modelling

La investigación en rodamientos llega a la escala atómica

En el presente artículo, se presentan las cuatro principales líneas de investigación de SKF en las que se hace uso del modelado: el acero de rodamientos, los mecanismos de fatiga, el diseño con polímeros y la tribología.

Autor:
Sebastián Echeverri Restrepo, investigador, Centro de ingeniería e investigación de SKF (ERC), SKF B.V., Nieuwegein, Países Bajos

Otra industria Otros productos Investigación y teoría

Resumen

Durante los últimos años, SKF ha ampliado sus conocimientos mediante métodos de simulación a escala atómica, como DFT, DM y DPD, a fin de comprender el comportamiento de los materiales en sus productos. Esto ha permitido y seguirá permitiendo que SKF innove y aborde el progresivo incremento de los desafíos tecnológicos al asegurar que cada átomo se halle en el sitio que le corresponda.

Imaginemos que nos hiciéramos tan pequeños que pudiéramos sumergirnos en el interior de los materiales sólidos, ver la estructura de los átomos y comprobar su interacción, sus movimientos, cómo responden cuando se les aplica una fuerza externa, y ver los efectos de la temperatura externa sobre sus propiedades y estructura. Si esto fuera factible, podríamos seleccionar y procesar mejor los materiales usados en la fabricación de productos y máquinas, y hacer mejores diseños con ellos.

En el Centro de Ingeniería e Investigación (Engineering and Research Centre, ERC) de SKF en los Países Bajos, se realizan investigaciones con el objetivo de sumergirse casi en el interior de los materiales utilizados para fabricar los productos de SKF, a fin de comprender mejor su comportamiento. Esto permite a SKF responder a las preguntas de clientes y, lo que es más importante, desarrollar para sus productos nuevos materiales que incrementen la calidad, duración y otras propiedades específicas.

En la mayoría de los casos, el uso de métodos experimentales es suficiente para comprender cómo las limitaciones externas pueden afectar a los materiales de producción y encontrar soluciones preventivas y que las contrarresten.

No obstante, incluso empleando las más modernas técnicas experimentales, no siempre es posible alcanzar una comprensión suficiente del efecto que ciertos fenómenos pueden ejercer sobre los materiales. Asimismo, en algunos casos, como con un nuevo material o producto en fase de diseño, no siempre se optimiza el tiempo necesario o la rentabilidad si se está limitado al uso de herramientas de pruebas en laboratorio. Es por ello que los métodos informáticos son esenciales.

En lo que se refiere a las piezas mecánicas, p. ej., los rodamientos, la mayoría de las cuestiones de diseño se pueden resolver utilizando técnicas de simulación “a gran escala”, como el ampliamente utilizado método de los elementos finitos (MEF). No obstante, algunos aspectos especiales rebasan la capacidad de esa herramienta de modelado y exigen que se traten con métodos alternativos de simulación mesoscópica y microscópica.

Para obtener unos profundos conocimientos de los productos de SKF y poder abordar los problemas que surjan en determinadas escalas de tiempo y extensión, los científicos de SKF desarrollan constantemente sus conocimientos técnicos en el uso y la mejora de métodos de simulación multiescala. Esto significa que hay diferentes herramientas (imagínese lupas de diferente aumento) que pueden usarse para comprender fenómenos específicos que determinan el comportamiento de un material en las condiciones de una aplicación. Es por ello que los modelos empleados en SKF abarcan desde la mecánica cuántica hasta la de medios continuos (fig. 1).

Cuanto más se sumerge dentro del material, más potencia de cálculo y tiempo se necesita para realizar simulaciones. Por este motivo, en las instalaciones de SKF se utiliza un clúster de computadoras de alto rendimiento con 1 536 procesadores.

En la actualidad, hay cuatro líneas de investigación principales en las que se utilizan métodos de mesoescala y microescala.

El diseño con acero
La primera línea de investigación forma parte del proyecto “MultiHy” [1], una abreviación de Multiscale Modelling of Hydrogen Embrittlement (Modelización multiescala de fragilidad por absorción de hidrógeno). Este proyecto lo dirige un consorcio formado por varias entidades industriales y académicas europeas y está financiado por la Unión Europea. La motivación inicial de este proyecto es que hay una amplia evidencia experimental [2] que respalda la idea de que el hidrógeno disminuye la vida a fatiga de los rodamientos y aceros estructurales. Es un efecto que en lenguaje técnico se denomina fragilidad por absorción de hidrógeno. El principal interés de SKF por el proyecto MultiHy es poder predecir cómo se difunde el hidrógeno por los aceros de rodamientos y, aún más importante, descubrir cómo puede retenerse e inmovilizarse el hidrógeno disponible para neutralizar el impacto de la fragilidad por absorción de hidrógeno en la vida útil de los rodamientos.

