Materiales compuestos en máquina herramienta

Joseba Pujana

Motivación en el empleo de materiales compuestos

Ventajas del aligeramiento-Reducción de inercias (masas móviles)-Aumento en velocidades-Aumento en aceleraciones, jerk-Aumento de frecuencias naturales-Aumento de precisiones

Pero también…¡contención de gastos!

¡¡¡Aumento de la productividad!!!

Material compuesto

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Co

sto

, €/k

g

050

100150200250300350400450

Mó

du

lo d

e r

igid

ez,

Mp

aMódulo de rigidez Poliéster-Vidrio: 20 MPaMódulo de rigidez Epoxi-Carbono: 70 Mpa

Módulo de rigidez acero: 200MPa 0

50

100

150

200

250

Mó

du

lo d

e r

igid

ez

esp

ecí

fico

, M

Pa/

(kg/

dm

^3)

Laminados cuasi-isótropos

Un requisito fundamental de los laminados es que han de ser simétricos

y equilibrados

Elección del compuesto

Termoestables Termoplásticos

Pre-pregFibra seca

Unidireccional Textiles 2D Textiles 3D

Estructura sándwich

Espuma

Nido de abeja

Balsa

TwillPlain Satin Basket

Compuesto

Metal

Tipo de resinaNúcleo Pieles

Elegir el material compuesto para una estructura es

complejo!!!

Formato de lámina

Formato de fibra

Estructura sólida de compuesto

Requisitos necesarios en estructuras ligeras

Estructuras ligeras óptimas: combinación de diseño+material

En el diseño de estructuras ligeras se tomará como referencia:1.- Rigidez a flexión

2.- Frecuencia del 1er modo

3.- Rigidez a torsión

4.-Rigidez en deformaciones locales

Análisis comparativo de estructuras

Se establece como análisis comparativo el comportamiento de vigas empotradas y vigas simplemente apoyadas.

L=2000mmLado=400mm F=2000N

M=100Nm

F=50000NM=2000Nm

L=3000mmLado=700mm

1.-Análisis a flexión

*Se ha observado un comportamiento similar en la viga simplemente apoyada.

Comentarios: -Para un peso de 200kg una deformación de 0.075mm en compuesto y 0.15mm en acero.-Para una deformación de 0.1mm se necesitan 280kg en acero y 150kg en compuesto.

Comparativa fibra de carbono/epoxi-acero

2-3.-Análisis de vibración y torsión

*Se ha observado un comportamiento notablemente mejor en la viga simplemente apoyada.

Comparativa fibra de carbono/epoxi-acero

1er modo 50Hzacero: 280kg compuesto : 160kg

TorsiónSimilar entre acero y el compuesto

Comparativa de coste

Comparación de 1er modo:Para un coste de 1000€ en acero se conseguiría un primer modo de flexión a 66Hz, mientras que en compuesto a 35Hz

Comparación a flexión:Para el mismo coste de 1000€, se conseguiría una deflexión de 0.05mm en acero y 0.34mm en compuesto

4.-Deformadas locales

-Uno de los grandes retos de las estructuras fabricadas en material compuesto es tratar de contener las deformadas locales.-Las deformadas locales suelen estar dominadas por efectos de flexión local->la menor densidad del compuesto lleva a ahorrar peso respecto del acero->mayores espesores de pared-El mejor ratio peso/rigidez en núcleos sándwich se consigue con estructuras hexagonales.-Las espumas metálicas constituyen una de las posibles soluciones para estructuras ligeras de máquina.

Ni, C.Y., Lu, T.J., Chen, C.Q., Xi’An Jiatong University

Uniones

- Los compuestos termoestables no se pueden soldar ni conformar por fundición.- La alternativa de construcción menos dañina es el pegado.- Se emplea el atornillado y remache pero cortan las fibras y dejan bordes abiertos que favorecen el inicio de la deslaminación.- La modelización de las uniones adhesivas no está resuelta pero una unión adhesiva bien realizada es fiable.

Métodos de fabricación

CFRP panel sandwich

CFRP monolítico

Escuadra CFRP

Pegado estructural

Fijación mecánica

Coste= 6300€+28500€/nn: número de carneros fabricados

Métodos de fabricación

Pegadoestructural

FijaciónMechánica

CFRP 2 mitades monolíticas

Coste= 4800€+32200€/nn: número de carneros fabricados

Métodos de fabricación

CFRP construcciónmonolítica

Láminas de carbono

Area de overlapping

Coste= 4668€+37700€/nn: número de carneros fabricados

Carnero en fibra de carbono

Carnero en fibra de carbono

Compotech Toshiba

Tekniker+CMI+GaikerA. Merlo et al. Cesi, Fidia, U. Brescia, B. National Council of Research

www.map-wzm.de

IWU 2013 (EMO)

Conclusiones

1.- Los materiales compuestos en base carbono son caros y permiten alcanzar prestaciones que los materiales metálicos no pueden. El vidrio no es competitivo.

2.- El aumento de la productividad alcanzado en máquinas más ligeras justifica el gasto adicional del empleo de compuestos.

3.- El ahorro de peso y mejora de propiedades es máxima cuando se eliminan todas las partes metálicas posibles-> Empleo de adhesivos estructurales

4.-Los métodos de fabricación actualmente empleados no son competitivos. Hay que diseñar pensando en fabricar con compuestos->procesos automáticos de fabricación y diseños de componente adaptados al proceso

Eskerrik asko

Gracias

Rigidez frente a deformadas locales