LIGTHWEIGHT STRUCTURE OF HIGH SPEED TRAIN (TALGO) CARBODY. COMPOSITE IN RAILWAY ROLLING STOCK

1. INTRODUCCCION

1.1. Motivación

Conforme al reto planteado por la Comisión Europea, el ferrocarril (Columna vertebral del futuro transporte en europeo) demanda nuevos y diseños con componentes estructurales más ligeros capaces de compensar el incremento de masa que conlleva la incorporación de modernas tecnologías encaminadas a las mejoras de confort y experiencia de pasajero. Y, adicionalmente, con ello ser capaz de afrontar los nuevos retos medioambientales que actualmente demanda la sociedad: reducción de emisiones, reducción de consumos de energía, optimización del coste de ciclo de vida, circularidad del uso de materiales, etc.

El transporte ferroviario se sustenta en tres aspectos básicos que se deben mantener y han de ser potenciados [1]:

• Es verde y sostenible. El sector ferroviario es capaz de ofrecer reducciones drásticas de emisiones por diferentes vías: reducción continuada de emisiones, utilización de fuentes renovables de energía y atraer pasajeros de otros medios de transporte.

• Es asequible, cómodo y seguro. Es el modo de transporte terrestre más seguro con la menor incidencia de accidentes mortales (0.1 muertes por cada mil millones de pasajeros/km entre 2011 y 2015). En lo que juega un papel relevante marco normativo robusto focalizado en la seguridad: se valida y ensaya casi todo.

• Es diverso. Empresas y transportistas de mercancías, además de turistas y viajeros, se beneficiarán de una oferta cada vez más competitiva, y al mismo tiempo más sostenible.

En este marco, el aligeramiento de peso en los componentes principales del material rodante, tradicionalmente fabricados en metal y de gran tonelaje, juega un papel crucial, ya que, al conseguir reducciones significativas de peso:

• Se reduce el consumo energético. – La masa del tren es uno de los principales contribuyentes a la resistencia al avance (se estima que alcanza valores de hasta un 30%) a velocidad nominal. Para un tren AV de 30 años de vida útil puede estimarse un ahorro en torno mayor a 5 €/kg ahorrado.

• Se aumenta de capacidad y/o mejora la experiencia del pasajero. – La reducción de peso se traduce directamente en masa disponible para carga de pago (pasajeros o mercancía) y/o introducción de nuevos equipos para mejora de equipamiento de seguridad, confort, experiencia… traduciéndose en menores costes de operación (↓ €/pax/km) y/o aceptación del producto tren por parte de operadores y viajeros. Se estiman incrementos de capacidad del orden del 5-10% y/o un ahorro en torno a 50-100 €/kg ahorrado.

• Se reducen peajes de acceso a infraestructura. Donde se aplican estos peajes penalizan el posible daño causado a la infraestructura cuyo origen principal es la carga inducida a la misma, esto habitualmente se traduce en un canon de acceso a vía. Conforme al modelo británico se puede estimar reducción de coste de mantenimiento del orden de 6-12 €/kg ahorrado.

En este artículo se van a presentar un proyecto relacionado con el aligeramiento realizado por el Talgo, Aernnova, FIDAMC y Tecnalia, en el que se ha desarrollado una estructura de coches de pasajeros para un tren Talgo de Alta de Velocidad, compatible con la serie 102/112 de Renfe. En este proyecto se introducen materiales muy ligeros de altas prestaciones como es el compuesto reforzado con fibra de carbono (CFRP) hasta en un 70% de sus componentes, con el fin de conseguir reducciones de peso estimada en un 20%, frente al equivalente fabricado en aleaciones de aluminio convencionales.

Este proyecto se ha desarrollado dentro de la iniciativa europea Shift2Rail, específicamente parte del PIVOT2 (Performance Improvement for Vehicles On Track parte 1 y parte 2) desde el año 2017 hasta ahora (Grant Agreement no. 881807).

