones reflejadas en el pliego de con-diciones, se procede a realizar el diseo de detalle, incorporando las consideraciones de factibilidad asociadas a la tecnologa utilizada para su obtencin. Con el diseo de detalle concluido se procede al diseo y fabricacin de utillaje. Posteriormente, se emplear el utillaje fabricado para la implementacin del proceso productivo y la obtencin de proto-tipos fsicos funcionales. El ltimo paso de la metodologa utilizada es la validacin del pro-totipo fsico obtenido. En funcin de los resul-tados obtenidos en el proceso de validacin se dar por concluido el proceso de diseo o, en el peor de los casos, se proceder a un re-diseo parcial para poder superar el proceso de validacin impuesto en el pliego de condi-ciones contra el cual se ha realizado el diseo del material/producto/proceso.

Artculos

ndice Noticias21

Figura 4: Metodologa de trabajo empleada en el desarrollo de Material-Producto-Proceso.

PLIEGO DE CONDICIONES

DISEO PRODUCTO

PROTOTIPOSFUNCIONALES

FABRICACIN UTILLAJE

DISEO UTILLAJE

CARACTERIZACINMATERIALES

VALIDACINSIMULACIN

SIMULACIN PRODUCTO/PROCESO

VALIDACIN

Figura 2: Productos de la lnea Window Regulators de CSA Castelln Automotive.

Land Rover - Coche utilitario deportivo (J)

Ford - Coche subcompacto (B)Ford - Coche compacto (C)Ford Coche de tamao medio (D)Ford Coche Multipropsito (M)Jaguar - Coche de lujo (F)Aston Martin - Coche de lujo (F)Aston Martin Deportivo coup (S)

Ford - Coche subcompacto (B)Ford - Coche compacto (C)Ford Coche de tamao medio (D)Jaguar - Coche de lujo (F)Iveco Vehculo industrial

Aston Martin Deportivo coup (S)

Figura 3: Ejemplo de elevalunas desarrollados y fabricados por CSA Castelln Automotive.

Aston Martin ONE77Aston Martin Ventage


Mdulo integrado

Reguladores de elevalunas de Ral nico

Reguladores de elevalunas laterales traseros

Reguladores de elevalunas de doble camil y sistemas sin marco

Aplicando la metodologa general anterior-mente expuesta al caso particular de los carriles de elevalunas, cabe destacar las si-guientes particularidades:

En primer lugar, la importancia relativa que cobra la correcta eleccin de los materiales plsticos a emplear en este desarrollo. Ana-lizando los cuadernos de carga del compo-nente, puede apreciarse que los carriles de elevalunas se ven sometidos a severas solici-taciones mecnicas, trmicas, acsticas y tri-bolgicas. Por tanto, los materiales a utilizar tanto en el carro como en el carril elevalu-nas deben poseer caractersticas intrnsecas que les permitan soportar las solicitaciones a las que van a estar sometidos y, adems, de manera constante para poder garantizar la funcionalidad del sistema durante su vida til. Las actividades realizadas en esta lnea de trabajo se relatan de forma pormenoriza-da en la fase concepto.

En segundo lugar, cabe destacar la compleji-dad tanto de los clculos de simulacin nece-sarios para el desarrollo del producto/proceso como de la caracterizacin completa de los materiales utilizados. El sistema est some-tido a requerimientos estticos (stall), di-nmicos (slam) y de fatiga (tope de carre-ra). Cada uno de los requerimientos se han de satisfacer a distintas temperaturas (-20 y 80C). Adems, los componentes del sistema van a obtenerse mediante un proceso de in-

Eleccin y caracterizacin de materiales

La eleccin y posterior caracterizacin de los materiales utilizados en este proyecto ha te-nido dos vertientes. Por un lado, se ha reali-zado la caracterizacin mecnica completa de los materiales pre-seleccionados y, por otro, se ha realizado la caracterizacin tribolgica de los pares carro/carril preseleccionados.

yeccin, durante el cual las fibras de refuerzo de los materiales compuestos van a romperse (sobre todo en el caso de utilizar materiales reforzados con fibra de vidrio larga) y a orien-tarse, haciendo que las propiedades finales reales de los materiales inyectados vayan a ser muy distintas en cada zona del produc-to, en funcin de las variables especficas del proceso de inyeccin utilizadas (direccin de flujo, velocidad de inyeccin, nivel y tiempo de mantenimiento de la presin posterior, temperaturas de masa y de molde, etc.). Las actividades realizadas en esta lnea de traba-jo se relatan de forma pormenorizada en la fase prototipo.

