Estudio de aleación de aluminio reforzada con materiales compuestos para reducción de peso en la industria automotriz

Islas Mascareñas, José Antonio (2013) Estudio de aleación de aluminio reforzada con materiales compuestos para reducción de peso en la industria automotriz. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

En la actualidad, en la industria automotriz existe como principal método de competencia la fabricación de vehículos cada día más eficientes tanto en potencia como en consumo de combustible, dicha eficiencia depende directamente tanto del diseño de los componentes, como del peso del vehículo, el cual depende principalmente de los materiales utilizados en su fabricación. La industria aeroespacial fue la pionera en el uso tanto del aluminio como material principal en los años 20s, como de los materiales compuestos entre los años 60s y 70s, dichos materiales tenían lugar principalmente en las estructuras de las aeronaves. Después de la industria aeroespacial en el uso de dichos materiales, se encuentra la industria automotriz, la cual en los últimos años ha incrementado el uso tanto de materiales compuestos como de aleaciones de aluminio en la fabricación de sus vehículos, buscando principalmente incrementar la eficiencia de sus vehículos sin sacrificar su desempeño y seguridad, lo cual año con año se logra aumentar con el uso de éstos materiales en diferentes componentes del automóvil. Entre los componentes más comunes en el uso de aluminio y materiales compuestos esta la estructura exterior del automóvil, entre los que sobresalen el capó, el techo, las puertas, entre otros; además de componentes tanto del motor como del interior de la cabina del vehículo. En los últimos años han sobresalido las empresas automotrices que utilizan materiales compuestos en la fabricación de sus chasises, esto debido a la gran resistencia que presentan dichos materiales, los cuales comúnmente se juntan con el aluminio para darle mayor resistencia al impacto como para formar una estructura con características tanto dúctiles como frágiles. El presente proyecto tiene como objetivo evaluar las propiedades mecánicas de los materiales basados en un componente metálico (aluminio) reforzado con material compuesto (fibra de carbono) con distintas superficies (fibra de carbono y fibra de vidrio), utilizando adhesivos industriales para formar una estructura, con la cual se pretende evaluar la posible sustitución del acero como material utilizado en la fabricación del chasís de los vehículos comerciales de carga, así como tomarlo en cuenta para utilizarse en cualquier otra aplicación automotriz. Ésta estructura tendrá la ventaja competitiva de reducir el peso total del vehículo y permitirá al usuario reducir los costos de consumo de combustible aumentando su eficiencia, incrementando también las capacidades de carga durante el transporte. Para validar la factibilidad del nuevo prototipo se realizarán pruebas a los distintos materiales que estarán interactuando con el nuevo chasís reforzado, tanto individualmente como en estructura, contemplando diferentes diseños que permitan cumplir con las propiedades mecánicas estructurales mismas de un chasís utilizado en la actualidad. Para realizar dichas pruebas se utilizó aleación extruida de aluminio 6061, al cual se le llevo a cabo un tratamiento térmico T6, la cual fue ensayada a tensión individualmente. Las muestras tanto deformadas como no deformadas fueron objeto de ensayos de microdureza Vickers y se le realizo un estudio metalográfico para identificar lo que está generando los cambios en la dureza del material debido a la deformación. Para reforzar al material metálico, se utilizo como material compuesto la fibra de carbono, la cual se obtuvo por el método de pultrusión, esto para formar un perfil estructural de alta resistencia, el cual formará parte de la estructura tipo “sándwich” junto con la aleación de aluminio. Se obtuvo el material compuesto con dos distintas superficies, una con fibra de carbono y otra con fibra de vidrio para comparar la adhesión de ambas superficies con la aleación de aluminio, además de analizar la diferencia de resistencia debido a la diferencia de material. Se realizo un ensayo de adhesión a traslape, utilizando una probeta de aluminio con una de material compuesto y se ensayo axialmente para determinar la resistencia del adhesivo y conocer la compatibilidad del adhesivo con las diferentes superficies. Los ensayos se realizaron a 2, 5 y 12 días de curado para conocer la resistencia que presenta el adhesivo a diferentes tiempos de curado y determinar el tiempo de curado mínimo necesario para obtener una resistencia suficiente para ser utilizado estructuralmente. El material compuesto también fue objeto de pruebas de tensión utilizando diferentes orientaciones, 0° y 45°, para determinar cuál es la orientación adecuada para obtener los resultados óptimos. Utilizando la orientación adecuada, se elaboraron estructuras tipo “sándwich” como probeta de tensión y como probeta para evaluar el comportamiento de la estructura perforada, esto debido a que entre los principales puntos críticos se encuentran tanto las zonas centrales de los largueros, como las perforaciones para atornillar los distintos elementos del vehículo al chasís.

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