Desde hace casi medio siglo se llevan a cabo investigaciones extranjeras en el campo de los materiales compuestos para el transporte ferroviario.Aunque el rápido desarrollo del transporte ferroviario y de alta velocidad en China y la aplicación de materiales compuestos nacionales en este campo están en pleno apogeo, la fibra reforzada de los materiales compuestos ampliamente utilizados en el transporte ferroviario extranjero es más fibra de vidrio, que es diferente de el de los compuestos de fibra de carbono en China.Como se menciona en este artículo, la fibra de carbono representa menos del 10% de los materiales compuestos para la carrocería desarrollados por TPI Composites Company, y el resto es fibra de vidrio, por lo que puede equilibrar el costo y al mismo tiempo garantizar el peso ligero.El uso masivo de fibra de carbono conduce inevitablemente a dificultades de costes, por lo que puede utilizarse en algunos componentes estructurales clave, como los bogies.
Durante más de 50 años, Norplex-Micarta, un fabricante de compuestos termoendurecibles, ha tenido un negocio estable fabricando materiales para aplicaciones de tránsito ferroviario, incluidos trenes, sistemas de frenado de trenes ligeros y aislamiento eléctrico para rieles eléctricos elevados.Pero hoy en día, el mercado de la empresa se está expandiendo más allá de un nicho relativamente estrecho hacia más aplicaciones como paredes, techos y pisos.
Dustin Davis, director de desarrollo comercial de Norplex-Micarta, cree que el ferrocarril y otros mercados de transporte masivo brindarán cada vez más oportunidades para su empresa, así como para otros fabricantes y proveedores de compuestos, en los próximos años.Hay varias razones para este crecimiento esperado, una de las cuales es la adopción europea de la norma contra incendios EN 45545-2, que introduce requisitos más estrictos de protección contra incendios, humo y gases (FST) para el transporte masivo.Mediante el uso de sistemas de resina fenólica, los fabricantes de compuestos pueden incorporar a sus productos las propiedades necesarias de protección contra incendios y humo.
Además, los operadores de autobuses, metros y trenes están empezando a darse cuenta de las ventajas de los materiales compuestos a la hora de reducir las vibraciones ruidosas y la cacofonía."Si alguna vez has estado en el metro y has escuchado el ruido de una placa de metal", dijo Davis.Si el panel está hecho de material compuesto, silenciará el sonido y hará que el tren sea más silencioso".
El peso más ligero del compuesto también lo hace atractivo para los operadores de autobuses interesados en reducir el uso de combustible y ampliar su autonomía.En un informe de septiembre de 2018, la firma de investigación de mercado Lucintel predijo que el mercado global de compuestos utilizados en el transporte masivo y vehículos todoterreno crecería a una tasa anual del 4,6 por ciento entre 2018 y 2023, con un valor potencial de mil millones de dólares para 2023. Las oportunidades surgirán de una variedad de aplicaciones, incluidas piezas exteriores, interiores, capó y tren motriz, y componentes eléctricos.
Norplex-Micarta ahora produce piezas nuevas que actualmente se están probando en líneas de tren ligero en los Estados Unidos.Además, la empresa sigue apostando por sistemas de electrificación con materiales de fibra continua y los combina con sistemas de resina de curado más rápido."Se pueden reducir costos, aumentar la producción y llevar al mercado la funcionalidad completa del FST fenólico", explicó Davis.Si bien los materiales compuestos pueden ser más caros que piezas metálicas similares, Davis dice que el costo no es el factor determinante de la aplicación que están estudiando.
Ligero y retardante de llama
La renovación de la flota de 66 vagones ICE-3 Express del operador ferroviario europeo Duetsche Bahn es una de las capacidades de los materiales compuestos para satisfacer las necesidades específicas de los clientes.El sistema de aire acondicionado, el sistema de entretenimiento para pasajeros y los nuevos asientos agregaron peso innecesario a los vagones ICE-3.Además, el suelo de madera contrachapada original no cumplía con las nuevas normas europeas contra incendios.La empresa necesitaba una solución de suelo que ayudara a reducir el peso y cumplir con los estándares de protección contra incendios.Los suelos compuestos ligeros son la respuesta.
