El nuevo procedimiento puede considerarse como una solución para el diseño de piezas o como un suplemento para la simulación integradora

Gracias a un nuevo proceso de cálculo, a partir de ahora será posible predecir el comportamiento de los componentes en función de la orientación de la fibra en relación con los elementos conformados en una fase temprana. De este modo se puede diseñar el componente de acuerdo con la carga esperada. Esto reduce los costosos ciclos de iteración y, por lo tanto, acorta todo el proceso de desarrollo y fabricación. Es más, el concepto también puede aplicarse a áreas en las que la simulación integrativa era demasiado costosa o llevaba mucho tiempo.

Las piezas termoplásticas reforzadas con fibra corta inyectadas se utilizan cada vez más en lugar del acero o el aluminio. El Instituto Fraunhofer ha desarrollado un método para tener en cuenta la orientación de las fibras de las piezas transformadas reforzadas con fibras cortas, incluso en etapas en las que todavía no existen los componentes, como en la fase de prototipos. Se espera que este concepto de cálculo fenomenológico cierre una brecha significativa en el ciclo de diseño de estas piezas inyectadas.

Dependiendo del nivel de detalle requerido, el nuevo procedimiento puede considerarse como una solución independiente para el diseño de componentes o como un suplemento para la simulación integradora. Fraunhofer LBF presentará sus resultados de investigación del 12 al 14 de marzo de 2019 en la feria JEC de París en la exposición conjunta de Hesse en el pabellón 5, stand G71. Más información disponible en www.lbf.fraunhofer.de/jec2019

Entre las aplicaciones típicas de las piezas de inyección de termoplásticos reforzadas con fibra corta están la industria de la automoción o aeroespacial. En la industria del automóvil, en particular, donde se requieren grandes cantidades de piezas en plazos cortos, el proceso de inyección representa un proceso de fabricación eficiente de plásticos, que también permite una gran flexibilidad de diseño. Sin embargo, la predicción de la orientación de la fibra, determinada por el proceso, el material y las dimensiones que se utilizan, sigue siendo un reto importante. Este concepto es objeto de investigación.

Un método para incorporar la orientación de la fibra en el diseño de las piezas es la simulación integradora. Esto permite transferir la información relevante del proceso a una simulación de estructura asociada, utilizando una interfaz adecuada y, por lo tanto, predecir el comportamiento de las piezas. Sin embargo, todos los pasos individuales de la simulación integrativa deben ser validados y calibrados de manera consistente utilizando datos experimentales. Esto significa que los parámetros del proceso y las geometrías del molde deben ser conocidos y los moldes reales deben estar disponibles. Por lo tanto, este concepto sólo está disponible a partir de la fase de desarrollo de los componentes, en la que ya se pueden producir prototipos.

Por el contrario, el proceso desarrollado por los investigadores de Fraunhofer LBF ya tiene en cuenta la orientación de las fibras de las piezas moldeadas por inyección reforzadas con fibras cortas en una fase en la que todavía no se dispone de componentes reales.

A diferencia de los enfoques totalmente integradores, el nuevo método de cálculo no determina la orientación de la fibra basada en elementos finitos, sino en elementos determinados o áreas clave. Estos pueden ser, por ejemplo, nervaduras, cúpulas o zonas planas.

Los científicos han desarrollado una nueva herramienta de inyección para evaluar la orientación de la fibra en función del elemento moldeado y el ángulo de incidencia. Esto ofrece la posibilidad de integrar diferentes elementos funcionales manteniendo la misma base de moldeo. Se utilizaron cúpulas y nervios grandes y pequeños como insertos intercambiables para los elementos funcionales. Con la nueva herramienta es posible investigar la influencia de las condiciones de flujo variando el ángulo de incidencia. Gracias a este concepto, se pueden desarrollar otros enfoques de manera rentable. La herramienta tiene dos cavidades con diferentes espesores de pared que pueden operarse de forma independientemente una de la otra. La base de las piezas inyectadas es una placa de 60 x 60 mm.

En sus análisis experimentales de orientación de fibras, los científicos de Darmstadt encontraron una variedad de orientaciones de fibras distintas. La información necesaria para el método de moldeo deseado se deriva del tensor de orientación de segundo orden, es decir, su orientación principal y grado de distribución. La información obtenida se puede utilizar ahora para determinar la anisotropía y la dirección principal de cada capa. En este caso, el número de capas puede definirse como un cambio en la distribución de orientación (adecuado para el material) o como una especificación manual (basada en la experiencia). Un algoritmo de análisis automático determina un modelo de material adecuado, por ejemplo isótropo u ortotrópico, para cada capa identificada, así como todos los parámetros necesarios del modelo. Para ello, además de los datos del ordenador, se requieren datos de prueba mecánicos determinados como entrada.

Esta información puede transferirse al modelo en la simulación de estructura (mapping). El método puede aplicarse a los resultados de las simulaciones de inyección, así como a los resultados de los análisis de TC.

Además de una estrategia de diseño simplificada, se crean otros escenarios de aplicación utilizando una base de datos de información dependiente de los elementos producidos. Por un lado, la información puede utilizarse para diseñar componentes de acuerdo con la tensión potencial a la que estarán expuestos. Por otro lado, se ha demostrado que los resultados pueden utilizarse para optimizar el cálculo de la orientación de las fibras utilizado en los enfoques integradores.

Los resultados aquí presentados fueron generados como parte del proyecto IGF 18362N 'Phenomenological Calculation Strategy for Short-fiber-reinforced Injection Moldings' (Estrategia de cálculo fenomenológico para moldeo por inyección reforzado con fibra corta), financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía a través de AiF como parte del programa para la promoción de la investigación y el desarrollo industrial conjunto (IGF), siguiendo una decisión del Bundestag alemán.