Beira-zuntzezko konpositeen erabilera igogailuetako segurtasun-osagaietan

Arintasuna funtsezko helburu bihurtu da altxatze-ekipoetako egitura- eta segurtasun-osagaien garapenean, energia-eraginkortasuna, mugikortasuna eta errendimendu operatiboa hobetzeko beharrak bultzatuta^1,2. Egituren pisua murrizteak inertzia-kargak gutxitzen ditu, neke mekanikoa murrizten du, garraioa errazten du eta segurtasuna handitzen du; gainera, instalazio- eta lekualdatze-denborak laburtzen ditu, eta horrek ekipoen eraginkortasun orokorra hobetzen du³.

Altzairua da gaur egun altxatze-sistemetan gehien erabiltzen den materiala, haren erresistentzia mekaniko handiagatik, iraunkortasunagatik eta nekearekiko portaera fidagarriagatik. Hala ere, haren dentsitate handiak nabarmen handitzen du osagaien pisua, eta horrek energia-kontsumoa, garraio-kostuak eta euskarri-egituren dimentsionamendu-eskakizunak areagotzen ditu. Gainera, altzairuak korrosioarekiko sentikortasuna du eta elektrikoki eroalea da, eta horrek muga garrantzitsuak ezartzen ditu zenbait lan-ingurunetan⁴.

Aluminio-aleazioek dentsitate txikiagoa eta korrosioarekiko erresistentzia handiagoa eskaintzen dituzte, baina aplikazio estruktural zorrotzetan ez dute beti beharrezko portaera mekanikoa bermatzen5. Horren ondorioz, azken hamarkadetan ikerketa handia egin da zuntzez indartutako polimero-konpositeen (FRP) inguruan. Material horiek erresistentzia/pisu eta zurruntasun/pisu erlazio bikainak eskaintzen dituzte, eta ohiko material metalikoekin alderatuta % 30–50 arteko pisu-murrizketak lortzea ahalbidetzen dute. Horregatik, arrakastaz aplikatu dira sektore aeronautikoan, automobilgintzan eta itsas industrian. Hala ere, konpositeek hainbat erronka teknologiko aurkezten dituzte, hala nola haien izaera anisotropikoa, fabrikazio-prozesuarekiko sentikortasuna eta hutsegite-mekanismoen konplexutasuna. Horrek diseinu-metodologia eta modelizazio aurreratuak erabiltzea eskatzen du⁶.

Testuinguru horretan, gero eta interes handiagoa pizten ari dira material metalikoen eta konpositeen propietateak uztartzen dituzten egitura hibridoak. Soluzio horiek metalen harikortasuna eta gogortasuna konpositeen arintasunarekin eta propietate mekaniko moldagarriekin konbinatzen dituzte, eta, horrenbestez, aukera erakargarria dira etorkizuneko altxatze-ekipoen egitura- eta segurtasun-osagaientzat.

Gaur egun, igogailuen faldoi teleskopikoetako osagai estruktural guztiak material metalikoz fabrikatzen dira. Material termoplastikoak erabiltzeko saiakera batzuk egin diren arren, haien erabilera bigarren mailako funtzioetara mugatu da, hala nola estaldura, babes edo apaingarri-elementuetara. Ez da identifikatu material konpositez fabrikatutako egitura-osagairik. Hori dela eta, lan honen helburua da osagai metaliko horien ordez material konposatuen eta metal-konpositeen egitura hibridoak erabiltzeko bideragarritasuna aztertzea, bereziki lotura hibridoetan eta higadura handiko eremuetan.

Materialak eta metodologia

Ikerketaren lehen fasean, beira-zuntz biaxialez indartutako laminatu konposatu baten karakterizazio mekanikoa egin zen. Horretarako, faldoiaren fabrikazio-prozesu bera erabiliz, plaka batzuk ekoitzi ziren, eta, ondoren, probetak mekanizatu ziren dagokien araudien arabera. Trakzio-, flexio- eta dentsitate-saiakuntzak egin ziren. Lortutako propietate mekaniko nagusiak ondorengo taulan laburbildu dira.

Materialaren propietateak definitu ondoren, faldoiaren portaera estrukturala aztertzeko, elementu finituen ereduak (FEM) garatu ziren. Aztertutako konfigurazioak lau gorputzeko faldoi teleskopikoa du, non gorputz bakoitza material konpositez fabrikatzen den eta gida metalikoen bidez elkartzen den. Diseinu-baldintza nagusia izan zen faldoiaren edozein puntutan aplikatutako 300 N-eko kargapean desplazamendua 30 mm baino gutxiagokoa izatea.

