Tesis defendidas

Debido a que los tipos de unión entre componentes que forman las máquinas-herramienta tienen una gran influencia en su comportamiento dinámico, su correcta modelización es fundamental para la obtención de modelos fiables de estos sistemas mecánicos. Está tesis, desarrolla un método numérico-experimental para la identificación de las propiedades de las uniones entre componentes pertenecientes a la máquinas-herramienta. La metodología de identificación de uniones se basa en el método de acoplamiento de receptancias inverso y se desarrolla una novedosa y optimizada metodología de identificación de propiedades de las uniones de estructuras multi-componente por medio de identificación secuencial. Se utilizan información adquirida de medidas experimentales de la máquina ensamblada, con lo que la fase de medición no requiere la separación de los componentes. Los parámetros obtenidos para las uniones, dan lugar a modelos numéricos que reproducen adecuadamente el comportamiento dinámico real de la estructura ensamblada. Con respecto a la modelización de uniones se han tratado por separado los sistemas de accionamiento y los de guiado. Con la metodología se puede predecir el comportamiento de las máquinas en distintas configuraciones. Esta predicción parte de las propiedades de las uniones identificadas con la metodología presentada y la aplicación del método de Craig-Bampton adaptado al caso de una máquina-herramienta industrial. Este planteamiento permite avanzar en la obtención de modelos virtuales que permitan estimar el comportamiento de las máquinas en todo su espacio de trabajo.

El proceso de corte mediante electroerosión por hilo siempre se ha caracterizado por conseguir tolerancias ajustadas en las piezas fabricadas, aun cuando estas contienen geometrías complejas, con cambios bruscos de dirección. Sin embargo, las necesidades cada vez más exigentes requeridas por sectores como el automovilístico o el aeronáutico han potenciado la investigación para la minimización de estos errores. Así, caracterizar y disminuir la vibración y deformación del hilo, el cual provoca las desviaciones en las piezas, sobre todo en los cambios de dirección, ha sido una de las tareas sobre las que más se ha investigado a lo largo de los años, aun cuando todavía no ha sido explicado su comportamiento en su totalidad. Por eso, en este trabajo se presenta, primero, un estudio para la caracterización del error en trayectorias circulares de diferente radio, con el fin de proponer, por un lado, una nueva metodología experimental para la medición directa del wire-lag o retraso del hilo, alejándose de los estudios y modelos teóricos empleados hasta la fecha; y, por otro, dos metodologías diferentes para corregir el error generado en las trayectorias circulares. La primera se trata de una compensación geométrica y, la segunda, del uso de una red neuronal artificial que prediga este error (evitando así la gran batería de ensayos a realizar) y de una técnica de optimización que genere una trayectoria alternativa para minimizar la desviación predicha. Una vez visto el buen resultado del empleo de las redes neuronales en el campo de la precisión, se propone su uso para la detección de eventos durante el proceso de corte. Puesto que estas técnicas tienen una enorme capacidad para manejar y analizar gran cantidad de datos, se utilizan las señales obtenidas del proceso de electroerosión para tal fin. Como ejemplo de aplicación de esta alternativa, se estudia el cambio del comportamiento de las señales de tensión obtenidas en el corte de una pieza con un cambio de espesor. Por otro lado, estas mismas señales de tensión son utilizadas para relacionarlas, junto con otras variables, con el espesor de pieza, de forma que pueda obtenerse una ecuación para identificar el espesor que se está erosionando en cada momento. Un estudio más exhaustivo de los resultados obtenidos permite obtener, a su vez, la antelación con la que puede determinarse una variación en el espesor a cortar. Por tanto, y como resumen de lo planteado en los párrafos anteriores, se puede concluir que el objetivo principal de esta tesis es demostrar la posibilidad de mejorar aspectos concretos del proceso de electroerosión por hilo mediante el uso de técnicas experimentales y de analítica de cantidades masivas de datos como alternativa a los modelos teóricos existentes en la literatura.

