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Descubriendo nuevos materiales ¿Qué son SMC y BMC?

En los últimos años, la industria está apostando por materiales más ligeros que puedan sustituir a los tradicionales materiales metálicos y sus aleaciones, sin comprometer el incremento de coste ni la cadencia de producción. Por ello, procesos de fabricación de materiales SMC o BMC comienzan a cobrar fuerza dentro del diseño de materiales compuestos. El reto es dimensionar los componentes, y orientar el proceso de fabricación a los requisitos mecánicos del componente.

Wednesday, July 15, 2020
By Alfredo de Gregorio

Los nuevos retos tecnológicos nos llevan a la busqueda de nuevos materiales. El uso de los composites, está en constante crecimiento, y según las tendencias, seguirá creciendo en los próximos años.

En esta búsqueda por encontrar materiales que sustituyan a los materiales metálicos, aparecen compuestos para moldeo en masa (BMC, bulk molding compound)  y en lámina (SMC, sheet molding compound), que se formulan a partir de múltiples componentes. Sus siglas hacen referencia tanto al material como al proceso de fabricación, y existen productos derivados de estos como TMC (Thick Moulding Compound), HPC (High Performance Compound) CIC (Continuous Impregnation Compounds) y AMC (Advanced Moulding Compounds). Todos ellos materiales y procesos donde se parte de una mezcla de las fibras discontinuas con la resina o matriz, para luego ser conformado mediante el flujo de este material dentro del molde gracias a la compresión de este.

Este proceso de fabricación relativamente sencillo, barato y rápido, nos permite obtener componentes de producción en masa con unas excelentes propiedades de rigidez, resistencia mecánica y durabilidad. Estos materiales tienen un buen comportamiento frente a la resistencia al fuego y altas temperaturas, un gran aislamiento eléctrico y estanqueidad, y lo que es crucial, un bajo peso en comparación con otros materiales.

En sus comienzos el uso era fundamentalmente en la industria aeronaútica y aeroespacial, pero actualmente está más que extendida su aplicación en los sectores de automoción, construcción y transporte, hasta equipamientos de precisión sanitarios y médicos, pasando por otras aplicaciones más domésticas o deportivas.

Compression loading test on an electrical vehicle battery box

Problemática en la optimización del diseño y fabricación de materiales SMC y BMC

A pesar de lo comentado anteriormente, este nuevo tipo de materiales genera una gran incertidumbre en cuanto al diseño y el ajuste de los parámetros de fabricación que permita cumplir requisitos funcionales y de diseño, principalmente debido a la aleatoriedad inicial de las fibras y la difícil predicción de sus orientaciones y contenido en fibra tras la fabricación. Esto genera una gran incertidumbre en el comportamiento mecánico que tendrá la pieza fabricada, ya que la distribución de las orientaciones de las fibras va a dar en las diferentes zonas del componente, diferentes propiedades mecánicas difíciles de evaluar. Esto provoca que las piezas fabricadas tengan altos márgenes de seguridad, y que la confianza, especialmente en aplicaciones estructurales, sea baja.

Además, durante el proceso de fabricación existen otros parámetros necesarios de ajustar como la colocación inicial de las cargas, velocidad y fuerza de bajada del útil y diseño de molde, que aseguren una correcta distribución de las fibras y un llenado completo de todas las zonas. Y todo ello, en el menor tiempo y con la menor fuerza para reducir el tiempo de fabricación y el consumo de energía de este proceso.

Al ser materiales relativamente nuevos y sobre todo, debido a la gran variabilidad de piezas y rápidos cambios de diseño de un mismo producto, no se consigue una experiencia de fabricación suficiente para el dominio de esta tecnología, resultando complejo conocer con certeza el comportamiento y rendimiento que tendrá la pieza fabricada.

Prototipado virtual como solución a la problemática real

Actualmente la única solución que permite aumentar el conocimiento sobre este tipo de componentes y así optimizar tanto el proceso de fabricación como el diseño del componente, son las soluciones de Simulación basadas en el análisis por elementos finitos.

ESI como empresa líder en el prototipado virtual pone en el mercado una solución que permite tanto ajustar y optimizar los parámetros del proceso, como conocer con fiabilidad y precisión el comportamiento mecánico de la pieza fabricada.

ESI SMC Manufacturing Chain

La solución de ESI de fabricación SMC permite de forma sencilla, sin tener grandes conocimientos en simulación basadas en el método de elementos finitos y sin tener que hacer una caracterización exhaustiva de propiedades del material usado en la fabricación, conocer como es el patrón y tiempo de llenado, fuerza aplicada sobre el molde, orientación y contenido de las fibras, para así optimizar parámetros como la colocación óptima del número y lugar las cargas iniciales, velocidad de bajada y diseño del molde.

Además existe la posibilidad de acoplar directamente esta solución con la solución de análisis estructural  por excelencia y extensamente conocida VPS, para así permitir a esta solución hacer una predicción precisa del comportamiento mecánico de este tipo de materiales en nuestro componente (basado en los modelos de Mori-Tanaka y Voigt ), teniendo en cuenta la distribución de las orientaciones y contenido en fibra previamente calculadas, sin tener que usar software intermedios de homogenización y caracterización de materiales y haciendo esta herramienta un complemento imprescindible de VPS.

De esta manera, podremos hacer un cálculo estructural fiable y preciso de nuestro componente, y poder iterar fácil y rápidamente, cambiando parámetros del proceso de fabricación y así conseguir la mayor eficiencia en el diseño de nuestra pieza, ayudando tanto a fabricantes y moldistas, como a cualquier industria que utilice este tipo de materiales dentro de sus productos, a conocer y optimizar la fabricación, funcionamiento y comportamiento del producto y su integridad con el resto de componentes.

Alfredo de Gregorio

Spain Pre-Sales Team Leader

Alfredo de Gregorio es Ingeniero Industrial por la Universidad de Valladolid. Finalizó su especialización en la Universidad de San Diego después de obtener una beca honorifica, desarrollando un proyecto final de carrera, basado en la inyección de motores aeronáuticos.

Alfredo se unió a ESI en 2011, realizando análisis estructurales para el mundo Aeronaútico, siguió esta etapa como ingeniero de cálculo, trabajando para varios fabricantes de automoción con gran éxito. Gracias a su dedicación y versatilidad, logró convertirse en un experto en fabricación virtual usando materiales compuestos. Esa enorme experiencia, ha ayudado a muchas empresas a implementar la fabricación virtual y mejorar su proceso innovador reduciendo costes de fabricación. Su trabajo brillante y su progreso en el contacto directo con clientes, le ha convertido en líder del equipo del equipo de Pre-Venta de ESI Hispania.