Composite materials for the railway sector

M. Ordóñez^a, X. Valor^b, C.Eraso^b, M. Seco^c, I. Echevarria^c, E. Bellvert^d, R. Guzmán de Villoria^a

^a FIDAMC, Fundación para la Investigación, Desarrollo y Aplicación de los Materiales Compuestos, Avda. Rita Levi-Montalcini 29, 28906 Getafe, Madrid, España

^bAernnova Composites, Portal de Gamarra, 40, 01013 - Vitoria-Gasteiz, Álava, España

^cTecnalia, Parque Tecnológico de San Sebastián, Mikeletegi Pasealekua, 7, 20009 Donostia-San Sebastián, España

^dTecnalia, Parque Tecnológico de San Sebastián, Mikeletegi Pasealekua, 2, 20009 Donostia-San Sebastián, España

Nuevos materiales compuestos para el sector ferroviario

Historia del artículo: Recibido 6 de Junio 2019 En la versión revisada 15 de Junio 2019 Aceptado 5 de Julio 2019 Accesible online 15 de Enero 2020	Las propiedades intrínsecas de los materiales compuestos hacen que su uso sea especialmente atractivo para distintas industrias, especialmente en el sector del transporte, donde la reducción de peso y la consiguiente reducción del consumo de energía son factores clave. El principal problema al implementar el uso de los materiales compuestos dentro del sector ferroviario es que cada componente y ensamblaje en el tren completo debe cumplir con los requisitos de llama, humo y toxicidad (FST) descritos en la norma EN 45545-2. En la actualidad, hay muy pocas resinas que cumplan con esta regulación, debido en gran medida a la reciente entrada en vigor de la normativa (2013) y las resinas que logran cumplirla están altamente cargadas con aditivos para mejorar su comportamiento frente a fuego y humo, dificultando así el poder obtener buenos resultados de fabricación con ellas. Se realizará una selección preliminar de distintos materiales desarrollados para la industria ferroviaria. Además, será necesario abordar un estudio y caracterización de las diferentes opciones para encontrar la mejor opción posible de acuerdo con las distintas posibles aplicaciones. Por tanto, los materiales se evaluarán en términos de procesabilidad, propiedades físico-químicas y mecánicas. Para los materiales preimpregnados se analizarán las propiedades obtenidas con distintos procesos de curado: Curado en estufa y autoclave (sólo como referencia comparativa). El objetivo es obtener una evaluación previa del material y comparar los distintos materiales entre sí.
Palabras clave: Ferrocarril Tren FST Fuego Preimpregnado

Composite materials for the railway sector

Keywords: Railway Train FST Fire Preimpregnated	The intrinsic properties of composite materials make their use especially attractive for different industries, especially in the transport sector, where the reduction of weight and the consequent reduction of energy consumption are key factors. The main problem to implement composite materials within the railway sector is that each component and assembly in the complete train needs to fulfil the Fire, Smoke and Toxicity (FST) requirements described in standard EN 45545-2. At present, there are very few resins that comply with this regulation, due to the recent incorporation of this normative which was approved in 2013 and the resins that manage to comply with it are highly doped that it is difficult to obtain good manufacturing results with them. A preliminary selection of the materials validated by the railway industry will be carried out. Moreover, it will be necessary to develop a study and characterization of the different options in order to find the best possible choice according to the different applications. This way, materials will be evaluated in terms of processability, physical-chemical and mechanical properties. For preimpregnated materials, the properties obtained with different curing processes will be analyzed: Oven Cure and Autoclave (only as a comparative reference). The objective is to get a preliminary evaluation and compare the different materials between each other.

1 Introducción

Hoy en día, el uso de materiales compuestos está ampliamente difundido en industrias como la aeroespacial, eólica, etc., pero aún no ha sido posible implementarlo en el sector ferroviario a pesar de las amplias ventajas que conllevaría su uso. Los requisitos de llama, humo y toxicidad (FST) para el sector ferroviario son los responsables de ello.

Los altos requerimientos de FST de la norma EN 45545-2 [1] hacen que las matrices deban estar altamente cargadas con aditivos para mejorar su comportamiento frente a fuego y humo. De este modo, el aumento de agentes externos para mejorar las propiedades contra el fuego produce un gran aumento en el término de la viscosidad de las matrices, dificultando así el procesado de la mismas y la correcta extracción de volátiles en los procesos de curado.

Dentro del proyecto PIVOT (Performance Improvement for Vehicles on Track) se llevará a cabo una selección preliminar de los posibles materiales disponibles para la industria ferroviaria. Este proyecto se ha podido realizar gracias a la financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el Grant Agreement No: 777629.

Además, será necesario desarrollar un estudio y caracterización de las diferentes opciones para encontrar la mejor opción posible de acuerdo con las diferentes aplicaciones. Algunos de los requisitos en función de las distintas posibles aplicaciones son los siguientes:

- Propiedades fisicoquímicas.

- Propiedades mecánicas

- Resistencia al fuego

- Atenuación de sonido

- Conductividad térmica / Aislamiento térmico.