This thesis is focused on improving a paramount grinding process used in the aeronautic industry. The process is one of the last manufacturing steps of the nozzle guide vanes, which form the stator of the exhaust of aeroengines. The enhanced physical properties of the materials which these components are made of, result in adverse conditions during the grinding process in terms of thermal and mechanical loads. Besides, the short cycle time needed for accomplishing the high productivity of this sector promotes the appearance of issues related with these loads, such as thermal damage and vibration marks. That being said, the scrapping of the nozzle guide vanes at this late state of their manufacturing process involves significant economical loses because of the accumulated work carried out with expensive advanced technologies. The methodology of this thesis has been established in order to understand the influence of the affecting parameters and thus, improve the productivity while the good quality of the parts is ensured. The wear suffered by the wheels is considered as one of the most influential aspects on the grinding performance. Therefore, at first, a topographic analysis of the grinding wheel surface was conducted on different moments of the grinding wheel life. In this way, the wear types and their evolution could be detected and measured from a brand-new wheel to a totally worn wheel. Secondly, the process was studied in detail through experiments. Due to the complexity of the industrial process, a test bench was specially designed for reproducing the grinding conditions in a controlled manner. In order to enhance the consistency with the industrial process, the same superabrasive material and workpiece alloy were used. In addition, the value of the input parameter was calculated taking the industrial process as a reference. In this way, not only the input, but also the outputs could be controlled and measured. Thus, the forces and the surface quality were measured in order to understand the influence of the input parameters such as the grinding speed and contact depth. Finally, the information gathered in the previous two steps was used for developing a numerical model based on the finite element method. The model reproduced the contact between a multigrain surface and the workpiece material. Both of them were defined with the physical properties of the materials used in the industrial process. In addition, the model addressed accurately the geometry of the grinding wheel since the real topography was imported into the model through a procedure specially developed for this study. The results obtained from this study revealed that there was a coherency between the experiments and the model that can be explained through mechanical and thermal principles mentioned previously by other authors. Thus, the results obtained from this study allows to understand the influence of the input parameters on the process. On this basis, the methodology developed in this thesis present a useful scenario for the study of grinding processes by means of experiments and numerical models that comprises some aspects that have not being comprised previously in bibliography.

La electroerosión (EDM) es un proceso termo-eléctrico en el que el material se elimina mediante una serie de descargas eléctricas generadas entre el electrodo y la pieza, que se encuentras sumergida en un medio dieléctrico. Son dos los principales tipos de electroerosión empleados hoy en día industrialmente la electroerosión por penetración (SEDM) y la electroerosión por hilo (WEDM. La tesis está centrada en SEDM. Los principales objetivos de la tesis son: - Mejora del rendimiento de corte por SEDM del material SIC con electrodo en forma de lámina de cobre. Para ello se plantean dos tipos de diseño de electrodo con objeto de mejorar el proceso. - Mejorar el rendimiento de EDM en el mecanizado de ranuras de alta relación de aspecto. Para ello se plantea un electrodo convencional al que se le han taladrado agujeros. El objetivo es mejorar la limpieza durante la erosión, consiguiendo así una mejor estabilidad del proceso. Ello conlleva menores tiempos de erosión. - Desarrollo de una metodología para el análisis del desgaste y del gap, basada en indicadores fáciles de aplicar tanto en geometrías sencillas como complejas. - Desarrollo de una metodología que contempla ensayo experimental con simulación térmica, para la definición de la energía absorbida por el electrodo durante la erosión. - Desarrollo de un modelo térmico que define la distribución de temperaturas en el electrodo bajo condiciones industriales.

La fabricación y el mantenimiento de piezas de gran tamaño se realizan a día de hoy mediante máquinas grandes cuando se realizan en taller y máquinas especiales cuando las tareas se llevan a cabo in-situ. Ambas soluciones presentan problemas que en los últimos años han desembocado en el planteamiento de una nueva clase de máquina: las máquinas portables. Son estas máquinas pequeñas (en consecuencia, transportables), que se puedan adaptar a la pieza (independientemente de su tamaño) y trabajan de forma autónoma y libre referenciadas con respecto a las características geométricas de las piezas. A pesar de su utilidad, son máquinas complejas de diseñar y analizar. Para solucionar estos problemas, esta tesis propone una metodología basada en técnicas virtuales que combina en un solo modelo virtual tres elementos clave de las máquinas portables: un modelo multibody flexible de la estructura y de fuerzas de proceso, un modelo de errores geométricos y un modelo del sistema de referenciación. Esta metodología integrada se emplea en el desarrollo y la optimización de una máquina portable en miniatura de tres ejes en serie para las operaciones post-soldadura de la vasija ITER. Como primera aportación de la tesis, esta actividad demuestra que la metodología permite la optimización del sistema y presentar mejoras contrastables sobre las máquinas del estado de la técnica. Estas mejoras se centran en los subsistemas estructurales y de referenciación de la máquina. Las mismas herramientas virtuales se emplean a continuación para evaluar los límites funcionales de las máquinas portables, pues se estiman los errores del uso de estas máquinas y se realiza el presupuesto de errores, obteniendo así nuevo conocimiento acerca del impacto de cada subsistema en el funcionamiento global y marcando el camino para mejoras tecnológicas futuras. Por último, se plantea un sistema de control automático y autónomo para máquinas portables. Para demostrar la validez del método virtual y las conclusiones obtenidas gracias a su uso, se emplea éste sobre una máquina fresadora existente convencional de tres ejes donde se comprueba que la metodología aquí planteada es efectiva a la luz de los resultados experimentales obtenidos, al anticipar fielmente el funcionamiento de la máquina real. Esta metodología permitirá mejorar tanto el proceso de desarrollo como las capacidades de las máquinas portables destinadas al mecanizado de grandes piezas y por tanto lograr un avance en el sector de la máquina herramienta.

