Contexto: Ingeniería de Materiales Avanzada
La ingeniería moderna busca constantemente la eficiencia. Este proyecto tiene por objetivo principal la sustitución de metal por plásticos técnicos en componentes industriales. Tradicionalmente, estas piezas se fabrican en acero o aluminio. Sin embargo, nosotros proponemos el uso de fabricación aditiva FDM (modelado por deposición fundida).
En muchas aplicaciones, las cargas extremas no son el único factor determinante. Aquí, los materiales poliméricos pueden cumplir sobradamente con los requerimientos de diseño. Es cierto que no tienen límites elásticos tan altos como los metales. Tampoco poseen el mismo módulo de Young. Pero son una opción eficaz para reducir drásticamente el peso.
La densidad de los plásticos es muy inferior a la de los materiales metálicos. Por ello, la sustitución de metal por plásticos técnicos es una opción estratégica a estudiar. Es vital para industrias donde cada gramo cuenta, como la aeronáutica o la automoción.
En Atreydes Ingeniería hemos analizado piezas originalmente de aluminio 5083. Estas deben resistir esfuerzos de tracción de 2000kg. El reto es modificar su geometría para fabricarlas con impresión 3D utilizando polímeros técnicos.
Desafíos en la sustitución de metal por plásticos técnicos
Las propiedades mecánicas de los polímeros son inferiores a las de los metales. Esto nos obliga a rediseñar la pieza por completo. Se requiere más superficie de apoyo para transmitir la misma carga eficazmente. Necesitamos alcanzar una presión de contacto más baja en las uniones.
Además, buscamos un mejor reparto de la carga en los anclajes. Esto nos proporcionará estabilidad estructural a la nueva geometría plástica.
Otro factor crítico es la anisotropía. El proceso de fabricación FDM produce elementos que no son isótropos. Tienen diferente resistencia según la dirección de la carga. Por tanto, en la sustitución de metal por plásticos técnicos, es crucial orientar la deposición de capas. Debemos alinear las fibras en la mejor dirección para soportar el esfuerzo principal con garantías.
La elección del material es esencial para cumplir con los requerimientos de cargas. Si consideramos los materiales poliméricos de alto rendimiento, destacan las poliamidas (nylon).
Al unir el nylon con refuerzo de fibras, sus propiedades se disparan. Usamos fibras de vidrio, carbono o aramida. Esto incrementa su límite elástico y su módulo de Young notablemente. Así, logramos acercarnos al comportamiento de los materiales metálicos tradicionales.
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Límite de tracción: 345 MPa
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Límite elástico: 215 MPa
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Módulo de tracción: 7000 MPa
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Límite de tracción: 134 MPa
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Límite elástico: 87 MPa
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Módulo de tracción: 8164 MPa
Para validar la sustitución de metal por plásticos técnicos, la simulación es el primer paso. La simulación CAE predice el comportamiento de la pieza bajo carga. En metales, el comportamiento elástico lineal es muy predecible. Se ajusta perfectamente hasta llegar al límite de fluencia.
Sin embargo, el comportamiento de los polímeros no es tan lineal. Su curva de tensión-deformación es más compleja. Por norma general, se acepta su límite de fluencia al 0,2% de deformación.
Debido a esto, las simulaciones de polímeros requieren un margen de seguridad mayor. Son ligeramente menos exactas que las metálicas puras. Por eso se hace necesario un ensayo físico posterior de la pieza para disipar dudas.
El proceso de fabricación aditivo FDM deposita capas de material fundido. Construye la geometría capa a capa. Se puede considerar que el material en una misma capa es muy resistente. Tiene casi las mismas propiedades que el filamento de la materia prima.
Sin embargo, la unión entre capas (eje Z) es el punto débil. Muestra valores de resistencia por debajo del material original. Esto es algo inherente al propio proceso de fabricación FDM y vital en la sustitución de metal por plásticos técnicos.
Durante la fase de fabricación, debemos orientar la pieza estratégicamente en el espacio. El objetivo es que todas las capas trabajen de manera homogénea. Deben resistir de forma conjunta contra el esfuerzo principal de tracción.
El ensayo de tracción es la prueba de fuego. Garantiza que la pieza diseñada cumple con las cargas de diseño reales. La carga es aplicada a través de un cilindro hidráulico de precisión.
Controlamos la presión exacta a través de un manómetro calibrado. Utilizamos una válvula de seguridad para evitar sobrecargas accidentales. Además, medimos las deformaciones milimétricas por medio de un reloj comparador digital.
La bancada de ensayo consta de 3 sistemas principales diseñados a medida:
- La estructura metálica que define la bancada.
- El sistema hidráulico de potencia.
- El sistema eléctrico de control.
Todos estos sistemas han sido diseñados íntegramente por el equipo de ingeniería.
Nuestro Proceso de Optimización
Para ejecutar una sustitución de metal por plásticos técnicos exitosa, seguimos una metodología rigurosa. Primero, es necesaria la caracterización del comportamiento de la pieza original. Esto nos da un punto de partida fiable. Desde ahí podemos empezar la optimización topológica.
Las simulaciones CAE definen la nueva geometría. Cruzamos estos datos con las restricciones del software de fabricación aditiva (Slicing). Así obtenemos el diseño modificado para el nuevo material polimérico.
Finalmente, la nueva pieza debe pasar el ensayo de tracción físico. Esto asegura que los requerimientos de diseño se cumplen. También valida que las simulaciones han sido exactas.
Si te interesa ver otros casos de éxito, visita nuestro Portafolio de Proyectos. O si tienes un reto similar, contacta con Atreydes Ingeniería para un estudio personalizado.
