Metodología a de desarrollo de producto- proceso en materiales termoplásticos. Foro El plástico en el automóvil Zaragoza, 30/09/2010

Transcripción

1 Metodología a de desarrollo de producto- proceso en materiales termoplásticos Foro El plástico en el automóvil Zaragoza, 30/09/2010

2 Fundación CIDAUT 2 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

3 Fundación CIDAUT Centro de investigación y desarrollo en Transporte y Energía CIDAUT se constituye el 2 de febrero de 1993 Fundación privada sin ánimo de lucro. Declarada de interés público Ubicada en el Parque Tecnológico de Boecillo desde 1995 Superficie total m 2 Equipamiento I+D 62,1 M (2009) Personal investigador 321 personas (70% titulados universitarios) Más de 200 clientes industriales 3 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

4 Objetivo general Nuestro principal objetivo es potenciar la competitividad y el desarrollo industrial de las empresas de los sectores de Transporte y Energía Investigación, Desarrollo e Innovación Transferencia de Tecnología Formación Automoción Energía Ferrocarril Medioambiente Aeronáutica 4 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

5 Filosofía de trabajo NECESIDAD Diseño Simulación Prototipos Pre-producción Validación Diseño de nuevos materiales/procesos PRODUCTO Caracterización de materiales 5 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

6 Metodología de desarrollo Material-Producto-Proceso I+D+i Nuevos procesos Requerimientos Definición producto Materiales Diseño concepto Diseño de detalle Predicción de comportamiento Diseño de proceso Validación producto Diseño y fabricación de moldes y utillajes Fabricación de prototipos / preseries 6 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

7 Seguridad activa Sistemas de Guiado y Estabilidad Sistema de suspensión Sistemas de dirección Sistemas de frenado 7 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

8 Duración ensayo (segundos) j VELOC. Tª mangueta Tª caucho (superior) Tª caucho (lateral) Tª disco FUERZA (KN) DESP. MIN. (mm) DESP. MAX. (mm) DEFORMABLE (mm) PROTOTIPO (mm) 6 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA VALIDACIÓN EN BANCOS CONTROLADOS DESPLAZAMIENTO (mm) ESTUDIO DE LA SOLUCIÓN Temperaturas y ANÁLISIS DE FATIGA METODOLOGÍA CÁLCULO ESTRUCTURAL: TÉRMICO Y MECÁNICO CAD: DISEÑO MALLADO 8 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

9 Acústica y Vibraciones Caracterización de materiales Psicoacústica y pruebas de jurado Metodología Vibroacústica y campo sonoro Modelos vibratorios 9 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

10 Filosofía de trabajo Material Función Proceso Producto Material-Producto-Proceso son inseparables. Juntos garantizan la Función. El producto se diseña para que pueda ser procesado. El proceso se diseña para que el material maximice sus propiedades mecánicas y el producto cumpla sus exigencias dimensionales. El material se elige para que el producto diseñado y procesado cumpla con las funciones descritas en el CdC Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

11 Caracterización de materiales Tensión (Pa) ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Deformación (m/m) p Tens estát. Pa tens0.8 Pa tens2.3 Pa tens3.7 Pa ε La caracterización exhaustiva de los materiales en condiciones de transformación reales es indispensable para el diseño del producto-proceso. Los materiales termoplásticos presentan variaciones significativas de las propiedades mecánicas en función de la velocidad de deformación. Los materiales termoplásticos presentan variaciones significativas de las propiedades mecánicas en función de la temperatura en el rango de uso (-40 80ºC). Las condiciones de transformación modifican las propiedades mecánicas de los materiales, en ocasiones drásticamente. Los materiales termoplásticos inyectados presentan cierto grado de anisotropía. Efecto particularmente importante en materiales reforzados Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

12 Validación de las herramientas de simulación 12 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

13 Caso práctico: Man-hole cover Desarrollo de producto-proceso de una cubierta del depósito de combustible del estabilizador horizontal del Airbus A-380 en material termoplástico transformado por inyección Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

14 Desarrollo cubiertas Man-hole Caracterización del material Mecánica Reológica Diseño de producto-proceso Simulación mecánica Simulación reológica Diseño y fabricación de molde Validación del componente 14 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

