Materiales compuestos en máquina herramienta...Motivación en el empleo de materiales compuestos...
Transcript of Materiales compuestos en máquina herramienta...Motivación en el empleo de materiales compuestos...
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