El objetivo de este trabajo es desarrollar una metodología para para analizar, optimizar y verificar el amortiguamiento que introduce cada guiado lineal ensamblado dentro de una fresadora con el objetivo de aumentar la estabilidad dinámica de la ésta frente al chatter. Para ello, en una primera fase se presenta un procedimiento que permite definir el tipo de guiado más adecuado en cada unión de una fresadora en base a una optimización de la respuesta dinámica en la punta de herramienta. Y, en una segunda fase, se ha desarrollado un procedimiento teórico-experimental para calcular el amortiguamiento que introduce un guiado lineal cuando está ensamblado en una fresadora, ya que la misma guía lineal puede introducir un valor diferente de amortiguamiento en cada unión de una misma máquina. Se ha construido la fresadora y se ha realizado una validación experimental.

Esta Tesis presenta el estudio y comparación del efecto de los tratamientos mecánicos de shot-peening y bruñido de baja plasticidad en el comportamiento a fatiga de ciclos altos del acero 34CrNiMo6 de temple y revenido. Se han obtenido datos cuantitativos, coeficientes y métodos útiles para el diseño y cálculo de fatiga de componentes sometidos a esos tratamientos. Para lo cual se han realizado ensayos de fatiga rotatoria, a fin de obtener las curvas de fatiga tensión-duración de probetas mecanizadas, pulidas a espejo, sometidas a shot-peening y bruñidas. Se observa que, en comparación con las probetas mecanizadas, el límite de fatiga de las bruñidas se incrementa en un 52%, mientras el de las tratadas con shot-peening lo hace en un 39% y se analiza el efecto de la integridad superficial en estos incrementos. Se han realizado a su vez ensayos de fatiga axial del material base, con diferentes relaciones de tensión, como resultado de los cuales se comprueba que el método de Dietmann para tener en cuenta el efecto de las tensiones medias es el más adecuado para este material, además se ha estudiado la influencia del tipo de carga en la resistencia a la fatiga: flexión y axial. Adicionalmente, a fin de tener una mejor comprensión del campo de tensiones residuales en el interior de las probetas bruñidas y completar la información de los ensayos experimentales, se ha realizado un modelo y estudio elasto-plástico, mediante elementos finitos, que proporciona resultados muy similares a los de las medidas experimentales. Se proponen además dos métodos para predecir la evolución de las tensiones residuales superficiales en el tiempo y su relación con el comportamiento a fatiga.

El principal objetivo de esta tesis doctoral consiste en abordar de manera conjunta las diferentes etapas dentro de la cadena de producción de fabricación híbrida (aditiva y sustractiva) de componentes de alto valor añadido, más concretamente componentes rotativos integrales (IBRs) dentro del sector aeronáutico. Siguiendo dicho propósito, se ha desarrollado una metodología esquemática que correlaciona dichas etapas: fabricación aditiva, fabricación mediante el arranque de viruta y medición y control. Además, se presenta la implementación de todas ellas dentro del mismo entorno de fabricación (software CAD/CAM/CAE), reduciendo de este modo el uso de recursos. En lo que respecta a la fabricación aditiva, este estudio se ha centrado en el proceso Laser Metal Deposition (LMD). Ante la necesidad de software CAM para la definición de estrategias de LMD, principalmente cuando se utiliza para la reparación o creación de piezas de geometría compleja que requieren de aporte en 5 ejes simultáneos. Para ello, se presenta el desarrollo de un módulo completo de CAM específico para LMD que ofrece la posibilidad de definir tres tipos de operaciones: capa a capa, 3 ejes y 5 ejes simultáneos. Por otra parte, también se ha trabajado en el campo del mecanizado por arranque de viruta. En dicho campo se abordan dos líneas diferentes, una relacionada con la optimización mediante algoritmos matemáticos de estrategias de mecanizado utilizadas y la otra relativa a nuevos procesos como complemento o alternativa a los procesos convencionales actuales (Mecanizado Súper Abrasivo).

