MATERIALES EN LA AUTOMOTRIZ
Introducción
Resulta indispensable, en un proyecto como el presente, dedicar un capítulo al estudio de los materiales, su composición y sobretodo sus características mecánicas para proceder a su elección y cálculo. Dicha elección de los materiales a emplear está regulada por la normativa técnica de la FIA, en el artículo 15 (Car construcción) de la regulación técnica, ahí se indican los materiales permitidos para la construcción de un F1.
A continuación se exponen y detallan, los materiales escogidos para diseñar la totalidad de partes que componen la suspensión de nuestro vehículo y el motivo de dicha elección.
Estudio de los materiales
Titanio
El titanio y sus aleaciones son materiales permitidos por el reglamento técnico, siempre y cuando no se emplee para uniones roscadas de diámetro inferior a 15mm. Básicamente, las partes de el presente proyecto que se realizarán de titanio son los anclajes de la suspensión, es decir, los elementos que se encargan de unir los brazos de la suspensión con el conjunto ruedas o la carrocería del vehículo.Naturaleza del titanio
El titanio es un elemento químico, de símbolo Ti y número atómico 22. Se trata de un metal de transición de color gris plata. Comparado con el acero, metal con el que compite en aplicaciones técnicas, es mucho más ligero, suele tener una densidad de alrededor 4,5 g/cm3 frente a 7,8 g/cm3 del acero. Tiene alta resistencia a la corrosión y gran resistencia mecánica, pero es mucho más costoso que el acero, lo cual limita su uso industrial pero no cuando hablamos de alta competición.Posee propiedades mecánicas parecidas al acero, tanto puro como en las aleaciones que forma, por tanto compite con el acero en muchas aplicaciones técnicas en cuanto a nivel de resistencia mecánica.
Características del titanio
Entre las características físicas del titanio se tienen las siguientes:
- Es un metal de transición (Es decir, es un elemento químico que está situado en la parte central del sistema periódico)
- Su densidad o peso específico tiene un valor alrededor de 4507kg/m3
- Tiene un punto de fusión de 1675ºC
- Es de color plateado grisáceo
- Es paramagnético, es decir, no se imanta debido a su estructura electrónica.
- Forma aleaciones con otros elementos para mejorar las prestaciones mecánicas.
- Es resistente a la corrosión
- Refractario
- No es buen conductor del calor ni la electricidad.
- Mecanizado por arranque de viruta similar al acero inoxidable.
- Permite fresado químico.
- Maleable, permite la producción de láminas muy delgadas.
- Dúctil, permite la fabricación de alambre delgado.
- Duro. Escala de Mohrs alrededor de 6.
- Muy resistente a la tracción.
- Gran tenacidad.
- Permite la fabricación de piezas por fundición y moldeo.
- Material soldable.
- Permite varias clases de tratamientos tanto termoquímicos como superficiales.
- Mantiene una alta memoria de su forma
Aleaciones de Titanio
- Ti grado 2: Tiene la siguiente composición química: TiFe(0,25-0,30). Es conocido como titanio comercial puro. Tiene una resistencia a la tracción de 345MPa, un límite elástico de 275MPa, una ductilidad del 20% una dureza de 82HRB, se puede soldar y una resistencia eléctrica de 0,56 (µΩm). Sus principales aplicaciones son campos donde se requiere resistencia a la corrosión y posibilidad de ser conformado como las tuberías, intercambiadores de calor, etc.
- Ti grado 5: Conocido como Ti6AI4V, tiene un porcentaje del 6% de aluminio y un 4% de vanadio. Es la aleación de titanio más utilizada, sobre todo, en el campo de la aeronáutica, en el de la biomedicina o la estomatología. Tiene una resistencia a la tracción de 896 MPa, un límite elástico de 827 MPa, una ductilidad del 10% una dureza de 33 HRB una soldabilidad muy buena y una resistividad eléctrica de 1,67 (µΩm). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia mecánica y altas temperaturas como en (tornillería y piezas forjadas).
- Ti grado 19: Tiene la siguiente composición química Ti3Al8V6Cr4Zr4Mo (Beta-C). Tiene una resistencia a la tracción de 793 MPa, una ductilidad de 15% una dureza de 45 HRB, una soldabilidad regular y una resistividad de 1,55 (µΩm). Sus aplicaciones son donde se requiera alta resistencia a la corrosión y a la temperatura (Aplicaciones marinas y motores de aviones).
