Aprovechando los compuestos: La clave para piezas mecanizadas CNC ligeras y eficientes

El aligeramiento (lightweighting) es el proceso de reducir el peso de una pieza por razones medioambientales y/o económicas. Los ingenieros logran piezas ligeras a nivel de diseño eliminando material innecesario, ya sea vaciando las piezas, empleando celosías (lattices) en sus diseños o aprovechando la optimización topológica. Otro método efectivo de aligeramiento es sustituir un material pesado por uno más ligero que cumpla con los requisitos mecánicos críticos. Las piezas más ligeras son más respetuosas con el medio ambiente, más rentables y más eficientes en combustible, además de ofrecer a menudo a los equipos de producto más opciones de materiales.

El aligeramiento es una técnica muy popular en las industrias de automoción, aeroespacial y construcción. Las aplicaciones comunes del aligeramiento en la industria de la automoción, uno de sus casos de uso más prominentes, incluyen bloques de motor, chasis y una amplia variedad de otras piezas. Si un equipo de producto no está persiguiendo el aligeramiento a través de elementos de diseño como celosías, sino mediante la incorporación de materiales más ligeros, es importante que utilicen un material que no sacrifique resistencia ni durabilidad; los compuestos a menudo cumplen con esto.

¿Qué es un material compuesto?

Los materiales compuestos son mezclas heterogéneas de dos o más materiales diseñados para lograr propiedades específicas. Las propiedades finales del material compuesto dependerán en última instancia de su composición, pero en general, los compuestos son más fuertes que cualquiera de los materiales base por separado.

Los materiales compuestos son ideales para el aligeramiento porque, por peso, son más fuertes que la mayoría de los materiales homogéneos de alto rendimiento en el mercado. La estructura más común para los compuestos consiste en fibras unidas por una matriz aglutinante. Estos componentes trabajan juntos para combinar los aspectos más fuertes de cada uno. Las fibras de refuerzo en el compuesto soportan la carga, mientras que la matriz circundante, que a menudo consiste en polímeros, asegura que las fibras mantengan sus posiciones relativas. Como resultado, en algunos casos, los compuestos pueden ser hasta 10 veces más fuertes que el acero y 8 veces más fuertes que el aluminio, pero notablemente ligeros. Las piezas mecanizadas por CNC construidas con materiales compuestos ligeros son más eficientes en combustible y más fáciles de transportar o instalar.

Además de alta resistencia, durabilidad y bajo peso, los materiales compuestos tienden a ofrecer una mayor flexibilidad de diseño. Pueden moldearse fácilmente para adaptarse a geometrías complejas, lo que los hace ideales para su uso con mecanizado CNC. Y dado que hay tantas combinaciones de materiales disponibles para los compuestos, los diseñadores pueden encontrar compuestos CNC a medida que se ajusten a sus requisitos únicos.

Materiales de construcción compuestos comunes

Las dos clasificaciones de materiales compuestos más aplicables al aligeramiento son los compuestos de matriz polimérica (PMC) y los compuestos de matriz metálica (MMC). Los PMC, también conocidos como polímeros reforzados con fibra, son los más comunes y utilizan una resina a base de polímero para la matriz y una fibra de carbono o vidrio para el refuerzo. Los MMC son populares para el aligeramiento en la industria de la automoción y utilizan un metal como el aluminio para la matriz y carburo de silicio para el refuerzo de fibra.

Los compuestos de aligeramiento pueden fabricarse a partir de muchas combinaciones diferentes de materiales, por lo que los ingenieros tienen mucho terreno que cubrir en lo que respecta a la selección de materiales. Aquí hay tres materiales de construcción compuestos comunes que se utilizan para aligerar piezas mecanizadas por CNC.

