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:

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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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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

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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

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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

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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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