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El rol de la tomografía en la industria: aplicaciones aeronáuticas y en el sector de la salud

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El rol de la tomografía en la industria: aplicaciones aeronáuticas y en el sector de la salud

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Presentation about the role of XCT technique in industry, covering three main topics: aerospace composites, aluminum and magnesium alloys for transport and structural materials in health. Experiments performed at IMDEA Materials Institute.
Presentation held at the 1st National Event for Industrial Updating (Tomography and Additive Manufacturing) in Rafaela (Argentina) during November 16th and 17th 2022.

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  1. 1. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. 1º Jornadas Nacionales de Actualización Industrial 16 y 17 de noviembre de 2022 Rafaela (Santa Fe, Argentina) EL ROL DE LA TOMOGRAFÍA EN LA INDUSTRIA: Aplicaciones aeronáuticas y en el sector de la salud Dr. Javier García Molleja Técnico de Laboratorio de Rayos X
  2. 2. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. ¿Dónde estamos? espormadrid.es wikipedia.org
  3. 3. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. madridiario.es http://materials.imdea.org
  4. 4. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. El Instituto IMDEA Materiales • Es uno de los siete Institutos Madrileños de Estudios Avanzados (IMDEA). • Fundado en 2007 por el Gobierno de la Comunidad de Madrid. • Centro de investigación público. • Consta de 16 grupos de investigación. • Alrededor de 120 artículos JCR publicados al año. • >150 personas (entre administración, investigadores, postdoctorandos, doctorandos, técnicos de laboratorio, estudiantes realizando su trabajo de grado o máster, pasantías, etc). • Más de 70 contratos I+D directamente financiados por empresas privadas.
  5. 5. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. El Instituto IMDEA Materiales FIB-FEGSEM (EDS and EBSD) FEI Helios 600i 200 kV FEG(S)TEM (3D-STEM 3D-EDS) FEI Talos F200X Thermo Fisher Apreo 2S FEGSEM (EDS and EBSD) W filament (EDS) EVO MA15, Zeiss
  6. 6. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. El Instituto IMDEA Materiales Hysitron TI950 Triboindenter Park XE 150 AFM Micromaterials Nanotest
  7. 7. El Laboratorio de Rayos X • Coordinado por el grupo “In-situ processing and mechanical characterization of materials”. • Caracterización avanzada de materiales, incluyendo información microestructural, química y cristalográfica a través de varias escalas de longitud mediante el uso de varias técnicas. • Laboratorio clave en la línea de investigación enfocada en caracterización multiescala de materiales y procesos. • También se realiza una intensa actividad en diferentes sincrotrones europeos (ESRF, SLS, PETRA III, BESSY, ALBA). Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Difractómetro PANalytical Empyrean 2 Tomógrafo Phoenix|x-ray Nanotom 160
  8. 8. El Laboratorio de Rayos X Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Empyrean Panalytical – Lab diffractometer Nanotom 160NF – Lab tomograph phoenix malvernpanalytical.com
  9. 9. El Laboratorio de Rayos X Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. suplitec-ndt.com Detector Hamamatsu 7942-25SK Tubo Portamuestras • Tensión máxima: 160 kV. • Blancos: Mo y W. • Resolución: de 30 a 1 µm/px. • Área del detector: 2300×2300 (píxel de 50 µm.) • Posibilidad de 3 detectores virtuales. • Hasta 9 radiografías por segundo.
  10. 10. xtras.amira-avizo.com El Laboratorio de Rayos X Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. University of Arizona ndt.net
  11. 11. XCT para industria aeronáutica: comportamiento de composites Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados.
  12. 12. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. • Las grandes compañías aeronáuticas están introduciendo en el mercado aviones con un 50 % de su fuselaje hecho de material laminado. • El ahorro en peso conlleva un fuerte ahorro en combustible. • Los composites son materiales hechos de fibra de carbono y resina. Se apilan mediante diferentes técnicas y direcciones. • Es crucial conocer el comportamiento de estos materiales a impactos y a fatiga.
  13. 13. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 1: propagación de grietas M.A. Riezzo et al. (2019) Comunicación privada
  14. 14. Frente de grieta Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 1: propagación de grietas M.A. Riezzo et al. (2019) Comunicación privada
  15. 15. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: curado • Existen multitud de procesos para fabricar los laminados. • Usar autoclave es bastante caro. • Las láminas pre-preg (pre-impregnadas) son una solución más económica, pero hay que estudiar detenidamente el proceso de curado y el cierre de los canales de evacuación.
