Revision as of 18:12, 17 July 2024

Abstract:

In the current context of transitioning towards a circular economy and the digital age, the design of products based on composite materials requires a rethinking of decision-making processes. It is necessary to incorporate methodologies that include sustainability concepts, from selecting materials that can be revalorized to designing a product so that segregation at the end of its useful life is as simple as possible, always ensuring the technical, functional, and safety requirements of the products. This presents a complex scenario that will be elaborated on in the following sections:

1. Selección de material

Hasta hace poco y aún hoy en día, la elección del material a utilizar en una pieza se ha basado mayormente en dos variables: por una parte, en el cuaderno de especificaciones del componente y, por otra parte, en el precio del material. La integración de criterios basados en análisis de ciclo de vida (ACV, detallado en el capítulo xx) para el uso de materiales con menor impacto ambiental será clave para aumentar la circularidad en el proceso de diseño de componentes basados en composites.

El uso de materiales más sostenibles incluye tanto matrices como refuerzos reciclados (Cap. Xx) y biobasados (Cap. Xx). También es necesario evitar el uso de sustancias tóxicas y peligrosas, teniendo en cuenta aquellas en las que su uso esté en proceso de ser restringido, dado que serán un problema para cuando el producto llegue a su final de vida. En cada caso y aplicación se debe valorar la posibilidad de utilizar uno u otro material, teniendo en cuenta los aspectos comentados anteriormente, pero también la disponibilidad de materiales.

Las fibras recicladas, por ejemplo, se encuentran mayormente en forma de fibra corta en la actualidad, por lo que aplicaciones que requieran refuerzos continuos tendrán que buscar alternativas más sostenibles en las resinas utilizadas. Otro factor a tener en cuenta es la variabilidad que presentan los materiales reciclados, por lo que, su uso tendrá que ir acompañado de estrategias de modificación de las formulaciones de material, así como de monitorización y control durante el proceso de fabricación.

La reciclabilidad, es decir, tener en cuenta el final de vida del producto durante la concepción del mismo, es un factor indispensable en la actualidad. Es necesario integrar diferentes conceptos que faciliten el reciclaje del producto a final de vida, como la minimización del uso de diferentes materiales, priorizando conceptos monomaterial a ser posible. Acciones encaminadas a este objetivo serían la funcionalización de materiales, para que un mismo material pueda aportar más funciones al producto, o funcionalizar el diseño, para reducir el número de piezas.

2. Proceso de producción

La etapa de producción presenta altos impactos ambientales debido a los consumos energéticos de los procesos y los residuos generados en los mismos. Desde el punto de vista del diseño hay menos áreas de actuación para minimizar estos impactos, sin embargo, hay aspectos que se pueden considerar. Por una parte, diseñar los procesos para conseguir un producto con un conformado próximo a la forma final o near net shape, reduciendo así el número de etapas en la producción, incluyendo los procesos de ensamblado. Por otra parte, hay que intentar diseñar procesos más eficientes, es decir, de menor consumo energético y menor producción de emisiones y residuos. En este último caso, los scraps producidos pueden reutilizarse de forma continua reintroduciéndolos en el proceso, práctica ya bastante extendida por ejemplo en el moldeo por inyección.

3. Diseño de componente

Las decisiones tomadas en las etapas tempranas del diseño y desarrollo de un producto tienen que estar orientadas a minimizar el impacto ambiental a lo largo de su ciclo de vida y fundamentalmente deben de tener en cuenta:

Mejorar el concepto del producto: Repensar la función del producto y ofrecer soluciones innovadoras. Agrupar funciones y reducir la necesidad de postprocesados.

Desmaterialización: Sustituir el producto físico por una alternativa digital. Avanzar en la precisión de las simulaciones (Proceso, estructural o función).

Optimización del uso de materiales sin perjudicar a la calidad del producto, utilizando, en la medida de lo posible, materiales de bajo impacto ambiental. La utilización de herramientas de optimización topológica nos ayuda a optimizar la forma y la estructura del producto para reducir el consumo de material y energía.

Incrementar la vida útil del producto: Diseñar productos duraderos, reparables y actualizables, utilizando herramientas de predicción de vida.

Optimización al final de la vida útil: Facilitar la reutilización, el reciclaje y la valorización de los componentes del producto.