Saertex, un fabricante de tejidos compuestos con sede en Alemania, ofrece un sistema de materiales LEO® para sus suelos.Daniel Stumpp, director global de marketing de Saertex Group, dijo que LEO es una tela en capas, no rizada, que ofrece propiedades mecánicas más altas y un mayor potencial de ligereza que las telas tejidas.El sistema compuesto de cuatro componentes incluye recubrimientos especiales resistentes al fuego, materiales reforzados con fibra de vidrio, SAERfoam® (un material central con puentes de fibra de vidrio 3D integrados) y resinas de éster vinílico LEO.
SMT (también con sede en Alemania), un fabricante de materiales compuestos, creó el suelo mediante un proceso de llenado al vacío utilizando bolsas de silicona reutilizables fabricadas por Alan Harper, una empresa británica."Ahorramos alrededor del 50 por ciento del peso del contrachapado anterior", dijo Stumpp."El sistema LEO se basa en laminados de fibra continua con un sistema de resina sin relleno con excelentes propiedades mecánicas.... Además, el composite no se pudre, lo que es una gran ventaja, especialmente en zonas donde nieva en invierno y el El piso está mojado."El piso, la alfombra superior y el material de caucho cumplen con los nuevos estándares de retardantes de llama.
SMT ha producido más de 32.000 pies cuadrados de paneles, que se han instalado en aproximadamente un tercio de los ocho trenes ICE-3 hasta la fecha.Durante el proceso de renovación, el tamaño de cada panel se optimiza para adaptarse a un automóvil en particular.El OEM del sedán ICE-3 quedó tan impresionado con el nuevo suelo compuesto que encargó un techo compuesto para reemplazar parcialmente la antigua estructura metálica del techo de los vagones.
ir más lejos
Proterra, un diseñador y fabricante de autobuses eléctricos de cero emisiones con sede en California, ha estado utilizando materiales compuestos en todas sus carrocerías desde 2009. En 2017, la compañía estableció un récord al recorrer 1.100 millas de ida en su Catalyst cargado con batería. Autobús ®E2.Ese autobús presenta una carrocería liviana fabricada por el fabricante de compuestos TPI Composite.
* Recientemente, TPI colaboró con Proterra para producir un autobús eléctrico compuesto todo en uno integrado."En un autobús o camión típico, hay un chasis y la carrocería se asienta encima de ese chasis", explica Todd Altman, director de marketing estratégico de TPI.Con el diseño de carcasa dura del autobús, integramos el chasis y la carrocería, de manera similar al diseño del automóvil todo en uno". Una sola estructura es más eficaz que dos estructuras separadas para cumplir con los requisitos de rendimiento.
La carrocería de una sola carcasa del Proterra está construida expresamente y diseñada desde cero para ser un vehículo eléctrico.Esa es una distinción importante, dijo Altman, porque la experiencia de muchos fabricantes de automóviles y de autobuses eléctricos ha sido intentar intentos limitados de adaptar sus diseños tradicionales para motores de combustión interna a vehículos eléctricos."Están tomando plataformas existentes e intentando incluir tantas baterías como sea posible. No ofrece la mejor solución desde ningún punto de vista"."Dijo Altman.
Muchos autobuses eléctricos, por ejemplo, llevan baterías en la parte trasera o superior del vehículo.Pero para Proterra, TPI puede montar la batería debajo del autobús."Si agrega mucho peso a la estructura del vehículo, querrá que ese peso sea lo más liviano posible, tanto desde el punto de vista del rendimiento como de la seguridad", dijo Altman.Señaló que muchos fabricantes de autobuses y automóviles eléctricos están volviendo a la mesa de dibujo para desarrollar diseños más eficientes y específicos para sus vehículos.