  16. 16. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: curado • El laminado puede fabricarse tal cual o incluir dispersión de partículas o velos sobre una cara para determinar el impedimento (o no) al proceso de curado. J.J. Torres López (2019) https://oa.upm.es/56274/1/JUAN_JOSE_TORRES_LOPEZ.pdf Fibra de carbono Inclusión Velo
  17. 17. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: curado • Diferentes tipos de resina implican diferentes procesos de curado. • El mejor proceso de impregnación se da para resinas con un ciclo con una gran región de baja viscosidad. S. Hernández et al. (2011) http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2011.05.002
  18. 18. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: curado • La distancia promedio entre canales de evacuación es similar a la distancia entre mazos de fibras en el pre-preg. • Con un proceso sólido de segmentación es posible cuantificar la forma y volumen de las cavidades. S. Hernández et al. (2011) http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2011.05.002
  19. 19. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: curado • La mayoría de huecos son elongados y están alineados con respecto la dirección de las fibras. • El tipo de curado no influye en esta alineación. • La mayoría de los huecos se dan en las intercapas. S. Hernández et al. (2013) http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2013.06.005
  20. 20. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 3: evolución de fracturas • Se puede estudiar in situ (desarrollando un dispositivo adecuado para ello) cómo evolucionan las fracturas en laminados sometidos a ensayos mecánicos. F. Sket et al. (2014) http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2013.10.022
  21. 21. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 3: evolución de fracturas • Se puede estudiar in situ (desarrollando un dispositivo adecuado para ello) cómo evolucionan las fracturas en laminados sometidos a ensayos mecánicos. https://www.materials.imdea.org/groups/nano/research-lines/x- ray-tomography/4d-tomography/damage-development-in-carbon- fiber-reinforced-composites/ F. Sket et al. (2015) https://doi.org/10.1179/1743284714Y.0000000561
  22. 22. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 4: resistencia al impacto • Dependiendo del tipo de laminado el daño de impacto se repartirá de manera diferente entre cada capa en función de la dirección de la fibra. Dynacomp Project https://materials.imdea.org/project s/dynacomp-dynamic-behaviour-of- composite-materials-for-next- generation-aeroengines/
  23. 23. XCT para industria automotriz: influencia del proceso de fabricación en aleaciones metálicas Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados.
  24. 24. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. • Las estructuras de automóviles tienden a ser cada vez más ligeras. • Los nuevos materiales que se emplean deben tener similares características a los que se están usando. • Es necesario determinar cómo quedan afectados por esfuerzos y tiempo de uso.
  25. 25. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 1: efectos de la presión hidrostática • Cilindros de aleación de magnesio generados por fundición a presión. • Una vez solidificado, se le somete a presión hidrostática para ver el comportamiento de la porosidad interna del material. • Un proceso de segmentado permite generar una mallado para llevar a cabo simulaciones mediante elementos finitos. Así se determina la deformación de la porosidad. F. Sket et al. (2015) http://dx.doi.org/10.1007/s11661-015-3024-z
  26. 26. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: influencia de los defectos en la propagación de grietas • Una aleación de níquel se somete a ensayo de tracción con fractura. • Un análisis antes y después de la fractura puede ayudar a determinar si la defectología inicial influye en la formación y propagación de la grieta de fractura. Xmart project https://www.materials.imdea. org/groups/nano/research- lines/x-ray- tomography/effects-of- casting-defects/xmart- project/ σ σ
  27. 27. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: influencia de los defectos en la propagación de grietas • Una aleación de níquel se somete a ensayo de tracción con fractura. • Un análisis antes y después de la fractura puede ayudar a determinar si la defectología inicial influye en la formación y propagación de la grieta de fractura. Xmart project https://www.materials.imdea. org/groups/nano/research- lines/x-ray- tomography/effects-of- casting-defects/xmart- project/ σ σ
  28. 28. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: influencia de los defectos en la propagación de grietas • Una aleación de níquel se somete a ensayo de tracción con fractura. • Un análisis antes y después de la fractura puede ayudar a determinar si la defectología inicial influye en la formación y propagación de la grieta de fractura. Xmart project https://www.materials.imdea. org/groups/nano/research- lines/x-ray- tomography/effects-of- casting-defects/xmart- project/ σ σ
  29. 29. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: influencia de los defectos en la propagación de grietas • La extracción tridimensional de la superficie de la fractura indica que se ha propagado a través de los cúmulos de porosidad. Xmart project https://www.materials.imdea. org/groups/nano/research- lines/x-ray- tomography/effects-of- casting-defects/xmart- project/ 45A CL2 CL1 CL3 CL4 CL5
  30. 30. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 3: evolución del daño por carga • Muestra de acero queda sometida a tensión por tracción. • Midiendo paso a paso el proceso se puede identificar la defectología interna y su evolución en función del nivel de carga aplicada. F. Suárez et al. (2019) https://doi.org/10.3390/met9030292
  31. 31. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 3: evolución del daño por carga • Es posible centrarse en un defecto y evaluar cómo se desarrolla en función de la carga aplicada. A. Isaac et al. (2008) https://doi.org/10.1117/12.795941
  32. 32. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 4: deformación a alta velocidad • Mediante fabricación aditiva se pueden insertar intencionalmente diferentes densidades de porosidad en tubos de aluminio para ver cómo afecta la defectología a la deformación del material y la presencia y recorrido de posibles fracturas. J. Rodríguez et al. (2022) En preparación
  33. 33. XCT para la salud: materiales estructurales aplicados en la Biología Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados.