Diseño modular: Promover diseño de componentes modulares de fácil desmontaje y reensamblado, donde la separación de materiales para su correcto tratamiento sea sencilla.

Esta mejora se puede abordar por una parte desde el diseño clásico, básicamente apoyándose en la experiencia del diseñador. Por otra parte, existen las metodologías avanzadas, en las que se va a centrar este apartado.

El desarrollo de producto digital se puede definir como un método computacional integrador que tiene como objetivo diseñar nuevos materiales, productos o estructuras que cumplan criterios de rendimiento específicos y nos permita reducir su impacto ambiental, además de los costos asociados.

Figura 1: Metodología de diseño de producto. Fuente: Leartiker

Esta metodología esta divida en las siguientes fases:

Diseño conceptual: Optimización topológica.

Diseño integrativo del componente.

Caracterización de material.

Simulación de proceso.

Simulación estructural y de función.

Diseño de los utillajes.

3.1. Optimización topológica

Es una metodología que lleva implantada desde hace años, pero que requiere de mayor recorrido para desarrollarse. Apoyado en la inteligencia artificial, puede contribuir a la reducción del impacto ambiental, disminución de la incertidumbre y de los márgenes de seguridad en la concepción del diseño.

La optimización topológica nos permite explorar e identificar la distribución de material óptima dentro de un espacio de diseño definido, teniendo en cuenta las cargas, restricciones aplicadas y procesos de fabricación. Su implementación en el ámbito de los composites ofrece una serie de ventajas significativas.

Reducción de peso: Eliminando material en zonas de baja tensión y redistribuyéndolo en zonas de alta tensión, hasta alcanzar la solución óptima que cumpla con los criterios establecidos, sin aminorar el rendimiento y mejorando su eficiencia estructural. Al reducir la cantidad de material, reduce los costes y minimiza el impacto ambiental asociado a la producción.

Mayor libertad de diseño: Ofreciendo la capacidad para generar formas complejas y orgánicas.

La combinación de este método con el conocimiento experto en materiales y fabricación, permite a los ingenieros analizar la configuración resultante y exportar el modelo para su posterior análisis estructural y fabricación.

3.2. Diseño integrativo.

En el ámbito del desarrollo de productos con materiales compuestos, la simulación computacional para crear un gemelo digital se ha convertido en una herramienta indispensable para evaluar su comportamiento antes de la fabricación. Ha abierto la puerta al uso de materiales composites en aplicaciones históricamente exclusivas para materiales metálicos. Una alta correlación en las simulaciones, es decir, una estrecha similitud entre los resultados de la simulación y el comportamiento real del producto, ofrece una serie de beneficios específicos para este tipo de materiales y la reducción de su impacto ambiental:

Disminución en la Fabricación de Prototipos y Uso de Materiales: La necesidad de construir prototipos físicos se reduce considerablemente, lo que genera un ahorro significativo en costos de materiales, mano de obra y tiempo. Se minimiza el desperdicio de material compuesto, que suele ser costoso y difícil de reciclar, contribuyendo a la sostenibilidad del proceso.

Reducción del Tiempo de Desarrollo: La detección temprana de errores y problemas de diseño reduce la necesidad de rediseños y modificaciones posteriores, optimizando el tiempo de desarrollo.

Mayor Precisión en la Predicción de Propiedades: Las simulaciones pueden predecir con mayor precisión las propiedades mecánicas, térmicas y otras propiedades del producto final, como la resistencia, la rigidez y la resistencia a la fatiga, proporcionando información crucial para el diseño.

Los componentes poliméricos exigen una evaluación precisa de su vida útil para garantizar su seguridad, confiabilidad y rendimiento a lo largo del tiempo, buscando alargar la vida útil del producto. Debido a la complejidad de estos materiales, con diferentes estructuras moleculares, aditivos y propiedades, se requiere un conocimiento profundo de su comportamiento para una predicción precisa. La predicción de la vida útil siempre implica un cierto grado de incertidumbre, por lo que es necesario realizar una validación constante de los modelos y pruebas de comparación de los resultados con datos de productos en uso real.

La realización de estas pruebas constituye largos tiempos de ensayo, por lo que es cada vez más importante el desarrollo de metodologías aceleradas basadas en técnicas de Machine Learning, que nos ayudan a realizar ensayos en tiempos más cortos y sostenibles desde el punto de vista de consumo energético.

