Áreas de conocimiento

• Materiales Inteligentes
  En el área de los materiales inteligentes (smart materials) se plantea el desarrollo y caracterización de materiales funcionales cuya capacidad reside en la captación de las variaciones del entorno y responder a las mismas, modificando alguna de sus propiedades.
• Procesos Inteligentes
  La capacitación en conocimientos en el área de los procesos inteligentes (IPM) está orientada a la transformación de materiales mediante el control en tiempo real del binomio estructura-propiedades. Para ello se ha de abordar el desarrollo e integración de todos los elementos que comprenden un proceso inteligente de fabricación en lazo cerrado y por tanto capaz de auto-diagnóstico y toma de decisiones sobre los parámetros del proceso.
• Estructuras/funciones/productos inteligentes
  El objetivo de esta línea de actuación es adquirir la capacidad de diseñar y construir estructuras que respondan de manera inteligente y predecible ante estímulos exteriores, con el objeto de aumentar la seguridad y la ergonomía, mejorar el comportamiento y alargar la vida útil de la estructura. Entre las posibles mejoras a analizar se encuentran: 1) Reducción de ruido y vibraciones, 2) mejora del comportamiento a impacto, 3) mejora del comportamiento a fatiga.

Proyectos

• Materiales inteligentes. Development and characterisation of active multimaterials for impact performance improvement

Responsible: Dr. J. Aurrekoetxea (jaurrekoetxea@eps.mondragon.edu)
La importancia de la seguridad activa y pasiva de los automóviles es cada vez mayor debido a la creciente demanda social de seguridad. La magnitud fundamental que determina la importancia de la seguridad viene dada por el coste en vidas humanas imputables a los accidentes. La creciente movilidad se paga muy caro por cuanto todos los años cabe lamentar 1.300.000 accidentes en la Unión Europea, con un saldo de más de 40.000 víctimas mortales y 1.700.000 heridos. El coste directo o indirecto de esta tragedia se ha evaluado en 160.000 millones de euros, lo que representa el 2 % del producto nacional bruto de la Unión Europea. El objetivo del presente proyecto consiste en desarrollar y caracterizar multimateriales activos para mejorar la seguridad ante impacto de componentes de plástico. El proyecto se centra más en desarrollar conceptos de multimateriales activos ante impacto que en el desarrollo de prototipos con visos de ser industrializados.
El uso de plásticos estructurales no-activos no permite adaptarse a todas las especificaciones que deben cumplir los componentes, por ejemplo el comportamiento requerido será diferente si se trata de un impacto con otro coche o si se trata del atropello de un peatón. La aportación de los materiales activos será doble; por una parte mejorarán el comportamiento a impacto de la estructura y por otra permitirá sensorizar los componentes. La mejora del comportamiento a impacto se producirá mediante:1) el diseño de la función de la estructura con un comportamiento activo (variación de la rigidez en función de la energía de impacto,...), 2) el aumento de la energía absorbida, 3) el desarrollo de materiales con mayor tolerancia al daño. Mientras que la sensorización del componente permitirá: 1) identificar el tipo de impacto (información explotable por otros sistemas de seguridad), 2) el diagnóstico del nivel de daño tras sufrir un impacto.
El material estructural de base al que se le incorporará los materiales activos será un termoplástico. La mejora del comportamiento a impacto se obtendrá mediante el uso de aleaciones con memoria de forma (SMA) cuya transformación será inducida por tensión. Para la sensorización del componente se plantea utilizar dos tipos de materiales poliméricos; los conductores permitirán generar una señal eléctrica condicionada por el tipo de impacto (energía de impacto, localizado/generalizado,...) que podrá ser explotada por otros sistemas de seguridad (airbag, ...), mientras que el nivel de daño del componente tras el impacto se monitorizará por el cambio de color del polímero piezocrómico. Trabajar con multimateriales adaptativos implica a diversos campos científico-técnicos, por lo que para la realización de este proyecto se ha creado un equipo multidisciplinar. El proyecto consta de tres subproyectos, la integración del SMA en el plástico y la caracterización a impacto de los materiales correrá a cargo de Mondragon Goi Eskola Politeknikoa, el desarrollo de los polímeros piezocrómicos será realizado por CIDETEC, mientras que la evaluación del sensor basado en polímeros conductores para la identificación del tipo de impacto correrá a cargo de IKERLAN. Además, debido al empleo de SMAs, se cuenta con un convenio de colaboración con el Grupo de Investigación en Metalurgia Física de la UPV/EHU.