Este resumen sintetiza el contenido de la presente tesis doctoral y su objetivo es el de ofrecer una visión general de la misma para aquellos lectores que no hablen inglés. A lo largo de las siguientes líneas se explican brevemente el objeto de la tesis, los trabajos realizados y las conclusiones derivadas de los mismos. El contenido de este resumen no coincide con el del Abstract (resumen en inglés), en el cual se exponen las líneas principales de la tesis de manera más superflua. Los rodamientos de vuelco (slewing bearings en inglés) son elementos de máquina enfocados a aplicaciones de orientación. Estos componentes se emplean en máquinas de muy diferente naturaleza, como grúas, brazos robóticos, centros de mecanizado, tuneladoras, tomógrafos computarizados, radiotelescopios o seguidores solares. Además de en las máquinas mencionadas, los rodamientos de vuelco también cumplen un papel fundamental en los aerogeneradores. En este último caso, se requiere de cuatro rodamientos de este tipo: uno para la orientación de la góndola y tres para permitir el giro de las palas. La función del primero es la de encarar la turbina contra el viento, mientras que los otros tres son responsables del ángulo de paso de las palas, y por lo tanto de la energía a extraer del viento. Así pues, han de soportar cargas importantes y de distinta naturaleza debidas fundamentalmente al peso propio de los componentes, el empuje del viento y las fuerzas centrífugas. Los rodamientos de vuelco son, por lo tanto, elementos de grandes dimensiones que han de soportar combinaciones de cargas axiales y radiales junto con un importante momento de vuelco. Asimismo, su modo de trabajo implica rotaciones oscilatorias a bajas velocidades en torno a una posición, como contraste al giro continuo y de altas revoluciones común en los rodamientos convencionales. Debido a su naturaleza, son componentes cuya sección transversal tiene dimensiones muy inferiores a las dimensiones globales. Se trata por ende de un componente de gran esbeltez, donde la flexibilidad de los anillos adquiere una relevancia especial. Otra diferencia respecto a los rodamientos convencionales es que no van montados sobre un eje, sino que se ensamblan a las estructuras adyacentes mediante uniones atornilladas. Los aerogeneradores constituyen una fuente de energía limpia y renovable que viene experimentando un crecimiento constante durante los últimos años. Su presencia en el mix energético ha adquirido tal relevancia que, de acuerdo con los últimos informes de WindEurope, a finales de 2016 se alcanzó una capacidad total instalada de 153.7GW en Europa. Esto sitúa a la energía eólica como la segunda fuente de electricidad del continente, sólo por detrás del Gas Natural. La relevancia del sector eólico implica una gran demanda de rodamientos de vuelco, que se ve reflejada en la cantidad de multinacionales dedicadas a su manufactura, como la sueca SKF; las alemanas Rothe Erde, Schaefler, e IMO; las americanas Kaydon y Timken; la francesa Rollix; o la japonesa NSK. Este sector también está presente en el País Vasco, donde las empresas Iraundi S.A. y Laulagun Bearings S.L. tienen su sede principal. Dada la competencia en el sector y las condiciones de trabajo cada vez más exigentes a las que se ven sometidos los rodamientos de vuelco, debidas principalmente al aumento de las dimensiones de los aerogeneradores y a su emplazamiento en entornos hostiles, existe una demanda para el mejor conocimiento del comportamiento de estos. Existen normas enfocadas al diseño de rodamientos que ofrecen métodos y formulaciones simples para garantizar su integridad estructural frente a cargas estáticas y dinámicas. No obstante, estas normas están enfocadas a rodamientos convencionales, y no contemplan las particularidades de los rodamientos de vuelco, cuya geometría y condiciones de trabajo son notablemente diferentes. Para cubrir el hueco de estas normas, la NREL (National Renewable Energy Laboratory) publicó una guía de diseño enfocada a rodamientos de vuelco para aerogeneradores, que es ampliamente reconocida y utilizada por los fabricantes no sólo para aplicaciones eólicas. No obstante, esta guía no contempla aspectos tan relevantes como la flexibilidad de los anillos o la precarga. Asimismo, el par de fricción se plantea como una función lineal de las fuerzas aplicadas, formulación ampliamente utilizada pero que demuestra tener importantes limitaciones. Debido a la demanda de conocimiento en el área y las limitaciones previamente mencionadas, actualmente existe un gran interés por parte de los investigadores por avanzar en la capacidad predictiva del comportamiento de estos rodamientos, interés que se ve reflejado en la gran cantidad de publicaciones relacionadas. Estas publicaciones van más allá de la norma o la guía de diseño de la NREL y estudian aspectos como la influencia del templado por inducción en el fallo estático o desarrollan nuevos métodos para el cálculo a fatiga. No obstante, todavía existen importantes lagunas en la caracterización y simulación de los rodamientos de vuelco. Esta tesis se centra en los rodamientos de vuelco de cuatro puntos de contacto. Estos son rodamientos de bolas que, a diferencia de los rodamientos convencionales, contactan con cada anillo en dos puntos en lugar de en uno sólo. Este tipo de rodamientos es el más comúnmente utilizado por su versatilidad y bajo coste. A pesar de que los desarrollos presentados en este documento están enfocados a este tipo concreto de rodamientos, estos pueden ser adaptados o reproducidos para otros tipos como los de rodillos cruzados o los de dos hileras de bolas (o de 8 puntos de contacto), ampliamente utilizados estos últimos en los aerogeneradores de mayores dimensiones. En lo referente a los rodamientos de cuatro puntos de contacto, existen trabajos recientes que demuestran la relevancia que los errores de fabricación pueden tener en la distribución de carga. No obstante, dichos trabajos están basados en modelos de Elementos Finitos e introducen variaciones aleatorias en la geometría, de manera que no existe un planteamiento analítico para la simulación de estos errores ni una estimación real de su influencia. En esta tesis se plantea un modelo analítico para tal fin, que requiere como dato la geometría real del rodamiento. Además, se desarrolla un sencillo modelo paramétrico de Elementos Finitos para el cálculo de las matrices de rigidez de los anillos, que pueden ser implementadas de manera directa en el planteamiento analítico. Iraundi S.A. cedió un rodamiento y prestó sus instalaciones para medir las pistas mediante una máquina de medir por coordenadas. Utilizando estos datos, se demuestra que los errores de fabricación existentes en un rodamiento real pueden ser del mismo orden de magnitud que la propia precarga de las bolas, de manera que no considerarlos puede incurrir en resultados poco fiables o imprecisos. El par de fricción también es un parámetro indispensable, dado que su valor es necesario para el dimensionamiento del sistema de actuación correspondiente. A este respecto, existen formulaciones más precisas que las planteadas por la NREL. No obstante, los modelos más avanzados para rodamientos de cuatro puntos de contacto consideran que existe deslizamiento puro entre la bola y la pista. En esta tesis, se presentan diferentes modelos de Elementos Finitos para la caracterización del contacto cuando el rodamiento está girando, así como el cálculo del par de fricción. Estos modelos demuestran que, para condiciones de funcionamiento normales, existen importantes regiones en adhesión en la elipse de contacto, lo que conlleva tensiones tangenciales menores que las predichas por los modelos analíticos existentes en dichas regiones, lo cual puede afectar al par de fricción. Dichos modelos son también utilizados junto con el modelo analítico previamente mencionado para realizar una serie de simulaciones de las que se concluye que tanto los errores de fabricación como la flexibilidad de los anillos afectan de manera importante al par en vacío. Adicionalmente, se demuestra que la influencia del número de bolas en el par en vacío es logarítmica. Con el fin de incluir el efecto de las regiones en adhesión en un planteamiento analítico y poder eludir así las costosas simulaciones de Elementos Finitos, se desarrolla un nuevo modelo. Dicho modelo parte del planteamiento cinemático de los modelos que asumen deslizamiento puro, pero implementa una formulación más compleja para la caracterización del problema tangencial. Tras identificar los factores que influyen en la extensión de la región en adhesión, se realizan simulaciones para diferentes casos bajo cargas típicas de funcionamiento mediante el modelo analítico propuesto, el modelo que asume deslizamiento puro y modelos de Elementos Finitos de diferente precisión. Como resultado, se concluye que el nuevo modelo es capaz de determinar qué zonas de la elipse de contacto están en adhesión, lo que demuestra influir de manera importante en el mapa de tensiones, mientras que el par de fricción a penas se ve afectado. En comparación con el modelo de Elementos Finitos, el planteamiento analítico muestra una serie de ventajas, como el ínfimo coste computacional o la menor dependencia de la discretización. A pesar de la limitada ventaja que aporta el nuevo planteamiento respecto al cálculo del par de fricción, una precisa estimación del campo de tensiones en la huella puede ayudar a desarrollar procedimientos de cálculo enfocados a la fatiga o relacionados con modos de desgaste típicos que actualmente carecen de un método adecuado para su predicción. Finalmente, se aborda el problema del cálculo de la rigidez del rodamiento. En este caso, las formulaciones analíticas existentes únicamente consideran las deformaciones locales del contacto bola-pista, suponiendo por lo tanto anillos infinitamente rígidos. Como ya se ha señalado anteriormente, esta hipótesis no es asumible en el caso de los rodamientos de vuelco debido a su esbeltez, que da lugar a grandes deformaciones en los anillos. La implementación de la flexibilidad de estos últimos en los procedimientos existentes conlleva siempre, de un modo u otro, costosas simulaciones de Elementos Finitos. En esta tesis, y por medio también de un preciso modelo de Elementos Finitos, se realizan una serie de simulaciones considerando diferentes valores de las variables principales que definen el rodamiento. Como resultado, se obtiene una formulación ingenieril que permite calcular las curvas de rigidez axial, radial y de frente al momento de vuelco, formulación que permite un cálculo directo y rápido prescindiendo de simulaciones de Elementos Finitos. Se demuestra que esta nueva formulación reproduce de manera adecuada los efectos no sólo de las variables principales, sino también de los parámetros de contacto. Adicionalmente, se presentan los resultados de unos ensayos preliminares realizados para la medición experimental del par de fricción. De la comparación de los resultados obtenidos con simulaciones realizadas mediante los modelos analíticos planteados en esta tesis, se concluye que existe una buena correlación para cargas altas, pero es necesario medir las pistas de los rodamientos ensayados para obtener conclusiones más sólidas para cargas bajas. Esta tesis deja la puerta abierta a futuros desarrollos. Así, aprovechándose de los bajos costes computacionales que ofrecen los nuevos modelos analíticos, pueden realizarse numerosas simulaciones que puedan permitir obtener una fórmula sencilla pero más completa y precisa que la planteada por la NREL para el cálculo del par de fricción. Asimismo, se puede ir más allá en el estudio del contacto, analizando las tensiones subsuperficiales existentes mientras el rodamiento gira y evaluar el efecto de la capa templada. Además, el procedimiento desarrollado para el cálculo de la rigidez en rodamientos de cuatro puntos de contacto puede replicarse para otros tipos de rodamiento de vuelco. Igualmente, se pueden realizar simulaciones adicionales mediante Elementos Finitos de uniones reales de pala-buje o torre-góndola para evaluar las ventajas y limitaciones de sustituir los rodamientos de vuelco por matrices de rigidez calculadas mediante la formulación simplificada propuesta. Finalmente, queda realizar más ensayos experimentales con diferentes precargas y grasas para una validación definitiva de los modelos. Del mismo modo, falta por comprobar la relevancia de otros fenómenos como la viscosidad de la grasa, la interacción entre bolas o entre bolas y espaciadores, o la contribución de los retenes al par de fricción.

