Cidetec desarrolla nuevos materiales compuestos ultraligeros que cumplen con los requisitos FST más exigentes del sector ferroviario

El uso de los composites en este sector no ha hecho más que crecer ya que ofrecen importantes ventajas frente a otros materiales alternativos tales como resistencia a la corrosión, reducción de peso, integración de funciones, aislamiento eléctrico y buen compromiso entre tamaño de serie e inversiones en utillaje para su fabricación. Los materiales compuestos se utilizan en componentes interiores y exteriores, así como en infraestructuras. Sin embargo, los compuestos estructurales actualmente disponibles no cumplen con los requisitos de inflamabilidad, humo y toxicidad del sector ferroviario y no pueden aplicarse para la fabricación de piezas externas de carrocería.

En este contexto nació hace dos años la iniciativa Mat4Rail que acaba de concluir. Un proyecto Shift2Rail H2020, liderado por Cidetec y que ha tenido entre sus objetivos el desarrollo de materiales para construir trenes más ligeros y también para aumentar la capacidad y la versatilidad de los interiores, así como la comodidad de los pasajeros.

Uno de los resultados más significativos del proyecto ha sido el desarrollo de 6 nuevos compuestos que cumplen con EN45545-2, la norma UNE que marca los ‘Requisitos para el comportamiento frente al fuego de los materiales y componentes en aplicaciones ferroviarias’. Estos composites, basados en refuerzos de vidrio, basalto o fibra de carbono y diferentes matrices poliméricas, han sido desarrollados y validados a través de una exhaustiva batería de pruebas. Su caracterización térmica y mecánica ha demostrado su potencial para aplicaciones ferroviarias, siendo candidatos competitivos y eficientes para su futura introducción en el mercado.

Paralelamente, se han llevado a cabo procedimientos de certificación para cargas operativas y acumulación de daños y se ha determinado que también son válidos para sistemas de puertas de acceso. De hecho, uno de los 6 materiales compuestos desarrollados, cuya formulación ha sido desarrollada por Cidetec, se ha utilizado para fabricar un demostrador de puerta de acceso. Este demostrador se exhibirá en JEC composites 2021, la principal feria mundial dedicada a los materiales compuestos y sus aplicaciones.

La doctora Elena Jubete (ejubete@cidetec.es), coordinadora de Mat4Rail y Responsable de Negocio en Cidetec Surface Engineering explica el impacto significativo que estos resultados pueden tener para la industria ferroviaria: “Ha sido un placer para Cidetec impulsar esta iniciativa y estamos convencidos de que Mat4Rail ha realizado una contribución significativa a los trenes del futuro. Permitirá la introducción de nuevos composites en el material rodante del futuro, en concreto para la caja de los nuevos trenes, basadas en resinas novedosas que cumplan con los requisitos de FST (fuego, humo y toxicidad), así como con las propiedades mecánicas, a la vez que se ajustan a criterios de precio/eficacia que son importantes para el sector ferroviario manteniendo niveles de competitividad atractivos.

Las juntas adhesivas estructurales combinadas con remachado/atornillado permitirán unir estos materiales poliméricos a metales y, por lo tanto, posibilitarán la construcción de estructuras primarias ultraligeras de carácter multimaterial, que incluyen además nuevos conceptos de diseño que contribuyen a la reducción de peso. Se espera que esto permita una reducción de peso de las secciones de la caja de hasta un 30% y una reducción de peso de los sistemas de puertas de acceso de hasta un 10-20%, dependiendo de la tipología del tren. Además, los resultados de Mat4Rail aumentarán la competitividad de los operadores ferroviarios al reducir los costes de mantenimiento y renovación de los trenes, al tiempo que aumentan la comodidad de los pasajeros y el número de pasajeros. Se espera que los nuevos conceptos de diseño de interiores, que incluyen asientos, ultraligeros, conectividades avanzadas y una cabina supercompacta, permitirán un aumento de la capacidad de hasta un 30%, menores costes de mantenimiento yconsumo de energía, todo ello contribuyendo también a la reducción de peso. La clave para lograr estos excelentes resultados han sido los esfuerzos de colaboración de profesionales comprometidos y eficientes incluidos investigadores, diseñadores, ingenieros y expertos de materiales de toda Europa. Ha sido un gran placer dirigir este excelente equipo.

Proyecto Mat4Rail

El proyecto Mat4Rail, liderado por Cidetec Surface Engineering, ha contado con un presupuesto de 3,5 Millones €. Comenzó en octubre de 2017 y concluyó en septiembre de 2019. Este proyecto ha reunido los esfuerzos de seis instituciones de investigación (CIDETEC, Aimplas, ITA Innova, Rise Centexbel y Universitët Bremen) y 10 empresas que son líderes en el mercado y/o SMEs altamente innovadoras (Huntsman Advanced Materials, IMA Dresden, NVGTR, GRrammer, ASAS, Spirit Design, Escatec, Indat, CoExpair y Accelopment). Cabe destacar que Mat4Rail se ha ejecutado en paralelo con un proyecto complementario para miembros de Shift2Rail (‘Pivot’), coordinado por Bombardier e involucrando a grandes fabricantes de trenes y proveedores de servicios tales como Talgo, CAF, Aernnova y SNCF.