Conocer en profundidad tanto las propiedades como la procesabilidad de estos materiales abriría una gran oportunidad para que el sector ferroviario mejore tanto el rendimiento de sus vehículos como la mejora de los procesos de fabricación utilizados para el desarrollo de los diferentes componentes.

2 Experimental

Se realizarán laminados planos tanto en estufa como en autoclave para establecer una comparativa entre ambos procesos en función de la naturaleza de las distintas matrices empledas. Se utilizarán también distintos tipos de refuerzo: fibra de vidrio y fibra de carbono.

2.1 Materiales

Se han seleccionado los materiales preimpregnados recogidos en la Tabla 1. El laminado de las capas se realiza mediante un proceso de moldeo manual (Hand Lay-Up, HLU). Se realizarán dos procesos de fabricación distintos para estos materiales: autoclave y curado en estufa/ fuera de autoclave.

Tabla 1: Materiales preimpregnados seleccionados para la evaluación preliminar de los mismos.

Designación	Fibra	Matrix	EN 45545	Resin weight (%)
Phenolic-Glass	Glass	Phenolic	HL3	35
Phenolic-Carbon	Carbon	Phenolic	HL3	48
Furan-Carbon	Carbon	Furan	HL3	40
Epoxy1-Glass	Glass	Epoxy¹⁾	HL2	38
Epoxy1-Carbon	Carbon	Epoxy¹⁾	HL2	48
Epoxy2-Carbon	Carbon	Epoxy	HL2	45
Semipreg1-Carbon	Carbon	Epoxy	HL2	48
Semipreg2-Carbon	Carbon	Epoxy	HL1	42
1) Matriz para autoclave

Se evaluarán materiales con tres tipos de matrices: resinas fenólicas, furánicas y epoxi. Las resinas fenólicas y furánicas son las únicas que cumplen con HL3, pero las propiedades mecánicas son menores que las de las resinas epoxi. En aplicaciones donde no se requiere una carga estructural alta, los materiales aprobados por HL3 evitarán el uso de cualquier barrera de protección adicional para cumplir con los requerimientos de fuego.

• Fenólico (Phenolic-Glass y Phenolic-Carbon). En general, las resinas fenólicas curan mediante una reacción de condensación en la que se genera agua. Son resinas difíciles de procesar, pero con excelentes propiedades FST.

Con respecto a los materiales auxiliares, las resinas fenólicas no pueden estar en contacto con materiales de poliamida, un polímero ampliamente presente en distintos materiales auxiliares, por lo que es necesario utilizar materiales auxiliares menos convencionales para el procesado de las mismas.

• Furánico (Furan-Carbon). Es un sistema de bio-resina derivado de la producción de caña de azúcar y otros productos orgánicos, por lo que es muy respetuoso con el medio ambiente. Su química es similar a la de las resinas fenólicas, por lo que son difíciles de procesar debido a la formacion de porosidad durante su proceso de curado.

• Epoxi (Epoxy1-Glass, Epoxy1-Carbon, Epoxy2-Carbon, Semipreg1-Carbon y Semipreg2-Carbon). Las resinas epoxi se usan ampliamente en aplicaciones de alto rendimiento debido a su alto rendimiento mecánico.

Para el sector ferroviario, estas resinas están altamente cargadas con aditivos para cumplir con los requisitos de FST, por lo que la viscosidad se incrementa, siendo realmente difícil de procesar y eliminar los volátiles mediante los métodos de curado convencionales.

Los materiales denominados “semipreg” son aquellos preimpregnados en los que la resina se encuentra en una única cara del laminado, realizándose una infusión en el eje Z (tambien denominado como infusión vertical) durante el proceso de curado.

2.2 Procesos de fabricación

Para todos los materiales, el proceso de fabricación puede dividirse en los siguientes pasos:

1- Limpieza y preparación de utillaje

2- Corte de telas y laminado manual

3- Bolsa de vacío

4- Curado

5- Post-curado (dependiendo de las indicaciones del suministrador)

6- Inspección visual

7- Análisis de microscopía óptica

En general, todos los paneles fueron fabricados siguiendo el esquema de bolsa representado en la Figura 1.

Figura 1: Esquema de bolsa convencional para materiales preimpregnados

Una vez que se comprueba la estanqueidad de la bolsa de vacío, se realiza el ciclo de curado con el método seleccionado (estufa o autoclave). Este ciclo de curado depende de los requerimientos proporcionados por el suministrador para cada material, que aparecen reflejados en la Tabla 2.

Tabla 2: Parámetros de fabricación utilizados para cada uno de los distintos materiales

		PARÁMETROS DE FABRICACIÓN
MATERIAL	PROCESO	Temp (ºC)	Tiempo (min)	Presión (bar)
Phenolic-Glass	Autoclave	135	75	4
	Estufa			-
Phenolic-Carbon	Autoclave	135	75	4
	Estufa			-
Furan-Carbon	Autoclave	130	60	6
	Estufa			-
Epoxy1-Glass	Autoclave	120	60	6.2
	Estufa			-
Epoxy1-Carbon	Autoclave	120	60	6.2
	Estufa			-
Epoxy2-Carbon	Autoclave	120	45	6
	Estufa			-
Semipreg1-Carbon	Autoclave	120	60	6
	Estufa			-
Semipreg2-Carbon	Autoclave	120	60	2.8
	Estufa			-

3 Caracterización

Se evaluarán los resultados obtenidos para los distintos materiales mediante un primer análisis de microscopía óptica, seguido de ensayos mecánicos de cortadura interlaminar (ILSS) e In Plane Shear Strength (IPSS).