1.2. Retos

El principal desafío de todo esto es la introducción de nuevos materiales avanzados (como los materiales compuestos de alta resistencia) y procesos no convencionales para el entorno ferroviario cumpliendo, en lo posible, con la normativa vigente. Identificando aspectos clave del diseño con materiales compuestos, su integración con materiales convencionales como aleaciones soldables de aluminio, viabilidad de incorporación de “novedosos” procesos de fabricación, y fundamentalmente detectar las limitaciones actuales exigidas por los estándares de material rodante (tal como se reflejó en el proyecto europeo REFRESCO que permitan desarrollos seguros y confiables en materiales no convencionales. Como consecuencia resulta necesario un el desarrollo en paralelo de metodologías para diseñar, analizar, ensayar, fabricar y mantener. Para ello es necesario:

• Actualización de los procesos de ingeniería. Que dan lugar a tener que considerar otros modos de fallo, y modos de comportamiento de material. Lo que da lugar a nuevas metodologías de análisis, y que cobren relevancia aspectos de importancia menor con los materiales clásicos. En particular en el caso de uso de composites,

• Cumplimiento de la normativa vigente de fuego EN 45545 o

• Resistencia y tolerancia al daño por impacto de balasto.

• Diseño de interfases de alta responsabilidad en materiales disimilares.

• Actualización del marco regulatorio y procedimientos de homologación. -Las normativas vigentes son de aplicabilidad limitada ante diseños basados en materiales o procesos no clásicos, como resulta los composites. Ha dado lugar al lanzamiento de grupo normativo CEN TC256/WG54 para nuevos materiales.

• Adaptación de procesos de fabricación y Mantenimiento, que puedan atender las características particulares de los nuevos materiales.

2. DESARROLLO DEL PROYECTO

Este proyecto se ha llevado a cabo principalmente en 4 fases de desarrollo:

1. Una primera focalizada en caracterización y selección de materiales y procesos de fabricación

2. Un segunda donde se ha procedido a la adaptación del diseño.

3. Una tercera fase en la que ha llevado a cabo la fabricación de un demostrador escala 1:1

4. Y terminará con una cuarta fase en la que se someterá el demostrador a ensayos de validación similares a un producto ya industrializables.

Y tiene por objetivo cubrir el espacio existente entre la utilización de materiales ligeros de altas prestaciones a nivel conceptual en componente estructurales críticos (nivel de madurez TRL3) hasta alcanzar un nivel de validación inmediatamente anterior a su industrialización, alcanzando niveles de madurez tecnológica TRL7.

Figura 1 Nivel de madurez tecnológica

2.1. Caracterización y selección de materiales y proceso de fabricación.

Dentro del marco del programa Shift2Rail, en su proyecto PIVOT, se desarrolló un completo análisis de materiales (y sus procesos de fabricación) en el ámbito del material compuesto (MAT4Rail), que potencialmente pudieran ser de aplicabilidad al sector ferroviario, cumpliendo con las exigencias de este, en particular con el restrictivo estándar EN 45545 en materia de comportamiento ante fuego y humo.

Figura 2 Selección de Materiales

De este análisis se obtuvieron distintas conclusiones, entre las que se destacaban:

• Los sistemas carbon/epoxy preimpregnados son los únicos (a la fecha del estudio) que cumplían con los requerimientos de fuego y humos requeridos en el estándar EN 45545, manteniendo propiedades mecánicas aceptables para aplicaciones de alta responsabilidad. En particular establece una recomendación acerca de los algunos sistemas curado con temperatura y vacío fuera de autoclave (OoA) para laminado manual (HLU).

• Las estructuras con configuraciones de panel tipo sándwich, con los materiales adecuados, son capaces de superar los requerimientos de fuego y humo contemplados en el estándar EN 45545, por lo que son perfectamente viables su utilización en el sector ferroviario de la misma forma han venido usándose soluciones doble piel metálicas.

