Jornada Técnica de la PTFE: INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN EN MATERIALES CON APLICACIÓN EN EL ÁMBITO FERROVIARIO Madrid, 26 de febrero de 2015

Transcripción

1 Jornada Técnica de la PTFE: INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN EN MATERIALES CON APLICACIÓN EN EL ÁMBITO FERROVIARIO Madrid, 26 de febrero de 2015 Nuevos materiales para aplicaciones ferroviarias. Visión CIDAUT Alberto Montes Fundación CIDAUT

2 Estado de la técnica: Materiales Car-Body COMPOSITES ACERO ALUMINIO Alta resistencia y módulo elevado (E = 2.1e +11 N/m 2 ) (Rotura = 300 Mpa) Peso elevado (ρ = 7850 kg/m 3 ) Material barato Manipulación sencilla Utillajes y equipos muy caros Problemas de corrosión Módulo menor al del acero (E = 7.0e +10 N/m 2 ) (Rotura = 400 Mpa) Más ligero que el acero (ρ = 2700 kg/m 3 ) ρ y E del aluminio es 3 veces inferior al acero (El bajo módulo se compensa aumentando el espesor por lo que la disminución de peso no es tan radical) Buena manipulación Utillajes y equipos caros Mal envejecimiento (fatiga)????? FIBRA DE CARBONO: Buena resistencia. (E = e +11 N/m 2 ) (Rotura = 1000 Mpa) Muy ligero (ρ = 1500 kg/m 3 ) Material caro Manipulación dificultosa y cara. Utillajes baratos FIBRA DE VIDRIO/ SMC (termoestable) Modulo bajo y buena resistencia (E = 0.3e +11 N/m 2 ) Poco peso (ρ = 1800 kg/m 3 ) Material barato Manipulación dificultosa y cara Utillajes y equipos baratos PRESENTE FUTURO

3 Estado de la técnica: Composites COMPOSITES Poliéster, viniléster, resinas fenólicas, resinas modificadas de acrílico líquido..- Fibras de vidrio en una variedad de formas. Fibras continuas, fibras cortadas, unidireccionales, tejidos multi-direccionales Fibras de carbono Polímeros de espuma. Requerimientos estruct. / fuego Características de transformación Coste material / proceso Volumen de producción PROCESOS DE FABRICACIÓN Hand Lay-Up Capas de fibra a mano Vacuum Resin Infusion (VI) Resin Transfer Molding (RTM) Structural Sandwich Bonding Pullwinding (Pultrusión) APLICACIONES ACTUALES: Cabinas de los vehículos: Fácil modelado con estructuras tipo sandwich Geometría compleja (Aerodinámica, integración de funciones ) Series pequeñas Interior de componentes: Asientos y paneles. Se adapta a tecnología RTM Geometría compleja Series medias Elevado potencial de uso en la próxima generación de estructuras para el transporte Ligeros Durables Facilidad de moldeo

4 Necesidad Trenes cada vez más pesados (nuevas funcionalidades / equipamiento) Crashworthiness Confort (Calefacción y Aire acondicionado) Comodidad (tomas de corriente, tv, asientos reclinables.) Accesibilidad BARRERAS Sector Conservativo Obstáculos económicos, reglamentarios o del operador que impiden el uso de composites (Barrera importante a los composites) Falta de confianza del cliente de funcionamiento y cometido a largo plazo y durabilidad de los nuevos materiales Necesario resolver ciertas cuestiones técnicas para el uso de composites (Diseño y fabricación) Desarrollo y aplicación de nuevos conceptos de componentes y estructuras basadas en material composite estructural y procesos de fabricación para aplicaciones ferroviarias Aligeramiento Incremento del rendimiento Mayor velocidad y aceleración Reducción de Energía consumida. Eficiencia energética Reducción de emisiones Menores costes de operación / servicio Incrementar la capacidad (peso por eje): viajeros / mercancías Disminución mantenimiento Reducción de desgastes de vía (mantenimiento infraestructura) Tecnología que permite el aligeramiento combinado con otras características Bajo peso Seguridad contra incendios (resinas y retardantes del fuego) Rigidez Resistencia a los impactos Reparabilidad Resistencia a la corrosión Aislamiento térmico / acústico 70-80% de la masa actual susceptible de reducciones de peso debido a cambios de material (30-35% reducción) Carrocería Asientos (RTM; Rápido, automático y bajos costes de producción) Cabina de conducción Puertas COMPOSITES

5 Necesidad ERRAC (European Rail Research Advisory Council) Strategic Rail Research Agenda Demandas de los ciudadanos europeos en los próximos años Se centra en cinco áreas temáticas: Interoperabilidad Movilidad inteligente Seguridad ferroviaria (Safety and Security) Medio ambiente Materiales y métodos innovadores de producción Propiedades de resistencia al impacto Aligeramiento Reducción de emisiones y consumo Aligeramiento (peso eje) Aumento de capacidad Aumenta la frecuencia (sin dañar infraestructura) COMPOSITES European Railway Business Scenario 2020 Duplicar la cuota de Mercado para pasajeros y mercancías Triplicar el volumen de pasajeros y mercancías respecto niveles del 2000.

