Text redactat en basc i traduït automàticament per Elia i sense revisió posterior. MOSTRA L’ORIGINAL

Utilització de compòsits de fibra de vidre en components de seguretat en ascensors

Aquest treball estudia la possibilitat d'utilitzar materials composts com a substituts lleugers de components metàl·lics en els faldons telescòpics dels ascensors. Els laminatges reforçats amb fibra de vidre han estat caracteritzats i optimitzats mitjançant elements finits. El prototip desenvolupat ha complert amb els requisits de seguretat, ha permès una reducció de pes superior al 30%, ha mantingut el rendiment mecànic i ha millorat l'eficiència energètica.

L'agilitat s'ha convertit en un objectiu clau en el desenvolupament de components estructurals i de seguretat en equips d'elevació, impulsats per la necessitat de millorar l'eficiència energètica, la mobilitat i el rendiment operatiu ^1,2. La reducció del pes de les estructures disminueix les càrregues d'inèrcia, redueix la fatiga mecànica, facilita el transport i augmenta la seguretat, a més d'escurçar els temps d'instal·lació i trasllat, la qual cosa millora l'eficiència general dels equips ³.

L'acer és actualment el material més utilitzat en els sistemes d'elevació a causa de la seva alta resistència mecànica, durabilitat i comportament fiable a la fatiga. No obstant això, la seva alta densitat augmenta significativament el pes dels components, la qual cosa augmenta el consum d'energia, els costos de transport i les exigències de dimensionament de les estructures de suport. A més, l'acer té sensibilitat a la corrosió i és elèctricament conductor, la qual cosa imposa importants limitacions en uns certs entorns de treball ⁴.

Els aliatges d'alumini ofereixen menor densitat i major resistència a la corrosió, però en aplicacions estructurals exigents no sempre tenen el comportament mecànic necesario5. Com a conseqüència, en les últimes dècades s'ha dut a terme una important recerca sobre els compòsits de polímer reforçats amb fibra (FRP). Aquests materials ofereixen excel·lents relacionis resistència/peso i rigidesa/peso i permeten aconseguir reduccions de pes de fins a un 30–50% en comparació amb els materials metàl·lics convencionals. Per això, s'han aplicat amb èxit en els sectors aeronàutic, automoció i marítim. No obstant això, els compòsits presenten una sèrie de desafiaments tecnològics, com la seva naturalesa anisotròpica, la seva sensibilitat al procés de fabricació i la complexitat dels mecanismes de fallada. Això implica l'ús de metodologies de disseny i modelitzacions avançades ⁶.

En aquest context, les estructures híbrides que combinen les propietats dels materials metàl·lics i compòsits estan despertant cada vegada més interès. Aquestes solucions combinen la ductilitat i la duresa dels metalls amb la lleugeresa i les propietats mecàniques adaptables dels compòsits, la qual cosa els converteix en una opció atractiva per als components estructurals i de seguretat dels equips d'elevació del futur.

En l'actualitat, tots els components estructurals dels faldons telescòpics dels ascensors es fabriquen amb materials metàl·lics. Encara que s'han realitzat alguns intents d'utilització de materials termoplàstics, el seu ús s'ha limitat a funcions secundàries com a revestiments, proteccions o elements decoratius. No s'han identificat components estructurals fabricats amb materials compòsits. Per això, l'objectiu d'aquest treball és estudiar la viabilitat de substituir aquests components metàl·lics per estructures híbrides de materials composts i compòsits metàl·lics, especialment en unions híbrides i en zones d'alt desgast.

Materials i metodologia

La primera fase de l'estudi va consistir en la caracterització mecànica d'un laminatge compost reforçat amb fibra de vidre biaxial. Per a això, utilitzant el mateix procés de fabricació que el faldó, es van produir unes plaques i posteriorment es van mecanitzar les provetes d'acord amb les normatives corresponents. Es van realitzar assajos de tracció, flexió i densitat. Les principals propietats mecàniques obtingudes es resumeixen en la següent taula.

Una vegada definides les propietats del material, per a estudiar el comportament estructural del faldó, es van desenvolupar models d'elements finits (FEM). La configuració estudiada consta d'un faldó telescòpic de quatre cossos en el qual cada cos es fabrica amb material compòsit i s'uneix mitjançant guies metàl·liques. El principal requisit de disseny va ser que sota la càrrega de 300 N aplicada en qualsevol punt del faldó, el desplaçament fos inferior a 30 mm.