• además de los procesos de fabricación habituales en material compuesto, el desarrollo y madurez que están alcanzado los procesos de pultrusion los hacen candidatos interesantes para tener en cuenta para futuros desarrollos estructurales.

Con la premisa de estas conclusiones, el paso siguiente consistió en buscar un componente del material rodante con las características adecuadas (impacto en peso, y alta responsabilidad) que permitiera poner en practica lo evaluado en los análisis previos y obtener un potencial ahorro de peso significativo.

2.2. Diseño

Si bien el uso de materiales avanzados (ligeros y/o altas prestaciones), no es totalmente novedoso en el sector, su uso ha quedado tradicionalmente fuera de los componentes de alta responsabilidad como la rodadura, o limitado a prototipos. Únicamente en componentes de la estructura de los coches, como la del coche de pasajeros del Talgo, ha sido común el uso de aleaciones de aluminio en el ámbito de materiales ligeros. Las evaluaciones preliminares, con el uso de material compuesto, permiten establecer reducciones de peso en el entorno al 20% frente al diseño de referencia.

Dentro de los elementos que configuran el material rodante ferroviario, la estructura de los coches es el componente de mayor peso, y por tanto de mayor potencial de reducción de peso. Para este demostrador dentro de material rodante Talgo se selecciona como diseño de referencia el coche de pasajeros del tren de alta velocidad de la serie 102/112 de Renfe (o Talgo 350) que opera en España deshace más de 15 años y conceptualmente similar al de proyecto “Haramain” que opera en Arabia Saudita. Lo que nos permitirá establecer comparativas objetivas en base a la experiencia de fabricación y validación del componente.

Figura 3 Coche Pasajeros Talgo 350

Dentro de las distintas partes que se suelen distinguir para este tipo de coche, para este demostrador de se decide, por su mayor complejidad, mantener los denominados testeros (paneles de cierre del tubo principal de la estructura) en su fabricación y diseño convencional en aluminio (AW 6005A; AW 5083; AW 6082) soldado. Para la parte central (tubo) formada por laterales, techo y bastidor, se establece un nuevo diseño en material compuesto reforzado con fibra carbono (CFRP). El tubo incorpora además en las zonas interventana una serie de cuadernas de refuerzo también en CFRP, que se extienden a lo largo de laterales y techo.

Figura 4 Demostrador Caja Ligera.

Figura 5 dcha) Testero Aluminio; centro) Tubo (Techo, laterales y Bastidor) en CFRP, izqda.) Testero Aluminio

La estructura de este tipo de coches convencionalmente está concebida como un conjunto integral metálico en aleaciones aluminio soldado con la filosofía de carrocería autoportante, en la que la todas sus partes contribuyen como un todo a la resistencia del conjunto, por lo que al ser un componente híbrido ha resultado necesario la integración de ambas partes (Aluminio y CFRP) mediante una concepción robusta de los elementos de unión capaz de garantizar una adecuada transmisión de carga entre los distintos materiales y que el comportamiento del conjunto alcance una rigidez, al menos, equivalente a la estructura de referencia.

Par ello el diseño incorpora distintos herrajes (en aleación de aluminio) de interfase entre material compuesto y componentes de aluminio, que se unen mecánicamente mediante tornillería o remachado que permite además de conseguir de una unión suficientemente robusta, absorber las distintas tolerancias de fabricación. De esta forma tendríamos: marcos de puerta, herrajes de cierre de bastidor, angulares de interfase a laterales, angulares de interfase a techo, etc.

Figura 6 Herrajes de Interfase

2.3. Fabricación

La fabricación del Tubo en CFRP se realiza de forma modular, fabricando de forma independiente distintas partes:

• Techo. - como pieza única incorporando tanto áreas sándwich, como monolíticas, mediante laminado manual curado fuera de autoclave, mediante preimpregnados conformes con los requerimientos EN 45545, para este tipo de componente (HL2, R7).

