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Integrated design and novel tooling and process optimisation of microwave processing of composites

Información del proyecto

Identificador del acuerdo de subvención: 680569

Estado

Proyecto cerrado

  • Fecha de inicio

    1 Septiembre 2015

  • Fecha de finalización

    31 Julio 2019

Financiado con arreglo a:

H2020-EU.2.1.1.

H2020-EU.2.1.5.1.

  • Presupuesto general:

    € 3 412 276

  • Aportación de la UE

    € 3 412 276

Coordinado por:

TWI LIMITED

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Simulación del procesamiento de compuestos mediante microondas con una precisión inédita

Los materiales compuestos han revolucionado diferentes industrias, desde el transporte y las infraestructuras hasta los dispositivos eléctricos. Una nueva plataforma de modelización y simulación capta por primera vez los detalles de los procesos de fabricación con calentamiento por microondas y promete una nueva generación de compuestos de altas prestaciones con la mitad del consumo energético.

Tecnologías industriales
© TlaoPhotography, Shutterstock

Los compuestos son materiales formados por dos o más componentes con propiedades diferentes. Han permitido reducir considerablemente el peso de los productos, aumentar la resistencia específica y mejorar la conductividad térmica y eléctrica en comparación con los componentes convencionales en numerosas aplicaciones. Los compuestos de fibras poseen ciertas propiedades complejas relacionadas con la orientación preferente de las fibras y con la longitud de las fibras en relación con el diámetro (relación de aspecto). Esta anisotropía (es decir, tener diferentes propiedades en diferentes ejes de medición), junto con sus elevadas relaciones de aspecto, dificultan su modelización. El proyecto financiado con fondos europeos SIMUTOOL desarrolló una plataforma de simulación holística para la fabricación de compuestos a través del calentamiento por microondas que supera esos desafíos y obtiene resultados prometedores.

Dar en el blanco de forma rápida y eficiente

La fabricación de compuestos se basa en integrar un refuerzo en una matriz, lo cual requiere calentar la matriz de resina para endurecer la resina termoestable (crear enlaces cruzados) en la resina termoplástica fundida. Los métodos, como el prensado en caliente, el autoclave o el uso de un horno convencional, se basan en la conducción y/o la convección. Para ello, primero deben calentarse una herramienta voluminosa y/o el aire circundante, con el consiguiente derroche de tiempo y energía. El calentamiento volumétrico por microondas se centra de forma selectiva en el sistema que se va a calentar y lo hace de forma instantánea durante todo el proceso. Así, promete reducir considerablemente el consumo de energía y obtener una producción de materiales compuestos más sostenible, aunque se requieren nuevos métodos para una mejor simulación de los procesos.

Dentro de la caja negra

Las herramientas disponibles en el mercado son capaces de simular campos electromagnéticos, pero no abordan los delicados detalles de composición y las propiedades de los compuestos actuales. Según la coordinadora del proyecto, Jasmin Stein, de TWI Ltd: «La plataforma de simulación de SIMUTOOL incluye un campo electromagnético combinado con mecanismos de transferencia de calor que se producen durante el proceso de producción. Además, diseñamos y fabricamos una herramienta de compuestos con matriz de cerámica y una capa duradera que absorbe las microondas para que gran parte de la herramienta sea transparente para las microondas; así, el calentamiento se orienta a la parte de material compuesto y no a toda la herramienta. Por último, integramos una tecnología de colocación de fibras automatizada en el proceso de calentamiento por microondas». SIMUTOOL aúna el solucionador electromagnético de ESI con transferencia de calor con los solucionadores de moldeo por transferencia de resina, lo cual abre la puerta a nuevos ámbitos de aplicación, mejora la precisión de los análisis y se aplica de forma general a los problemas de calentamiento por microondas. La simulación precisa de los problemas electromagnéticos de diversas escalas relevantes para los materiales compuestos se logra mediante la combinación con un solucionador de descomposición propia generalizada basado en el método de elementos finitos.

Una idea candente que supera las expectativas

Tal y como resume Stein: «Mediante la paralelización y unos solucionadores optimizados para superar los desafíos asociados a la enorme cantidad de datos, hemos demostrado la viabilidad de la simulación de banda ancha y onda completa de grandes cavidades de microondas con baja pérdida, algo que hasta ahora era imposible por el esfuerzo computacional requerido. Esto, combinado con un modelo parametrizado para el control de procesos en tiempo real, constituye un importante logro». Las pruebas experimentales actuales indican un ahorro de energía mayor del 50 %, una cifra superior al objetivo inicial del 30 %, en comparación con los métodos convencionales. Actualmente, los socios individuales del proyecto están aprovechando sus resultados y planeando un proyecto de fase II para aumentar el nivel de preparación tecnológica. En el futuro se centrarán, entre otras cosas, en acelerar los tiempos de producción al tiempo que mejoran las tecnologías digitales para adaptarlas a un proceso aún más detallado. Se prevé que el mercado mundial de los compuestos de polímeros avanzados alcance los 16 830 millones dólares estadounidenses para 2025, impulsado en gran medida por los sectores automotriz y aeroespacial. SIMUTOOL contribuirá a suministrar productos optimizados de forma sostenible, fomentando asimismo el uso de la tecnología de microondas de forma más generalizada.

Palabras clave

SIMUTOOL, compuesto, microondas, simulación, electromagnético, energía, fabricación, resina, fibra, matriz, transferencia de calor, moldeo por transferencia de resina, método de elementos finitos, descomposición propia generalizada

Información del proyecto

Identificador del acuerdo de subvención: 680569

Estado

Proyecto cerrado

  • Fecha de inicio

    1 Septiembre 2015

  • Fecha de finalización

    31 Julio 2019

Financiado con arreglo a:

H2020-EU.2.1.1.

H2020-EU.2.1.5.1.

  • Presupuesto general:

    € 3 412 276

  • Aportación de la UE

    € 3 412 276

Coordinado por:

TWI LIMITED