Materiales de alta resistencia para manufactura ligera

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”.

Láser, sin unión

Otra consideración crí­tica es la adhesión de los CFRP a los metales. Hasta ahora se ha utilizado un proceso de adhesión que, según Filippos Tzanetos, tiene cuatro inconvenientes:

1. La superficie CFRP tiene que mecanizarse mecánicamente. Esto conduce a inestabilidad y un debilitamiento de las propiedades del CFRP.
2. Garantiza solo un bajo nivel de resistencia mecánica (por junta: 10 a 40 megapascal).
3. Depende estrechamente de las condiciones ambientales (por ejemplo, temperatura, suciedad, virutas, lubricante refrigerante).
4. Las juntas unidas tienen una baja resistencia al desgaste.

Todas estas desventajas se eliminan mediante un proceso de láser. Pero no es solo la tecnologí­a de unión la que el Gerente de sucursal de MAP considera problemática. “Con el fin de asegurar exactitud de posicionamiento y reproducibilidad en la máquina, incluso en el caso de alta respuesta dinámica, raspamos las capas en las guí­as lineales a mano", dice Christoph Tischmann. “Ahora es un enorme desafí­o para nosotros lograr esto con CFRPs también”.

A pesar de todas estas dificultades, el cambio a CFRP ha valido la pena, opina el experto pensando en lo que será EMO Hannover. El fabricante de máquinas herramienta está pensando en un stand de información compartida con el Fraunhofer IPT con el fin de mostrar los avances y procedimientos relacionados con este “nuevo material”.

Básicamente, al final de este proyecto pretendemos poner una máquina dinámica, de alta precisión y, sobre todo, potente en el mercado”, explica Christoph Tischmann. “Nos gustarí­a ver que sea ampliamente aceptada en el sector aeroespacial, en particular”.