  34. 34. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. • En el sector de la salud, el uso de materiales estructurales está atrayendo mucha importancia. • Estos materiales han de tener propiedades mecánicas similares a los huesos. • También deben tener una forma similar a la parte ósea a ser remplazada. Esto puede conseguirse mediante el uso de técnicas de fabricación aditiva. • Además, no deben ser tóxicos y han de poder adaptarse al interior del cuerpo humano. • Las aleaciones de magnesio son los mejores candidatos para cumplir esta tarea.
  35. 35. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 1: influencia de la estructura • La estabilidad de la estructura dependerá del tipo de material. • Su resistencia a la corrosión se ve afectada por la presencia (o no) de tratamiento superficial del material. • El tamaño del puntal (strut) y el tipo de celda unidad elegido para imprimir afectarán en el desempeño mecánico de la estructura final. M. Li et al. (2021) Comunicación privada FCC [100]ext [100]int
  36. 36. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 1: influencia de la estructura • La estabilidad de la estructura dependerá del tipo de material. • Su resistencia a la corrosión se ve afectada por la presencia (o no) de tratamiento superficial del material. • El tamaño del puntal (strut) y el tipo de celda unidad elegido para imprimir afectarán en el desempeño mecánico de la estructura final. M. Li et al. (2021) Comunicación privada BCC [110] [111]
  37. 37. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 1: influencia de la estructura • La estabilidad de la estructura dependerá del tipo de material. • Su resistencia a la corrosión se ve afectada por la presencia (o no) de tratamiento superficial del material. • El tamaño del puntal (strut) y el tipo de celda unidad elegido para imprimir afectarán en el desempeño mecánico de la estructura final. M. Li et al. (2021) Comunicación privada Giroide [001]
  38. 38. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 2: corrosión de aleaciones de magnesio • Los intermetálicos presentes en la estructura pueden iniciar los procesos de corrosión. • El fallo estructural se inicia en el interior de la muestra. • Las muestras sometidas a tratamiento térmico presentan diferentes tipos de procesos corrosivos. M. Li et al. (2021) https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111623
  39. 39. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 3: resistencia mecánica de aleaciones de magnesio • Se desarrolló en laboratorio un sistema de ensayos mecánicos para análisis in situ. • Se puede radiografiar un andamio de magnesio sometido a corrosión durante cierto tiempo. • Sucesivas radiografías indican bajo qué carga se produce rotura y cuáles son los planos preferentes para el fallo. M.D. Martín Alonso et al. (2022) En preparación
  40. 40. Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados. Caso 3: resistencia mecánica de aleaciones de magnesio • Se desarrolló en laboratorio un sistema de ensayos mecánicos para análisis in situ. • Se puede radiografiar un andamio de magnesio sometido a corrosión durante cierto tiempo. • Sucesivas radiografías indican bajo qué carga se produce rotura y cuáles son los planos preferentes para el fallo. M.D. Martín Alonso et al. (2022) En preparación BCC 0 N 1600 N
  41. 41. ¡Muchas gracias por su atención! ¿Preguntas? Copyright ® 2007 - 2030 el Instituto IMDEA Materiales. Todos los derechos reservados.

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