Además del desarrollo de estos 6 nuevos materiales FST descritos anteriormente, el proyecto ha desarrollado uniones adhesivas estructurales combinadas con remachado y atornillado para juntas permanentes y no permanentes, que permitirán unir estos materiales poliméricos a los metales. También se ha trabajado en nuevos conceptos de reparación.

Paralelamente, la segunda línea de trabajo del proyecto ha abarcado el diseño modular inteligente de interiores de los trenes para aumentar la capacidad de transporte de pasajeros y su comodidad. Ha abordado los retos y deficiencias del material rodante actual por lo que respecta a su modularidad de uso con el fin de satisfacer la cambiante demanda de los pasajeros durante el ciclo de vida operativo de un tren (30-40 años aprox.). Esta línea de trabajo ha estado orientada a acometer este reto en tres subsistemas: asientos innovadores, sistemas de conectividad ‘plug & play’ innovadores y nuevos conceptos para cabina.

En cuanto al asiento, Mat4Rail ha desarrollado un nuevo sistema ultraligero, híper flexible e inteligente que se puede organizar y ajustar de una manera súper densa y rápida. Consiste en una estructura de marco pequeña que sostiene una estructura de incrustación tejida inteligente, que proporciona toda la ergonomía y comodidad necesarias. Este sistema puede estar suspendido o fijo en el suelo. Esta visión tangible y productiva tendrá un impacto para reducir significativamente el número de piezas por asiento y el peso total, así como los costes de producción y las emisiones de CO2 durante la producción y el uso.

Además, Mat4Rail ha desarrollado una maqueta completamente funcional de sistema de conexiones plug & play. El sistema satisface todas las necesidades energéticas con una red inteligente de energía y comunicación de varias capas y cuenta además con una estructura de montaje flexible, que incluye una restauración rápida y fácil, instalación en la pared lateral del tren. Por último, se ha construido un prototipo virtual de todo el tren que muestra la cabina del conductor, así como el sistema plug & play y el concepto de asiento modular previamente explicado.

Sobre Cidetec Surface Engineering

Ubicado en la sede de Donostia-San Sebastián del Parque Científico Tecnológico de Gipuzkoa, Cidetec integra a tres centros tecnológicos de referencia internacional en almacenamiento de energía (Cidetec Energy Storage), nanomedicina (Cidetec Nanomedicine) e ingeniería de superficies (Cidetec Surface Engineering). En el conjunto de Cidetec trabajan 183 profesionales, de los cuales un 95% son titulados superiores y un 50% doctores. Los investigadores y tecnólogos que integran Cidetec tienen como objetivo fundamental transformar el capital de conocimiento de la entidad en soluciones industrializables y sostenibles. El volumen de actividad alcanzó los 13 M€ en 2019.

En concreto, Cidetec Surface Engineering, coordinador del proyecto Mat4Rail, dispone de un edificio con 4000 m² de instalaciones equipadas con la tecnología más avanzada para dar servicio a empresas de los sectores de automoción, aeroespacial, condiciones extremas y otros, cubriendo toda la cadena de valor, desde la investigación básica hasta el ensayo en condiciones muy próximas a la producción industrial, para lo que cuenta con laboratorios y plantas piloto de última generación. La actividad del ámbito de conocimiento de polímeros y composites está enfocada principalmente al desarrollo de nuevas formulaciones de materiales con funcionalidades avanzadas y/o materiales sostenibles. Este ámbito de conocimiento está liderado por la Dra. Alaitz Rekondo, también involucrada directamente en el proyecto Mat4Rail, como WP leader del WP2 Materials: New materials for rolling stock

En este ámbito Cidetec trabaja tanto con polímeros termoplásticos como resinas y composites termoestables. En cuanto a polímeros termoplásticos el principal expertise se enfoca en la aditivación o compounding de diferentes matrices poliméricas (PA, PP, PMMA, PC, ABS, PET, POM, etc. incluyendo también polímeros biodegradables como el PBS o PLA) para obtener polímeros con propiedades a la carta. En cuanto a resinas y composites termoestables, la principal actividad también está enfocada al desarrollo de materiales avanzados con nuevas funcionalidades como ha sido el desarrollo realizado en el proyecto Mat4Rail, focalizado sobre todo en la mejora de prestaciones frente a fuego. Cabe mencionar, que en el ámbito de las resinas y composites termoestables, una de las principales líneas de investigación está enfocada al desarrollo de composites dinámicos que incorporan nuevas funcionalidades de reprocesabilidad, reparabilidad y reciclabilidad mediante la incorporación de química reversible en la estructura reticulada de la matriz (EP 3 149 065 B1 – ‘Thermomechanically reprocessable epoxy composites and processes for their manufacturing’).

El proyecto MAT4RAIL ha recibido financiación del Shift2Rail Joint Undertaking (S2R JU), una de las alianzas público-privadas del sector ferroviario dentro del programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, número de acuerdo 777595.

Esta iniciativa europea de 3,5 M€ enmarcada en el Programa Open Call de Shift2Rail/ H2020 ha propiciado el desarrollo de 6 nuevos materiales composites que cumplen con EN45545-2 ‘Protección contra el fuego en vehículos ferroviarios’, así como novedosos conceptos y demostradores para interiores modulares