Facilitar el trabajo: mejorar la dinámica con CFRP

Los materiales de alta resistencia son muy populares no sólo en la fabricación de aviones y automóviles sino también en el sector de la ingeniería mecánica, ya que a menudo son relativamente ligeros y, al mismo tiempo, muy resistentes. Sin embargo, no es raro que las máquinas-herramienta se enfrenten a sus límites físicos al procesar estos materiales. Esto se puede remediar utilizando partes estructurales para maquinaria hechas con materiales ligeros reforzados con fibra. Sin embargo, implica superar algunos obstáculos, como lo demuestra un proyecto de investigación aún no completado en el Instituto Fraunhofer de Aachen, Alemania (IPT—Institute for Production Technology—) que se mostrará en el EMO Hannover.

Los investigadores del Instituto Fraunhofer 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 de Magdeburg para examinar cómo se comporta en una máquina-herramienta un componente innovador para movimientos verticales (eje Z) siendo fabricado en plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) y cómo puede optimizarse el movimiento en Z.

“Comenzamos los trabajos de desarrollo de la lámina CFRP en 2013”, relata Christoph Tischmann, director de la sede de MAP Werkzeugmaschinen GmbH en Magdeburg. “Ya tenemos mucha experiencia con ejes lineales y rotativos, por ejemplo para el mecanizado de aluminio, pero para materiales de alta resistencia como la aleación de titanio Inconel no poseen la potencia requerida”. Así, MAP decidió desarrollar una máquina-herramienta con accionamientos muy potentes: por ejemplo, se utilizan ahora husos de 55 y 72 kilovatios, que son significativamente más pesados y más grandes. “Para no tener que comprometer la dinámica, estábamos buscando una forma de compensar el mayor peso”, explica Christoph Tischmann. “Por eso optamos por la variante CFRP”. A modo de comparación: la máquina-herramienta utilizada para trabajar en el eje Z con husillos de 28 a 36 kilovatios.

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 equipo científico del Fraunhofer IPT.

Aquí surge la cuestión de cómo el cambio de un 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 de guía Z. “La máquina fue sometida a un escrutinio exhaustivo”, informa Christoph Tischmann. “Usamos estas mediciones para desarrollar varios enfoques solucionales, con el fin de mejorar el diseño”.

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. “Entonces intentamos reemplazar algunos de los componentes existentes por sus equivalentes en aluminio o CFRP, o para mejorar el comportamiento dinámico en ciertos puntos críticos por medio de refuerzos o costillas”.

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 establece los detalles para 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 fibra-reforzada-composite y láser”, informa Filippos Tzanetos. “A lo largo de muchos años, este departamento ha acumulado una gran cantidad de competencias en el campo del dimensionamiento de componentes de máquinas-herramienta hechas de plásticos reforzados con fibra (FRP), y nos proporciona un soporte proactivo en forma de experiencia en simulación para el dimensionamiento de componentes reforzados con fibra”.

Un apoyo de este tipo es indispensable para resolver las preguntas que se plantean cuando se trata de utilizar componentes de FRP en la construcción de maquinaria y equipos, ya que estos materiales, en virtud de sus propiedades anisotrópicas, no suelen usarse en estas aplicaciones. “Hasta ahora ha habido una notable reticencia a utilizar los FRP porque, a diferencia de los materiales convencionales, no hay recurso disponible para los estándares existentes de diseño y dimensionamiento y, por tanto, no es tan fácil predecir el comportamiento dinámico de un componente FRP en conjunción con el resto de La estructura de la máquina”, explica el científico de Aquisgrán. “Los errores se producen, por ejemplo, cuando un componente está dimensionado en términos de su resistencia mecánica en una sola dirección de eje, ignorando la resistencia mecánica en las direcciones de otros ejes, pero si utilizamos herramientas de simulación para afinar la interrelación entre FRP y la propia dinámica de la máquina herramienta, nada puede salir mal, así que para resolver el problema, las competencias necesarias se unen en nuestra empresa dentro de este proyecto”.

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 sólo un bajo nivel de resistencia mecánica (por junta: 10 a 40 megapascales).
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 sólo la tecnología de unión que el gerente de sede de MAP en Magdeburg considera problemática. “Con el fin de asegurar exactitud de posicionamiento y reproducibilidad en la máquina incluso en el caso de alta respuesta dinámica, raspar las capas en las guías lineales a mano”, explica 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 con vistas a la EMO Hannover. El fabricante de máquinas-herramienta se plantea un stand compartido con el Fraunhofer IPT para 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 aceptado en el sector aeroespacial, en particular”.

El científico de IPT también ve los proyectos colaborativos como una buena opción para explorar nuevos caminos en un proceso de retroalimentación mutua con el sector industrial. El proyecto actualmente en curso ha alentado a los investigadores de Aachen a seguir adelante con los socios industriales en el ámbito de los CFRP. Filippos Tzanetos y sus colegas de la comunidad académica recibirán más información sobre cuestiones comparables relacionadas con el material y sobre la construcción ligera en septiembre en el EMO Hannover.