Materiales compuestos en máquina herramienta. Joseba Pujana

Transcripción

1 Materiales compuestos en máquina herramienta Joseba Pujana

2 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 Aumento de la productividad!!! Pero también contención de gastos!

3 Módulo de rigidez específico, MPa/(kg/dm^3) Costo, /kg Módulo de rigidez, Mpa Material compuesto Laminados cuasi-isótropos Módulo de rigidez Poliéster-Vidrio: 20 MPa Módulo de rigidez Epoxi-Carbono: 70 Mpa Módulo de rigidez acero: 200MPa Un requisito fundamental de los laminados es que han de ser simétricos y equilibrados

4 Elección del compuesto Termoestables Estructura sólida de compuesto Tipo de resina Termoplásticos Estructura sándwich Núcleo Espuma Pieles Compuesto Nido de abeja Fibra seca Formato de lámina Pre-preg Balsa Metal Formato de fibra Unidireccional Textiles 2D Textiles 3D Elegir el material compuesto para una estructura es complejo!!! Plain Twill Satin Basket

5 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

6 Análisis comparativo de estructuras Se establece como análisis comparativo el comportamiento de vigas empotradas y vigas simplemente apoyadas. L=2000mm Lado=400mm F=2000N M=100Nm L=3000mm Lado=700mm F=50000N M=2000Nm

7 1.-Análisis a flexión Comparativa fibra de carbono/epoxi-acero 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. *Se ha observado un comportamiento similar en la viga simplemente apoyada.

8 2-3.-Análisis de vibración y torsión Comparativa fibra de carbono/epoxi-acero 1er modo 50Hz acero: 280kg compuesto : 160kg Torsión Similar entre acero y el compuesto *Se ha observado un comportamiento notablemente mejor en la viga simplemente apoyada.

9 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

10 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

11 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.

12 Métodos de fabricación CFRP panel sandwich Coste= /n n: número de carneros fabricados Escuadra CFRP Pegado estructural Fijación mecánica CFRP monolítico

13 Métodos de fabricación CFRP 2 mitades monolíticas Coste= /n n: número de carneros fabricados Pegado estructural Fijación Mechánica

14 Métodos de fabricación CFRP construcción monolítica Coste= /n n: número de carneros fabricados Láminas de carbono Area de overlapping

15 Carnero en fibra de carbono

16 Carnero en fibra de carbono Compotech Toshiba A. Merlo et al. Cesi, Fidia, U. Brescia, B. National Council of Research IWU 2013 (EMO) Tekniker+CMI+Gaiker

17 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

18 Eskerrik asko Gracias

19 Rigidez frente a deformadas locales