Texto redactado en euskara e traducido automaticamente por Elia e sen posterior revisión. VER ORIXINAL

Utilización de composites de fibra de vidro en compoñentes de seguridade en ascensores

Este traballo estuda a posibilidade de utilizar materiais compostos como substitutos lixeiros de compoñentes metálicos nos faldones telescópicos dos ascensores. Os lamelados reforzados con fibra de vidro foron caracterizados e optimizados mediante elementos finitos. O prototipo desenvolvido ha cumprido cos requisitos de seguridade, permitiu unha redución de peso superior ao 30%, mantivo o rendemento mecánico e mellorou a eficiencia enerxética.

A axilidade converteuse nunha obxectivo clave no desenvolvemento de compoñentes estruturais e de seguridade en equipos de elevación, impulsados pola necesidade de mellorar a eficiencia enerxética, a mobilidade e o rendemento operativo ^1,2. A redución do peso das estruturas diminúe as cargas de inercia, reduce fatígaa mecánica, facilita o transporte e aumenta a seguridade, ademais de acurtar os tempos de instalación e traslado, o que mellora a eficiencia xeral dos equipos ³.

O aceiro é actualmente o material máis utilizado nos sistemas de elevación debido á súa alta resistencia mecánica, durabilidad e comportamento fiable a fatígaa. Con todo, a súa alta densidade aumenta significativamente o peso dos compoñentes, o que aumenta o consumo de enerxía, os custos de transporte e as esixencias de dimensionamiento das estruturas de soporte. Ademais, o aceiro ten sensibilidade á corrosión e é eléctricamente condutor, o que impón importantes limitacións en certas contornas de traballo ⁴.

As aliaxes de aluminio ofrecen menor densidade e maior resistencia á corrosión, pero en aplicacións estruturais exixentes non sempre teñen o comportamento mecánico necesario5. Como consecuencia, nas últimas décadas levouse a cabo unha importante investigación sobre os composites de polímero reforzados con fibra (FRP). Estes materiais ofrecen excelentes relaciones resistencia/peso e rixidez/peso e permiten alcanzar reducións de peso de até un 30–50% en comparación cos materiais metálicos convencionais. Por iso, aplicáronse con éxito nos sectores aeronáutico, automoción e marítimo. Con todo, os composites presentan unha serie de desafíos tecnolóxicos, como a súa natureza anisotrópica, a súa sensibilidade ao proceso de fabricación e a complexidade dos mecanismos de fallo. Isto implica o uso de metodoloxías de deseño e modelizaciones avanzadas ⁶.

Neste contexto, as estruturas híbridas que combinan as propiedades dos materiais metálicos e composites están a espertar cada vez máis interese. Estas solucións combinan a ductilidad e a dureza dos metais coa lixeireza e as propiedades mecánicas adaptables dos composites, o que os converte nunha opción atractiva para os compoñentes estruturais e de seguridade dos equipos de elevación do futuro.

Na actualidade, todos os compoñentes estruturais dos faldones telescópicos dos ascensores fabrícanse con materiais metálicos. Aínda que se realizaron algúns intentos de utilización de materiais termoplásticos, o seu uso limitouse a funcións secundarias como revestimentos, proteccións ou elementos decorativos. Non se identificaron compoñentes estruturais fabricados con materiais composites. Por iso, o obxectivo deste traballo é estudar a viabilidade de substituír estes compoñentes metálicos por estruturas híbridas de materiais compostos e composites metálicos, especialmente en unións híbridas e en zonas de alto desgaste.

Materiais e metodoloxía

A primeira fase do estudo consistiu na caracterización mecánica dun lamelado composto reforzado con fibra de vidro biaxial. Para iso, utilizando o mesmo proceso de fabricación que o faldón, producíronse unhas placas e posteriormente mecanizáronse as probetas de acordo coas normativas correspondentes. Realizáronse ensaios de tracción, flexión e densidade. As principais propiedades mecánicas obtidas resúmense na seguinte táboa.