15 Objetivos Cumplimiento del pliego de cargas del producto Ensayo de fugas Ensayo funcional Mínimo peso Resistencia química ante el combustible Minimización del tiempo de ciclo Utilización de material no metálico 15 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

16 Caracterización del material Material PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 30% CF Monómero de PEEK Propiedad Unidad. Test Valor Densidad gr. cc -3 ISO ,39 Resistencia a tracción (23ºC) Mpa. ISO Gpa. ISO ,2 18,6 5,1 HDT ºC ISO 75 >300 Módulo a Flexión (23 ºC) (120 ºC) (250 ºC) Temperatura Fusión (Pico ºC DSC 343 endotérmico) Temperatura de uso continuo ºC UL 746B 260 Propiedades generales del PEEK + 30% CF Material termoplástico transformable por inyección. Temperatura de uso continuo superior a 260ºC. Inerte a la mayoría de sustancias químicas, especialmente combustibles. Densidad 1,39g/cm 3. Pérdida pequeña de propiedades mecánicas en el intervalo de temperaturas entre -50 y 80ºC. Resistencia a tracción 225MPa y módulo a flexión 19,2GPa (valores teóricos) Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

17 Caracterización del material Material PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 30% CF Detalle de las fibras de carbono Medida de longitud de fibra de carbono en el material original El diámetro promedio de la fibra de carbono es de aproximadamente 5μm. La longitud promedio de la fibra de carbono es de μm. La dispersión es muy grande. La medida de la longitud de fibra se ha realizado tras la descomposición de la matriz termoplástica utilizando ácido sulfúrico Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

18 Caracterización del material Material PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 30% CF Determinación de la orientación de la fibra en la matriz por su influencia sobre las propiedades mecánicas Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

19 Caracterización del material Proceso de cristalización del PEEK + 30% CF Detalle de los dominios cristalinos del PEEK + 30% CF El comportamiento semi-cristalino del material queda puesto de manifiesto mediante el estudio microscópico en estado fundido. Las propiedades mecánicas finales del material son función de la cristalinidad y la morfología de los cristales que se forman durante el proceso de transformación Los valores específicos de las variables de inyección pueden provocar diferencias de cristalinidad en las distintas zonas del producto Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

20 Caracterización del material Caracterización reológica Curva Viscosidad vs. Velocidad de Cizalla Curva Volumen Específico vs. Temperatura La caracterización reológica es imprescindible para el diseño del producto-proceso y del molde de inyección. La elevada temperatura de transformación (400ºC) dificulta la caracterización reológica. La curva de viscosidad frente a velocidad de cizalla a diferentes temperaturas condiciona la etapa de llenado del molde. La curva de volumen específico frente a temperatura a distintas presiones condiciona el comportamiento del material durante la etapa de compactación y enfriamiento. El PEEK + 30 % CF presenta un comportamiento parcialmente cristalino Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

21 Caracterización del material Caracterización mecánica Las propiedades mecánicas del material PEEK + 30% CF en el producto inyectado son heterogéneas y dependen de múltiples factores entre los que destacan: Orientación de la fibra de carbono Concentración local de las fibras de carbono Longitud de las fibras de carbono Grado de cristalinidad y morfología cristalina de la matriz polimérica Determinadas variables geométricas del producto y la mayoría de las variables del proceso de inyección son las responsables de la variación de las propiedades mecánicas. El diseño del producto, del proceso y del molde de inyección condicionan completamente las propiedades mecánicas del material y, por lo tanto, el comportamiento mecánico del componente final. La interacción material-producto-proceso es muy fuerte Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

22 Caracterización del material Caracterización mecánica Caracterización mecánica Tensión-Deformación en la dirección de la fibra para tres temperaturas Tracción estática Material PEEK CA30. Módulo Elástico a Tracción (GPa.) Tª = -54 ºC 21,8 257 Tª = 20 ºC 20,3 206 Tª = 70 ºC 20,1 175 Tensión de rotura (MPa.) 22 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

