metodología de desarrollo de producto- proceso en … · i+d+i nuevos procesos validación...

MetodologMetodologíía de desarrollo de productoa de desarrollo de producto--proceso en materiales termoplproceso en materiales termopláásticossticos

Zaragoza, 30/09/2010Foro “El plástico en el automóvil”

2 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Fundación CIDAUT

3 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Fundación CIDAUTCentro 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 23.300 m2

Equipamiento I+D 62,1 M€ (2009) Personal investigador 321 personas (70% titulados universitarios) Más de 200 clientes industriales

4 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Objetivo generalNuestro principal objetivo es potenciar la

competitividad y el desarrollo industrial de las empresas de los sectores de Transporte y Energía

Investigación, Desarrollo e InnovaciónTransferencia de TecnologíaFormación

Automoción Energía Ferrocarril Medioambiente Aeronáutica

5 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Filosofía de trabajo

NECESIDAD

Diseño Simulación Prototipos Pre-producción Validación

PRODUCTO

Caracterizaciónde materiales

Diseño de nuevos materiales/procesos

6 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Metodología de desarrollo Material-Producto-ProcesoI+D+i Nuevos procesos

Validación producto

Diseño y fabricación de moldes y utillajes

Diseño de proceso

MaterialesDiseño de detalle

Fabricación de prototipos / preseries

Predicción de comportamiento

Requerimientos

Diseño concepto

Definición producto

7 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Sistemas de Guiado y Estabilidad

Sistema de suspensión

Sistemas de frenado

Sistemas de dirección

Seguridad activa

8 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25 30 35 40DESPLAZAMIENTO (mm)

FUE

RZA

(KN

)

DESP. MIN. (mm)

DESP. MAX. (mm)

DEFORMABLE (mm)

PROTOTIPO (mm)

VALIDACIÓN EN BANCOS

CONTROLADOS

y j

0

100

200

300

400

500

600

1 39 77 115

153

191

229

267

305

343

381

419

457

495

533

571

609

647

685

723

761

799

837

875

913

951

989

1027

1065

1103

1141

1179

1217

1255

1293

1331

1369

1407

1445

1483

1521

1559

1597

1635

Duración ensayo (segundos)

Tem

pera

tura

s

VELOC.Tª manguetaTª caucho (superior)Tª caucho (lateral)Tª disco

CÁLCULO ESTRUCTURAL:TÉRMICO Y MECÁNICO

ANÁLISISDE

FATIGA

PLANTEAMIENTODEL

PROBLEMA

ESTUDIODE LA

SOLUCIÓN

CAD:DISEÑO MALLADO

METODOLOGÍA

9 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Metodología

Caracterización de materiales

Psicoacústica y pruebas de

jurado

Vibroacústica y campo sonoro

Modelos vibratorios

Acústica y Vibraciones

10 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Material Producto

Función

Proceso

Filosofía de trabajo

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 mecánicasy 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.

11 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Caracterización de materiales

p

-50000000

-45000000

-40000000

-35000000

-30000000

-25000000

-20000000

-15000000

-10000000

-5000000

00 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Deformación (m/m)

Tens

ión

(Pa)

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.

12 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Validación de las herramientas de simulación

13 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

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.

14 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

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

15 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

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

16 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Monómero de PEEK

Propiedad Unidad. Test Valor Densidad gr. cc-3 ISO 1183 1,39

Resistencia a tracción (23ºC) Mpa. ISO 527 225 Módulo a Flexión (23 ºC)

(120 ºC) (250 ºC)

Gpa. ISO 180 19,2 18,6 5,1

HDT ºC ISO 75 >300 Temperatura Fusión (Pico

endotérmico) ºC DSC 343

Temperatura de uso continuo ºC UL 746B 260

Propiedades generales del PEEK + 30% CF

Caracterización del materialMaterial PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 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/cm3.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).

17 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Caracterización del material

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 200 – 250μm. 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.

Material PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 30% CF

18 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Caracterización del material

Determinación de la orientación de la fibra en la matriz por su influencia sobre las propiedades mecánicas.

Material PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 30% CF

19 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Detalle de los dominios cristalinos del PEEK + 30% CF

Caracterización del material

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.

Proceso de cristalización del PEEK + 30% CF

20 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Curva Viscosidad vs. Velocidad de Cizalla

Curva Volumen Específico vs. Temperatura

Caracterización del material

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.

Caracterización reológica

21 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Caracterización del material

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.

Caracterización mecánica

22 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Tracción estática Material PEEK CA30.

Módulo Elástico a Tracción (GPa.)

Tensión de rotura (MPa.)

Tª = -54 ºC 21,8 257 Tª = 20 ºC 20,3 206 Tª = 70 ºC 20,1 175

Caracterización mecánica Tensión-Deformación en la dirección de la fibra para tres temperaturas

Caracterización del materialCaracterización mecánica

23 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Caracterización del materialCaracterización de proceso

24 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Plano de partida

Diseño producto-procesoDiseño de producto

25 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Diseño inicial Diseño radial Diseño final

Diseño producto-proceso

Se ha estudiado la influencia que cada una de las variables fundamentales del procesotiene 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 de producto

26 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Sección original Sección finalPropiedades mecánicas

por zonas

Diseño producto-procesoDiseño 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).

27 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Diseño producto-procesoDiseño 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.

28 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Representación 3D del molde diseñado

Diseño del moldeDiseño del molde de inyección

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.

29 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Fabricación de la cavidad del molde de inyección de la cubierta Man-Hole

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 del moldeFabricación del molde de inyección

30 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Vista general del útil de presión diseñado y fabricado para la validación del componente

ValidaciónValidación de producto

Estanqueidad Certificación Rotura Durabilidad

31 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751

TIEMPO (s)

PRES

IÓN

(bar

)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

FLEC

HA

(mm

)

PRESIÓN (bar) FLECHA (mm)

ValidaciónValidación 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.

32 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Modo de fallo de una de las cubiertasMan-Hole y detalle de la rotura

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751 801

TIEMPO (s)

PRES

IÓN

(bar

)

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

FLEC

HA

(mm

)

PRESIÓN (bar) FLECHA (mm)

ValidaciónValidación de producto Rotura

33 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

ValidaciónValidación de producto Durabilidad

34 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT

Producto final

MetodologMetodologíía de desarrollo de productoa de desarrollo de producto--proceso en materiales termoplproceso en materiales termopláásticossticos

Jesús Poveda Bernal - jespov@cidaut.esForo “El plástico en el automóvil”