- Ti6246: Tiene la siguiente composición química: Ti6Al2Sn4Zr6Mo. Tiene una resistencia a la tracción de 1172MPa, un límite elástico de 1103MPa, una ductilidad del 10% una dureza de 39HRB, una soldabilidad limitada y una resistividad eléctrica de 2 (µΩm). Sus aplicaciones don donde se requiera alta resistencia mecánica obtenida por temple.
Elección de los materiales de titanio
Como se ha descrito, los anclajes de los brazos de suspensión y todos los elementos de unión serán de titanio, debido a su alta resistencia y su baja densidad.Se ha optado por hacer el estudio con dos clases de titanio, el titanio 6246 y el titanio 6Al-4V (Grado 5). Este último es más ligero, pero menos resistente, el primero tiene una mayor resistencia pero está penalizado en cuanto a densidad se refiere.
En el anexo de cálculos, se ha hecho la comprobación mediante elementos finitos del conjunto de todos los elementos diseñados de la suspensión, lo que nos ha proporcionado datos de los valores máximos de esfuerzos que deben de soportar dichos elementos, para luego realizar la elección del tipo de titanio de entre las dos opciones que se va a empelar. Concretamente, las partes que se harán de titanio son los anclajes, eslabones y rótulas. En el capítulo Validación de diseño se puede comprobar el material escogido para cada una de las piezas del proyecto.
En las tablas 6.1 y 6.25 se muestran todos los datos técnicos de cada una de las aleaciones que se van a emplear en dicho proyecto.
Los materiales compuestos
En el ejercicio de búsqueda para mejorar la respuesta de los materiales, desde el punto de vista de disminuir el peso y aumentar la resistencia, los materiales tradicionales han llegado a su límite. Los materiales compuestos son un ejemplo de materiales del futuro y que suplen las necesidades expuestas. Un compuesto, o material compuesto es aquel que tiene dos o más constituyentes o fases diferentes.En un material compuesto, el constituyente mayoritario, recibe el nombre de matriz. En general, el objetivo de hacer un material compuesto es el de mejorar alguna o algunas de las propiedades de este constituyente matriz incorporando otro o otros constituyentes.
La matriz puede ser cerámica, metálica o polimérica (como es nuestro caso) i da lugar a otras familias de materiales compuestos de, como en el caso que nos ocupa materiales de compuestos de matriz polimérica (CMP).
Al material compuesto (fibra de carbono) se le suele llamar refuerzo ya que, en general, mejora o refuerza las propiedades mecánicas de la matriz.
La matriz
La matriz ha de mantener los constituyentes de refuerzo en la posición i la orientación deseadas, separándolos para evitar degradación bajo esfuerzos, además, la matriz transfiere la carga entre los elementos de refuerzo. En general, la matriz es más dúctil que el refuerzo, hecho que proporciona la tenacidad a los materiales compuestos. Además, el refuerzo se encuentra protegido de la degradación del medio por la propia matriz.Los compuestos de matriz polimérica que se encuentran más a menudo son los de resina de poliéster, de vinilo, de resina epoxi, de poliamida, de poliamida, de PEEK i de polietileno.
La geometría i las dimensiones de la fase de refuerzo son parámetros muy importantes a la hora de evaluar la eficiencia del compuesto. De este modo, se pueden clasificar según si el refuerzo se encuentra en forma de fibras, continuas o discontinuas, o bien en forma de partículas o si estas se encuentra dispuestas al azar o siguiendo orientaciones preferentes.
En las tablas siguientes se comparan las propiedades mecánicas de algunos materiales utilizados como matrices (Tabla 6.3), y como fibras de refuerzo y la misma propiedad para el material monolítico (Tabla 6.4)
La cantidad de refuerzo que puede incorporarse en una determinada matriz se encuentra limitado por un número de factores como pueden ser por ejemplo la capacidad de ser fabricado, o bien la necesidad de asegurar un cierto espacio entre el refuerzo y evitar el contacto fibra con fibra o bien limitar la fragilidad. En el caso de polímeros reforzados con fibras, se pueden fabricar compuestos que hasta un 70% de volumen de refuerzo asegurando la separación entre fibras.
Es importante conocer cómo se comporta el compuesto cuando se le somete a algún esfuerzo. Se considera que el refuerzo actúa de forma eficaz cuando sobre el recae la proporción más elevada del esfuerzo externo aplicado. Este repartimiento entre la matriz y el refuerzo dependen de la fabricación volumétrica, de la forma y la orientación del refuerzo y de las propiedades elásticas de ambos.