3.1 Microscopía óptica

Se va a realizar un análisis microscópico de las muestras para realizar una inspección visual del volumen de huecos obtenido durante la fabricación de los paneles, así como la distribución de las cargas dispuestas sobre el material

Las muestras cuentan con una dimensión aproximada de 20x20mm2.

3.2 Ensayos mecánicos

En cuanto a los ensayos mecánicos, se realizarán los ensayos de IPSS e ILSS para evaluar la pérdida de propiedades al emplear realizar el curado fuera de autoclave.

3.2.1 Ensayo de cortadura en el plano, IPSS

Este ensayo determina el módulo y la resistencia a cortadura en el plano. Se trata de un ensayo de tracción donde las fibras se encuentran dispuestas a ±45. Las probetas serán ensayadas bajo la norma EN6031 [2], por lo que cuentan con una dimensión de 230x25 mm.

3.2.2 Ensayo de cortadura interlamiar, ILSS

Este ensayo determina la resistencia a cortadura interlaminar. Su interpretación es compleja, ya que no siempre corresponde a una resistencia interlaminar debido a la complejidad de las tensiones internas y a la multitud de modos de fallos existentes. Las probetas serán ensayadas bajo la norma EN2563 [3], por lo que cuentan con una dimensión de 20x10mm y 2 mm de espesor.

4 Resultados

4.1 Microscopía óptica

En cuanto a la caracterización morfológica de los laminados, las microscopías realizadas muestran principalmente el aumento de la porosidad cuando se procesan los materiales fuera de autoclave. Como ejemplo, se muestra la Figura 2, donde en la imagen de la izquierda (a) se representa un laminado donde el material se encuentra curado en autoclave y, en la imagen de la derecha (b), se puede observar cómo aumenta significativamente el término de la porosidad al curar el mismo material fuera de autoclave (en estufa).

Figura 2: a) Ejemplo de microscopía para laminado curado en autoclave b) Ejemplo de microscopía para laminado curado fuera de autoclave

Por otro lado, en la Figura 3 se observa cómo, para algunos materiales, los resultados de fabricación fuera de autoclave son mucho mejores, obteniendo probetas donde la porosidad es muy reducida. Además, pueden observarse esas cargas de la matriz que hacen que aumente la dificultad a la hora de trabajar con ellas, aumentando el término de la viscosidad de los mismos

Por lo general, los resultados morfológicos son mejores cuando se trata de laminados cuya matriz es epoxi, ya que los compuestos fenólicos y furánico cuentan con procesos de polimerización complejos.

Figure 3: Ejemplo de microscopía para laminado curado fuera de autoclave en la que se observan aditivos en la matriz

4.2 Ensayo de cortadura en el plano (IPSS) y de cortadura interlaminar (ILSS) y

Comparando las propiedades de todos los materiales ensayados, los resultados obtenidos con los materiales procesados por autoclave son superiores que los procesados por estufa. Hay una relación directa entre las propiedades de IPSS e ILSS y la presencia de porosidad, siendo estas mayor cuanto menor es la presencia de poros en el interior del material.

5 Conclusiones

Dentro del proyecto PIVOT (Performance Improvement for Vehicles on Track) se ha llevado a cabo un primer estudio de mercado y una selección preliminar de distintos materiales compuestos con el objetivo de lograr su implementación dentro del sector ferroviario.

La reciente entrada en vigor de la normativa EN 45545 [1] para el sector ferroviario genera que estos materiales estén en continuo desarrollo con el objetivo de conseguir una mejora en cuanto a la procesabilidad y propiedades obtenidas de los mismos.

A pesar de que los resultados obtenidos muestran un aumento de las propiedades obtenidas cuando se utiliza el autoclave para los ciclos de curado, el uso de este método de fabricación limita enormemente la posible aplicación de estos materiales por términos de coste.

De este modo, es necesario continuar con la optimización de los distintos materiales focalizando los esfuerzos en procesos de bajo coste tales como curados en estufa o ciclos de curado en prensa.

Agradecimientos

El proyecto PIVOT se enmarca dentro de la plataforma Shift2Rail, que es la primera iniciativa ferroviaria europea que busca soluciones de investigación e innovación enfocadas en la búsqueda de soluciones innovadoras para el sector ferroviario.

Este Proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el Grant Agreement No: 777629

Referencias

[1] CEN - EN 45545-2, Railway applications - Fire protection on railway vehicles - Part 2: Requirements for fire behaviour of materials and components (2013)

[2] CEN - EN 6031, Determinación de las propiedades de cizalla en el plano (ensayo de tracción ± 45º)

[3] CEN - EN 2563, Determinación de la resistencia aparente al cizallamiento interlaminar.