Diseño, desarrollo e implementación de la sostenibilidad para el moldeo de materiales compuestos

Resumen

El objetivo de la presente Tesis es desarrollar una metodología de fabricación de moldes económicos y sostenibles para el proceso de moldeo por compresión en caliente de preimpregnados dirigido a la fabricación de series bajas o medias de piezas.Actualmente, los moldes de acero que se emplean en esta tecnología de moldeo están orientados a la fabricación de lotes grandes de producción, debido al elevado coste del molde. En consecuencia, es económicamente inviable abordar una etapa inicial de desarrollo de producto en la que se fabrican y validan un número reducido de prototipos, debido al riesgo económico que ello supone.La nueva metodología de fabricación de moldes desarrollada en el presente trabajo se adapta a la fabricación de series bajas de piezas, lo cual beneficia sustancialmente a la etapa de fabricación de prototipos, debido a que se posibilita la producción de prototipos a un coste razonable. Un ejemplo de lote reducido de fabricación es la reposición de dispositivos de cubrimiento de calzada.Para desarrollar esta innovadora metodología, en la presente tesis se han estudiado numerosas técnicas de fabricación rápida de utillajes, y en concreto la técnica epoxy tooling. La investigación de esta técnica se ha centrado en identificar las mejoras que afectan al sistema productivo, como, por ejemplo, el incremento de prestaciones del molde, la reducción de costes en la fabricación, la sostenibilidad, y la implementación de tecnologías derivadas de la Industria 4.0.A continuación, se han estudiado las características físicas, térmicas, mecánicas y económicas de diversos compuestos basados en resina epoxi cargados con residuos conductores térmicos, en concreto, viruta de acero procedente de procesos de mecanizado. Dichas propiedades se han comparado con las propiedades de compuestos homólogos cargados con polvo de aluminio comercial. Se ha comprobado, por ejemplo, que existe una sustancial ventaja competitiva en lo que respecta al coste por kilo de compuesto. Los moldes construidos mediante los compuestos de origen residual han sido capaces de moldear una serie corta de piezas, y, además, fácilmente desmoldables gracias a unas nuevas fundas de silicona implementadas en el molde.Con objeto de reducir el consumo energético del proceso de moldeo, se propone la implementación, en el propio molde, de una barrera térmica que mejore su aislamiento, que previamente es analizada mediante simulaciones térmicas por ordenador. Para ello, se analizan las propiedades físicas, térmicas, mecánicas y económicas de los compuestos de epoxi cargados con residuos de sheet molding compound (SMC) originarios de procesos de mecanizado, y se comparan con otros compuestos epoxídicos cargados con carbonato cálcico. Los moldes desarrollados presentan una menor disipación de calor al ambiente que los moldes sin barrera térmica y en consecuencia requieren un menor consumo de energía eléctrica.Finalmente, se propone aplicar un ejemplo de producto (el dispositivo de cubrimiento) que podría ser fabricado mediante la técnica desarrollada en la presente tesis. Estos dispositivos se fabricarían para reponer aquellas rejillas de fundición que hayan sido sustraídas. Para ello, es necesario que las nuevas rejillas fabricadas en preimpregnado (no atractivas para los sustractores) encajen en la altura del marco vacío y cumplan con los requerimientos estructurales de la norma EN 124.