TPI ha celebrado un acuerdo de cinco años con Proterra para producir hasta 3.350 carrocerías de autobuses compuestas en las instalaciones de TPI en Iowa y Rhode Island.
Necesidad de personalizar
El diseño de la carrocería del autobús Catalyst requiere que TPI y Proterra equilibren constantemente las fortalezas y debilidades de los diferentes materiales para que puedan cumplir con los objetivos de costos y al mismo tiempo lograr un rendimiento óptimo.Altman señaló que la experiencia de TPI en la producción de grandes palas eólicas que miden alrededor de 200 pies de largo y pesan 25,000 libras les hace relativamente fácil producir carrocerías de autobús de 40 pies que pesan entre 6,000 y 10,000 libras.
TPI es capaz de obtener la resistencia estructural requerida utilizando selectivamente fibra de carbono y reteniéndola para reforzar las zonas que soportan mayor carga."Usamos fibra de carbono donde básicamente se puede comprar un automóvil", dijo Altman.En general, la fibra de carbono constituye menos del 10 por ciento del material compuesto de refuerzo de la carrocería, y el resto es fibra de vidrio.
TPI eligió la resina de éster vinílico por una razón similar."Cuando miramos los epoxis, son geniales, pero cuando los curas, tienes que elevar la temperatura, por lo que tienes que calentar el molde. Es un gasto adicional", continuó.
La empresa utiliza el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) para producir estructuras tipo sándwich compuestas que proporcionan la rigidez necesaria a una sola carcasa.Durante el proceso de fabricación se incorporan al cuerpo algunos herrajes metálicos (como racores roscados y placas de roscado).El autobús se divide en partes superior e inferior, que luego se pegan entre sí.Posteriormente, los trabajadores deben agregar pequeños adornos compuestos, como carenados, pero la cantidad de piezas es una fracción del autobús de metal.
Después de enviar la carrocería terminada a la planta de producción de autobuses de Proterra, la línea de producción fluye más rápido porque hay menos trabajo por hacer."No tienen que realizar toda la soldadura, el rectificado y la fabricación, y tienen una interfaz muy sencilla para conectar la carrocería al tren motriz", añadió Altman.Proterra ahorra tiempo y reduce los gastos generales porque se requiere menos espacio de fabricación para la cáscara monocótica.
Altman cree que la demanda de carrocerías de autobuses compuestas seguirá creciendo a medida que las ciudades recurran a los autobuses eléctricos para reducir la contaminación y recortar costos.Según Proterra, los vehículos eléctricos con batería tienen el coste de ciclo de vida operativo más bajo (12 años) en comparación con los autobuses diésel, de gas natural comprimido o híbridos diésel.Ésa puede ser una de las razones por las que Proterra dice que las ventas de autobuses eléctricos propulsados por baterías representan ahora el 10% del mercado total del transporte.
Todavía existen algunos obstáculos para la aplicación amplia de materiales compuestos en la carrocería de autobuses eléctricos.Uno es la especialización de las necesidades de los diferentes clientes de autobuses."A cada autoridad de tránsito le gusta recibir autobuses de una manera diferente: configuración de asientos, apertura de escotillas. Es un gran desafío para los fabricantes de autobuses, y muchos de esos elementos de configuración podrían llegar a nosotros"."Dijo Altman. "Los fabricantes de carrocerías integradas quieren tener una construcción estándar, pero si cada cliente quiere un alto grado de personalización, será difícil lograrlo". TPI continúa trabajando con Proterra para mejorar el diseño del autobús y gestionar mejor la flexibilidad requerida por los clientes finales.