• Laterales. - en dos (únicamente para prototipo) partes iguales que incorpora tanto áreas sándwich, como monolíticas, mediante laminado manual curado fuera de autoclave, mediante preimpregnados conformes con los requerimientos EN 45545, para este tipo de componente (HL2, R7). En las mismas se integran también las cuadernas interventana.

Figura 7 Modulo de Lateral

• Bastidor. - También como pieza única, se trata de un sándwich con pieles de preimpregnados y núcleo de espuma rígida, conformes con los requerimientos EN 45545, para este tipo de componente (HL2, R7). Se disponen distintas vigas de refuerzo transversal también en CFRP, así como vigas longitudinales en CFRP, integradas en la parte central en cada uno de los extremos en las que se integrara la unión articulada entre coches.

• Vigas longitudinales. - La integración del conjunto se completa con la inclusión de cuatro vigas longitudinales fabricadas mediante pultrusion, que cierran las “esquinas” superior e inferior del tubo.

Todos estos elementos se combinan mediante unión adhesivada y distintos refuerzos para integrar el tubo central que configura la estructura del coche de viajeros.

Figura 8 integración Tubo CFRP

Los cierres del tubo (testeros), se realizan mediante una fabricación convencional mediante conjuntos y/o subconjuntos soldados de aluminio (AW 6005A; AW 5083; AW 6082), que se fabrican independientemente y se integran sobre el tubo de CFRP previamente integrado. Esta integración implica la necesidad incorporar ciertas soldaduras, uniones mecánicas con herrajes de interfase, y sellado de holguras.

El conjunto final integrado da lugar a una estructura de caja de viajeros funcionalmente equivalente a la de referencia para los trenes Talgo tipo 350 de alta velocidad más ligera (de unos 3.2 ton frente a las 4.0 ton de las de estructura de referencia)

Figura 9 Caja Integrada

2.4. Validación

El proceso de validación del componente se realiza mediante un escalado piramidal típico, necesario cuando se cuenta con materiales con caracterización limitada de propiedades.

Figura 10 proceso de validación

Y el proceso arranca ya desde las primeras fases de proyecto con validaciones y caracterizaciones a nivel de probeta de los materiales (3 primeros escalones), en lo que se ha realizado entre otros:

• Nivel 1 – Propiedades Básicas Compuestos y Núcleos (Carbono/ Vidrio Semipreg, Carbono prepeg, sistema carbono-epoxi para pultrusion, núcleos espumas PET) y Adhesivos

• Nivel 2 – Detalles constructivos particulares en apilados concretos

• Nivel 3 –Subcomponentes críticos

En paralelo se realizan distintos test de verificacion de aspectos particulares del diseño y frabricacion:

• Caracterización acustica comparativa paneles de lateral CFRP vs Aluminio

• Verificación de requerimientos de fuego

• Verificación de parámetros críticos en interacción de proceso de fabricación híbrida (soldadura en áreas cercanas a material compuesto).

• Resistencia de materiales ante impacto de balasto.

Figura 11 Registro ensayos Impacto y comparativa acústica

Con el diseño definido, se procede a realizar análisis estructural mediante FEA, tanto de la parte fabricada en fibra de carbono, como de las partes metálicas. Para ello, se han tomado en consideración tanto escenarios derivados de cargas de servicio, como combinaciones de cargas excepcionales conforme al estándar ferroviario EN 12663 [5] habituales para el diseño de las cajas de viajeros convencionales. La definición de estos estados de carga ha sido adaptada y/ complementada, en su caso, con condiciones sensibles al material compuesto y a su hibridación con materiales metálicos (térmicos).

Figura 12 Modelo FEM y factores de seguridad

Para la verificación de las partes en material compuesto se “adaptan” los criterios de resistencia exigidos por normativa (que han sido definidos para soluciones metálicas), de forma que sean consistentes con el estado del arte para materiales compuestos. En este proyecto se adoptaron de forma sinérgica criterios habituales en el análisis composites: máxima deformación, energéticos (“Tsai-Wu”), y máxima tensión interlaminar, etc. Estos criterios se aplican al resultado obtenido mediante el FEM, para cada una de las laminas que configuran el laminado y se comparan contra el correspondiente admisible afectado de los correspondientes factores de seguridad.