6 Principales dificultades para el uso COMPORTAMIENTO CONTRA EL FUEGO Reacción al fuego (inicio y propagación) y resistencia al fuego (integridad) Resinas orgánicas (degradación, humos) Nuevos materiales o aditivos. Selección de materiales, diseño y fabricación (compromiso comportamiento fuego, características mecánicas, acabado superficial ) Resinas con buen comportamiento contra el fuego (resinas halogenadas, fenólicas, resinas acrílicas.) REPARABILIDAD: ESTANDARIZACIÓN Inspección Detección Reparación SEGURIDAD CONTRA INCENDIOS REPARABILIDAD RECICLAJE TECNOLOGÍA DE UNIÓN Estructuras híbridas: Transición gradual (Confianza en la tecnología) Tecnología critica de unión entre diferentes materiales: Adhesivos / uniones mecánicas / combinación de ambas Modelado y Ensayos: Eficientes y efectivos procedimientos de prueba de la unión (Rigidez, rotura, durabilidad ) Adhesivos: Libertad de diseño, amplia tolerancias. Automatización de procesos (reducción de t de ciclo). Evaluación del ciclo de vida TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN / MATERIALES Tecnologías de fabricación eficientes y rentables Rentabilidad de procesos Procesabilidad de materiales con aditivos (fuego, humos ) UNIONES Coste de materiales PESO Desarrollo de materiales avanzados y sus procesos de fabricación. Conceptos nuevos y mejorados COMPOSITES FABRICACIÓN RESISTENCIA AL IMPACTO DISEÑO Y SIMULACION ESTRUCTURAL TRANSFERENCIA CONOCIMIENTO (SECTOR AERONÁUTICO / AUTOMOCIÓN) RECICLAJE: ESTANDARIZACIÓN (Actualmente poco prioritario (bajo potencial de generación de residuos, uso no extendido, larga vida de servicio) Aplicaciones viables con materiales reciclados Desmantelamiento, recolección, transporte, clasificación, tratamiento Nuevas tecnologías de reciclado (pirólisis, gasificación, hidrólisis) Desarrollo de nuevos materiales con facil reciclabilidad (fibras naturales) LCC (LIFE CYCLING COST) Beneficios Financieros Cambiar enfoque de operadores (Enfoque a costes de operación en lugar de a costes de adquisición (iniciales)) Costes combustible, mantenimiento, reparación. Beneficios Medioambientales DESARROLLO METODOLOGÍAS DE PREDICCIÓN Modelos de material de COMPOSITES Comportamiento no lineal. Comportamiento a fatiga Mecanismos de daño / Modos de fallo (integración en software) Comportamiento a altas veloc de deformación DISMINUCIÓN DE TIEMPOS DE CÁLCULO Desarrollo de técnicas Tiempo de Diseño

7 Evaluación VENTAJAS: Elevadas ventajas. Eficiencia energética, confort de pasajeros, reducción de desgaste, seguridad, capacidad características específicas de fuerza (Rigidez, módulo) Ligereza Influencia decisiva en el diseño de vehículos ligeros Excepcional resistencia a la corrosión, fatiga y fractura. Resistencia al fuego y resistencia química Bajo costes de útiles Propiedades de expansión térmicas bajas Capacidad de cumplir requisitos rigurosos de estabilidad dimensional Formas complejas INCONVENIENTES: Criterios económicos / Barrera tecnológica Costes de material y fabricación seguirán siendo relativamente altos. Se espera una disminución de los mismos, tal como ya ha ocurrido en el pasado. Eficiencia energética global de la cadena (costes de reciclaje dependiendo de la tecnología empleada) ESTADO DE DESARROLLO: Bajo En algunas aplicaciones ferroviarias (partes del bastidor y paneles interiores). Las aplicaciones especialmente estructurales están poco desarrolladas (requieren inversión en I+D). HORIZONTE TEMPORAL: 5 a 10 años. DESARROLLO TECNOLÓGICO PREVISTO: Altamente dinámico Funcionamiento, eficiencia energética, fiabilidad (vida útil, mantenimiento..) Altos saltos cuantitativos esperados (actualmente baja madurez y alta incertidumbre). Elevado potencial para ciclos de proceso más rápidos APLICABILIDAD EN SECTOR FERROVIARIO: Alto (elevado % de la flota) Pasajeros (líneas principales, velocidad, regionales, suburbanas) y Carga. POTENCIAL DE MERCADO: Alto. (Aplicabilidad de la tecnología vs penetración de mercado actual) APLICACIÓN FUERA DEL SECTOR DE FERROCARRIL: Ampliamente empleada en otros sectores (aeronáutica, construcción, automoción). Potencial de mercado muy alto (automoción-vehículo eléctrico). Favorecerá un desarrollo tecnológico altamente dinámico que facilitará tecnologías más baratas

