Aplicaciones de compuestos de matriz polimérica (PMC) en los ascensores del futuro

por Emre Köroğlu y Ali Kılıç

Este documento se presentó en el Simposio Internacional de Ascensores y Escaleras Mecánicas de 2023 en Barcelona, ​​España.

Resumen

Una de las áreas de investigación más populares a nivel mundial son los materiales de construcción innovadores. Varios investigadores se concentran particularmente en los compuestos de matriz polimérica (PMC) debido a su alto rendimiento y versatilidad, que pueden cambiar el enfoque de ingeniería de los sistemas de construcción en un futuro muy cercano. Al considerar el año 2030, mencionado en el tema de este simposio, es obvio que nuestro pronóstico para la próxima generación de ascensores debería ser el futuro cercano. Una proyección estimada debería ser factible para desarrollar diseños de ascensores futuristas que serán extremadamente diferentes a los actuales en los próximos 10 años. Considerando la reciente pandemia desde un punto de vista pesimista, 10 años pueden no ser suficientes para un cambio radical en la tecnología de los ascensores. Pero, en cualquier caso, es una cierta realidad hoy y volverá a ser lo mismo en el futuro que cada parte interesada de la industria de ascensores está tratando de hacer que sus productos sean más preferidos por sus clientes mientras intentan reducir el costo de sus productos De acuerdo con esta realidad, parece posible que las nuevas ideas para hacer que el producto sea más preferible se conviertan en aplicación dentro de 10 años. Debido al aumento gradual del uso de materiales PMC en muchos sectores de la industria, una de estas ideas será el uso de materiales PMC para componentes de ascensores para hacer que el ascensor sea más ligero, resistente, estético y energéticamente eficiente. Por lo tanto, en este artículo, se discutirán los tipos de materiales compuestos, los métodos de fabricación adecuados con materiales compuestos para piezas de ascensores, las ventajas de los materiales compuestos para ascensores y los desafíos de las aplicaciones compuestas de conformidad con las normas de ascensores. En resumen, este artículo proporciona información satisfactoria sobre las aplicaciones de ascensores de materiales PMC que son alternativas innovadoras para componentes de ascensores.

1. Introducción

Las estructuras compuestas se producen a partir de dos o más materiales diferentes sin disolverse entre sí. Eso proporciona una nueva combinación en una escala macro/micro/nano para que muestren propiedades superiores. Los componentes se denominan matriz y material de refuerzo (fibra). La matriz mantiene unida la estructura, protege el material de refuerzo y transmite la fuerza aplicada a los materiales de refuerzo, mientras que el material de refuerzo (fibra) lleva la carga a la que estará expuesta la estructura. Al proteger las fibras de los efectos corrosivos y oxidativos, el material de la matriz puede ser de polímero, metal o cerámica, según el área de uso. Las matrices metálicas que son resistentes a la abrasión, tienen alta tenacidad a la fractura y resistencia a la compresión no pueden formar una buena interfaz con cada componente de refuerzo, lo que dificulta la fabricación.^{[ 1,2 ]} Las matrices cerámicas son resistentes a temperaturas extremas, la luz, la erosión y la abrasión.[2] Debido a su dureza, son extremadamente frágiles y presentan una baja elongación a la rotura. Por lo tanto, el 90 % de los materiales compuestos producidos a nivel mundial son matrices poliméricas.^{[ 1 ]} Las matrices poliméricas se dividen en termoestables o termoplásticas, según su comportamiento de reacción al calor. Los termoestables se prefieren más que los termoplásticos porque son fáciles de producir y son isotrópicos.^{[ 3 ]} La característica más importante de los materiales PMC es que tienen un alto valor de resistencia específica. Los materiales compuestos con matriz de polímero, que tienen un valor de elasticidad específico cinco veces mayor que el aluminio, son preferibles a las aleaciones de aluminio en áreas como la industria automotriz, aeroespacial y de defensa, donde se requiere resistencia y ligereza. La compatibilidad de PMC con muchos materiales de refuerzo diferentes también ha facilitado la fabricación de piezas complejas.^{[ 2 ]} Los materiales de refuerzo utilizados con matrices poliméricas son generalmente fibra de vidrio, carbono o aramida.^{[ 4 ]}