Lehenengo iterazioan, lau geruzako laminatu baten bidezko eredu sinplifikatua garatu zen. Geruzak 0°/90° orientazioan ezarri ziren, eta guztira 4,8 mm-ko lodiera lortu zen. Eredu horretan, gida metalikoak zurruntasun infinituko elementutzat hartu ziren. Mugako baldintzak aplikatu ondoren, ikusi zen deformazioa batez ere faldoi bakoitzaren ardatz longitudinalaren inguruan kontzentratzen zela, eta horrek azpimultzo bakoitzaren azterketa xeheagoa egitea ahalbidetu zuen. Kasu kritikoan, 14 mm-ko desplazamendu maximoa eta 0,64ko Tsai-Wu indizea lortu ziren. Tsai-Wu irizpidea laminatu konposatuetako hutsegitea aurresateko erabiltzen den adierazlea da; balioa 1 baino txikiagoa denean, jotzen da materialak ez duela huts egingo. Beraz, diseinuak segurtasun-baldintzak betetzen dituela ondorioztatu zen. Analisi horren ondorioz, faldoia osatzen duten piezentzat 0°/90° orientazioan kokatutako beira-zuntzezko ehun biaxialeko lau geruzako laminatua hautatu zen.

Faldoiaren diseinua eta fabrikazioa

Elementu finituen analisitik lortutako emaitzetan oinarrituta, berriz diseinatu zen faldoiaren geometria. Lodiera handitu zela kontuan hartuta, piezen arteko loturak eta luzerak egokitu ziren muntaketa egokia bermatzeko. Era berean, desmoldaketa zaildu zezaketen geometria guztiak kendu ziren. Diseinu horrek egituraren pisuan murrizketa nabarmena ekarri zuen berriz. Izan ere, jatorrizko faldoi metalikoak 12 kg inguruko masa zuen, eta garatutako konpositezko bertsioak 8 kg baino gutxiagoko pisua izatea aurreikusten da.

Horrek suposatzen du % 30etik gorako pisu-murrizketa portaera estrukturala mantenduta. Faldoiaren fabrikaziorako molde metaliko modularrak diseinatu ziren. Moldeak laser-ebaketa eta xafla-tolesturaren bidez fabrikatu ziren, piezek behar dituzten geometria eta zulo guztiak integratuz. Kontrairteerak zituzten piezetan, molde desmuntagarriak erabili ziren desmoldaketa errazteko.

Fabrikazio-prozesua gainazalaren prestaketarekin hasi zen, hainbat desmoldatzaile-geruza aplikatuz. Ondoren, gelcoat estaldura aplikatu zen piezaren azken akabera estetikoa lortzeko eta, aldi berean, korrosioarekiko eta zahartzearen aurkako babes gehigarria eskaintzeko. Gelcoata oraindik fresko zegoela, eskuzko laminazioa egin zen. Beira-zuntzezko ehun biaxialak eta erretxina sistematikoki metatu ziren. Delaminazio-arriskua murrizteko, geruza estrukturalen artean beira-zuntzezko MAT geruzak txertatu ziren, kohesioa hobetzeko.

Desmoldaketa egin ondoren, piezak mekanizatu ziren, eta beharrezko zuloak eta hutsune funtzionalak sortu ziren. Azkenik, bost osagaiak elkartu ziren, jatorrizko faldoi metalikoan erabilitako gida eta lotura-elementu berak erabiliz.

Ondorioak

Emaitzek erakusten dute beira-zuntzez indartutako material konposatuak aukera bideragarria direla igogailuetako faldoi teleskopikoen osagai metalikoak ordezkatzeko. Garatutako diseinuak ezarritako muga mekaniko guztiak bete ditu, 14 mm-ko desplazamendu maximoa eta 0,64ko Tsai-Wu balioa lortu baititu. Horrez gain, % 30etik gorako pisu-murrizketa lortu da, eta horrek hobekuntza nabarmenak eragiten ditu garraioan, energia-kontsumoan eta manipulazioan. Emaitza horiek agerian uzten dute material konposatu eta metal-konposite hibridoek potentzial handia dutela altxatze-ekipoetako egitura- eta segurtasun-osagaien belaunaldi berrietan.

Bibliografia

[1] Wang, Hua; Zhang, Shuai; Yu, Junyang. 2018. “Computer Aided Tolerancing of Composite Elevator Assembly Involving Clamping Forces Coordination”. Procedia CIRP, 75, 256–260.

[2] Yu, Bolin. 2014. “A Surface Composite Coating Elevator Safety Gear Wedge”. Advanced Materials Research, 838–841, 148–151.

[3] Callister Jr., William D.; Rethwisch, David G. 2018. Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley, Hoboken.

[4] Kheswa, Banele Siyabonga; Whitefield, David; Potgieter, Herman; Bodunrin, Michael. 2026. “Corrosion of S32205 Duplex Stainless Steel”. CORROSION, 82(1), 4–16.

[5] Wang, Renhong; Wang, Xiuli; Su, Peiyu; Chen, Zhihua; Liu, XiaoWei. 2026. “Study on Mechanical Properties of Reinforced Aluminum Alloy Bolted Joints”. Structures, 84, 111066.

[6] Akkaş, Y.; Alsancak, S. 2026. “Lightweight Design of Running Prosthetic Feet Using Honeycomb Sandwich Composites: A Comparative FEA Study”. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 14, 1785315.