Esta Tesis desarrolla un nuevo método para la planificación del mantenimiento de componentes aeronáuticos soldados y/o aditivos (ESFAM), y es uno de los primeros estudios que aplica conceptos de fiabilidad a componentes de fabricación aditiva. Se trata de un hito importante, porque se espera que en 10 años (2031) la fabricación aditiva reemplace el 30% de los componentes de un motor aeronáutico. La metodología tiene una precisión aceptable y reduce en dos órdenes de magnitud el coste computacional del análisis estocástico de crecimiento de defectos, dando solución a las limitaciones de los métodos disponibles en el estado del arte: la complejidad, el excesivo coste computacional y la especificidad para el material forjado. Para alcanzar el objetivo, el algoritmo del método incorpora: un nuevo método de predicción de fiabilidad (FORM+Fracture), un nuevo uso del método de predicción de fiabilidad FORM para la predicción de las inspecciones, la formulación de tres factores de intensidad inéditos para componentes soldados aditivos y un nuevo método de inferencia estadística (FWMSV) para alinear la fiabilidad predicha con el comportamiento real de los componentes. Además, aunque se ha desarrollado para el estudio de componentes ESFAM, también se ha empleado con éxito para: reemplazar componentes soldados por componentes aditivos, estudiar diferentes procesos de fabricación, estudiar todo tipo de componentes del motor aeronáutico e incluso predecir la propagación del COVID-19 en el País Vasco.