En la primera iteració es va desenvolupar el model simplificat mitjançant un laminatge de quatre capes. Les capes es van establir en orientació 0°/90°, aconseguint un gruix total de 4,8 mm. En aquest model, les guies metàl·liques es van considerar elements de rigidesa infinita. Després d'aplicar les condicions límit, es va observar que la deformació es concentrava principalment al voltant de l'eix longitudinal de cada faldó, la qual cosa va permetre una anàlisi més detallada de cada subconjunt. En el cas crític es va obtenir un desplaçament màxim de 14 mm i un índex Tsai-Wu de 0,64. El criteri Tsai-Wu és un indicador utilitzat per a predir la fallada en laminatges composts; quan el valor és inferior a 1, se suposa que el material no fallarà. Per tant, es va concloure que el disseny compleix amb els requisits de seguretat. Com a resultat d'aquesta anàlisi, es va seleccionar un laminatge de quatre capes de teixit biaxial de fibra de vidre situat en orientació 0°/90° per a les peces que componen el faldó.

Disseny i fabricació de faldó

Amb base en els resultats obtinguts de l'anàlisi d'elements finits, es va redissenyar la geometria del faldó. Tenint en compte l'augment de gruix, es van adaptar les unions i longituds entre les peces per a garantir un muntatge adequat. Així mateix, es van eliminar totes les geometries que poguessin dificultar el desmoldeo. Aquest disseny va suposar de nou una important reducció en el pes de l'estructura. De fet, el faldó metàl·lic original tenia una massa aproximada de 12 kg, i es preveu que la versió en compòsit desenvolupada tingui un pes inferior a 8 kg.

Això suposa una reducció de pes superior al 30% mantenint un comportament estructural. Per a la fabricació del faldó es van dissenyar motlles metàl·lics modulars. Els motlles es van fabricar mitjançant cort làser i plegat de xapa, integrant totes les geometries i orificis que requereixen les peces. En les peces amb contrarellotge es van utilitzar motlles desmuntables per a facilitar el desmoldeo.

El procés de fabricació va començar amb la preparació de la superfície mitjançant l'aplicació de diferents capes de desemmotllants. Posteriorment es va aplicar el recobriment gelcoat per a obtenir l'acabat estètic final de la peça i, al mateix temps, oferir una protecció addicional contra la corrosió i l'envelliment. Amb el gelcoata encara fresc, es va realitzar una laminació manual. Es van dipositar sistemàticament teixits biaxials i resina de fibra de vidre. Per a reduir el risc de delaminació, es van inserir capes MAT de fibra de vidre entre les capes estructurals per a millorar la cohesió.

Una vegada realitzat el desmoldeo, es van mecanitzar les peces i es van generar els forats i buits funcionals necessaris. Finalment, es van unir els cinc components utilitzant la mateixa guia i elements d'unió utilitzats en el faldó metàl·lic original.

Conclusions

Els resultats mostren que els materials composts reforçats amb fibra de vidre són una opció viable per a reemplaçar els components metàl·lics dels faldons telescòpics dels ascensors. El disseny desenvolupat ha complert amb tots els límits mecànics establerts en aconseguir un desplaçament màxim de 14 mm i un valor de Tsai-Wu de 0,64. Addicionalment, s'ha aconseguit una reducció de pes superior al 30%, la qual cosa es tradueix en millores significatives en el transport, consum energètic i manipulació. Aquests resultats posen de manifest el gran potencial dels materials composts i compòsits metàl·lics híbrids en les noves generacions de components estructurals i de seguretat en equips d'elevació.

Bibliografia

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

[2] Yu, Bolin. 2014. “A Surface Compòsit 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; El seu, Peiyu; Chen, Zhihua; Liu, XiaoWei. 2026. “Study on Mechanical Properties of Reinforced Aluminum Alloy Bolted Joints”. Structures 84 111066.

[6] Akkaş, I.; Alsanca, S. 2026. “Lightweight Design of Running Prosthetic Feet Using Honeycomb Sandvitx Compòsits: A Comparative LLETJA Study”. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 14, 1785315.