metodología de desarrollo de producto- proceso en … · i+d+i nuevos procesos validación...
TRANSCRIPT
MetodologMetodologíía de desarrollo de productoa de desarrollo de producto--proceso en materiales termoplproceso en materiales termopláásticossticos
Zaragoza, 30/09/2010Foro “El plástico en el automóvil”
2 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Fundación CIDAUT
3 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Fundación CIDAUTCentro de investigación y desarrollo en
Transporte y Energía CIDAUT se constituye el 2 de febrero de 1993 Fundación privada sin ánimo de lucro. Declarada de interés público Ubicada en el Parque Tecnológico de Boecillo desde 1995 Superficie total 23.300 m2
Equipamiento I+D 62,1 M€ (2009) Personal investigador 321 personas (70% titulados universitarios) Más de 200 clientes industriales
4 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Objetivo generalNuestro principal objetivo es potenciar la
competitividad y el desarrollo industrial de las empresas de los sectores de Transporte y Energía
Investigación, Desarrollo e InnovaciónTransferencia de TecnologíaFormación
Automoción Energía Ferrocarril Medioambiente Aeronáutica
5 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Filosofía de trabajo
NECESIDAD
Diseño Simulación Prototipos Pre-producción Validación
PRODUCTO
Caracterizaciónde materiales
Diseño de nuevos materiales/procesos
6 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Metodología de desarrollo Material-Producto-ProcesoI+D+i Nuevos procesos
Validación producto
Diseño y fabricación de moldes y utillajes
Diseño de proceso
MaterialesDiseño de detalle
Fabricación de prototipos / preseries
Predicción de comportamiento
Requerimientos
Diseño concepto
Definición producto
7 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Sistemas de Guiado y Estabilidad
Sistema de suspensión
Sistemas de frenado
Sistemas de dirección
Seguridad activa
8 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0 5 10 15 20 25 30 35 40DESPLAZAMIENTO (mm)
FUE
RZA
(KN
)
DESP. MIN. (mm)
DESP. MAX. (mm)
DEFORMABLE (mm)
PROTOTIPO (mm)
VALIDACIÓN EN BANCOS
CONTROLADOS
y j
0
100
200
300
400
500
600
1 39 77 115
153
191
229
267
305
343
381
419
457
495
533
571
609
647
685
723
761
799
837
875
913
951
989
1027
1065
1103
1141
1179
1217
1255
1293
1331
1369
1407
1445
1483
1521
1559
1597
1635
Duración ensayo (segundos)
Tem
pera
tura
s
VELOC.Tª manguetaTª caucho (superior)Tª caucho (lateral)Tª disco
CÁLCULO ESTRUCTURAL:TÉRMICO Y MECÁNICO
ANÁLISISDE
FATIGA
PLANTEAMIENTODEL
PROBLEMA
ESTUDIODE LA
SOLUCIÓN
CAD:DISEÑO MALLADO
METODOLOGÍA
9 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Metodología
Caracterización de materiales
Psicoacústica y pruebas de
jurado
Vibroacústica y campo sonoro
Modelos vibratorios
Acústica y Vibraciones
10 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Material Producto
Función
Proceso
Filosofía de trabajo
Material-Producto-Proceso son inseparables. Juntos garantizan la Función.
El producto se diseña para que pueda ser procesado.
El proceso se diseña para que el material maximice sus propiedades mecánicasy el producto cumpla sus exigencias dimensionales.
El material se elige para que el producto diseñado y procesado cumpla con las funciones descritas en el CdC.
11 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Caracterización de materiales
p
-50000000
-45000000
-40000000
-35000000
-30000000
-25000000
-20000000
-15000000
-10000000
-5000000
00 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2
Deformación (m/m)
Tens
ión
(Pa)
Tens estát. Pa
tens0.8 Pa
tens2.3 Pa
tens3.7 Pa
ε
La caracterización exhaustiva de los materiales en condiciones de transformación reales es indispensable para el diseño del producto-proceso.
Los materiales termoplásticos presentan variaciones significativas de las propiedades mecánicas en función de la velocidad de deformación.
Los materiales termoplásticos presentan variaciones significativas de las propiedades mecánicas en función de la temperatura en el rango de uso(-40 ÷ 80ºC).
Las condiciones de transformación modifican las propiedades mecánicas de los materiales, en ocasiones drásticamente.
