Estudio experimental sobre la reparación y el mantenimiento mediante retaladrado de componentes multimateriales de base magnesio orientados a los sectores aeronáuticos y de automoción

Resumen

El desarrollo sostenible y la eficiencia energética son actualmente objetivos clave en el desarrollo de los sectores tecnológicos e industriales. Las concentraciones de dióxido de carbono han aumentado en un 40% desde la era preindustrial y los océanos se han acidificado. Esto ha producido un incremento de +1ºC respecto a los niveles preindustriales, y está previsto según los modelos actuales estabilizar la temperatura a +1,5ºC en caso de alcanzar un cero neto de emisiones en el año 2050, o de +2ºC en caso de alcanzar el cero neto en 2070. En la Unión Europea, el transporte es responsable de más del 30% de las emisiones de CO2, y existen diferentes líneas de trabajo para reducirlas, siendo una de ellas la reducción de la masa de los automóviles y aeronaves mediante la sustitución de materiales convencionales por materiales ligeros como polímeros avanzados, aleaciones ligeras como las aleaciones de magnesio, aluminio o titanio, y los multimateriales. El magnesio es un material muy abundante, y es considerado la aleación estructural más ligera del planeta, aunque tiene una Conformabilidad limitada que da origen a numerosos estudios recientes, y una buena maquinabilidad por ser un material blando, aunque presenta riesgo de ignición debido a su temperatura de ignición por debajo del punto de fusión a 450ºC, de explosión en forma de polvo, y que genera atmosferas de hidrogeno explosivas al reaccionar con el agua, por este motivo existen numerosos estudios asociados a las distintas técnicas de mecanizado aplicables. Por otro lado, el aluminio es un material que genera como el titanio gran interés, muy utilizado en el sector del transporte que consume un 35-40% del material, y muy reciclable con una excelente huella de carbono. El titanio es un material con propiedades mecánicas superiores pero considerado muy difícil de mecanizar. Por otro lado, se considera fundamental para la sostenibilidad la reutilización de piezas y el reciclado de materiales. Está previsto que 12000 aeronaves lleguen al final de su vida útil en los próximos 20 años. Además, el mecanizado de multimateriales en una única operación es un reto debido a las características diferentes de los materiales, esto hace que tengan condiciones óptimas de mecanizado diferentes, agravándose las dificultades en la interfase entre los materiales. La operación de taladrado es la más estudiada en estudios orientados al análisis de la unión mecánica entre los materiales de distinta naturaleza que forman un multimaterial, y presenta diferentes problemas en función del tipo de material o multimaterial a taladrar. En los polímeros reforzados con fibras, el ángulo entre la fuerza de avance y la dirección de la fibra cambia constantemente, esto produce que la delaminación no sea homogénea en el perímetro de retaladrado, con riesgo de degradación térmica en caso de sobrepasar la temperatura de trabajo de 120ºC a 270ºC). Por su parte, el taladrado de titanio que forma parte de multimateriales con otros componentes más blandos, puede causar arañazos en la evacuación de la viruta. Por su parte, en los multimateriales, es necesario emplear soluciones de compromiso entre las mejores condiciones de mecanizado de los materiales individuales, y esto da origen a desgastes de herramienta, incremento de fuerzas y deficiencias en calidades, y es interesante optimizar los parámetros de cada combinación multimaterial. Por otro lado, el coste de los lubricantes, refrigerantes y fluidos de corte es alto, y además, contienen elementos químicos nocivos para el medio ambiente que pueden provocar enfermedades a los trabajadores, por lo que se busca minimizar su empleo. Respecto a las variables respuesta empleadas, el control de la calidad superficial es una variable frecuentemente empleada para cuantificar la calidad de mecanizado. Las más habituales hasta la fecha son variables de perfil que cuantifican la calidad superficial mediante estadísticos realizando la medición a lo largo de un perfil, estás variables tienen la limitación de no tener en cuenta la información de rugosidad a ambos lados de los valores del perfil. En los últimos años están apareciendo equipos que permiten realizar medidas de basadas en un área, estás medidas tienen la ventaja de tener en cuenta toda la información del área medida, y su principal limitación del uso es el desconocimiento de la medida, y no existir referencias de tolerancias para emplearlas en producción. En este contexto, el objetivo de esta Tesis Doctoral es establecer las bases que permitan avanzar en la comprensión del proceso de retaladrado sobre multimateriales de base magnesio de forma que se favorezca su reutilización mediante operaciones de reparación y mantenimiento en los sectores aeronáutico y de automoción. La misión principal de estos compuestos multimateriales es la reducción de masa en piezas estructurales de