Explora la posibilidad
Composites continúa probando si sus materiales son adecuados para nuevas aplicaciones de transporte masivo.En el Reino Unido, ELG Carbon Fibre, que se especializa en tecnología para el reciclaje y la reutilización de fibra de carbono, lidera un consorcio de empresas que desarrollan materiales compuestos ligeros para bogies de turismos.El bogie sostiene la carrocería del coche, guía el eje montado y mantiene su estabilidad.Ayudan a mejorar la comodidad del viaje al absorber las vibraciones de los rieles y minimizar la fuerza centrífuga cuando el tren gira.
Uno de los objetivos del proyecto es producir bogies que sean un 50 por ciento más ligeros que los bogies metálicos comparables."Si el bogie es más ligero, causará menos daños a la vía y, como la carga sobre la vía será menor, se pueden reducir el tiempo y los costes de mantenimiento", afirma Camille Seurat, ingeniera de desarrollo de productos de ELG.Los objetivos adicionales son reducir las fuerzas de las ruedas de lado a carril en un 40 % y proporcionar un monitoreo del estado de por vida.La Junta de Normas y Seguridad Ferroviaria (RSSB), una organización sin fines de lucro del Reino Unido, está financiando el proyecto con el objetivo de producir un producto comercialmente viable.
Se han llevado a cabo extensas pruebas de fabricación y se han fabricado varios paneles de prueba utilizando preimpregnados de prensado, laminado húmedo convencional, perfusión y autoclave.Debido a que la producción de los bogies sería limitada, la empresa eligió un preimpregnado epóxico curado en autoclaves como el método de construcción más rentable.
El prototipo de bogie de tamaño completo mide 8,8 pies de largo, 6,7 pies de ancho y 2,8 pies de alto.Está fabricado a partir de una combinación de fibra de carbono reciclada (almohadillas no tejidas proporcionadas por ELG) y tejido de fibra de carbono en bruto.Las fibras unidireccionales se utilizarán como elemento de resistencia principal y se colocarán en el molde mediante tecnología robótica.Se seleccionará un epoxi con buenas propiedades mecánicas, que será un epoxi retardante de llama de nueva formulación que haya sido certificado EN45545-2 para uso en ferrocarriles.
A diferencia de los bogies de acero, que se sueldan desde las vigas de dirección a dos vigas laterales, los bogies compuestos se construirán con diferentes partes superiores e inferiores que luego se unirán.Para sustituir los bogies metálicos existentes, la versión compuesta deberá combinar los soportes de conexión de suspensión y freno y otros accesorios en la misma posición."Por ahora hemos optado por conservar los accesorios de acero, pero para futuros proyectos podría ser interesante sustituir los accesorios de acero por accesorios de tipo compuesto para poder reducir aún más el peso final", afirmó Seurat.
Un miembro del consorcio del Grupo de Sensores y Compuestos de la Universidad de Birmingham está supervisando el desarrollo del sensor, que se integrará en el bogie compuesto en la etapa de fabricación."La mayoría de los sensores se centrarán en monitorear la tensión en puntos discretos del bogie, mientras que otros son para detectar la temperatura", dijo Seurat.Los sensores permitirán el monitoreo en tiempo real de la estructura compuesta, lo que permitirá recopilar datos de carga durante toda su vida.Esto proporcionará información valiosa sobre la carga máxima y la fatiga a largo plazo.
Los estudios preliminares indican que los bogies compuestos deberían poder lograr la reducción de peso deseada del 50%.El equipo del proyecto espera tener un bogie grande listo para realizar pruebas a mediados de 2019.Si el prototipo funciona como se espera, producirán más bogies para probar los tranvías fabricados por Alstom, la empresa de transporte ferroviario.
Según Seurat, aunque todavía queda mucho trabajo por hacer, los primeros indicios sugieren que es posible construir un bogie compuesto comercialmente viable que pueda competir con los bogies metálicos en coste y resistencia."Entonces creo que hay muchas opciones y aplicaciones potenciales para los compuestos en la industria ferroviaria", añadió.(Artículo reimpreso de Carbon Fiber and Its Composite Technology por el Dr. Qian Xin).
Hora de publicación: 07-mar-2023