DISEÑO, ANÁLISIS Y FABRICACIÓN DE UNA MANETA DE FRENADO MULTIFUNCIONAL CON FIBRA DE CARBONO RECICLADA

Abstract

El presente Trabajo Fin de Grado se centra en el diseño, análisis y fabricación de una maneta de frenado multifuncional de material compuesto que utiliza como refuerzo fibra de carbono reciclada, validando mediante diferentes análisis tanto el método de reciclaje, como las propiedades de los diferentes materiales reciclados obtenidos y de los compuestos fabricados con estos. Este trabajo contribuye a solventar la problemática actual con la cantidad de deshechos de fibra de carbono producidos por las distintas industrias, fomentando el desarrollo para la ingeniería de materiales y la sostenibilidad industrial. Para alcanzar el principal objetivo de este trabajo, que es la fabricación de una maneta de frenado funcional fabricada mediante el uso de fibra de carbono reciclada, se plantean distintos objetivos parciales, como la caracterización de distintos tipos de fibra reciclada, el diseño y simulación de una maneta de frenado, diseño y fabricación de un molde funcional impreso en 3D mediante el uso del software Autodesk Fusion, fabricación de la maneta reciclada y la evaluación de su comportamiento para verificar el posible uso real. Primero, se realizó una caracterización de distintos tipos de fibra de carbono reciclada, en función de su procedencia a partir de preimpregnados de fibra de carbono de resina epoxi curados o sin curar. Se realizó un proceso de reciclaje mecánico con diferentes tratamientos complementarios como tratamientos químicos y térmicos. Resultó que sin prelavado de acetona las fibras de preimpregnados sin curar no podían ser recicladas mecánicamente mientras que las fibras de preimpregnados curados no tenía efecto, al contrario que con el tratamiento térmico. Tras todos los distintos análisis efectuados (SEM, TGA, DMTA, caracterización termoeléctrica) se determinó que el material reciclado que mejores propiedades ofrecía para la fabricación de una maneta sería el preimpregnado sin curar. Este tipo de fibra obtiene solo un 7,62% de resina residual tras el reciclado sin la aplicación de un tratamiento térmico y muestra composites de hasta un 46% de refuerzo. El compuesto de resina DGEBA/TETA reforzada con este tipo de fibra presenta un módulo elástico de 5244 ± 103 MPa y una capacidad para calentarse a 149,5 ± 0,35 ºC con 5 V. Posteriormente, se modeló una maneta de frenado con un diseño funcional y comprobado mediante unas simulaciones de elementos finitos. Tras refinar el diseño y comprobar su comportamiento se obtuvieron unas tensiones máximas de Von Mises de 94,107 MPa y un desplazamiento de 9,55 mm. Para la fabricación de la pieza se barajaron distintas opciones para el diseño de moldes y se optó por un molde tripartido fabricado mediante impresión 3D SLA con la resina Formlabs High Temp V2. Este diseño demostró ser muy adecuado al tener biseles para mejorar la separación, holgura interna para el excedente de resina y por proporcionar una pieza final precisa con la geometría y dimensiones deseadas. La fabricación de la maneta con preimpregnado no curado reciclado y resina epoxi DGEBA/TETA se realizó mediante molde abierto con una bolsa de vacío y un curado en horno. La maneta obtenida se evaluó frente a una carga estática superior a 3 kg y frente a una carga de 9 kg sin mostrar deformación o signos de desgaste (superior al esfuerzo realizado en una frenada de emergencia). Además, mostró la capacidad de calentamiento por efecto Joule alcanzando una temperatura media de 50 ºC con 5 V en poco más de dos minutos. En conclusión, este trabajo ha demostrado la viabilidad del uso de reciclados de fibra de carbono para la fabricación de componentes cumpliendo con los objetivos propuestos. Además, el presente Trabajo de Fin de Grado está alineado con varios Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) al promover la innovación industrial (ODS 9), la producción y el consumo responsables (ODS 12) y contribuir en el futuro de ciudades y comunidades sostenibles (ODS 11).