Unha vez definidas as propiedades do material, para estudar o comportamento estrutural do faldón, desenvolvéronse modelos de elementos finitos (FEM). A configuración estudada consta dun faldón telescópico de catro corpos no que cada corpo se fabrica con material composite e únese mediante guías metálicas. O principal requisito de deseño foi que baixo a carga de 300 N aplicada en calquera punto do faldón, o desprazamento fose inferior a 30 mm.

Na primeira iteración desenvolveuse o modelo simplificado mediante un lamelado de catro capas. As capas establecéronse en orientación 0°/90°, alcanzando un espesor total de 4,8 mm. Neste modelo, as guías metálicas consideráronse elementos de rixidez infinita. Despois de aplicar as condicións límite, observouse que a deformación se concentraba principalmente ao redor do eixo lonxitudinal de cada faldón, o que permitiu unha análise máis detallada de cada subconjunto. No caso crítico obtívose un desprazamento máximo de 14 mm e un índice Tsai-Wu de 0,64. O criterio Tsai-Wu é un indicador utilizado para predicir o fallo en lamelados compostos; cando o valor é inferior a 1, suponse que o material non fallará. Por tanto, concluíuse que o deseño cumpre cos requisitos de seguridade. Como resultado desta análise, seleccionouse un lamelado de catro capas de tecido biaxial de fibra de vidro situado en orientación 0°/90° para as pezas que compoñen o faldón.

Deseño e fabricación de faldón

Con base nos resultados obtidos da análise de elementos finitos, redeseñouse a xeometría do faldón. Tendo en conta o aumento de espesor, adaptáronse as unións e lonxitudes entre as pezas para garantir unha montaxe axeitada. Así mesmo, elimináronse todas as xeometrías que puidesen dificultar o desmoldeo. Este deseño supuxo de novo unha importante redución no peso da estrutura. De feito, o faldón metálico orixinal tiña unha masa aproximada de 12 kg, e prevese que a versión en composite desenvolvida teña un peso inferior a 8 kg.

Isto supón unha redución de peso superior ao 30% mantendo un comportamento estrutural. Para a fabricación do faldón deseñáronse moldes metálicos modulares. Os moldes fabricáronse mediante corte láser e encartado de chapa, integrando todas as xeometrías e orificios que requiren as pezas. Nas pezas con contrarreloxo utilizáronse moldes desmontables para facilitar o desmoldeo.

O proceso de fabricación comezou coa preparación da superficie mediante a aplicación de diferentes capas de desmoldeantes. Posteriormente aplicouse o recubrimiento gelcoat para obter o acabado estético final da peza e, ao mesmo tempo, ofrecer unha protección adicional contra a corrosión e o envellecemento. Co gelcoata aínda fresco, realizouse unha laminación manual. Depositáronse sistematicamente tecidos biaxiales e resina de fibra de vidro. Para reducir o risco de delaminación, inseríronse capas MAT de fibra de vidro entre as capas estruturais para mellorar a cohesión.

Unha vez realizado o desmoldeo, mecanizáronse as pezas e xeráronse os buracos e ocos funcionais necesarios. Finalmente, uníronse o cinco compoñentes utilizando a mesma guía e elementos de unión utilizados no faldón metálico orixinal.

Conclusións

Os resultados mostran que os materiais compostos reforzados con fibra de vidro son unha opción viable para substituír os compoñentes metálicos dos faldones telescópicos dos ascensores. O deseño desenvolvido ha cumprido con todos os límites mecánicos establecidos ao alcanzar un desprazamento máximo de 14 mm e un valor de Tsai-Wu de 0,64. Adicionalmente, logrouse unha redución de peso superior ao 30%, o que se traduce en melloras significativas no transporte, consumo enerxético e manipulación. Estes resultados pon de manifesto o gran potencial dos materiais compostos e composites metálicos híbridos nas novas xeracións de compoñentes estruturais e de seguridade 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; O seu, Peiyu; Chen, Zhihua; Liu, XiaoWei. 2026. “Study on Mechanical Properties of Reinforced Aluminum Alloy Bolted Joints”. Structures 84 111066.

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