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Junio de 2017 Página 1 de 2

Materiales de alta resistencia para manufactura ligera

Con información de EMO Hannover.

Como antesala a lo que se verá en EMO Hannover, el Instituto Fraunhofer analiza el comportamiento de un componente innovador para movimientos verticales hecho de CFRP.

Los materiales de alta resistencia son muy populares no solo en la manufactura de aviones y automóviles, sino también en el sector de la ingeniería mecánica, porque a menudo son relativamente livianos y al mismo tiempo muy resistentes; sin embargo, no es raro que las máquinas herramientas se enfrenten a sus límites físicos al procesar estos materiales. Esto se puede remediar utilizando partes estructurales para maquinaria que están hechas de materiales ligeros reforzados con fibra. Esto implica dominar algunos obstáculos serios, como lo demuestra un proyecto de investigación aún no completado en el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Producción (IPT) en Aquisgrán (Alemania), que se presentará en EMO Hannover.

CFRP reemplaza al acero para mejorar la dinámica

Los investigadores en Aquisgrán suelen adoptar un enfoque holístico para optimizar los diseños. En otras palabras: consideran el diseño de la máquina como un todo coherente, incluyendo así también el desarrollo de elementos de accionamiento importantes en la máquina herramienta. En la actualidad han unido fuerzas con un fabricante de máquinas herramienta en Magdeburg para examinar cómo se comporta un componente innovador de la máquina para movimientos verticales (eje Z) hecho de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) en una máquina herramienta y cómo puede optimizarse el deslizamiento en Z.

Comenzamos los trabajos de desarrollo de la lámina CFRP en 2013", relata Christoph Tischmann, gerente de sucursal de MAP Werkzeugmaschinen GmbH, en Magdeburgo.
" Ya tenemos mucha experiencia con ejes lineales y rotativos para el mecanizado de aluminio, por ejemplo. Pero para materiales de alta resistencia, como la aleación de titanio Inconel, no poseen la potencia de accionamiento requerida”.

Así, MAP decidió desarrollar una máquina herramienta con accionamientos muy potentes: por ejemplo, husillos de 55 y 72 kilovatios (torque 210 y 273 Newton-metros, respectivamente, en el modo S1 o S6), que son significativamente más pesados y más grandes. "Para no tener que comprometer la dinámica, estábamos buscando una forma de compensar el mayor peso", Christoph Tischmann. "Por eso hemos optado por la variante CFRP". A modo de comparación: la máquina herramienta operaba en el eje Z con husillos de 28 a 36 kilovatios.

Así que lo que está involucrado aquí es más o menos doblar la potencia de la unidad. Al mismo tiempo, el uso de CFRP reduce la masa en un 60% en comparación con un eje de acero. "Sin embargo, no estamos apuntando a ningún peso en particular, estamos apuntando a una relación óptima entre el peso y la resistencia mecánica", explica Filippos Tzanetos del personal científico del Fraunhofer IPT.

Aquí surge la cuestión de cómo el cambio en el deslizamiento de guía de acero a un diseño de CFRP, con un accionamiento que pesa alrededor del doble, afectará al diseño en su conjunto. El Fraunhofer IPT ha analizado con este fin las reacciones térmicas y dinámicas de toda la máquina en las guías del eje Z. "La máquina fue sometida a un escrutinio exhaustivo", dice Tischmann.

Todo el diseño se modifica para adaptarse al nuevo material

Debido a que los materiales no pueden ser simplemente reemplazados en una base de uno a uno, el diseño necesita ser modificado para adaptarse al nuevo material en cuestión. La simulación de elementos finitos ha demostrado su valor práctico en este contexto. “En la computadora, tomamos una mirada detallada a los puntos específicos en el diseño que son los más productivos, con el fin de determinar las causas involucradas”, explica Filippos Tzanetos.

Trabajar con CFRP es un reto particular para los ingenieros de diseño, ya que el material se comporta de forma anisotrópica: “anisotropía” es un término que describe la dependencia de dirección de una propiedad o una operación. Esto significa que en el caso de materiales reforzados con fibras la resistencia o rigidez mecánica dependerá de la dirección de las fibras. Un componente CFRP, sin embargo, se comporta de manera diferente en una simulación a su comportamiento en la realidad. Filippos Tzanetos explica los detalles a los especialistas: “la significación de la simulación se estima utilizando la propagación de incertidumbre definida en DIN ISO 21748: 2014-05. La incertidumbre de los parámetros del modelo ejerce cierta influencia en la incertidumbre de las variables de salida del modelo. Esto se calcula utilizando el método de simulación de Monte Carlo”.

En proyectos de este tipo, el Instituto Fraunhofer es a menudo asistido por otros institutos o spin-offs, pero en este caso los científicos encontraron el apoyo que necesitaban en la casa. “En nuestro instituto contamos con un departamento de tecnologías de compuestos fibroreforzados y láser”, informa Filippos Tzanetos. “Este departamento ha acumulado en el transcurso de muchos años una gran cantidad de competencias en el campo del dimensionamiento de componentes de máquinas-herramienta hechos de plásticos reforzados con fibra (PRF), y nos proporciona apoyo proactivo en la forma de experiencia en simulación del dimensionamiento de componentes fibroreforzados”.


Palabras relacionadas:
Emo Hannover. materiales para manufactura, materiales ligeros, diseño de máquinas herramienta, cfrp en español, cfrp propiedades, carbon fiber properties, carbon fiber reinforced polymer
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