Los materiales termoplásticos inyectados presentan cierto grado de anisotropía. Efecto particularmente importante en materiales reforzados.
12 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Validación de las herramientas de simulación
13 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Caso práctico: Man-hole cover
Desarrollo de producto-proceso de una cubierta del depósito de combustible del estabilizador horizontal del Airbus A-380 en material termoplástico transformado por inyección.
14 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Desarrollo cubiertas Man-hole
Caracterización del material Mecánica Reológica
Diseño de producto-proceso Simulación mecánica Simulación reológica
Diseño y fabricación de molde Validación del componente
15 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Objetivos
Cumplimiento del pliego de cargas del producto Ensayo de fugas Ensayo funcional
Mínimo peso Resistencia química ante el combustible Minimización del tiempo de ciclo Utilización de material no metálico
16 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Monómero de PEEK
Propiedad Unidad. Test Valor Densidad gr. cc-3 ISO 1183 1,39
Resistencia a tracción (23ºC) Mpa. ISO 527 225 Módulo a Flexión (23 ºC)
(120 ºC) (250 ºC)
Gpa. ISO 180 19,2 18,6 5,1
HDT ºC ISO 75 >300 Temperatura Fusión (Pico
endotérmico) ºC DSC 343
Temperatura de uso continuo ºC UL 746B 260
Propiedades generales del PEEK + 30% CF
Caracterización del materialMaterial PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 30% CF
Material termoplástico transformable por inyección.
Temperatura de uso continuo superior a 260ºC.
Inerte a la mayoría de sustancias químicas, especialmente combustibles.
Densidad 1,39g/cm3.Pérdida pequeña de propiedades
mecánicas en el intervalo de temperaturas entre -50 y 80ºC.
Resistencia a tracción 225MPa y módulo a flexión 19,2GPa (valores teóricos).
17 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Caracterización del material
Detalle de las fibras de carbono Medida de longitud de fibra de carbono en el material original
El diámetro promedio de la fibra de carbono es de aproximadamente 5μm.La longitud promedio de la fibra de carbono es de 200 – 250μm. La dispersión es muy
grande.La medida de la longitud de fibra se ha realizado tras la descomposición de la matriz
termoplástica utilizando ácido sulfúrico.
Material PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 30% CF
18 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Caracterización del material
Determinación de la orientación de la fibra en la matriz por su influencia sobre las propiedades mecánicas.
Material PEEK (Poliéter-éter-cetona) + 30% CF
19 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Detalle de los dominios cristalinos del PEEK + 30% CF
Caracterización del material
El comportamiento semi-cristalino del material queda puesto de manifiesto mediante el estudio microscópico en estado fundido.
Las propiedades mecánicas finales del material son función de la cristalinidad y la morfología de los cristales que se forman durante el proceso de transformación
Los valores específicos de las variables de inyección pueden provocar diferencias de cristalinidad en las distintas zonas del producto.
Proceso de cristalización del PEEK + 30% CF
20 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Curva Viscosidad vs. Velocidad de Cizalla
Curva Volumen Específico vs. Temperatura
Caracterización del material
La caracterización reológica es imprescindible para el diseño del producto-proceso y del molde de inyección.
La elevada temperatura de transformación (400ºC) dificulta la caracterización reológica.
La curva de viscosidad frente a velocidad de cizalla a diferentes temperaturas condiciona la etapa de llenado del molde.
La curva de volumen específico frente a temperatura a distintas presiones condiciona el comportamiento del material durante la etapa de compactación y enfriamiento.
El PEEK + 30 % CF presenta un comportamiento parcialmente cristalino.
Caracterización reológica
21 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Caracterización del material
Las propiedades mecánicas del material PEEK + 30% CF en el producto inyectado son heterogéneas y dependen de múltiples factores entre los que destacan: Orientación de la fibra de carbono Concentración local de las fibras de carbono Longitud de las fibras de carbono Grado de cristalinidad y morfología cristalina de la matriz polimérica
Determinadas variables geométricas del producto y la mayoría de las variables del proceso de inyección son las responsables de la variación de las propiedades mecánicas.
El diseño del producto, del proceso y del molde de inyección condicionan completamente las propiedades mecánicas del material y, por lo tanto, el comportamiento mecánico del componente final. La interacción material-producto-proceso es muy fuerte.
Caracterización mecánica
22 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Tracción estática Material PEEK CA30.