La validación mediante test se realiza conforme al estándar habitual de homologación para este tipo de componentes EN 12663 [9]. El ensayo se realizará sobre el demostrador 1:1 fabricado, se llevará a cabo en Banco de Ensayos de Caja (BEC) que tiene Talgo en sus Instalaciones de Las Matas (Las Rozas), en Madrid preparadas para ensayo de las estructuras convencionales y sobre la base a los escenarios de cargas excepcionales. El procedimiento es análogo a lo exigido para la homologación convencional de cajas de viajeros.

Figura 13 dcha) BEC en instalaciones Talgo

Una vez realizado el ensayo de resistencia estructural, adicionalmente, se van a realizar distintas verificaciones funcionales que servirán como comparativa frente a la estructura convencional. Entre éstas se encuentra: a) Ensayos de evaluación de frecuencias naturales; b) verificación de conductividad de caja, c) comparativas vibro acústicas, etc.

3. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

Los trabajos desarrollados hasta el momento en el proyecto de Caja Ligera de AV de Talgo confirman la viabilidad de la utilización de materiales ligeros avanzados como los compuestos reforzados con fibra de carbono, en componentes de alta responsabilidad como la estructura de coches de viajeros. Estos materiales permiten sustanciales ahorros de peso, sin decaimiento de sus capacidades resistentes y funcionales, frente a las soluciones puramente metálicas, incluso en soluciones conceptualmente ligeras, como son los coches Talgo de Alta Velocidad.

Con el desarrollo de Caja Ligera, con materiales compuestos, se puede conseguir reducciones significativas de peso de hasta un 20% (unos 800 kg), manteniendo los requerimientos estructurales exigibles conforme a la normativa vigente. Su desarrollo ha sido posible con materiales que superan los exigentes requisitos del estándar EN 45545 [4] relativos a fuego, humo y toxicidad.

El proyecto se encuentra todavía en proceso de completar la fase de validación, para lo que está previsto la realización de ensayos de validación funcionales, frecuencias naturales y vibroacústico (confort), con lo que se alcanzaría una madurez de desarrollo de nivel TRL7, paso inmediato a la industrialización. En paralelo a nivel normativo se está trabajando en la publicación y adaptación de los estándares ferroviarios para sea factible la incorporación de estos materiales en los componentes de alta responsabilidad.

En cuanto a los trabajos futuros se está trabajando en ampliar las posibilidades en cuánto a procesos de fabricación cumpliendo los requisitos de fuego, pensando en procesos de mayor cadencia como infusión, RTM y otros procesos fuera de autoclave. Además, se está trabajando en nuevos materiales reprocesables, reparables y reciclables, ligeros, resistentes con bajos LCC y LCA, que permitan sentar las bases para una futura industrialización.

4. REFERENCIAS

[1] Comisión Europea (2021). Año Europeo del Ferrocarril. https://europa.eu/year-of-rail/why-rail_en

[2] UIC-IRRB (2015). A global vision for railway development. https://uic.org/IMG/pdf/global_vision_for_railway_development.pdf

[3] UNIFE. UNIFE Position Paper on Digitalisation of Railways. https://www.unife.org/wp-content/uploads/2021/03/UNIFE-POSITION-PAPER-ON-DIGITALISATION-OF-RAILWAYS.pdf

[4] UNE-EN 45545-2:2013+A1:2016 Aplicaciones ferroviarias. Protección contra el fuego de vehículos ferroviarios. Parte 2: Requisitos para el comportamiento frente al fuego de los materiales y componentes.

[5] UNE-EN 12663-1:2011+A1:2015 – “Railway applications. Structural requirements of railway vehicle bodies. Part 1: locomotives and passenger Rolling stock (and alternative method for freight wagons).”