Fase Concepto

La fase concepto engloba todos los estudios realizados para la eleccin de los materiales a utilizar en el proyecto y la caracterizacin completa de los mismos en las condiciones reales de transformacin, lo que va a permitir su utilizacin en las simulaciones realizadas para el desarrollo de producto de manera que se puedan obtener resultados predictivos.

Adems de las caracterizaciones realizadas sobre probeta, en esta fase se ha diseado y fabricado un molde concepto que permite obtener un carril concepto muy simplificado (nicamente la zona del carril donde se pro-duce el deslizamiento del carro), utilizado en una primera validacin de los resultados ob-tenidos en las caracterizaciones mecnicas y tribolgicas.

La Figura 5 muestra el carril concepto desa-rrollado. Para llevar a cabo un estudio por-menorizado se han diseado productos con distintos espesores y se ha fabricado un mol-de que permite la obtencin sencilla de di-chos productos sin necesidad de desmontar el molde de la mquina inyectora.

Para el diseo del producto y del molde se realizaron previamente las correspondientes simulaciones reolgicas (ver Figura 6) que posibilitaron garantizar el llenado adecuado del molde, el enfriamiento correcto del pro-ducto y el dimensionado de la mquina inyec-tora en la que iba a obtenerse.

Para el material utilizado en el carril, la principal caracterstica es el comportamiento mecnico (tanto a baja, como a alta tempera-tura). En el presente proyecto se compararon distintos materiales reforzados con fibra de vidrio. En particular se ha comparado el com-portamiento de un polipropileno (PP) refor-zado con fibra de vidrio larga (LGF) (con un

Artculos

ndice Noticias22

Figura 6: Simulaciones reolgicas del carril concepto desarrollado para la fase concepto del proyecto.

Tiempo de llenado (aprox. 1.632 s)

diagnstico de espesor de malla (mm) representacin XY de fuerza de sujecin

presin de cambio en el V/P (55.06 MPa)

Figura 5: Carril concepto desarrollado para la fase concepto

del Proyecto.

Tabla 1: Comparativa de propiedades mecnicas entre materiales utilizables en el carril.

E (MPa) E_80 (MPa) HDT (0C) Charpy (KJ/m2) Charpy_e (KJ/m

2)

POCAN 15.700 9.270 213 33,3 8,1

PP 30%LGF 5.270 3.830 153 51,9 17,4


contenido en peso del 30%) con una mezcla poli(etiln tereftalato)/poli(butiln tereftala-to) (PET/PBT) reforzada con fibra de vidrio corta (contenido en peso del 45%). El poli-propileno reforzado con fibra de vidrio larga es, como se ha comentado anteriormente, el que se est utilizando habitualmente en este

tipo de aplicaciones. La utilizacin de la mez-cla PET/PBT (POCAN de la marca Lanxess) es una interesante y novedosa alternativa para este tipo de productos. La matriz PET/PBT es, inicialmente, ms cara que la ma-triz PP. Sin embargo, con la introduccin de la fibra de vidrio se puede obtener un ma-

terial compuesto con propiedades mecnicas superiores respecto al PP reforzado con fibra de vidrio larga y utilizar dichas propiedades mecnicas mejoradas para conseguir diseos con menor espesor y prestaciones de durabi-lidad superiores en entornos agresivos. Para poder comparar los dos tipos de materiales se ha realizado un profundo proceso de ca-racterizacin mecnica utilizando mltiples propiedades mecnicas representativas. La Tabla 1 detalla la comparativa de propiedades entre los dos materiales. Resulta evidente que las propiedades mecnicas de rigidez y la temperatura de reblandecimiento (HDT) que presenta el material POCAN son muy superio-res a las del PP+30%LGF. Estas propiedades mecnicas posibilitan (tal y como se ver en la fase prototipo) implementar diseos de ca-rriles integrados con menor deformacin ante solicitaciones a elevada temperatura.