1. Carbono

Las fibras de carbono vienen en dos variedades principales: carbono basado en poliacrilonitrilo (PAN) y carbono derivado del alquitrán (pitch). El 90 % de las fibras de carbono en el mercado actual son basadas en poliacrilonitrilo, y estas fibras ofrecen alta rigidez y valores de módulo, así como una impresionante relación resistencia-peso. El carbono es adecuado para el aligeramiento porque es un material compuesto de baja densidad con un alto potencial de reducción de peso; de hecho, es un 50 % más ligero que el acero.

Las aplicaciones comunes para compuestos de fibra de carbono mecanizados por CNC incluyen bastidores, chasis y otros componentes en las industrias aeroespacial y de automoción. Desafortunadamente, el coste es la limitación más significativa del carbono. Es un 570 % más caro que el acero, según el International Research Journal of Engineering and Technology, lo que es prohibitivamente caro para muchos equipos de producto. Además, las fibras de carbono tienen una baja resistencia al impacto, lo que los ingenieros deben tener en cuenta para el aligeramiento en la industria de la automoción.

2. Vidrio

Los materiales de relleno de compuestos de vidrio vienen en cinco composiciones comerciales diferentes: vidrio E, vidrio C, vidrio S, vidrio R y vidrio T. El vidrio E es la fibra de vidrio más común utilizada en matrices poliméricas para el aligeramiento y ofrece excelentes propiedades mecánicas, alto aislamiento eléctrico y baja susceptibilidad a la humedad. Las fibras de vidrio C son mejores para aplicaciones donde la pieza requiere resistencia química, pero el vidrio S tiene mayor resistencia, resistencia al calor y módulo.

Los rellenos de vidrio aún pueden utilizarse como material compuesto para el aligeramiento, pero los ingenieros deben saber que las piezas reforzadas con fibra de vidrio serán más pesadas que las reforzadas con fibra de carbono y requerirán adaptaciones de diseño especiales en aplicaciones donde se requiera alta rigidez. Los equipos de producto y diseñadores deben tener en cuenta estos factores durante la fase de diseño. A pesar de estas limitaciones, muchos productos utilizan fibras de vidrio porque son considerablemente más rentables que las fibras de carbono.

3. Aluminio

Los compuestos de matriz metálica basados en aluminio son muy populares para el aligeramiento en la industria de la automoción. En general, las aleaciones de aluminio tienen algunas de las relaciones resistencia-peso más altas de los metales comúnmente disponibles, ofrecen una excelente conductividad eléctrica y son altamente resistentes a la corrosión. Además, los compuestos de aluminio pesan aproximadamente un tercio de lo que pesa el acero.

Cuando el aluminio se incluye en un MMC, el material compuesto puede tener un módulo más alto, un coeficiente de expansión térmica más bajo y una dureza mayor que el aluminio sin reforzar. Las aplicaciones comunes en la industria de la automoción incluyen bastidores de vehículos, cableado eléctrico, ruedas, piezas de motor y más. Desafortunadamente, trabajar con aluminio puede aumentar los costes de fabricación.

Comenzar con compuestos CNC

Para los ingenieros que buscan mecanizar piezas fuertes, flexibles y resistentes a daños sin añadir volumen extra, los materiales compuestos son la elección perfecta para el aligeramiento. Los compuestos de matriz polimérica y de matriz metálica representan dos amplias categorías de materiales compuestos, y cualquier compuesto que caiga en una de estas categorías puede estar compuesto por muchas combinaciones diferentes de materiales. Como tal, puede ser un desafío para los equipos de producto asegurarse de que están eligiendo el material compuesto adecuado para su proyecto.

Un socio de fabricación experimentado como Fast Radius puede ayudar a los equipos de producto a dominar el proceso de selección de materiales. Nuestro equipo de diseñadores, ingenieros, mecanizados y tecnólogos expertos tiene décadas de experiencia guiando a los equipos a través de todo el proceso de desarrollo del producto, por lo que sabemos que una pieza excepcional comienza con los materiales adecuados. Contáctenos hoy: estamos aquí para ayudar.

Para obtener más consejos sobre cómo sacar el máximo provecho del mecanizado CNC, consulte los artículos relacionados del blog en el centro de recursos de Fast Radius.

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