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


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


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


Filosofía de trabajo

NECESIDAD

Diseño Simulación Prototipos Pre-producción Validación

PRODUCTO

Caracterizaciónde materiales

Diseño de nuevos materiales/procesos


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


Sistemas de Guiado y Estabilidad

Sistema de suspensión

Sistemas de frenado

Sistemas de dirección

Seguridad activa


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


Metodología

Caracterización de materiales

Psicoacústica y pruebas de

jurado

Vibroacústica y campo sonoro

Modelos vibratorios

Acústica y Vibraciones


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.


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.


Validación de las herramientas de simulación


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.


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


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


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).


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



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

Material PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 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.

Proceso de cristalización del PEEK + 30% CF


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.

Caracterización reológica



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


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


Caracterización del materialCaracterización de proceso


Plano de partida

Diseño producto-procesoDiseño de producto


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


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).


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.


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.


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


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

ValidaciónValidación de producto

Estanqueidad Certificación Rotura Durabilidad


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.


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


ValidaciónValidación de producto Durabilidad


Producto final

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

Jesús Poveda Bernal - [email protected] “El plástico en el automóvil”

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