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Utilización de composites de fibra de vidrio en componentes de seguridad en ascensores

Este trabajo estudia la posibilidad de utilizar materiales compuestos como sustitutos ligeros de componentes metálicos en los faldones telescópicos de los ascensores. Los laminados reforzados con fibra de vidrio han sido caracterizados y optimizados mediante elementos finitos. El prototipo desarrollado ha cumplido con los requisitos de seguridad, ha permitido una reducción de peso superior al 30%, ha mantenido el rendimiento mecánico y ha mejorado la eficiencia energética.

La agilidad se ha convertido en un objetivo clave en el desarrollo de componentes estructurales y de seguridad en equipos de elevación, impulsados por la necesidad de mejorar la eficiencia energética, la movilidad y el rendimiento operativo ^1,2. La reducción del peso de las estructuras disminuye las cargas de inercia, reduce la fatiga mecánica, facilita el transporte y aumenta la seguridad, además de acortar los tiempos de instalación y traslado, lo que mejora la eficiencia general de los equipos ³.

El acero es actualmente el material más utilizado en los sistemas de elevación debido a su alta resistencia mecánica, durabilidad y comportamiento fiable a la fatiga. Sin embargo, su alta densidad aumenta significativamente el peso de los componentes, lo que aumenta el consumo de energía, los costes de transporte y las exigencias de dimensionamiento de las estructuras de soporte. Además, el acero tiene sensibilidad a la corrosión y es eléctricamente conductor, lo que impone importantes limitaciones en ciertos entornos de trabajo ⁴.

Las aleaciones de aluminio ofrecen menor densidad y mayor resistencia a la corrosión, pero en aplicaciones estructurales exigentes no siempre tienen el comportamiento mecánico necesario5. Como consecuencia, en las últimas décadas se ha llevado a cabo una importante investigación sobre los composites de polímero reforzados con fibra (FRP). Estos materiales ofrecen excelentes relaciones resistencia/peso y rigidez/peso y permiten alcanzar reducciones de peso de hasta un 30–50% en comparación con los materiales metálicos convencionales. Por ello, se han aplicado con éxito en los sectores aeronáutico, automoción y marítimo. Sin embargo, los composites presentan una serie de desafíos tecnológicos, como su naturaleza anisotrópica, su sensibilidad al proceso de fabricación y la complejidad de los mecanismos de fallo. Esto implica el uso de metodologías de diseño y modelizaciones avanzadas ⁶.

En este contexto, las estructuras híbridas que combinan las propiedades de los materiales metálicos y composites están despertando cada vez más interés. Estas soluciones combinan la ductilidad y la dureza de los metales con la ligereza y las propiedades mecánicas adaptables de los composites, lo que los convierte en una opción atractiva para los componentes estructurales y de seguridad de los equipos de elevación del futuro.

En la actualidad, todos los componentes estructurales de los faldones telescópicos de los ascensores se fabrican con materiales metálicos. Aunque se han realizado algunos intentos de utilización de materiales termoplásticos, su uso se ha limitado a funciones secundarias como revestimientos, protecciones o elementos decorativos. No se han identificado componentes estructurales fabricados con materiales composites. Por ello, el objetivo de este trabajo es estudiar la viabilidad de sustituir estos componentes metálicos por estructuras híbridas de materiales compuestos y composites metálicos, especialmente en uniones híbridas y en zonas de alto desgaste.

Materiales y metodología

La primera fase del estudio consistió en la caracterización mecánica de un laminado compuesto reforzado con fibra de vidrio biaxial. Para ello, utilizando el mismo proceso de fabricación que el faldón, se produjeron unas placas y posteriormente se mecanizaron las probetas de acuerdo con las normativas correspondientes. Se realizaron ensayos de tracción, flexión y densidad. Las principales propiedades mecánicas obtenidas se resumen en la siguiente tabla.

Una vez definidas las propiedades del material, para estudiar el comportamiento estructural del faldón, se desarrollaron modelos de elementos finitos (FEM). La configuración estudiada consta de un faldón telescópico de cuatro cuerpos en el que cada cuerpo se fabrica con material composite y se une mediante guías metálicas. El principal requisito de diseño fue que bajo la carga de 300 N aplicada en cualquier punto del faldón, el desplazamiento fuera inferior a 30 mm.