El refuerzo
Una vez tenemos el material compuesto, la mejor manera de hacer una selección entre todos los que habitualmente se utilizan es mediante una tabla comparativa de materiales compuestos. El desarrollo más grande ha estado, y esta todavía, más centrado en el refuerzo de fibra. Existe fibra natural, pero lo más habitual es emplear fibras sintéticas.Uno de los materiales compuestos más habituales en alta competición por su bajo valor de densidad a la vez de sus valores de resistencia altísimos, es la matriz de resina Epoxi reforzada con fibra de carbono, este es un material idóneo para elaborar los brazos de suspensión, elementos de gran volumen, que por necesidad tienen que ser ligeros (debido a favorecer las prestaciones del vehículo en cuanto a peso y para reducir al máximo la masa no suspendida del monoplaza) además de ser elementos con elevadas solicitaciones mecánicas, de aquí la elección de dicho material.
La fibra de carbono
Tipos de fibra de carbono
El carbono se puede presentar en diversas formas alotrópicas, el diamante y el grafito pero también el cuasicristalino y el amorfo. Desde el punto de vista de la fabricación de fibras para el refuerzo, el más utilizado es como grafito ya que la orientación al plano basal, donde el enlace covalente es fuerte, da unas propiedades muy elevadas. Las fibras de grafito se hacen de manera para colocar los planos basales favorablemente. Todo y que el proceso es relativamente caro, se utiliza cuando el uso justifica el precio, como es el caso de la alta competición.Se pueden obtener a partir del poliacrilonitrilo (PAN). Ese proceso consiste en estirar el polímero hasta conseguir tensarlo como una fibra tensionada que se calienta a baja temperatura (200-280ºC) favoreciendo una reordenación intermolecular. Seguido de una oxidación y posteriormente se vuelve a calentar a elevada temperatura (900-1200ºC) en atmósfera de argón. Se obtienen entonces fibras de bajo módulo de Young pero de elvada resistencia y de cristales bien orientados. Si se calienta a 2800ºC se produce una grafitización y da lugar a fibras de módulos más elevados pero también se produce un incremento de la densidad. Por tanto, en aumentar la temperatura de grafitización se obtiene un aumento del módulo de Young. El tratamiento térmico marcará las propiedades de las fibras resultantes. Para mejorar la unión con la matriz se tratan superficialmente para incrementar la rugosidad de la fibra.
Una vez realizado el proceso mencionado, la fibra de carbono puede ser subministrada en dos tipos de formas básicas, en forma de fibra continúa y en forma de fibra picada.
- Fibra continua
- Fibra picada
A diferencia de la fibra de carbono continua, esta se presenta en forma de virutas. La fibra picada se utiliza en la compresión y moldeo por inyección para producir compuestos para formar partes de máquinas, engranajes, válvulas etc. Los productos terminados tienen excelentes propiedades frente a la corrosión, altos valores de tensión de fluencia, fatiga, además de características de alta resistencia en general y rigidez.
Tipos de tejido de fibra de carbono disponibles
Existen diferentes tipos de mallas o tejidos formados por hilos o fibras de carbono continuas, en función de las direcciones que toman las mimas o la manera de entrelazarlas entre sí.
- Tejido plano (Plain Weave): Un tejido plano es aquel donde cada hilado longitudinal y transversal pasa por encima de un hilo por debajo del próximo. Esta construcción proporciona una tela reforzada que es ampliamente usada en aplicaciones generales y garantiza laminados de espesor predecible. Este tipo de tela es muy estable, por lo que difícilmente se distorsiona.
- Tejido cruzado (Twill Weave): En un tejido cruzado el número de hilados longitudinales que pueden pasar sobre los transversales pueden variarse, dando distintas construcciones de tejidos cruzados. Los tejidos cruzados se marcan más fácilmente que los tejidos planos y son fácilmente humedecidos.
- Tejido satinado (Satin Weave): En las telas del tejido satinado el entrelazado es similar al del cruzado, aunque el número de hilados longitudinales y transversales que pasan por encima y por debajo, antes del entrelazado, es mayor. Por lo tanto, un lado del tejido se construye principalmente con fibras longitudinales, y el otro lado, con transversales, lo cual da un tejido desproporcionado que tenderá a distorsionarse antes del curado. Tiene un excelente acabado superficial.
