Jornada Técnica de la PTFE:INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN EN MATERIALESCON APLICACIÓN EN EL ÁMBITO FERROVIARIO
Madrid, 26 de febrero de 2015
Ref. PTR-2014-0351
Financiado por:
Nuevos materiales para aplicaciones ferroviarias. Visión CIDAUT
Alberto MontesFundación CIDAUT
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
Estado de la técnica: Materiales Car-Body
• Alta resistencia y módulo elevado(E = 2.1e+11 N/m2) (Rotura = 300 Mpa)
• Peso elevado (ρ = 7850 kg/m3)
• Material barato• Manipulación sencilla• Utillajes y equipos muy caros• Problemas de corrosión
• Módulo menor al del acero(E = 7.0e+10 N/m2) (Rotura = 400 Mpa)
• Más ligero que el acero (ρ = 2700 kg/m3)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 = 1.0-2.0 e+11 N/m2) (Rotura = 1000 Mpa)• Muy ligero (ρ = 1500 kg/m3)
• Material caro• Manipulación dificultosa y cara.• Utillajes “baratos“FIBRA DE VIDRIO/ SMC (termoestable)• Modulo bajo y buena resistencia
(E = 0.3e+11 N/m2)• Poco peso (ρ = 1800 kg/m3)
• Material barato• Manipulación dificultosa y cara• Utillajes y equipos “baratos”
PRESENTE FUTURO
ACERO ALUMINIO
COMPOSITES
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PROCESOS DE FABRICACIÓN
� Hand Lay-Up “Capas de fibra a
mano”
� Vacuum Resin Infusion (VI)
� Resin Transfer Molding (RTM)
� Structural Sandwich Bonding
� Pullwinding (Pultrusión)
Estado de la técnica: Composites
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
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
� …
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Necesidad
Trenes cada vez más pesados(nuevas funcionalidades / equipamiento)
• Crashworthiness• Confort (Calefacción y Aire acondicionado)• Comodidad (tomas de corriente, tv, asientos
reclinables….)• Accesibilidad• …
1970 2000 2020Aligeramiento
• 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)• …
COMPOSITES
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)
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• …
Desarrollo y aplicación de nuevos conceptos de componentes y estructuras basadas en material composite estructural y procesos de fabricación para aplicaciones ferroviarias
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Necesidad
ERRAC (European Rail Research Advisory Council)Strategic Rail Research Agenda Demandas de los ciudadanos europeos en los próximos añosSe centra en cinco áreas temáticas:
� Interoperabilidad
� Movilidad inteligente
� Seguridad ferroviaria (Safety and Security)
� Medio ambiente
� Materiales y métodos innovadores de producción
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.
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Propiedades de resistencia al
impacto
Aligeramiento
Reducción de emisiones y consumo
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Principales dificultades para el uso
REPARABILIDAD
DISEÑOY
SIMULACION ESTRUCTURAL
RESISTENCIA AL IMPACTO
FABRICACIÓN
UNIONES
RECICLAJE
PESO
COMPOSITES
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
SEGURIDAD CONTRA INCENDIOS
REPARABILIDAD: ESTANDARIZACIÓN
� Inspección� Detección� Reparación
TRANSFERENCIA CONOCIMIENTO
(SECTOR AERONÁUTICO / AUTOMOCIÓN)
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
TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN / MATERIALES� Tecnologías de fabricación eficientes y rentables� Rentabilidad de procesos� Procesabilidad de materiales con aditivos (fuego,
humos…)� Coste de materiales� Desarrollo de materiales avanzados y sus procesos
de fabricación. Conceptos nuevos y mejorados
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
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)
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….)
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Ref. PTR-2014-0351
EvaluaciónVENTAJAS: 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
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
• Propiedades de expansión térmicas bajas• Capacidad de cumplir requisitos rigurosos de estabilidad dimensional• Formas complejas
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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
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Posibles aplicaciones
Cabina cabeza motrizCoche pasajeros
� Estructura del habitáculo de supervivencia de la cabina� Estructura de la caja de vehículos ferroviarios (pasajeros / carga)
� Carenado exteriores (techo, suelos, paneles laterales)
� Carenados interiores (interiorismo, contenedores equipajes, mamparas de separación…
Rigidez, Integridad estructural, Modos de vibración, Fatiga, Peso, Fuego….
Rigidez, Aislamiento acústico / térmico, Peso, Fuego, …
Integración de funciones, Confort, Peso, Fuego, Aislamiento acústico / térmico
� Puertas, marcos ventanas ….
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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)
Posibles aplicaciones
Sustitución de estructura de aluminio / acero por estructura de materiales avanzados ultraligeros de
composite (fibra de carbono, paneles de fibra de vidrio …). Estructuras híbridas.
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)?
Estructura caja Estructura principal de cajas de vehículos ferroviarios: Amplia demanda de requerimientos.• Rigidez EN 12663• Resistencia al impacto + Integridad estructural GM/RT 2100 – EN 15227• Aislamiento• Resistencia al fuego: EN 45545• ….
Estructura convencional en aluminio
• Perfiles de extrusión de aluminio• Uniones soldadas (Mano de obra experta)• ↑ Carga de montaje (costes de montaje)• ↓ Integración Funcional
↓90 (45%)110200VACTesteros
↓965 (35%)18302795
↓225 (30%)530755AVT / RTMCarenado
↓650 (35%)11901840Tubos pultrusiónEstructura
(*)
∆mmprevistamactMaterial
(*) Se espera una mayor disminución con la optimización de las secciones (Fibra de carbono tiene mayor módulo que el aluminio � menor espesor)
Fibra de carbono (pultrusión)AVT / RTM / VAC
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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
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
Otras líneas de investigación en aleaciones ligeras
Rediseño de componentes
(a) Strength load cases (b) Modal Analysis (c) Temperature distribution
during filling process
(d) Dimensional
checking
(e) Microstructure
Analysis
(f) Natural frequency
measurement
(g) Simulation – experimental
Validation
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
Aplicaciones en interiores de aleaciones de magnesio
Desarrollo y optimización del proceso
Desarrollo de nuevas aleaciones con alta resistencia a la corrosión
Otras líneas de investigación en aleaciones ligeras
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
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
Otras líneas de investigación en aleaciones ligeras
www.ptferroviaria.es
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