En la primera iteración se desarrolló el modelo simplificado mediante un laminado de cuatro capas. Las capas se establecieron en orientación 0°/90°, alcanzando un espesor total de 4,8 mm. En este modelo, las guías metálicas se consideraron elementos de rigidez infinita. Después de aplicar las condiciones límite, se observó que la deformación se concentraba principalmente alrededor del eje longitudinal de cada faldón, lo que permitió un análisis más detallado de cada subconjunto. En el caso crítico se obtuvo un desplazamiento máximo de 14 mm y un índice Tsai-Wu de 0,64. El criterio Tsai-Wu es un indicador utilizado para predecir el fallo en laminados compuestos; cuando el valor es inferior a 1, se supone que el material no fallará. Por lo tanto, se concluyó que el diseño cumple con los requisitos de seguridad. Como resultado de este análisis, se seleccionó un laminado de cuatro capas de tejido biaxial de fibra de vidrio ubicado en orientación 0°/90° para las piezas que componen el faldón.

Diseño y fabricación de faldón

Con base en los resultados obtenidos del análisis de elementos finitos, se rediseñó la geometría del faldón. Teniendo en cuenta el aumento de espesor, se adaptaron las uniones y longitudes entre las piezas para garantizar un montaje adecuado. Asimismo, se eliminaron todas las geometrías que pudieran dificultar el desmoldeo. Este diseño supuso de nuevo una importante reducción en el peso de la estructura. De hecho, el faldón metálico original tenía una masa aproximada de 12 kg, y se prevé que la versión en composite desarrollada tenga un peso inferior a 8 kg.

Esto supone una reducción de peso superior al 30% manteniendo un comportamiento estructural. Para la fabricación del faldón se diseñaron moldes metálicos modulares. Los moldes se fabricaron mediante corte láser y plegado de chapa, integrando todas las geometrías y orificios que requieren las piezas. En las piezas con contrarreloj se utilizaron moldes desmontables para facilitar el desmoldeo.

El proceso de fabricación comenzó con la preparación de la superficie mediante la aplicación de diferentes capas de desmoldeantes. Posteriormente se aplicó el recubrimiento gelcoat para obtener el acabado estético final de la pieza y, al mismo tiempo, ofrecer una protección adicional contra la corrosión y el envejecimiento. Con el gelcoata todavía fresco, se realizó una laminación manual. Se depositaron sistemáticamente tejidos biaxiales y resina de fibra de vidrio. Para reducir el riesgo de delaminación, se insertaron capas MAT de fibra de vidrio entre las capas estructurales para mejorar la cohesión.

Una vez realizado el desmoldeo, se mecanizaron las piezas y se generaron los agujeros y huecos funcionales necesarios. Finalmente, se unieron los cinco componentes utilizando la misma guía y elementos de unión utilizados en el faldón metálico original.

Conclusiones

Los resultados muestran que los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio son una opción viable para reemplazar los componentes metálicos de los faldones telescópicos de los ascensores. El diseño desarrollado ha cumplido con todos los límites mecánicos establecidos al alcanzar un desplazamiento máximo de 14 mm y un valor de Tsai-Wu de 0,64. Adicionalmente, se ha logrado una reducción de peso superior al 30%, lo que se traduce en mejoras significativas en el transporte, consumo energético y manipulación. Estos resultados ponen de manifiesto el gran potencial de los materiales compuestos y composites metálicos híbridos en las nuevas generaciones de componentes estructurales y de seguridad en equipos de elevación.

Bibliografía

[1] Wang, Hua; Zhang, Shuai; Yu, Junyang. 2018. “Computer Aided Tolerancing of Composite Elevator Assembly Involving Clamping Forces Coordination”. A 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.; Alsanca, S. 2026. “Lightweight Design of Running Prosthetic Feet Using Honeycomb Sandwich Composites: A Comparative FEA Study”. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 14, 1785315.