• Materiales inteligentes. Magnetorheologic fluids

Responsible: Dr. M. Bouali (mbouali@eps.mondragon.edu)
Las actividades de investigación de este proyecto, se basan en tareas de experimentación, de análisis teórico y de simulación numérica. Los ensayos experimentales permitirán por un lado, obtener los datos de las variables más significativas para alimentar los programas de simulación, y por otro lado, relacionar los parámetros de proceso con los resultados del mismo en términos de optimizar la tecnología. Por lo cual de las actividades previstas para cumplir los objetivos de este proyecto, son:
1. DESARROLLO Y PUESTA A PUNTO DE LOS METODOS DE CARACTERIZACIÓN: En esta actividad se realizará un manual de obtención de fluidos inteligentes (fluidos MR, ER y ferrofluidos), para un posterior desarrollo de los mismos experimentalmente. En el manual se detallarán todos los pasos a seguir durante la fase experimental, así como todos los elementos utilizados (partículas, fluido portador, aditivos, etc.), sus porcentajes másicos y volumétricos, el material de laboratorio científico, y su procedimiento experimental. Con tal fin, se pretende realizará una guía para su posterior uso interno en futuras investigaciones relacionadas con fluidos inteligentes. Posteriormente, se tratará de obtener y construir algunos fluidos inteligentes compatibles con la aplicación seleccionada.. Para ello, se contara con todo el material científico disponible en el laboratorio de materiales de la Escuela Politécnica de Mondragón, así como del manual realizado. A su vez, se va estudiar experimentalmente la influencia de la concentración de las partículas, el tipo del fluido portador, la repulsión estérica producida por el surfactante, etc, con el fin de identificar los parámetros relevantes en la mejora del comportamiento reologico del fluido frente a excitaciones externas. Desde el punto de las posibles aplicaciones es de suma importancia la parte experimental para la caracterización de las propiedades de los fluidos MR. Para ello se va elaborar una base de datos lo más amplia posible con las propiedades de los fluidos inteligentes. Para cada fluido, la caracterización debe ser completa, es decir, se deben determinar; Esfuerzo de deformación máximo, Campo aplicado máximo, Viscosidad sin/con campo, Rango de temperaturas, Estabilidad, Tiempo de respuesta, Densidad, Material de las partículas, Tamaño de las partículas, Fluido portador (propiedades termofisicas), Medio de excitación, Tensión superficial, Coeficiente de dilatación térmica y másica, Coeficiente de compresibilidad.
2. ANÁLISIS TEÓRICO: Esta actividad es de vital importancia, para formular relaciones sabiendo que la interdependencia de todas las propiedades descritas es compleja. Así, se va analizar analíticamente problemas relacionados con la sedimentación de las partículas debidas al efecto de la gravedad, migración de las partículas debidas a campos no uniformes o/y debido a otros gradientes como puede ser el efecto térmico, y la atracción entre las partículas, así como, el efecto hidrodinámico sobre la repartición de las partículas en ausencia de campos externos. Los conocimientos adquiridos a lo largo de este análisis y los resultados obtenidos nos ayudarían al menos a establecer una metodología para optimizar el desempeño de estos fluidos para aplicaciones concretas.
 3. SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL FLUIDO: Para la modelización y simulación numérica se utilizará el código de Fluent 6.1 basado en la técnica de los Elementos Finitos (EF). La razón de utilizar este programa radica en el hecho que este código utiliza sus propios algoritmos con la posibilidad de acoplar diferentes módulos suplementarios como modulo magnetohidrodinámica.

