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Jornada Técnica de la PTFE:
INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN EN MATERIALES
CON APLICACIÓN EN EL ÁMBITO FERROVIARIO
Madrid, 26 de febrero de 2015
Nuevos materiales para aplicaciones ferroviarias. Visión CIDAUT
Alberto Montes
Fundación CIDAUT
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
Estado de la técnica: Materiales Car-Body
COMPOSITES
ACERO
ALUMINIO
FIBRA DE CARBONO:
• Buena resistencia.
(E = 1.0-2.0 e+11 N/m2) (Rotura = 1000 Mpa)
Muy ligero (ρ = 1500 kg/m3)
• Alta resistencia y módulo elevado
(E =
2.1e+11
• Módulo menor al del acero
N/m2)
(Rotura = 300 Mpa)
Peso elevado (ρ = 7850 kg/m3)
•
• Material barato
• Manipulación sencilla
• Utillajes y equipos muy caros
• Problemas de corrosión
•
(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)?????
PRESENTE
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
•
• 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”
FUTURO
Estado de la técnica: Composites
COMPOSITES
Poliéster, viniléster, resinas fenólicas, resinas
modificadas de acrílico líquido.. Fibras de vidrio en una variedad de formas.
Requerimientos estruct. / fuego …
Características de transformación
Coste material / proceso
PROCESOS DE FABRICACIÓN
Volumen de producción
Hand Lay-Up “Capas de fibra a
…
mano”
Fibras continuas, fibras cortadas,
Vacuum Resin Infusion (VI)
unidireccionales, tejidos multi-direccionales
Resin Transfer Molding (RTM)
Fibras de carbono
Structural Sandwich Bonding
Polímeros de espuma.
Pullwinding (Pultrusión)
…
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
Financiado por:
Facilidad de moldeo
Ref. PTR-2014-0351
Necesidad
1970
2000
Trenes cada vez más pesados
(nuevas funcionalidades / equipamiento)
2020
Aligeramiento
• Crashworthiness
• Confort (Calefacción y Aire acondicionado)
• Comodidad (tomas de corriente, tv, asientos
reclinables….)
• Accesibilidad
•…
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)
Desarrollo y aplicación de nuevos conceptos de componentes y
estructuras basadas en material composite estructural y
procesos de fabricación para aplicaciones ferroviarias
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
• 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)
•…
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
…
COMPOSITES
Necesidad
ERRAC (European Rail Research Advisory Council)
Strategic Rail Research Agenda Demandas de los ciudadanos europeos en los próximos años
Se centra en cinco áreas temáticas:
Interoperabilidad
l
cia a
Seguridad ferroviaria (Safety and Security)
Medio ambiente
Materiales y métodos innovadores de producción
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
COMPOSITES
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a)
Movilidad inteligente
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.
Principales dificultades para el uso
TECNOLOGÍA DE UNIÓN
COMPORTAMIENTO CONTRA EL FUEGO
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
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….)
TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN / MATERIALES
UNIONES
REPARABILIDAD:
ESTANDARIZACIÓN
Inspección
Detección
Reparación
SEGURIDAD CONTRA
INCENDIOS
REPARABILIDAD
RECICLAJE
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
PESO
FABRICACIÓN
COMPOSITES
RESISTENCIA AL IMPACTO
DISEÑO
Y
SIMULACION ESTRUCTURAL
TRANSFERENCIA
CONOCIMIENTO
(SECTOR
AERONÁUTICO /
AUTOMOCIÓN)
RECICLAJE: ESTANDARIZACIÓN (Actualmente poco prioritario (bajo
DESARROLLO METODOLOGÍAS DE PREDICCIÓN
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)
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
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
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
Evaluación
VENTAJAS: 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
• Propiedades de expansión térmicas bajas
• Capacidad de cumplir requisitos rigurosos de estabilidad dimensional
• Formas complejas
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
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
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
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
Posibles aplicaciones
Coche pasajeros
Cabina cabeza motriz
Estructura del habitáculo de supervivencia de la cabina
Estructura de la caja de vehículos ferroviarios (pasajeros / carga)
Rigidez, Integridad estructural, Modos de
vibración, Fatiga, Peso, Fuego….
Carenado exteriores (techo, suelos, paneles laterales)
Rigidez, Aislamiento acústico / térmico, Peso,
Fuego, …
Carenados interiores (interiorismo, contenedores equipajes,
mamparas de separación…
Integración de funciones, Confort, Peso, Fuego,
Aislamiento acústico / térmico
Puertas, marcos ventanas ….
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
Posibles aplicaciones
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
• ….
Sustitución de estructura de aluminio / acero por estructura de materiales avanzados ultraligeros de
composite (fibra de carbono, paneles de fibra de vidrio …). Estructuras híbridas.
Estructura convencional en aluminio
• Perfiles de extrusión de aluminio
• Uniones soldadas (Mano de obra experta)
• ↑ Carga de montaje (costes de montaje)
• ↓ Integración Funcional
Estructura material composite:
Fibra de carbono (pultrusión)
Materiales avanzados composite
AVT / RTM / VAC
• Ligero
• Mantiene / Incrementa los niveles de desempeño:
Niveles de rigidez, resistencia impacto,
aislamiento…
• Integración de funciones
• Mejora la modularidad (facilitar montaje, inspección,
mantenimiento, reparabilidad)
Estructura
(*)
Carenado
Testeros
Material
Tubos pultrusión
AVT / RTM
VAC
mact
1840
755
200
2795
mprevista
1190
530
110
1830
∆m
↓650 (35%)
↓225 (30%)
↓90 (45%)
↓965 (35%)
(*) Se espera una mayor disminución con la optimización de las secciones (Fibra
de carbono tiene mayor módulo que el aluminio menor espesor)
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)?
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
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
(g) Simulation – experimental
Validation
(d) Dimensional
checking
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
(e) Microstructure
Analysis
(f) Natural frequency
measurement
Otras líneas de investigación en
aleaciones ligeras
Aplicaciones en interiores de aleaciones de magnesio
Desarrollo y optimización del proceso
Desarrollo de nuevas aleaciones con alta resistencia a la corrosión
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
Otras líneas de investigación en
aleaciones ligeras
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
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351
PEO on aluminum alloys.
Depending on core material,
the coating will possess
different properties and
morphology
www.ptferroviaria.es
Financiado por:
Ref. PTR-2014-0351