Existen diversos métodos de producción compatibles con resinas termoestables y termoplásticas en la producción de PMC. Un sistema muy básico es la aplicación manual, que consiste en dispersar la resina líquida con un rodillo entre las capas de refuerzo. Como segundo método, el elemento de refuerzo y la resina matriz se pulverizan conjuntamente sobre una superficie durante la aplicación. El método de moldeo por compresión se basa en la formación de la geometría de la pieza a altas presiones mientras la fibra y la matriz se colocan en un molde abierto. Además de estos métodos, la infusión al vacío, la pultrusión y el bobinado de filamentos son los más preferidos. En el método de infusión al vacío, la matriz fundida se inyecta sobre el elemento de refuerzo colocado en un molde al vacío y la resina se cura tras llenar la cavidad. En el método de pultrusión, las fibras de refuerzo se sumergen primero en el baño de resina, luego se moldean en el molde y se forma el perfil final a temperaturas de curado. En el bobinado de filamentos, a diferencia de la pultrusión, después del baño de resina, el exceso de resina en las fibras de refuerzo se desecha y la forma del perfil se forma enrollando las fibras en un mandril en el dispositivo de secado.

2. Materiales PMC en la construcción de ascensores

Antes de encontrar una respuesta a esta pregunta, debemos mirar el tema desde una perspectiva un poco más amplia y comprender por qué los materiales compuestos son una alternativa a otros materiales estructurales. En realidad, no es difícil de entender. Porque, teniendo en cuenta su rendimiento, está claro por qué los materiales compuestos pueden ser una alternativa seria a muchos otros materiales. Los compuestos de matriz polimérica (PMC) con las mismas propiedades mecánicas son entre un 60 % y un 80 % más ligeros que el acero y entre un 20 % y un 50 % más ligeros que el aluminio.^{[ 5,6 ]} Estas propiedades por sí solas han convertido a los materiales compuestos en una alternativa muy preferida en muchas aplicaciones de ingeniería. Además, se piensa que los materiales compuestos aportan ventajas como ligereza, flexibilidad de diseño y durabilidad en las zonas donde se utilizan, lo que facilitará la construcción y aumentará la puntuación de sostenibilidad de un edificio.^{[ 7 ]}

Debido a sus propiedades mecánicas superiores, flexibilidad en el diseño y alto rendimiento a un costo relativamente bajo, los materiales compuestos se utilizan con frecuencia en diversas aplicaciones, especialmente en el transporte, la construcción, la automoción y la industria aeroespacial.^{[ 8 ]} Su tasa de uso aumenta día a día; por ejemplo, se ha observado un aumento del 5% en el crecimiento anual del uso de materiales compuestos en la industria automotriz desde 2015.^{[ 5,9,10 ]} La masa del material compuesto utilizado en el avión Boeing B-787 Dreamliner es aproximadamente el 50% de la masa de todo el avión.[11] Desde una perspectiva general, el tamaño del mercado mundial de materiales compuestos alcanzó los 1188.4 millones de dólares estadounidenses en 2019[12], mientras que la demanda mundial de materiales compuestos fue de aproximadamente 22.2 millones de dólares estadounidenses en 2015.^{[ 5,9,10 ]}, … etc. apoya esta tesis.

En resumen, los datos técnicos y estadísticos anteriores apuntan a que los materiales compuestos serán el material del futuro. Por lo tanto, la mejor respuesta a la pregunta de por qué deberíamos usar PMC en ascensores traerá otra pregunta: ¿Por qué no usarlos? Considerando los objetivos de aligerar el peso estructural de los ascensores; aspirar a garantizar la eficiencia energética mediante la reducción del peso de los componentes móviles; durabilidad de los componentes estructurales críticos siendo más resistentes a condiciones ambientales como la corrosión; fabricar lo suficientemente flexible y estético como para permitir la realización de diferentes diseños arquitectónicos y así marcar la diferencia… y si tenemos que cumplir con los criterios de resistencia mecánica al hacer todo esto, no hay otra alternativa que el material PMC.

Aunque los requisitos enumerados anteriormente parecen arbitrarios en las condiciones actuales, la industria de los ascensores los enfrentará como una necesidad en el futuro cercano. El aumento de la altura de los edificios y la diversificación de las formas de construcción requerirán la renovación de los diseños de ascensores funcionales actuales. En la transformación que comenzará con tales requisitos, el papel de los materiales PMC en el sector de los ascensores será bastante importante.