Lan honetan topologia optimizazio metodoen eta fabrikazio aditibo teknologien integraziorako prozedura bat aurkezten da, helburutzat 3D inprimaketa prozesuetan euskarri materialik behar izango ez duten diseinu guztiz eutsi eta optimoen garapena duena. Honakoa gogoan izanda, fabrikazio aditibo prozesuetan azaltzen den overhang arazoa kontrolatzeko murrizpen berri bat garatu da, non overhang arazoa angelu limite batetik beherako inklinazioa duten hegan dauden ingeradak sortzeko gaitasun falta den. Tesi honek ingeraden dentsitate gradientearen kalkuluan oinarritutako metodo modakor bat proposatzen du, diseinu guztiz eutsiak zein fabrikazio eta errendimendu konpromiso hoberena bilatzen duten estrategien bidez garatutako diseinuak lortzea ahalbidetzen duena. Estrategia mota hauek, ikerketa honetan ere tratatuak izan diren eutsitako mekanismo malguen diseinu optimoan oso erabilgarriak direla erakutsi dute. Orobat, algoritmoaren moldakortasunak literaturan proposatutako edozein overhang angelurekin lan egitea baimentzen du Optimizazio prozesuko iterazio bakoitzean egitura osatzen duten ingeradak detektatzeko, Irudi Digitalen Prozesaketa arloan garatutako, eta hemen lantzen de topologia optimizazio problemara moldatutako ingeraden detekzio algoritmo bat erabiliko da. Operadore honek Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus du izena, eta ingeraden kokapenari buruzko informazio zehatza emateaz gai, hauen inklinazioa ere ezagutzea baimentzen du. Ingeraden inklinazioa ezaguna dela, hauek ingeradak eutsi eta ez eutsi bezala sailkatzen dira, eta datu hauekin overhang murrizpena eraikitzen da. Murrizpen honek permisibitate gradu moldakor bat baimentzen duen kontrol parametro bat hartzen du bere barnean, oso garrantzitsua izango dena mekanismo malguen diseinuetan. Bertan, xedetzat euskarri material bolumen minimoa eta euskarri egitura kopuru kontrolatu betekin batera, helburu funtzioaren erantzun optimoena ematen duen soluzioa bilatzea duten estrategiak definitzea ahalbidetuko du. Proposatzen den murrizpena arrakasta handiarekin integratu da aipatutako ingerada detekzio teknikarekin batera aldagai jarraituetan oinarritutako topologia optimizazio algoritmo baten barnean, eta honen adierazle dira landutako zenbakizko emaitzak zein garatutako emaitza esperimentalak (ez bete tarte hau baino gehiago)

