Aplicación de Nuevos materiales en el sector ferroviario

1. Nuevos materiales en el sector ferroviario

Si vamos a tomar una decisión de aplicar nuevos materiales en el sector ferroviario, parece lógico hacerse un par de preguntas: ¿de qué materiales están hechos los trenes? y ¿por qué debemos utilizar nuevos materiales?

Estructura Primaria

Estructura secundaria

2. Estructuras primarias y secundarias para los Nuevos materiales del sector ferroviario

Para ir ordenando conceptos, debemos distinguir en materiales que se utilizan en las “estructuras primarias” y los que se utilizan en las  “estructuras secundarias”. Las secundarias, para entenderlo de una manera sencilla, son aquellas que no tienen una gran responsabilidad estructural, por ejemplo, el interiorismo de los vagones, los faros, wc, etc.

Mientras que las primarias, son las que poseen más responsabilidad, como los bogíes, y las estructuras que conforman los vagones o coches.

A continuación, nos centraremos en las estructuras primarias, éstas en su origen, estaban basadas en acero roblonado y atornillado.

En aquellos tiempos iniciales del ferrocarril, no existía confianza en la tecnología de soldadura, fundamentalmente porque no había una madurez en el control de la calidad, ni procesos definidos, por lo que los productos resultantes estaban de alguna manera “incontrolados”. Esto dio lugar a vehículos pesados, velocidades reducidas, daños en vía etc.

– Cambio en la fabricación de los trenes

Para ilustrar, se vio la necesidad de realizar un cambio en la fabricación de los trenes, que se realizó por dos vías:

1.- El uso de acero soldado, lo que obligó a estudiar en profundidad esta tecnología, profundizando en su conocimiento, estandarizando, caracterizándolo y procedimentando su uso.

2.- También, el uso del aluminio y sus nuevos procesos de fabricación, abriendo adicionalmente otra línea crítica que es la soldadura de aluminio.

En resumen, del estado actual podemos decir que:

• Casi todas las estructuras de las locomotoras son de acero estructural. Perfiles o chapas mecano-soldados
• Casi todas las estructuras de coches de viajeros son de aluminio. Perfiles de extrusión soldados
• Adicional, todos los vagones de mercancías en acero
• Todos los bastidores de rodadura, en acero
• Por último, los procesos industriales están adaptados a la tirada, a los plazos y al mercado

Pero, si todo está “bajo control”, ¿por qué utilizar nuevos materiales?

En otras palabras, una de las razones es que dada la exigencia cada vez mayor del mercado en cuanto a optimización de operaciones y la reducción de costes, las estructuras primarias de acero y aluminio están cercanas a su límite en términos de ligereza, por esta razón, se está llegando a una “asíntota” en la que manteniendo estos materiales, no se están produciendo mejoras significativas.

En consecuencia, nos lleva a la decisión de incorporar nuevos materiales que exigirán nuevos conceptos de estructuras ligeras aprovechando al máximo las posibilidades de los nuevos materiales, incluida la integración de funciones.

3. Otros modos de transporte

Por ejemplo, atendiendo a otros modos de transporte, en el caso de la aviación, el principio de “si reduces peso, se reducen los costes de operación” es aplicable al sector ferroviario, por añadidura la reducción del peso implicaría:

• Mejoras el consumo energético.
• También la Reducción de emisiones a la atmosfera.
• Reducción del daño del tren a la infraestructura.
• Adicional el Incremento del “pay-Load” o el número de viajeros

– ¿En qué materiales se están pensando?

En cierto modo, pensamos en materiales donde la relación resistencia/ densidad sea la óptima para el objetivo de reducción de peso, respetando los requisitos que exige el sector ferroviario en otros temas técnicos.

Por consiguiente, si analizamos la gráfica densidad – resistencia mostrada en la figura vista anteriormente, se ve que los materiales compuestos (composites) parecen ser una solución óptima para valores bajos de densidad, peso, y valores altos de resistencia.

Gráfica de posicionamiento de materiales en función de la resistencia/densidad

 – Proyectos de Talgo

Como caso típico, en la compañía en la que me encuentro, Talgo, tenemos dos proyectos punteros de aplicación de esto tipos de materiales, basados fundamentalmente en fibra de carbono reforzado:

• 1^er proyecto: ( Fibra de carbono) Desarrollo de una estructura de coche ligera para trenes de alta velocidad en el que se ha optado por una solución de aluminio, sándwich con CFRP ( Carbon Fibre Reinforced Plastic) y CFRP monolítico, donde se están consiguiendo reducciones de peso del entorno de un 20%, cerca de 1 tonelada de reducción
• 2º proyecto  Desarrollo de un “rodal ligero” (lo equivalente a un bogie estándar en el concepto Talgo de rodadura) para alta velocidad, en el que se ha optado por una combinación de aceros de alta resistencia, titanio y CFRP, consiguiéndose una reducción de peso del 50%, unos 400 kg de reducción.

Lateral de caja en fibra de carbono

Rodal ligero fabricado en fibra de carbono

Actualmente se está en proceso de ensayos de validación en banco y en breve plazo, a fin de año, se comenzarán las pruebas integrando estos sistemas en un tren de pruebas.

4. Conclusión

En conclusión, el uso de Nuevos materiales abre un camino de desarrollo clave para la optimización de parámetros como ligereza, consumo energético, confort, reciclabilidad, dentro del sector ferroviario. nAdicional a esto,  las nuevas exigencias del mercado, materializadas en el desarrollo de normativas nos exigen que avancemos por este camino.

Autor: Emilio García, docente del Máster en Infraestructuras Ferroviarias, Director Innovacion en la compañía Talgo.

Bibliografía

[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] Network Rail (2017). Variable Usage Charge (VUC) guidance document. https://www.networkrail.co.uk/wp-content/uploads/2017/11/CP5-VUC-Guidance-document.pdf

[4] REFRESCO. Deliverable D9.2 Technical recommendations document.

[5] Michael F. Ashby (2004). Materials Selection in Mechanical Design. Butterworth-Heinemann.

[6] EUREKA project EU-1841 EUROBOGIE “Advanced Rail Suspension Using Fibre-Reinforced Plastics”, 1997-2003.