Dr. Halvar Schmidt, Instituto Fraunhofer de durabilidad estructural y fiabilidad de los sistemas (LBF)

Ventajas importantes de la construcción ligera de estructuras adhesivas complejas destinadas a la producción de vehículos

Entrevista: Dr. Halvar Schmidt, ganador del Premio HBM 2014

Durante el cuarto Simposio sobre Durabilidad Estructural de Darmstadt' (SoSDiD), Dr. Halvar Schmidt, científico del Instituto Fraunhofer de durabilidad estructural y fiabilidad de los sistemas (LBF), fue galardonado con el Premio HBM por su trabajo "Análisis de la resistencia a las vibraciones de uniones estructurales adhesivas sometidas a cargas con amplitudes variables".

El aspecto más destacado del procedimiento de cálculo desarrollado por el Dr. Halvar Schmidt es la posibilidad de diseñar estructuras adhesivas complejas destinadas a la producción de automóviles, explotando las ventajas de una construcción más ligera. En una entrevista nos explica todas las ventajas que promete este procedimiento y lo que supone para el desarrollo de automóviles.

Usted ha desarrollado un procedimiento de cálculo que permite reducir el peso de las estructuras adhesivas complejas empleadas en la producción de vehículos. ¿Cuáles son las principales ventajas de este proceso?

Sin duda, una de las grandes ventajas es que el procedimiento está orientado a la aplicación, tanto en lo que respecta a la determinación experimental de parámetros como al análisis por ordenador de la resistencia a la fatiga. El procedimiento tiene en cuenta las muestras y cargas consideradas (ver las figuras 1 y 2), así como las limitaciones del propio proceso de cálculo. Por ejemplo, los cálculos de elasticidad puramente lineales tienen tiempos de computación cortos, su escalabilidad está garantizada y proporcionan resultados tangibles con rapidez.

También se ha podido demostrar experimentalmente que existe un gran potencial para las estructuras ligeras con uniones adhesivas, si se tiene en cuenta la variación aleatoria de las cargas reales (ver la figura 3). 

Fig. 1: Muestra similar a un componente real (componente real a la izquierda, modelo CAD con piezas de montaje a la derecha)
Fig. 2: Espectro de carga utilizado, "CARLOS vertical, modificado"

¿Qué relevancia concreta tienen los resultados de su investigación para los desarrolladores de automóviles? ¿Podría acelerar el desarrollo de métodos innovadores de producción de chasis?

Este trabajo de investigación no va a suponer una revolución para el sector del automóvil. Es más, la tecnología adhesiva aún está en pañales en lo que se refiere a durabilidad. Estos resultados contribuyen a mejorar la evaluación de las uniones adhesivas como elemento de estructuras compuestas, en términos de resistencia a las vibraciones, con el fin de aprovechar todo su potencial. Por ejemplo, un análisis por ordenador más fiable evita sobredimensionamiento de estructuras, reduce el peso innecesario y ahorra costes de prototipos.

En las evaluaciones preliminares con chapa metálica delgada soldada se identificaron criterios de rotura y métodos de detección temprana de fisuras, de forma conjunta con las pruebas. Se utilizaron galgas extensométricas y análisis de tensiones termoelásticas para analizar la rigidez y las tensiones cíclicas. ¿Qué ventajas presentan las galgas extensométricas? ¿Por qué decidió utilizar galgas extensométricas de HBM?

En general, la ventaja de las galgas extensométricas es su capacidad para medir de forma fiable y con alta sensibilidad deformaciones locales en una zona que se puede definir con precisión. Cuando se detectan fisuras incipientes, se puede responder a cambios minúsculos (en este caso, deformaciones superficiales derivadas de los cambios en la tensión como consecuencia de la formación y el progreso de las fisuras) en la zona de la unión. Elegimos las galgas extensométricas de HBM porque hemos tenido una experiencia excelente con ellas en el pasado en lo que respecta a su aplicación, fiabilidad y precisión de medida. Además, existía una amplia gama de galgas extensométricas idóneas para nuestros fines (ver la figura 4).

Fig. 4: Galga extensométrica aplicada a una muestra con soldadura por puntos
Medición con galga extensométrica en una muestra con soldadura por puntos
Aplicación de una galga extensométrica a una muestra con unión adhesiva

Las mejoras en el análisis por ordenador de la resistencia a la fatiga pueden favorecer el desarrollo de construcciones ligeras y un uso mayor de estructuras adhesivas en la producción de vehículos. Usted utiliza el software nCode GlyphWorks, entre otros. ¿Qué opina de las prestaciones de esta solución de software?

En primer lugar, se trata de un software muy fácil de utilizar. Además de la interfaz de control, incluye opciones de procesamiento adicional de datos y adaptaciones a requisitos específicos, algo especialmente importante cunado se desarrollan o amplían métodos de cálculo. Los conceptos y métodos que ya se han puesto en práctica, junto con nCode DesignLife, también son muy amplios y ofrecen una diversidad de usos prácticos igual de extensa.

Fig. 5: nCode GlyphWorks de HBM
Fig. 6: nCode DesignLife de HBM

Su trabajo ha demostrado que, para obtener resultados válidos, es preciso caracterizar de forma distinta la fase de inicio de una fisura y la fase de progresión, a la hora de aplicar un análisis de resistencia a la fatiga basado en la fractura mecánica de un componente. ¿Cree que las redes de sensores de fibra óptica pueden ser útiles en este sentidod?

Como ocurre con frecuencia, eso depende de la aplicación concreta. No obstante, en general se trata de una tecnología muy prometedora para evaluar con más precisión la vida útil y, sobre todo, el comportamiento de rotura de componentes o estructuras. Los conocimientos en este campo suelen ser insuficientes a pesar de la importancia vital de las redes de sensores de fibra óptica para la generación de la información básica para el diseño por ordenador, por ejemplo. La posibilidad de integrar redes de sensores de fibra óptica en plásticos reforzados con fibra, cuyo uso es cada vez más frecuente en la actualidad, o en entornos de alta tensión (en el campo de la electromovilidad, por ejemplo) ofrece algunas opciones prometedoras.

Fig. 7: Fibra monomodo OptiMet OMF de HBM

¿Podría darnos una idea de lo que será su futuro trabajo de investigación?

A pesar de que se ha trabajado mucho, aún queda un largo camino por recorrer en el campo de la resistencia de las uniones, sobre todo de las adhesivas, para conocerlas a fondo. Hay ámbitos en los que aún quedan lagunas de conocimiento en lo que respecta a las uniones adhesivas: por ejemplo, el análisis computacional de resistencia a la fatiga de estructuras adhesivas sometidas a cargas multiaxiales o cuestiones como la resistencia a las vibraciones de las uniones adhesivas estructurales. En estos campos todavía se puede profundizar en el nivel de conocimiento. Por ejemplo, el Laboratorio Fraunhofer de durabilidad, en Darmstadt, Alemania, está llevando a cabo ensayos en este sentido con capas de adhesivo graduadas con adhesivos de doble curado recientemente desarrollados para plásticos.

Lo que sí puedo decir es que, en el futuro, mi interés personal pasa por el tema más general de la durabilidad en vehículos completos.

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