3. Aplicación de materiales PMC como componentes de ascensores

3.1. Estado actual del arte

Existen dos ejemplos conocidos en la literatura sobre el uso de materiales PMC en ascensores. Uno es KONE UltraRope®, un cable de ascensor reforzado con fibra de carbono, y el otro es la cabina de ascensor de material compuesto MULTI, diseñada para el sistema de ascensor con motor lineal, desarrollado por TK Elevator (TKE). La principal motivación de ambos diseños es la misma: la ligereza.

El cable de ascensor KONE UltraRope de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP), producido mediante pultrusión, es un tipo de material de PMC. Al consultar la información sobre el tema, se observa que se han examinado cuatro formulaciones diferentes de resina epoxi y se concluye que una resina epoxi a base de anhídrido ácido es la fórmula óptima para la producción de cables de CFRP.^{[ 13 ]} Con este producto, KONE ha logrado reducir el peso del propio cable del ascensor en más de un 50 %. En un edificio de 500 m de altura, utilizar la tecnología convencional de elevación por ascensor significa mover masas que pesan alrededor de 27,000 kg. Reduce el peso de las masas en movimiento dentro del hueco de un edificio de 500 m de altura a aproximadamente 13,000 kg. Entre la información introductoria dada por KONE sobre el producto, se destacó que este aligeramiento ahorra entre un 15% y un 40% en términos de consumo de energía y costos operativos.^[14

En el sistema MULTI desarrollado por TKE nos encontramos con un sistema de ascensor con motor lineal donde no se utilizan cables. Una vez más, la situación que lleva a los diseñadores a utilizar material PMC es la reducción del peso de la masa en movimiento. Para ello, los paneles de la cabina del ascensor se diseñan con material CFRP, que es una especie de PMC. Cuando se examinan las fuentes pertinentes, se observa que el peso total de la masa en movimiento en el modelo de ascensor en el que se utiliza material CFRP ha disminuido aproximadamente un 40 % en comparación con el peso en el modelo de ascensor tradicional. La misma fuente dice que el aligeramiento es del 80% cuando solo se comparan los pesos de las paredes de la cabina. Además, se informó que “el modelo de ascensor diseñado ha sido aprobado para cumplir con los criterios de resistencia y rigidez presentados en el parámetro de inspección del ascensor”.^{[ 15 ]}

3.2. Futuro de los PMC en Ascensores

Se puede predecir fácilmente que habrá un aumento absoluto en la variedad de componentes de ascensores que utilizan PMC en paralelo con el uso generalizado de materiales compuestos (especialmente PMC) en casi todos los sectores. Si bien se espera que los ascensores con motores lineales (los llamados ascensores sin cable) se utilicen en un futuro próximo, es obvio que los ascensores hidráulicos y de cable tradicionales se seguirán instalando en los nuevos edificios. Independientemente del sistema de ascensores que se instale en los edificios en un futuro próximo, la necesidad de reducir el peso de la masa total en movimiento seguirá siendo un problema de ingeniería que permitirá que surjan ideas innovadoras en el sector. Se piensa que los componentes en los que se centrará este problema y, por lo tanto, los componentes del ascensor en los que se pueden utilizar los PMC, serán las estructuras móviles del ascensor, como la cabina, el marco de la cabina, el marco del contrapeso, la puerta de la cabina, los cables, la deflexión. poleas y engranajes de freno. Entre estos componentes, la cabina, el bastidor de cabina y la puerta de cabina se encuentran en todos los sistemas, mientras que el uso de otros componentes puede variar según el sistema de ascensor. Esta variabilidad se resume de manera predictiva en la Tabla 1.

Como puede verse en la tabla, casi todos los componentes de ascensores móviles pueden fabricarse con material PMC, mientras que se prevé que, como resultado del aligeramiento que el uso de material PMC creará en el sistema, el uso de algunos componentes ya no será necesario y los materiales de PMC no serán preferidos en otros. Por ejemplo, cuando los materiales de PMC se utilizan de acuerdo con la Tabla 1, el uso de la cadena de equilibrio puede no ser necesario en un sistema de ascensor eléctrico convencional y es posible que no se prefiera producir el material de contrapeso y la carcasa del contrapeso utilizando materiales de PMC, ya que su propósito es para crear peso. En el ejemplo de un sistema de motor lineal, la cabina y el bastidor de la cabina pueden diseñarse como una estructura integrada y puede que no sea necesario el uso de otros componentes debido a la estructura del sistema de ascensor.