las aeronaves y automóviles. Para sentar las bases del estudio, se ha comenzado desarrollando una metodología que minimiza el riesgo de sesgo en la selección y el análisis de la literatura empleada como base de la Tesis Doctoral, y se ha aplicado posteriormente la metodología en revisiones sistemáticas y revisiones del estado del arte sobre los multimateriales aplicados a los campos aeronáutico y de automoción, los procesos sostenibles y avanzados de fabricación aplicados a materiales ligeros estructurales, el análisis de las últimas tendencias en materiales ligeros estructurales, los procesos sostenibles utilizados en piezas de aluminio, magnesio, titanio aplicados al sector del transporte y las últimas tendencias en procesos de fabricación aplicados a la construcción y el montaje de aeronaves. Estos estudios, encuadrados dentro de la presente Tesis Doctoral, han permitido conocer cuáles son los materiales estructurales de mayor tendencia en estudios de investigación reciente, las combinaciones de multimateriales de mayor interés en los mismos, los temas de investigación asociados a los procesos de mecanizado incluidos en los estudios y las refrigeraciones sostenibles empleadas, entre otros. Una vez sentadas las bases del trabajo, se realizaron ensayos de retaladrado. El ensayo experimental inicial se realizó sobre una probeta magnesio-aluminio, empleando como refrigeraciones sostenibles el mecanizado en seco y el aire comprimido frío. Este ensayo permitió determinar los mejores parámetros de fabricación para este multimaterial en particular y conocer, además, los factores con influencia significativa entre los factores que habían sido inicialmente identificados como potencialmente significativos, resultando, finalmente, la posición respecto al inserto, LRI, y el tipo de refrigeración, C, los factores estadísticamente significativos. Además, se concluyó que es posible reparar este multimaterial manteniendo el valor de todas las medidas tomadas dentro de un mismo retaladrado dentro de los límites de la exigente industria aeronáutica. En un segundo análisis, se compararon los datos obtenidos en este ensayo con la probeta Mg-Al-Mg, y los datos obtenidos en un ensayo precedente con una probeta del multimaterial Mg-Ti-Mg. En este análisis se observa un comportamiento diferente entre ambos multimateriales, Mg-Al-Mg y Mg-Ti-Mg, en función de la profundidad de retaladrado de la placa central de Al o Mg. Mientras que para la combinación Mg-Al, son más favorables, en general, las placas de Mg de 15 mm y de Al de 7,5 mm, para la probeta de Mg-Ti, parecen más favorables las placas de Mg de 7,5 mm y de Ti de 15 mm a la hora de formar los compuestos híbridos. Además, la posición respecto al inserto, LRI, fue, para ambas probetas, el factor con mayor influencia sobre el proceso, confirmándose los resultados del análisis inicial y la importancia de este factor en distintos multimateriales. Para el tercer estudio experimental, se planificó una nueva batería de ensayos. En base al conocimiento adquirido y a las limitaciones encontradas hasta el momento, se planificó, como objetivo, profundizar en el conocimiento de la influencia sobre el proceso de los factores estadísticamente significativos encontrados, la posición respecto al inserto, LRI, y el tipo de refrigeración, C, y de la influencia del espesor de las capas multimaterial en función del tipo de multimaterial sobre la rugosidad final. Para ello, se incluyeron como nuevas variables respuesta de seguimiento, el área de media aritmética de los valores absolutos de las desviaciones de la superficie con respecto al plano medio, Sa, y la altura del pico al valle de la superficie, Sz, y se mantuvieron las variables respuesta empleadas en ensayos anteriores, desviación media aritmética, Ra, y el pico máximo a la altura del valle del perfil, Rz. Además, se incluyeron más zonas de medición por retaladrado para independizar la zona de entrada y salida del taladro, de su zona interior. Por último, se ampliaron las refrigeraciones sostenibles empleadas a: mecanizado en seco, MQL-Eco (con fluido biodegradable), aire comprimido frío y refrigeración criogénica. Las conclusiones ponen de manifiesto diferencias en el resultado de la evaluación realizada en función del tipo de variable respuesta elegida, bien sea Ra y Rz basadas en un perfil, o Sa y Sz basadas en un área. De acuerdo a la evaluación del Ra, es posible en la probeta Mg-Al-Mg, obtener todos los valores de retaladrado dentro de la especificación aeronáutica; empleando cualquiera de las técnicas de refrigeración sostenible ensayadas. Sin embargo, el proceso está mucho más al límite en la probeta Mg-Ti-Mg, debido a la dificultad de mecanizado del titanio y a la diferencia de maquinabilidad entre el titanio y el magnesio. Los mejores resultados se obtienen mediante refrigeración criogénica, pero tienen medidas puntuales ligeramente superiores a la tolerancia superior aeronáutica; por lo que es necesario optimizar los parámetros de mecanizado y particularizarlos para este componente multimaterial.