- Fibra unidireccional: Este tipo de tramado proporciona un tejido donde la mayoría de las propiedades mecánicas están alineadas en una dirección. Estos tejidos son muy adecuados para piezas que deben resistir esfuerzos transversales.
Resinas de impregnación
Las resinas de impregnación son aquellas que están destinadas a impregnar o “mojar” las telas de laminación, una de las más populares es la resina epoxi, la cual tiene la ventaja de poseer una muy buena resistencia estructural junto con la propiedad de soportar temperaturas relativamente altas. La mayoría de los sistemas adhesivos o de relleno en pasta tienen a la resina epoxi como base, esto asegura que no tendremos ningún problema de compatibilidad cuando la usemos en operaciones posteriores de relleno y adhesivado.Los sistemas de resina epoxi constituyen una combinación de varios elementos químicos. Cuando estos se mezclan comienza una reacción que aglutina las moléculas y origina que la resina se convierta en un sólido, manteniendo el componente rígido, y distribuyendo la carga transfiriéndola a las fibras.
Debemos tener muy en cuenta que los materiales compuestos se producen justo al final del proceso de fabricación de la pieza. Sólo cuando el conjunto está curado podemos verificar los atributos o propiedades finales del compuesto.
También debemos destacar que la resina epoxi a diferencia de otros tipos de resina tiene una contracción que es prácticamente despreciable, por ese motivo es el material elegido por excelencia en los laminados de alta calidad.
Libras preimpregnadas (Prepregs)
Las fibras preimpregnadas consisten en una combinación de una matriz (resina) y un refuerzo de fibra o tejido. Es decir, son tejidos o fibras preimpregnadas con resina en estado semicurado. Este tipo de materiales ha supuesto una revolución en la fabricación de piezas compuesta. Ofrecen una notable reducción de tiempo de fabricación de piezas, así como la reducción de peso de las mismas, ya que evitas los excesos de resina que existen cuando ésta se aplica manualmente. Su mayor ventaja es la posibilidad de ser aplicada directamente sobre los moldes de las piezas.
Dentro de este tipo de láminas, encontramos una amplia variedad de tipos, según sus características. En la imagen 6.8 apreciamos las diferentes clases de fibras preimpregnadas que encontramos en el mercado.
Características mecánicas
En cuanto a las características mecánicas de las fibras preimpregnadas, concretamente de la clase M47, en el Anexo del presente proyecto se encuentran los datos completos de dicho material. Aun así, hay que hacer hincapié en diversos detalles. En la figura 6.9 se muestra la tabla del catálogo del fabricante (Hexcel), donde se aprecian las características mecánicas del M47 en forma de malla o tejido.
Como se aprecia, la tensión de tracción a 23ºC en dirección de los dos sentido de las fibras (tanto en sentido horizontal como vertical tienen la misma resistencia) nos da un valor de 920MPa.
Si observamos la figura 6.10, donde se recogen los valores del M47 unidireccional a 23ºC, vemos que la tensión a tracción en dirección a las fibras da un valor de 1823MPa, alrededor del doble de resistencia, pero por otro lado, en dirección perpendicular a la dirección de las fibras, tenemos una tensión máxima de 50MPa, valor comparativamente bajo.
Se cumple ahora mediante confirmación numérica, las características mecánicas según la dirección de los tramados que se han expuesto en anterioridad en este mismo capítulo.
Como se aprecia, la tensión de tracción a 23ºC en dirección de los dos sentido de las fibras (tanto en sentido horizontal como vertical tienen la misma resistencia) nos da un valor de 920MPa.
Si observamos la figura 6.10, donde se recogen los valores del M47 unidireccional a 23ºC, vemos que la tensión a tracción en dirección a las fibras da un valor de 1823MPa, alrededor del doble de resistencia, pero por otro lado, en dirección perpendicular a la dirección de las fibras, tenemos una tensión máxima de 50MPa, valor comparativamente bajo.
En el anexo de cálculos se estudian y calculan las solicitaciones de los elementos que forman la suspensión del vehículo, donde se puede comprobar que existen esfuerzos en gran parte de las direcciones de los ejes de referencia, lo que hace que el autor del presente proyecto se decante por fibras en forma de malla, para poder soportar de esta manera mejor los esfuerzos en cualquier dirección.
En el apartado Catálogos del Anexo del presente proyecto se encuentra la totalidad de información técnica y características de la fibra de los componentes de fibra de carbono proporcionados por la empresa Hexel.
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