Aunque el uso de PMC en ascensores se centra principalmente en piezas móviles, el uso de PMC en otros componentes de ascensores, como chasis de máquinas, rieles y consolas de conexión de rieles e incluso puertas de piso, se puede considerar en términos de cargas estáticas o condiciones ambientales como como corrosión.

3.3. Componentes de ascensores fabricados con PMC

Cuando observamos los métodos de fabricación que utilizan PMC termoestables, nos encontramos con cinco técnicas básicas que se utilizan ampliamente. Estas son las técnicas de colocación manual, colocación por pulverización, moldeo por transferencia de resina, pultrusión y preimpregnado. Si aceptamos estos métodos de fabricación como el estado del arte, es posible producir todos los componentes especificados en la Tabla 1 con estos métodos conocidos. La técnica de producción que se utilizará se puede encontrar determinando tres criterios básicos relacionados con el componente que se va a producir. El primero de estos criterios es si el componente se producirá en partes o como un cuerpo sólido, el segundo es la geometría del componente o partes del componente a producir y el último es el rendimiento mecánico esperado del componente.

Para fabricar componentes con materiales compuestos, sería apropiado evaluar cada parte en la etapa de diseño considerando el método de producción y diseñar componentes de acuerdo con el resultado de la evaluación. Por ejemplo, considerando la fabricación de la estructura de la cabina de un ascensor eléctrico convencional utilizando materiales PMC, la primera decisión que tenemos que tomar aquí es si producir esta estructura en su totalidad (sólido) o en partes. No hay una respuesta correcta absoluta a esta pregunta. Por lo que la respuesta puede variar según el diseño realizado con enfoques de ingeniería. Mediante el uso de PMC, esta estructura puede diseñarse como una estructura sólida, o puede pensarse como un diseño similar al de acero, es decir, como partes que se agregarán entre sí más adelante. En este caso, si el diseño de la carcasa es sólido, el método de producción será VARTM, en otros casos, las piezas producidas por separado se combinarán mecánica o químicamente. De manera similar se puede evaluar el método de producción de cada parte que formará la canal. Para este ejemplo, la geometría de todas las piezas que se muestran en la Figura 3-c y la Figura 3-e es adecuada para el método de pultrusión. También es posible combinar piezas producidas por diferentes métodos con aglutinantes mecánicos o químicos.

En la etapa de decisión sobre el método de fabricación, las selecciones del elemento de refuerzo y del material de la matriz se realizan simultáneamente de acuerdo con las restricciones mecánicas. Se puede preferir la fibra de carbono o la fibra de vidrio como material de refuerzo, y como matriz se pueden preferir las resinas epoxi o de poliéster con una mezcla de varios agentes. Aunque es posible decidir las preferencias de materiales después de las simulaciones, las selecciones realizadas con métodos experimentales deben verificarse para el rendimiento mecánico deseado. Por ello, las recetas elaboradas para conseguir los resultados deseados son saber hacer. Si no se logran los resultados deseados, puede ser inevitable volver al principio y revisar el diseño del componente. Para hacer más comprensible este proceso, se muestra un diagrama de flujo en la Figura 4.

3.4. Retos del Uso de Productos PMC en Ascensores

Los materiales PMC son estructuras superiores que cumplen con las expectativas de rendimiento mecánico de los sectores en los que se utilizan, e incluso muestran un rendimiento superior al esperado en muchas aplicaciones. Sin embargo, según la industria, el rendimiento esperado de los materiales PMC puede no ser solo para cumplir con los requisitos mecánicos. Además de los requisitos mecánicos, los parámetros de rendimiento determinados por las condiciones ambientales, como la conductividad eléctrica, la conductividad térmica, la inflamabilidad, la reciclabilidad, etc., también pueden ser decisivos en el uso de materiales PMC. Un ejemplo de tal situación se encuentra en la industria de los ascensores. La norma EN 81-20 hace referencia a la norma EN 13501-1 y establece que la estructura portante de la cabina definida en el artículo 5.4.4 debe ser de materiales no inflamables. El comité CEN pertinente también ha explicado en la sección de preguntas y respuestas que lo que debe entenderse por estructura de soporte aquí es el marco de la cabina y la plataforma de soporte. Esta estructura, que es uno de los componentes de ascensores más adecuados para la utilización de material PMC en el sistema de ascensores, tanto por la carga a la que está expuesta y, por tanto, el criterio de resistencia exigido, como por constituir casi el 30% del peso total de la masa en movimiento, debe estar fabricado con materiales no inflamables de acuerdo con la norma. Es obvio que las clases de inflamabilidad definidas según la norma EN 13501-1 no pueden proporcionarse con un polímero no modificado. En otras palabras, si la carcasa de la cabina se va a producir con material PMC, se debe estudiar el diseño del material antes que el diseño de la carcasa y se debe obtener el conocimiento que cumplirá con el criterio de no inflamabilidad. De acuerdo con la literatura, ya se sabe que la propiedad de no inflamabilidad de los materiales PMC se puede mejorar con algunos agentes químicos para mezclarlos con la resina o recubriendo la superficie de un producto terminado. Por ejemplo, se ha informado que se pueden obtener resultados con retardadores de llama a base de fosfato con baja toxicidad, libre de halógenos y baja emisividad de humo. Sin embargo, los efectos de tales recetas teóricas sobre las propiedades mecánicas del material o el proceso de producción deben observarse y optimizarse en la práctica.