Por otra parte, tambin puede apreciarse que el comportamiento respecto a la energa di-sipada en caso de impacto (Charpy y Char-py con entalla Charpy_e) es inferior en el caso del material POCAN. Este hecho no es relevante en el desarrollo de elevalunas inte-grados, dado que, en ningn caso, esta pieza tiene como misin principal disipar energa en caso de impacto. El comportamiento ante impacto que presenta el material POCAN es suficiente para satisfacer las solicitaciones impuestas en su cuaderno de cargas.

Para el material utilizado en el carro, la principal caracterstica es el comportamiento tribolgico. En particular, interesa estudiar la variacin temporal de los coeficientes de ro-zamiento (tanto esttico como dinmico) en-tre el material del carril y el material del carro. Como ya se ha indicado anteriormente, uno de los principales problemas que actualmente existe en el desarrollo de carriles elevalunas integrados en plstico es asegurar la durabili-dad del funcionamiento bajo condiciones ex-tremas de polvo atmosfrico. La necesidad de eliminar el elemento lubricante (grasa) entre los dos elementos fundamentales del sistema (carro y carril) implica mejorar el comporta-miento tribolgico del material utilizado en la fabricacin del carro.

En la Figura 7 puede observarse el medio de

Artculos

ndice Noticias23

Figura 8: Ensayo en carril concepto de la combinacin de materiales seleccionada.

Figura 7: Medio de ensayo utilizado para la caracterizacin tribolgica y resultados obtenidos

( variacin inicial-final en los respectivos coeficientes, en %).

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Rozamiento dinmico

Rozamiento esttico

9: Caractersticas del material plstico utilizado en el carril delelevalunas prototipo desarrollado.

Velocidad de cizalla (1/s) temperatura (C)

Volumen especfico vs Temperatura

Vis

cosi

dad

(Pa.

s)

Volu

men

esp

ecfi

co (

cm3 /

g)


ensayo diseado y fabricado en la Fundacin CIDAUT para estudiar estos fenmenos en profundidad.

Se han realizado, aplicando ese medio de en-sayo, estudios comparativos entre distintos pares de materiales susceptibles de utilizar-se en la fabricacin del conjunto carro/carril. Para el carril, tal y como se ha expuesto an-teriormente, se ha empleado un polipropileno reforzado con fibra de vidrio larga y una mez-cla PET/PBT reforzada con fibra de vidrio cor-

de materiales que se pueden formar con las combinaciones de los materiales carro/carril.

Cada una de las combinaciones de materiales es sometida a un ensayo de 26.000 ciclos (tal y como especifica el cuaderno de cargas). La magnitud de referencia para estudiar el com-portamiento de cada combinacin de mate-riales es el coeficiente de rozamiento (tanto esttico como dinmico).

La metodologa del ensayo es relativamente sencilla. Consiste en medir los coeficientes de rozamiento a distintos tiempos de ejecucin

ta. Para el carro se han utilizado materiales tipo Poliacetal (POM) debido a su buen com-portamiento tribolgico intrnseco. En parti-cular, se ha estudiado un material estndar con base Poliacetal modificado con dos aditi-vos (a los que denominaremos genricamen-te H y T) para mejorar su comportamiento tribolgico.

Con el medio de ensayo expuesto se han po-dido extraer interesantes conclusiones del comportamiento de cada una de las parejas

del ensayo. Considerando como referencia los coeficientes medidos inicialmente se pue-de determinar la evolucin temporal de dicha variable. Los coeficientes de rozamiento ini-ciales son crticos porque estn directamente relacionados con las fuerzas de accionamiento del sistema elevalunas. Sin embargo, lo ver-daderamente importante es estudiar la varia-cin temporal de dichos coeficientes porque estn muy estrechamente relacionados con la variacin de la funcionalidad del sistema. Si los coeficientes de rozamiento entre los ma-teriales se mantienen ms o menos constan-

Artculos

ndice Noticias24

Figura 11: Orientacin de fibra en el carril del elevalunas integrado prototipo

desarrollado.

Orientacin promedio de fibraTiempo = 35.02 s

Figura 10: Secuencia de llenado del elevalunas integrado prototipo desarrollado.

Tiempo de llenado

Tiempo de llenado

Tiempo de llenado

Tiempo de llenado

Tiempo de llenado

Tiempo de llenado


tes ( bajos), las fuerzas de accionamiento se mantendrn muy acotadas en valores si-milares a los nominales. Sin embargo, si los coeficientes de rozamiento entre materiales se elevan sensiblemente ( altos), las fuerzas de accionamiento pueden alcanzar valores no tolerables para la potencia de accionamiento y/o la integridad estructural del sistema.