Optimización de la Fabricación: La simulación de proceso puede ayudar a optimizar los procesos de fabricación de composites, como la laminación, el moldeo por inyección y el curado, mediante la identificación y corrección de problemas potenciales. Se pueden predecir y prevenir defectos como la formación de vacíos, la delaminación y las distorsiones, mejorando la calidad del producto final. La simulación puede ayudar también a optimizar el diseño de utillajes específicos para composites antes de su fabricación, reduciendo costos y tiempo de producción. Se pueden identificar y corregir problemas potenciales en la fase de diseño, evitando la necesidad de modificar o rehacer utillajes, mejorando la eficiencia del proceso.

La reducción del tiempo de desarrollo, la disminución de prototipos, el uso eficiente de materiales y la optimización de la fabricación son solo algunos de los aspectos que la convierten en una herramienta indispensable en la industria de composites actual, permitiendo un desarrollo de productos más eficientes, competitivos y sostenibles, impulsando la innovación y el crecimiento del sector.

4. Reducción del impacto durante el uso

Un objetivo importante en la fase de diseño es intentar extender la funcionalidad del producto en el tiempo, tanto a nivel técnico como estético, para evitar lo posible un reemplazo de este.

Para ello, como se ha comentado en la sección anterior, se debe contar con metodologías avanzadas para diseñar productos con mayor durabilidad y fiabilidad durante su vida útil. Además de esto, otro aspecto importante es la integración de elementos de monitorización del producto, que permitan controlar el estado del producto a través de la adquisición de datos en tiempo real. De esta forma, se pueden identificar estados o defectos previos a un daño irreversible, lo que permite reparar el defecto y reemplazar piezas específicas del producto.

Al mismo tiempo, el producto deberá ser diseñado para facilitar dicha reparación, incluyendo conceptos de modularidad y fácil desensamblado. Por una parte, las estructuras modulares proporcionan la posibilidad de reemplazar solo la parte del producto que haya sido dañada. Un ejemplo de esto son las baterías de los coches eléctricos, donde cada vez es más frecuente encontrar diseños modulares, para que, en caso de daño de alguna celda, no haya que reemplazar las baterías completas.

Por otra parte, pensar en el desensamblado durante la etapa de diseño posibilita el facilitar el acceso a las diferentes piezas que necesiten ser reparadas o reemplazadas. Una consideración importante pensando en la etapa de uso del producto es, que las uniones a través de fijación mecánica son la opción más sencilla de desensamblado, por lo que será la opción preferente en los casos en los que se prevea la necesidad de un desensamblado frecuente para reparación, revisión o mantenimiento.

Por otra parte, es favorable también hacer diseños estándar de piezas auxiliares de fabricación u otro tipo de útiles de unión que simplifiquen la búsqueda de reemplazos.

5. Consideraciones de fin de vida en el diseño

Una vez que el ciclo de vida del producto ha llegado a su fin, las decisiones tomadas durante la fase de diseño son críticas para que se pueda llevar a cabo una gestión adecuada del residuo, con el objetivo de valorizar la mayor parte de este.

La primera opción a priorizar es el reúso del producto, para la misma finalidad para la que fue creado, o para un producto que responda a otras funcionalidades. Para ello habrá que diseñar el producto para alargar su vida útil más allá de un solo ciclo de vida, intentando que no pierda características técnicas en la medida de los posible. En estos casos, será necesario en la mayoría de los casos llevar a cabo procesos para recuperar una estética o un cambio de funcionalidad, para reutilizar el producto.

En caso de no poder ser reutilizado, la opción más deseada es la revalorización de los materiales y componentes que constituyen el producto. Para favorecer esta vía, hay varios aspectos que se pueden considerar durante el diseño relativos al desensamblado y al tipo de unión en caso de materiales disimilares:

Como se apuntaba en la sección anterior, la facilidad de desensamblado posibilitará la extracción de las diferentes piezas con facilidad, haciendo este proceso más económico y eficiente, por tanto, favoreciendo su revalorización. También en este caso, las uniones a través de fijación mecánica será la opción más sencilla para separar componentes de materiales disimilares.