Además del costo del desarrollo del material PMC de acuerdo con los estándares de ascensores actuales, otro desafío es aplicar en la práctica los procesos de producción teóricamente conocidos. Si bien el método de aplicación de la técnica relacionada con la fabricación con PMC es claro en la literatura, los parámetros que afectan el proceso durante la aplicación no se han mencionado mucho. Por ejemplo, los parámetros operativos del método de pultrusión, como el número óptimo de fibras, las etapas de enrutamiento de las fibras, la velocidad de dibujo de la línea, la temperatura de la matriz, la distancia de enfriamiento, etc., solo pueden determinarse de acuerdo con los resultados del estudio experimental. No se puede asumir un valor estándar para estos y otros parámetros operativos similares. La razón principal de esto es la diferencia en las recetas que determinan el contenido de PMC. El hecho de que se agregue o elimine un ingrediente de la receta o que cambie la cantidad proporcional de un ingrediente existente puede afectar directamente los parámetros operativos. Los posibles efectos y el proceso de optimización de acuerdo con la nueva situación solo es posible con métodos empíricos. Además, la confidencialidad de la industria de los materiales compuestos y las limitaciones en el intercambio de información dificultan aún más todos estos procesos.

Trabajar con materiales PMC en general es bastante diferente a trabajar con acero, tanto en términos de diseño como de fabricación. Los aceros tienen una estructura homogénea y se diversifican según su contenido químico definido en las normas y, por tanto, sus propiedades mecánicas. El enfoque de ingeniería general en los diseños que utilizan acero es hacer un diseño de pieza dimensional sincrónicamente con la selección de acero de calidad adecuada de acuerdo con el requisito de resistencia. Si los resultados obtenidos en la verificación del diseño no cumplieron con las expectativas, se pueden mejorar los resultados eligiendo otro acero de diferente calidad o revisando las dimensiones de la pieza. Sin embargo, cuando se trabaja con materiales compuestos, el proceso es ligeramente diferente a este método convencional. En primer lugar, los materiales de PMC pueden no ser homogéneos como el acero. En este caso, el comportamiento de esta estructura no homogénea bajo carga planteará un nuevo problema de ingeniería. Sin embargo, mientras se produce una solución a este problema, la situación actual también puede convertirse en una ventaja. Por ejemplo, en áreas donde la densidad de carga es alta en la parte de PMC, la resistencia local se puede aumentar al interferir con el número o la orientación de las fibras. En resumen, un equipo de ingeniería con habilidades de procesamiento de acero a la antigua debe aprender a analizar y encontrar soluciones a las nuevas situaciones que surgen debido a la naturaleza de los PMC.

4. Conclusiones

En conclusión, los PMC, como materiales del futuro, se utilizarán en los ascensores del futuro y pueden considerarse una predicción realista más que un enfoque utópico. En el caso de que se realice esta estimación, los enfoques de ingeniería de los fabricantes de componentes y sistemas que sirven a la industria de los ascensores serán diferentes. El desarrollo de nuevos materiales PMC, la preparación de una receta adecuada según las necesidades, la optimización de los procesos de producción según diferentes recetas y el diseño del sistema completo de ascensores que contengan componentes PMC estarán en la agenda de los fabricantes de ascensores y componentes en un futuro próximo.

Referencias

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