El proceso de rectificado supone entre un 20-25% del coste total de fabricación, suponiendo el consumo de muela un porcentaje muy elevado del coste total. De entre los diferentes tipos de desgaste, el wear flat es el más perjudicial para el proceso. Asimismo, nuevos generaciones de materiales abrasivos, como la alúmina microcristalina sinterizada, se van haciendo hueco en aplicaciones industriales. Sin embargo, su comportamiento ante el desgaste no está caracterizado. Es por ello, que este trabajo de investigación aborda la caracterización de la generación y evolución del wear flat en muelas de alúmina, analizando la influencia de la estructura cristalina de los granos abrasivos en el wear flat, desgaste de naturaleza triboquímica. Para ello, se realiza un análisis tanto experimental como numérico. Desde el punto de vista experimental, se realizan ensayos de rectificado en los que se aísla el desgaste de wear flat de los demás tipos de desgaste. Tras estos y debido a la importancia del contacto en el desgaste, se diseña un tribómetro pin-on-disk en el cual se controlan exhaustivamente las condiciones de contacto y se reproduce el ciclo térmico de los granos abrasivos para la cuantificación del desgaste triboquímico. Por último, desde un punto de vista numérico, se realiza un modelo térmico en FEM, para determinar la influencia de la temperatura en las propiedades de la alúmina y un modelo de desgaste en DEM, con el objetivo de simular el desgaste de un grano abrasivo, teniendo en cuenta su estructura cristalina. Como resultado se observan mayores valores de %A para la alúmina microcristalina durante el proceso de rectificado, ya que las altas temperaturas modifican la apariencia de la superficie desgastada de la muela. Sin embargo, las reacciones triboquímicas son más importantes en la alúmina WFA, como muestran los resultados tribológicos y numéricos.