• Procesos Inteligentes. On-line Control of Drawing and Blanking Processes and of Quality of the Product by Fusion of Sensors and Artificial Vision Techniques

Responsible: Dr. C. García (cgarcia@eps.mondragon.edu)
Los procesos de conformado y, en particular, las operaciones de corte o punzonado y de embutición profunda constituyen, de forma inherente, tecnologías de fabricación muy inestables. Por una parte, un `pequeño cambio en los parámetros de producción o en la calidad del material es normalmente suficiente para sacar al procesos de su condición de estabilidad y producir piezas defectuosas. Por otra parte, cuando se produce una rotura de herramienta o un desgaste excesivo, las piezas resultantes son también defectuosas. Esta situación es especialmente difícil de detectar cuando se producen piezas pequeñas, frecuentemente en series largas con equipamiento de alta velocidad y altas cadencias. Como resultado, la producción de defectivo continua hasta que se detecta, en el mejor de los casos, gracias al control estadístico, lo que permite parar la máquina, aunque el lote de fabricación no pueda ya ser considerado como bueno.
El principal objetivo de este proyecto es desarrollar un sistema de control inteligente desatendido, incorporado en el conjunto prensa – troquel de manera que asegure cero-defectos en empresas de estampación dedicadas a fabricar piezas pequeñas (de dimensiones del orden del milímetro y centímetro). El fin es conseguir un diagnóstico continuo del estado del proceso, y un control completo de la calidad de la producción y del estado de los bienes de producción (máquinas y troqueles).
Para la detección de defectos y anomalías on-line se contemplan dos métodos complementarios: empleo de tecnologías basadas en la monitorización de esfuerzos y señales de Emisión Acústica (EA), lo que implica captadores montados en el conjunto prensa – troquel, así como la electrónica para la monitorización del proceso, y un sistema basado en Visión Artificial (VA), formado por un conjunto de cámaras y sistemas de procesado de imagen.
La información de ambos sistemas se analiza por un sistema de control instalado en un PC, que, gracias al empleo de herramientas de Inteligencia Artificial (IA) detecta lo que sucede y decide qué cambios deben implementarse en el troquel, la máquina o el proceso para evitar la aparición de defectos.

• Estructura Inteligente. Smart Impact Energy Absortion in Automation by Hybrid Structures

Responsible: Dra. I. Urrutibeascoa (iurrutibeascoa@eps.mondragon.edu) , Dr. G. Castillo (gcastillo@eps.mondragon.edu)
La importancia de la seguridad activa y pasiva de los automóviles es cada vez mayor debido a la creciente demanda social de seguridad; esta importancia se ve reflejada en el obligado cumplimiento de la normativa europea sobre impacto, que hace del diseño a efectos de impacto una de las claves competitivas para las empresas del sector de Componentes de Automoción. Así mismo, las directivas europeas exigen progresivamente una disminución de las emisiones de CO2.; en el caso del automóvil esta reducción requiere de una disminución de masa; la reducción de masa es aún más acuciante si tenemos en cuenta que las necesidades en cuanto a seguridad y confort llevan a la fabricación de coches cada vez más pesados. Por ello, la necesidad de reducción de masa sin comprometer la seguridad del vehículo obliga a la búsqueda de nuevas soluciones innovadoras.
Las estructuras híbridas metal-polímero permiten la obtención de importantes reducciones de peso. El material metálico proporciona la parte principal de la rigidez requerida y la sobre-inyección de plástico la forma final de la pieza, amén de facilitar la integración de funciones que no sería económica sin este sistema. Por tanto, los nuevos desarrollos en estructuras híbridas van encaminados a:
-La reducción de peso mediante la optimización de las estructuras metálicas (reducción de espesores, formas estructuralmente más adaptadas a la solicitación). Para ello es necesario dar un mayor papel estructural al polímero.
-El diseño de la estructura híbrida de forma que la absorción de energía sea progresiva y adaptada al tipo de impacto.
En ambos casos, la utilización de aleaciones con memoria de forma (SMA: Shape Memory Alloys) puede permitir mejorar el comportamiento estructural de la parte polimérica (y por ende, de la estructura híbrida) y diseñar el comportamiento a impacto de la estructura híbrida. Por ello, el objetivo de este proyecto consiste en comprobar la viabilidad de estructuras híbridas metal-plástico con aleaciones de memoria de forma (SMA) que varíen su comportamiento mecánico (rigidez) a fin de absorber la energía del impacto de forma progresiva, permitiendo asegurar la seguridad y comodidad de los ocupantes del vehículo ante choques de distintas energías. Para ello, será necesario la consecución de dos objetivos parciales asociados uno a cada uno de los subproyectos:
1.- Desarrollo de una metodología de caracterización a impacto de materiales y estructuras para la modelización y simulación de su comportamiento en servicio (MGEP)
2.- Adaptación / desarrollo de procesos de conformado e integración de componentes, adaptados a la realización de estructuras híbridas (LABEIN).
El aspecto novedoso y relevante de los objetivos de este proyecto consiste en mejorar el comportamiento a impacto de las estructuras híbridas plástico/metal así como su reducción de peso, mediante la integración de materiales activos, lo que se traducirá en una mejora de la seguridad de los usuarios y una reducción de la polución.