El uso de adhesivos químicos con reacción química irreversible puede ser necesaria en ciertos casos debido a su gran poder adhesivo y resistencia a otros factores como la temperatura, pero presentan un problema para el desensamblado y para la revalorización de los materiales en su fin de vida. Por lo tanto, hay que ponderar la idoneidad de su uso en cada caso.

Hay otro tipo de adhesivos que incorporan partículas que pueden expandirse con la temperatura, lo que permite un despegado aplicando un proceso de temperatura controlada. Es una tecnología innovadora que está siendo estudiada actualmente y presenta un potencial para uniones multimaterial.

Existe la posibilidad de promover las uniones a través del proceso en combinación con tratamiento superficiales, lo que evita el uso de adhesivos. En este caso hay una variedad de tratamientos dependiendo de los materiales utilizados, como tratamientos de texturizado láser, de plasma o tratamientos químicos. Una vez tratado el sustrato, se promueve la adhesión a través del proceso, utilizando técnicas como el sobremoldeo o la compresión.

Una vez ponderados los procesos de unión y desensamblado de los mismos, la elección de los materiales durante la etapa de concepción del producto será clave para la revalorización, por lo que se deberán elegir materiales reciclables en la medida de los posible, priorizando flujos de material en los que actualmente existan canales de reciclaje. También el uso de materiales compostables en los casos en los que sea posible y tenga sentido, posibilita la valorización de estos residuos en compost.

Cuando las opciones de reúso, revalorización y compostaje no sean posibles, se encaminará el residuo a incineración con recuperación de energía. En caso de que cualquiera de las opciones mencionadas no fuera posible, los residuos serán depositados en vertedero. Sin embargo, es necesario evitar esta opción siempre que sea posible, dado que es el final de vida menos deseable desde el punto de vista de sostenibilidad.

6. Marcaje de productos e integración de datos para pasaporte digital

Incluir el marcaje de productos puede promover y facilitar el reúso y revalorización de estos. Actualmente existen infinidad de materiales compuestos y combinaciones de estos con otros composites o metales, que complican mucho el proceso de revalorización.

Integrar un marcaje de productos y un proceso de adquisición de datos a través del mismo durante la etapa del diseño contribuiría a la sostenibilidad del producto a través de la recopilación de datos del producto, desde el origen del material, tipo, información del proceso utilizado para su manufactura, incluyendo métodos de unión, instrucciones de desensamblado, tiempo de uso, información sobre el mantenimiento y reparaciones llevadas a cabo, terminando con las opciones de final de vida para el mismo. Toda esta información incrementaría el potencial del producto para ser reutilizado o revalorizado.

Existen opciones de marcaje como por ejemplo la identificación por radiofrecuencia (RFID por sus siglas en inglés), donde se capturan datos de productos en forma automática y efectiva, utilizando la radiofrecuencia para la identificación de objetos a distancia. Lo más adecuado sería implantar un sistema estandarizado para la adquisición y almacenaje de datos.

Hay que tener en cuenta también que la legislación a nivel europeo pretende implantar el Pasaporte Digital de Producto en los años venideros, por lo que facilitar la captura de datos de los productos será de vital importancia.

7. Conceptos logísticos en el diseño

En el proceso de diseño también se tendrá en cuenta conceptos logísticos como el almacenaje. Por ejemplo, en el caso de piezas voluminosas se tendrá en cuenta que puedan ser apilables, para optimizar el espacio utilizado para almacenaje. La ergonomía de los productos para su manipulación puede también tenerse en cuenta.

Otras decisiones de diseño afectarán también a la logística de piezas intermedias, que deben ser almacenadas antes de su ensamblaje. El hecho de diseñar una pieza con procesos near net shape que eviten pasos de ensamblado, o sustituir piezas de diferentes materiales por una única pieza monomaterial, evitará necesidades de almacenaje y hará los procesos de producción más eficientes y sostenibles.

8. Ejemplo llevado a cabo en Leartiker

A continuación, se presenta un ejemplo de ecodiseño llevada a cabo en Leartiker, con un rediseño de la pieza metálica original. Se muestra el proceso de ecodiseño llevado a cabo apoyados en herramientas digitales, para conseguir una pieza más ligera que incorporara diferentes piezas de materiales de origen disimilar en un monomaterial, evitando un ensamblaje intermedio además de la aplicación de un coating.

Figura 2: Proceso de ecodiseño. Fuente: Leartiker