Estas simulaciones de la movilidad del hidrógeno y sus efectos sobre la vida a fatiga complementan otra investigación en curso que aborda las distintas procedencias del hidrógeno, p. ej., de entornos húmedos, y de la posible degradación de los lubricantes.

Desde el punto de vista atomístico, las simulaciones se realizan utilizando un método de modelado de mecánica cuántica informatizada denominado teoría del funcional de la densidad (density functional theory, DFT), que normalmente se usa para investigar la estructura electrónica de sistemas multicuerpo (fig. 2). Más específicamente, se realizan simulaciones para evaluar las propiedades mecánicas y la influencia del hidrógeno en un nuevo acero de rodamientos experimental con contenido de vanadio (fig. 3), en el que pueda retenerse el hidrógeno para evitar la fragilidad [3]. Los resultados del proyecto MultiHy pueden contribuir en el desarrollo definitivo de este nuevo acero para que, finalmente, pueda tenerse en cuenta en aplicaciones en las que se precise resistencia al hidrógeno.

Mecanismos de fatiga
La segunda línea de investigación tiene como objetivo la descripción atómica de la microestructura de los aceros de rodamientos y su influencia en el comportamiento del material cuando está sometido a fatiga por contacto rodante.

En este proyecto, se utiliza el método de la dinámica molecular (DM) para estudiar el movimiento y la interacción entre sí de los átomos cuando se inicia una grieta y se propaga por el acero de rodamientos (fig. 4). Comprender este fenómeno permitirá a SKF encontrar medios para incrementar la vida útil y el rendimiento general de sus productos.

Diseño con polímeros
La tercera aplicación trata del estudio de materiales de caucho rellenado usados en la fabricación de sellos. El objetivo general es identificar y cuantificar los fenómenos físicos que tienen lugar a diferentes escalas y que influyen en el comportamiento tensión-deformación cuasiestático y dinámico del caucho rellenado. SKF realiza este proyecto en colaboración con científicos de la Universidad de Tsinghua, en China, y de la Universidad de Barcelona, en España.

En él, se emplea la dinámica de partículas disipativa (DPD), una herramienta de simulación mesoescala que permite el análisis de las propiedades dinámicas de fluidos y polímeros (fig. 5) a escalas que rebasan las que pueden abordarse con DM. Al emplear DPD, pueden considerarse plenamente los efectos de diversos factores, como la interacción entre las partículas de relleno y las cadenas de polímeros, y los cambios topológicos en la red de polímeros por el comportamiento mecánico estático y dinámico de materiales de sellado.

Tribología
La aplicación final está orientada al contacto lubricado entre dos superficies [4], como aquel que se produce entre un elemento rodante y un camino de rodadura en un rodamiento híbrido. El método usado para esta tarea también es el DM. El objetivo es explicar las diferencias fundamentales en fricción y desgaste entre acero/acero y acero/superficies cerámicas para mejorar el rendimiento de los rodamientos híbridos. Asimismo, pueden considerarse las reacciones químicas entre el lubricante y las superficies.

Por ahora, el modelado ha revelado que hay diferencias fundamentales entre los contactos de acero/acero y los híbridos en relación con la fricción y el desgaste. Más importante aún, los resultados han mostrado que los contactos híbridos presentan una fricción inferior a los contactos de acero/acero.

Referencias
[1] http://www.multihy.eu.
[2] R. A. Oriani, Annual Review of Materials Science 8, 327 (1978).
[3] B. Szost, R. Vegter, y P. Rivera-Díaz del Castillo, Materials & Design 43, 499 (2013).
[4] D. Savio, Nanoscale phenomena in lubrication: from atomistic simulations to their integration into continuous models, tesis doctoral, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Karlsruher Institut für Technologie (2013).

Fig. 1: Escalas de longitud de los diferentes métodos de simulación usados en SKF, es decir, la teoría del funcional de la densidad (DFT), dinámica molecular (DM), dinámica de partículas disipativa (DPD) y el método de los elementos finitos (MEF).Fig. 2. Estructura del carburo de vanadio (vanadium carbide, VC), que incluye cortes bidimensionales de la densidad de carga. Imagen producida con el software XCrySDen. Fig. 3: Átomos de hidrógeno presentes en el límite entre hierro y un precipitado compuesto de vanadio y carbono. Imagen producida con el software XCrySDen. Fig. 4. Detalle del frente de una grieta que se propaga en hierro. Los colores de los átomos representan la deformación atómica. Imagen producida con el software XCrySDen.Fig. 5. Modelo de muestra usado para la simulación de un polímero con el método de la dinámica de partículas disipativa (DPD). Las partículas de color azul marino representan el relleno, y las de color morado representan las cadenas de polímeros. Imagen producida con el software Ovito.

Contenido relacionado