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Fabricación aditiva como técnica para reparación de carriles

El desembolso en infraestructura ferroviaria es un importante gasto, cercano a los 40.000 millones de euros anuales en la Unión Europea, donde el gasto en mantenimiento representa en torno a una cuarta parte. En cuanto al coste de construcción por kilómetro, un 40 % se corresponde con el coste de carriles. Por tanto, mejorar el ciclo de vida de los carriles se traduce directamente en un gran ahorro económico y energético.

Se están realizando investigaciones orientadas a prolongar la vida de carriles ferroviarios y tranviarios sometidos a condiciones de uso no convencionales. Una línea de trabajo se basa en trasladar la reparación por fabricación aditiva a carriles instalados en entornos urbanos o bajo muy altas exigencias de circulación.

Degradación de carriles

 

El transporte por ferrocarril es uno de los medios de transporte más sostenible ya que consumen menos energía, necesita menos espacio y produce menos cantidades de CO2 que cualquier otro medio de transporte. En Europa el coste estimado del mantenimiento del sistema ferroviario formado por los vehículos y por la infraestructura es superior a 10.000 millones de euros todos los años, repartidos por unos 300 responsables de infraestructuras, operadores ferroviarios y operadores integrados. En la imagen siguiente se muestran dos defectos que por tamaño no se clasificarían como de reparación urgente, pero que entrañan un riesgo, ya que no se conoce a priori su velocidad de crecimiento

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Imagen 1. Defectos en vía. Fuente: Proyecto LIFERAIL

La degradación de la infraestructura depende de las condiciones de operación de la flota de vehículos, del estado de los mismos y del propio estado de la vía. Es por esto que la degradación no tiene por qué ser lineal. Asignar un tiempo fijo entre inspecciones supone aceptar posibles situaciones de riesgo, como rupturas de componentes y/o descarrilamientos, o gastos innecesarios.

Como se muestra en la imagen 2, dentro del mantenimiento de la infraestructura ferroviaria, uno de los costes más importantes es la sustitución del carril por daños en la superficie de rodadura como pueden ser:

  • Aumento de la conicidad equivalente por desgaste en la cabeza del carril
  • Fatiga de contacto por rodadura
  • Fisuras y hundimientos locales de la superficie de rodadura
  • Desgastes ondulatorios
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Imagen 2. Tipos de fallo, tiempos de reparación y frecuencia de los mismos. Fuente: proyecto LIFERAIL

Ante la presencia de estos tipos de fallo, los procedimientos de mantenimiento de infraestructura ferroviaria establecen el amolado del carril para la recuperación de la forma original hasta un límite, superado el cual, es necesario la sustitución del carril. Por ejemplo, la falta de 9 mm en el lateral de la cabeza del carril supone la eliminación del tramo completo del carril. Esto conlleva los siguientes costes:

  • Logística de almacenamiento de carriles
  • Logística de traslado de carriles
  • Soldadura de nuevo carril con cupones adyacentes
  • Corte de la sección degradada
  • Sustitución del carril
  • Parada de servicio, en su caso

Conocer de forma cuándo se alcanzarán los niveles de alerta (AL) permite realizar una adecuada gestión del mantenimiento antes de alcanzar los niveles de intervención (IL), evitando así las indisponibilidades que generaría un límite de acción inmediata (LAL). En general, un 40 % del coste de la construcción de un kilómetro de vía ferroviaria corresponde al coste del carril. Por lo tanto, prolongar la vida útil de los carriles se traduce directamente en un gran ahorro económico.

Los tranvías presentan dos dificultades adicionales. En primer lugar, los carriles de tranvía se colocan sobre una estructura soporte embebida en la calzada, por lo que la sustitución de los carriles deteriorados es más compleja. Además, las franjas de tiempo para mantenimiento sobre las vías son muy cortos y normalmente en horario nocturno. Esto hace que el coste de las operaciones de mantenimiento sea muy alto. Se estima que los costes de sustituir un metro ce carril se sitúan en torno a los 3.500 €, según datos de la red ferroviaria del Reino Unido.