8 Valoración Global Potencial Global: Muy prometedor Elevado potencial de aplicabilidad en el sector Permite mejoras en el diseño y construcción. Integración de funciones Son la llave para la reducción de peso en el sector del ferrocarril. Mayor ratio de aceleración, menor carga por eje (desgaste) Mejoran sustancialmente la vida útil (corrosión, fatiga) y disminuyen los costes de mantenimiento Mejora sustancial del confort y la seguridad de los pasajeros. Las estructuras de aluminio son menos rígidas y menos resistentes a altas temperaturas (los composites mantienen la rigidez y forma ante fuegos severos)? Su buena aceptación en otros sectores facilitará, en un plazo medio, que este material sea un sustituto estándar del acero y otros materiales metálicos en un gran número de aplicaciones ferroviarias (facilitará coste tecnológico) La tecnología del aluminio está estandarizada y totalmente explotada (dificultad para reducir peso adicional) La perspectiva a medio-largo plazo es que los bastidores de aluminio tengan una fuerte competencia en los bastidores de polímeros reforzados con fibra

9 Posibles aplicaciones Coche pasajeros Estructura del habitáculo de supervivencia de la cabina Estructura de la caja de vehículos ferroviarios (pasajeros / carga) Cabina cabeza motriz Rigidez, Integridad estructural, Modos de vibración, Fatiga, Peso, Fuego. Carenado exteriores (techo, suelos, paneles laterales) Carenados interiores (interiorismo, contenedores equipajes, mamparas de separación Rigidez, Aislamiento acústico / térmico, Peso, Fuego, Integración de funciones, Confort, Peso, Fuego, Aislamiento acústico / térmico Puertas, marcos ventanas.

10 Posibles aplicaciones Estructura caja Sustitución de estructura de aluminio / acero por estructura de materiales avanzados ultraligeros de composite (fibra de carbono, paneles de fibra de vidrio ). Estructuras híbridas. Estructura principal de cajas de vehículos ferroviarios: Amplia demanda de requerimientos. Rigidez EN Resistencia al impacto + Integridad estructural GM/RT 2100 EN Aislamiento Resistencia al fuego: EN Estructura convencional en aluminio Perfiles de extrusión de aluminio Uniones soldadas (Mano de obra experta) Carga de montaje (costes de montaje) Integración Funcional Estructura material composite: Materiales avanzados composite Ligero Mantiene / Incrementa los niveles de desempeño: Niveles de rigidez, resistencia impacto, aislamiento Integración de funciones Mejora la modularidad (facilitar montaje, inspección, mantenimiento, reparabilidad) Estructura (*) Carenado Testeros Material Tubos pultrusión AVT / RTM VAC m 650 (35%) 225 (30%) 90 (45%) 965 (35%) Ventajas: Peso, Consumo de energía, Integración de funcionalidades, Facilidad de fabricación, Vida útil (corrosión, fatiga, ), Mantenimiento, Aislamiento térmico y acústico, Eliminación del pintado (interior-exterior)? m act Fibra de carbono (pultrusión) AVT / RTM / VAC m prevista (*) Se espera una mayor disminución con la optimización de las secciones (Fibra de carbono tiene mayor módulo que el aluminio menor espesor)

11 Capacidades CIDAUT Áreas tecnológicas: Materiales compuestos de matriz termoplástica: Procesos de moldeo de materiales termoplásticos, inyección, compresión Elaboración y termoconformado de termoplásticos estructurales Elaboración de materiales con nanocargas Materiales compuestos de matriz termoestable: RTM Procesos con bolsa de vacío y Autoclave: VARTM, RFI, preimpregnados Aleaciones ligeras Recursos y Servicios tecnológicos asociados: Diseño y Fabricación de Moldes Laboratorio de procesado (termoplásticos y termoestables) Laboratorio de materiales

12 Otras líneas de investigación en aleaciones ligeras Rediseño de componentes (a) Strength load cases (b) Modal Analysis (c) Temperature distribution during filling process (g) Simulation experimental Validation (d) Dimensional checking (e) Microstructure Analysis (f) Natural frequency measurement

13 Otras líneas de investigación en aleaciones ligeras Aplicaciones en interiores de aleaciones de magnesio Desarrollo y optimización del proceso Desarrollo de nuevas aleaciones con alta resistencia a la corrosión

14 Otras líneas de investigación en aleaciones ligeras Recubrimientos cerámicos de alto rendimiento Proceso electroquímico para el recubrimiento de superficies de aluminio, magnesio o titanio, dando un acabado de tipo cerámico con mejores prestaciones y durabilidad de piezas de fricción. Aumento de la dureza y resistencia al desgaste de las aleaciones PEO on aluminum alloys. Depending on core material, the coating will possess different properties and morphology

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