Módulo Elástico a Tracción (GPa.)
Tensión de rotura (MPa.)
Tª = -54 ºC 21,8 257 Tª = 20 ºC 20,3 206 Tª = 70 ºC 20,1 175
Caracterización mecánica Tensión-Deformación en la dirección de la fibra para tres temperaturas
Caracterización del materialCaracterización mecánica
23 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Caracterización del materialCaracterización de proceso
24 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Plano de partida
Diseño producto-procesoDiseño de producto
25 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Diseño inicial Diseño radial Diseño final
Diseño producto-proceso
Se ha estudiado la influencia que cada una de las variables fundamentales del procesotiene en el comportamiento mecánico final para poder acotar la variabilidad.
Utilizando la caracterización mecánica obtenida, la simulación del proceso de inyección y el programa de simulación NASTRAN se ha realizado el diseño inicial y la optimización del producto para conseguir las máximas prestaciones mecánicas con un peso mínimo.
Diseño de producto
26 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Sección original Sección finalPropiedades mecánicas
por zonas
Diseño producto-procesoDiseño de producto
Adecuación de la geometría final al proceso de fabricación por inyección: espesores uniformes, arcos de acuerdo y ángulos de desmoldeo; prestando también atención a la contracción diferencial de las piezas.
Intercambiabilidad: utilización de un mismo diseño de tapas en distintas categorías.Simulaciones de comportamiento empleando distintas propiedades de material por zonas
(orientación fibras).
27 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Diseño producto-procesoDiseño de proceso
Utilizando la caracterización reológica obtenida y el programa de simulación MOLDFLOW se ha realizado el diseño del proceso. Los resultados obtenidos en el diseño de proceso se han utilizado en las simulaciones mecánicas para el diseño del producto.
Analizando el llenado de la cavidad se ha diseñado el número óptimo de puntos de inyección, su ubicación y la secuencia de apertura-cierre de cada uno de los inyectores.
28 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Representación 3D del molde diseñado
Diseño del moldeDiseño del molde de inyección
El diseño del sistema de alimentación permite el llenado del molde definido en el diseño del proceso.
El diseño del sistema de atemperación permite obtener un mapa térmico homogéneo para procesar el material de acuerdo a las especificaciones definidas en el diseño del proceso.
Las particulares condiciones de inyección del PEEK + 30% CF (Tªmasa = 400ºC y Tªmolde = 200ºC) hacen necesario un estudio exhaustivo del guiado del molde y del diseño del sistema de expulsión.
29 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Fabricación de la cavidad del molde de inyección de la cubierta Man-Hole
Parte fija y parte móvil del molde de inyección del Man-Hole Cover
Vista general del macho del molde de inyección del Man-Hole Cover
Fabricación del moldeFabricación del molde de inyección
30 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Vista general del útil de presión diseñado y fabricado para la validación del componente
ValidaciónValidación de producto
Estanqueidad Certificación Rotura Durabilidad
31 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751
TIEMPO (s)
PRES
IÓN
(bar
)
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
FLEC
HA
(mm
)
PRESIÓN (bar) FLECHA (mm)
ValidaciónValidación de producto Estanqueidad y Certificación
Ensayo de estanqueidad o fugas: Todas las cubiertas se ensayan según el CdC a presión para comprobar que no presentan ninguna fuga.
Ensayo de certificación o funcional: una cubierta de cada lote de fabricación es sometida a un valor superior de presión durante 5 minutos, posteriormente se elimina la presión y se comprueba que no hay deformación permanente. A continuación se incrementa la presión hasta un pico máximo y se mantiene durante 3 segundos sin que se produzca rotura de la cubierta.
32 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Modo de fallo de una de las cubiertasMan-Hole y detalle de la rotura
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 501 551 601 651 701 751 801
TIEMPO (s)
PRES
IÓN
(bar
)
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
FLEC
HA
(mm
)
PRESIÓN (bar) FLECHA (mm)
ValidaciónValidación de producto Rotura
33 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
ValidaciónValidación de producto Durabilidad
34 - Metodología desarrollo producto-proceso © Fundación CIDAUT
Producto final
MetodologMetodologíía de desarrollo de productoa de desarrollo de producto--proceso en materiales termoplproceso en materiales termopláásticossticos
Jesús Poveda Bernal - [email protected] “El plástico en el automóvil”