El CFRP supera al acero en aplicaciones de rótulas de precisión

Como se señala en el artículo de CW sobre utillaje reconfigurable, la empresa de diseño de fijaciones modulares y proveedora de componentes Prodtex (Gotemburgo, Suecia y Bristol, Reino Unido) no solo está cambiando la forma en que se ensamblan grandes estructuras compuestas, sino que también utiliza compuestos para construir las propias fijaciones. En fijaciones que deben ser levantadas e instaladas por personas y/o manipuladas por robots, la reducción de masa y la alta rigidez se traducen en menos mano de obra/robots más pequeños, mayor velocidad de producción y, como resultado, reducción de costes. Hacia estos objetivos, Prodtex está trabajando en su primer robot de posicionamiento hexápodo totalmente compuesto, utilizando rótulas de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) producidas por Corebon AB (Malmö, Suecia).

«La idea original era rediseñar rótulas metálicas para que tuvieran menos juego», recuerda Tobias Björnhov, CEO de Corebon. Explica que las rótulas y cojinetes de la empresa, que cuentan con carcasas de CFRP, tienen un juego casi nulo, lo que significa que no hay hueco ni holgura entre las piezas, «así que la articulación es rígida antes de aplicar carga». Normalmente, «si cambias la dirección de la fuerza en un cojinete, podría moverse», señala, pero afirma: «Nuestras estructuras no se mueven, porque están precargadas y son muy rígidas».

De híbrido a todo CFRP

Corebon comenzó reforzando carcasas de rótulas metálicas con CFRP, que también se precargaban mediante ajuste por contracción-prensa de la carcasa de CFRP sobre la bola metálica (ayudado por la diferencia en el coeficiente de expansión térmica). «Eran buenos», dice Björnhov, «pero caros de fabricar». Así que Corebon desarrolló una carcasa de rótula totalmente de CFRP, sustituyendo múltiples piezas metálicas de precisión que debían ensamblarse perfectamente alrededor de la bola por un único moldeo de CFRP. El moldeo y la precarga del conjunto de dos piezas (la bola sigue siendo metálica) se logran en un solo paso, utilizando tecnología propietaria.

Corebon también fabrica cojinetes deslizantes y otros pares cinemáticos —es decir, dos objetos conectados que imponen restricciones a su movimiento relativo, como un pistón en un cilindro, rótulas y cojinetes— así como piezas para robots, como las cúpulas de CFRP que se muestran en la imagen superior derecha. Björnhov explica que esta cúpula constituye la muñeca robótica del efectores finales, «donde se acoplaría un motor/husillo para una herramienta de mecanizado o cabezal de colocación de cinta, etc.». Señala que futuras iteraciones de estas cúpulas también podrían usarse como nudos en grandes fijaciones ligeras tipo «araña» para ensamblaje, como las fabricadas por TETRAFIX AB (Kungälv, Suecia) y Prodtex Lightweight Structures. «Nuestras primeras aplicaciones han sido en robots donde se requiere alta precisión. Al reducir el peso de los efectores finales aumentamos precisión y velocidad». ¿Cuánta reducción de peso? «De 27 kg a 5,5 kg para la estructura de muñeca/herramienta robótica», dice Björnhov.

Alto contenido de fibra y conductividad

Aunque la cúpula de CFRP está nucleada con espuma estructural de polimetacrilimida ROHACELL de Evonik Corporation (Darmstadt, Alemania), Corebon también alcanza una alta resistencia y rigidez específicas maximizando el contenido de fibra. «Logramos un volumen de fibra muy alto —hasta el 80 %—, cercano al máximo teórico posible», señala Björnhov. Esto no solo es sorprendente, sino que tiene implicaciones intrigantes. «Las fibras realmente se tocan», explica, «así que obtenemos alta conductividad térmica y eléctrica, no solo en el plano sino también en la dirección z».

Proceso de fabricación patentado

El proceso de fabricación que permite esto, ahora cubierto por una serie de patentes, derivó de esfuerzos para mejorar el moldeo por transferencia de resina (RTM) y el control de inyección y calentamiento de resina. «Inyectamos la resina, no solo para procesamiento RTM sino también para moldeo por compresión y bobinado de filamentos», apunta Björnhov. «La clave es que calentamos desde el interior del compuesto, por lo que controlamos el calor volumétricamente», añade, «esto no está ligado a ningún tipo específico de matriz».

La clave aquí es la tecnología de calentamiento por inducción. Pero Björnhov explica que la de Corebon difiere de otras basadas en calentamiento por inducción para compuestos, «tanto en los inductores que usamos como en cómo controlamos el campo electromagnético». El calentamiento 3D instantáneo y uniforme resultante puede aplicarse a casi cualquier proceso de CFRP, incluido curado de preimpregnados y pultrusión. Según informes, ofrece tiempos de ciclo 10 veces más rápidos que los procesos compuestos convencionales, reduce costes energéticos hasta en un 95 % y utiliza moldes 20 veces más ligeros que el acero. Corebon está licenciando la tecnología y ya tiene alianzas con empresas japonesas, incluida Sumitomo Corp. (Tokio, Japón).

«Ahora estamos explorando otras aplicaciones, como suspensiones automotrices y componentes de aeronaves que necesitan pares cinemáticos con alta precisión y rigidez», dice Björnhov. Corebon también se está preparando para la escala industrial requerida en estas industrias, con varios proyectos en curso para demostrar su capacidad de producción a gran volumen.