• Control activo vibratorio y acústico de estructuras.

Responsible: Dr. J. M. Abete (jmabete@eps.mondragon.edu)
Las vibraciones y el ruido de transmisión estructural constituyen uno de los problemas fundamentales cuando se quiere mejorar el confort en los medios de transporte, o aumentar la vida útil de elementos y componentes o cuando se pretende reducir las vibraciones en procesos en máquinas herramientas para mejorar la calidad de los acabados. La resolución del problema del la transmisión de vibraciones estructurales se puede abordar en los elementos de conexión o controlando las fuentes. Si se pretende controlar el ruido de transmisión estructural entonces es necesario controlar también las fuentes secundarias. El problema de la transmisión en uniones se plantea como un compromiso entre rigidez estructural y capacidad de filtrado de vibraciones. Por su parte el control estructural de las fuentes de ruido secundarias trata normalmente con elementos vibrantes de gran superficie. Tradicionalmente se ha atacado añadiendo a los paneles que conforman las estructuras un material amortiguante en capa libre o forzada. Más modernamente los paneles de tipo metálico se sustituyen por paneles de composite por su mejor relación rigidez/peso. En ambos casos se presentan una serie de inconvenientes: 1) Poca capacidad de control a bajas frecuencias, 2) difícil diseño para controlar ruidos tonales, 3) nula capacidad de adaptación a condiciones cambiantes, 4) sensibilidad a los cambios de temperatura.
Una forma de mejorar las prestaciones de los materiales piezocerámicos monolíticos consiste utilizarlos embebidos en una matriz para formar composites controlables. Este tipo de soluciones se han ensayado utilizando matrices viscoelásticas o fibras con matriz polimérica. Además de añadir la resistencia del material base, la flexibilidad de la matriz polimérica permite la confortabilidad en las superficies curvas y proporciona una coraza de protección alrededor del material piezoeléctrico. El control activo estructural acústico es en definitiva un control de vibraciones adaptado para una finalidad de reducción de ruido. Se pretende reducir aquellas partes del espectro vibratorio responsable en mayor medida de la radiación acústica. En función de los objetivos deseados, existen dos tipos de técnicas diferentes para controlar la respuesta de un sistema: lazo cerrado o feedback y lazo abierto o feedforward; aunque es posible también combinarlas. En el caso de lazo cerrado pueden existir dos propósitos diferentes de control que pueden ser: amortiguamiento activo o realimentación basada en el modelo. En nuestro caso estamos interesados en la técnica de amortiguamiento activo. Dentro del amortiguamiento activo al amortiguamiento modal es la técnica que permite una selección mejor del rango de frecuencias de interés. En este tema el objetivo es desarrollar un demostrador bidimensional con control vibroacústico. El desarrollo del panel compuesto con materiales inteligentes embebidos que se propone aumentará el confort y la seguridad gracias a su:
Capacidad de adaptación a excitaciones cambiantes.
Mejora del rendimiento a baja frecuencia.
Capacidad de control de fuentes tonales.
Estabilidad de la respuesta ante cambios de temperatura.
Capacidad de autodiagnóstico en condiciones de servicio.
Reducción de probabilidad de sucesión de fallo catastrófico estructural inesperado Realización de inspecciones de mantenimiento rápidas y eficientes

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