23 Caracterización del material Caracterización de proceso 23 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

24 Diseño producto-proceso Diseño de producto Plano de partida 24 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

25 Diseño producto-proceso Diseño de producto Se ha estudiado la influencia que cada una de las variables fundamentales del proceso tiene en el comportamiento mecánico final para poder acotar la variabilidad. Utilizando la caracterización mecánica obtenida, la simulación del proceso de inyección y el programa de simulación NASTRAN se ha realizado el diseño inicial y la optimización del producto para conseguir las máximas prestaciones mecánicas con un peso mínimo. Diseño inicial Diseño radial Diseño final 25 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

26 Diseño producto-proceso Diseño de producto Adecuación de la geometría final al proceso de fabricación por inyección: espesores uniformes, arcos de acuerdo y ángulos de desmoldeo; prestando también atención a la contracción diferencial de las piezas. Intercambiabilidad: utilización de un mismo diseño de tapas en distintas categorías. Simulaciones de comportamiento empleando distintas propiedades de material por zonas (orientación fibras). Sección original Sección final Propiedades mecánicas por zonas 26 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

27 Diseño producto-proceso Diseño de proceso Utilizando la caracterización reológica obtenida y el programa de simulación MOLDFLOW se ha realizado el diseño del proceso. Los resultados obtenidos en el diseño de proceso se han utilizado en las simulaciones mecánicas para el diseño del producto. Analizando el llenado de la cavidad se ha diseñado el número óptimo de puntos de inyección, su ubicación y la secuencia de apertura-cierre de cada uno de los inyectores Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

28 Diseño del molde Diseño del molde de inyección Representación 3D del molde diseñado El diseño del sistema de alimentación permite el llenado del molde definido en el diseño del proceso. El diseño del sistema de atemperación permite obtener un mapa térmico homogéneo para procesar el material de acuerdo a las especificaciones definidas en el diseño del proceso. Las particulares condiciones de inyección del PEEK + 30% CF (Tªmasa = 400ºC y Tªmolde = 200ºC) hacen necesario un estudio exhaustivo del guiado del molde y del diseño del sistema de expulsión Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

29 Fabricación del molde Fabricación del molde de inyección Parte fija y parte móvil del molde de inyección del Man-Hole Cover Vista general del macho del molde de inyección del Man-Hole Cover Fabricación de la cavidad del molde de inyección de la cubierta Man-Hole 29 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

30 Validación Validación de producto Estanqueidad Certificación Rotura Durabilidad Vista general del útil de presión diseñado y fabricado para la validación del componente 30 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

31 Validación Validación de producto Estanqueidad y Certificación Ensayo de estanqueidad o fugas: Todas las cubiertas se ensayan según el CdC a presión para comprobar que no presentan ninguna fuga. Ensayo de certificación o funcional: una cubierta de cada lote de fabricación es sometida a un valor superior de presión durante 5 minutos, posteriormente se elimina la presión y se comprueba que no hay deformación permanente. A continuación se incrementa la presión hasta un pico máximo y se mantiene durante 3 segundos sin que se produzca rotura de la cubierta. 2,50 2,00 1,80 2,00 1,60 1,40 PRESIÓN (bar) 1,50 1,00 1,20 1,00 0,80 FLECHA (mm) 0,60 0,50 0,40 0,20 0, TIEMPO (s) 0,00 PRESIÓN (bar) FLECHA (mm) 31 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

32 Validación Validación de producto Rotura 4,50 4,50 4,00 4,00 3,50 3,50 3,00 3,00 PRESIÓN (bar) 2,50 2,00 1,50 2,50 2,00 1,50 FLECHA (mm) 1,00 1,00 0,50 0,50 0, TIEMPO (s) 0,00 PRESIÓN (bar) FLECHA (mm) Modo de fallo de una de las cubiertas Man-Hole y detalle de la rotura 32 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

33 Validación Validación de producto Durabilidad 33 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

34 Producto final 34 - Metodología desarrollo producto-proceso Fundación CIDAUT

35 Metodología a de desarrollo de producto- proceso en materiales termoplásticos Foro El plástico en el automóvil Jesús Poveda Bernal - jespov@cidaut.es