En segundo lugar, el carril de tranvía tiene un perfil con garganta (ver imagen 3). La inscripción de los bogies del vehículo en curvas de radio muy cerrado produce un contacto entre la contra-pestaña de la rueda y la garganta del carril, circunstancia que no se produce en otros tipos de material rodante. Como consecuencia de ello, la degradación de los carriles y si proceso de reparación es diferente.

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Imagen 3. Descripción de los perfiles de rueda – carril empleados en tranvía. Fuente: proyecto LIFERAIL

Técnicas de reparación de carriles

 

En la actualidad, cuando se detecta un defecto puntual (huellas de patinazos, soldadura aluminotérmica deprimida, etc., …) en un carril se suelen emplear las siguientes técnicas de reparación:

  1. Amolar la zona con el defecto y recargar material mediante soldadura al arco eléctrico
  2. Sustituir la zona dañada por un nuevo tramo de carril (cupón). El nuevo cupón se une al carril existente mediante dos soldaduras aluminotérmicas en sus extremos.
  3. Utilizar soldadura aluminotérmica local, en la que se elimina solo la zona del defecto mediante amolado y se usa un molde ajustado a las dimensiones de la zona a reparar (imagen 4). Este tipo de reparación se lleva realizando en Francia desde 2015 pero no ha sido aprobada en España hasta la fecha.
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Imagen 4. Reparación con soldadura aluminotérmica local. Fuente: proyecto LIFERAIL

Empleo de la fabricación aditiva

 

Existe una tecnología de fabricación aditiva (FA), llamada LMD o DED-láser, con potencial de producir unas reparaciones de mayor calidad que las que se consiguen con las técnicas descritas anteriormente. La tecnología DED-láser consiste en fundir un polvo metálico que es impulsado por un gas inerte mediante un láser (imagen 5). El material fundido se va depositando capa a capa sobre un sustrato, en este caso, el carril. La comunidad científica ha avanzado en el desarrollo de la tecnología DED-láser y se ha demostrado recientemente su viabilidad para la reparación de carriles a través de ensayos en entorno controlado en laboratorio.

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Imagen 5. Esquema del proceso DED-láser de fabricación aditiva. Fuente: proyecto LIFERAIL

No obstante, la tecnología DED-láser presenta las siguientes dificultes y desafíos a la hora de ser utilizada para la reparación de carriles:

  • Utilizar materiales de bajo coste y propiedades adecuadas, ya que la mayoría de los materiales utilizados hasta la fecha con tecnología DED-láser tienen un precio elevado
  • Realizar reparaciones en geometrías más complejas. La mayoría de los estudios se realizan en placas planas o añaden material a carriles con su forma original, sin eliminar material por amolado.
  • Realizar ensayos de validación en condiciones más cercanas a la realidad, como un banco de ensayos rueda – carril a escala real
  • Integrar la tecnología DED-láser en un proceso completo de reparación que incluya medición del defecto, amolado inicial, calentamiento del carril a la temperatura indicada por la normativa de soldadura, control de altura del material depositado, amolado de acabado y control de geometría del carril

Conclusiones

 

Como resultado final de la investigación para la implantación de esta tecnología para reparación de carriles se espera conseguir alargar el tiempo en que es necesario sustituir los carriles, reduciendo el impacto medioambiental en su fabricación. Los carriles retirados tras agotar su vida útil remanente (VUR) podrán emplearse para la generación de material para la reparación, contribuyendo a la economía circular. La reducción de costes en el mantenimiento mejorará la cantidad de recursos económicos disponibles que podrán ser empleados para otros aspectos del sistema ferroviario.

 

Autor:  Raúl Parra Hermida.Docente en el Máster en Construcción, Mantenimiento y Explotación de Metros, Tranvías y Ferrocarriles. Módulos III y VII.

 

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