Utilizando esta variable como variable de control y el medio de ensayo desarrollado se ha realizado un estudio comparativo entre las cuatro combinaciones posibles de materiales. En la Figura 7 se muestran los resultados ms significativos. Aunque, por obvios motivos de confidencialidad, no se pueden proporcio-nar datos concretos se puede concluir que la combinacin entre el material POCAN para el carril y el material con modificante H para el carro ha reportado los mejores resultados.

Con los resultados obtenidos en la fase de eleccin de los materiales para el sistema ele-valunas se ha procedido a su validacin par-cial utilizando el carril concepto desarrollado. En la Figura 8 puede apreciarse el montaje realizado para la validacin de los materiales seleccionados. El sistema completo ha sido expuesto a 26.000 ciclos de funcionamiento, observndose un comportamiento muy esta-ble en cuanto a las fuerzas de accionamiento necesarias.

Fase Prototipo

Una vez elegidos de forma adecuada los ma-teriales con los que se va a realizar el sistema elevalunas, se procede al diseo y re-diseo de cada uno de sus componentes. En particu-lar, nos vamos a centrar en el proceso de di-seo completo del componente ms comple-jo, el carril integrado en plstico. Utilizando la metodologa de desarrollo de material/pro-ducto/proceso anterior se van a considerar a la vez estos tres aspectos en el desarrollo.

A partir de un diseo inicial conceptual basa-do en el anlisis de las necesidades del cliente (incluyendo la geometra de la puerta y la for-ma de montaje del sistema) y el conocimien-to (know-how) pre-existente de CSA Caste-lln Automotive, se procedi al pre-diseo del molde de inyeccin y del proceso completo

presiones de inyeccin. De la misma forma, se evaluaron las zonas donde quedaba el aire atrapado y las posibles lneas de soldadura. En este caso en particular, resultaba muy importante estudiar la existencia y posicin de las lneas de soldadura al tratarse de un producto con elevadas solicitaciones mecni-cas. Para evitar posteriores sorpresas en el proceso de validacin, es necesario conocer los puntos dbiles asociados a la presencia de dichas lneas de soldadura, logrndose la co-locacin de las lneas de soldadura en posicio-nes no crticas mediante modificaciones del diseo de producto y del molde. Igualmente importante, fue el estudio de la orientacin

de transformacin para la obtencin del sis-tema. En este caso, se opt por un sistema de inyeccin secuencial de cinco puntos. Para dar soporte a este pre-diseo se realizaron las simulaciones correspondientes del proce-so completo de inyeccin, partiendo de una buena caracterizacin reolgica del material utilizado (POCAN) (Figura 9).

Las figuras siguientes muestran los principa-les resultados obtenidos.

En primer lugar, se analiza (Figura 10) el pro-ceso de llenado. El sistema de inyeccin se-cuencial se ha diseado para conseguir un lle-nado completo, homogneo y equilibrado en

de la fibra en el producto inyectado. Al tratar-se de un material compuesto reforzado con fibra de vidrio, la orientacin de la fibra con-diciona sensiblemente las propiedades mec-nicas reales del material una vez inyectado. Dicha orientacin est determinada tanto por el diseo del producto como por el diseo del proceso y del molde.

En la Figura 11 puede observarse el resultado final de la orientacin de la fibra tras el pro-ceso de inyeccin.

En particular, es obligado analizar la orienta-cin de la fibra en las zonas donde las solici-taciones mecnicas van a ser mximas. En este caso, haba que analizar en detalle la orientacin de la fibra en los nervios estruc-turales que unen los apoyos de las poleas con el resto de las piezas, habindose consegui-do que en estos nervios las fibras se orien-ten en direccin longitudinal (tal y como se muestra en la parte inferior de la Figura 11), lo que garantiza que el material presente el mejor comportamiento mecnico posible en la direccin en la que se van a aplicar los ma-yores esfuerzos. Una vez elegidos los mate-riales a utilizar y determinadas las orientacio-nes reales de fibra que se van a producir en cada zona del producto, se procedi a la ca-racterizacin mecnica completa. Con estas caracterizaciones se obtuvieron los modelos de comportamiento a incorporar a las simula-ciones mecnicas (estt

revista_plasticos_694_octubre-2014.pdf

Documents