El objetivo principal de este trabajo ha sido desarrollar un modelo que simule el proceso de soldadura por láser en aleaciones base Niquel. Esta herramienta, aplicando los parámetros de entrada más relevantes, busca predecir cómo será la soldadura de las superaleaciones de niquel. Para ello, se plantea el empelo de las leyes de transferencia de calor que combinadas con factores como la posición del láser, la energía del haz o la geometría de las piezas pretende analizar el impacto en la zona soldada, la geometría de la soldadura o la microestructura. Asímismo, debido a las limitaciones del proceso de soldadura láser, especialmente las relacionadas con la cinemática de la máquina y la potencia máxima de los láser industrial, se ha desarrollado un proceso que combina el movimiento de movimiento lineal de la máquina con un movimiento circular de alta frecuencia utilizando la técnica de oscilación con el escáner denomada en inglés como estrategia Wobble. Es decir, además de la posición de las piezas y del movimiento que sigue el láser en la dirección del cordón, el modelo considera los movimientos oscilatorios alrededor del cordón que permite ampliar la zona soldada

Se aplica al acero DIN 34CrNiMo6 un tratamiento mecánico de shot-peening con el objetivo de mejorar su resistencia a fatiga axial. Se obtiene una mejora del 22% respecto a piezas únicamente mecanizadas y del 3,5% respecto a piezas pulidas a espejo. Esta mejora se debe al work-hardening que genera el cold-work introducido por el tratamiento mecánico y principalmente, al campo de tensiones residuales de compresión. Estas características se evalúan mediante la técnica de difracción de rayos X, a través del parámetro FWHM y del macro-strain (tensiones residuales) respectivamente. La mejora de la resistencia a fatiga de estos dos factores se sobrepone al deterioro superficial que el shot-peening causa en la superficie de la pieza tratada, debido al alto nivel de deformación superficial generado por los impactos. Las tensiones residuales tienden a relajarse o reducirse cuando una carga mecánica externa se aplica sobre la pieza tratada. La relajación de tensiones residuales tiene lugar cuando se generan deformaciones plásticas sobre la sección de la pieza tratada. Estas deformaciones aparecen cuando la tensión efectiva sobre la sección sobrepasa el límite elástico. Se desarrollan ensayos de relajación de tensiones residuales bajo carga mecánica; cuasi-estática, cíclica y cíclica con tensión media. Se observa la importancia de la magnitud y sentido de la tensión aplicada en la relajación de tensiones residuales. Se propone una ecuación de predicción de la tensión residual superficial con el avance de los ciclos de tensiones aplicadas con distintas magnitudes.

La tecnología ¿Single Point Incremental Forming¿ (SPIF) muestra un gran potencial para producir competitivamente series pequeñas de piezas de diversas aleaciones metálicas. Sin embargo, pese a las ventajas que presenta, esta tecnología no está aún industrializada y tiene todavía muchos puntos de mejora. Entre ellos cabe destacar la necesidad de soluciones específicas para procesar materiales de baja formabilidad a temperatura ambiente y el desarrollo de técnicas que mejoren los resultados finales de precisión geométrica. En este contexto, los objetivos principales del presente trabajo de tesis doctoral han sido profundizar en el conocimiento que actualmente existe sobre la tecnología SPIF para conformar Ti-6Al-4V en caliente de manera satisfactoria y desarrollar y evaluar tecnologías para fabricar componentes complejos de chapa atendiendo a criterios de precisión geométrica. Así, por un lado, el trabajo se ha centrado en los fundamentos y el desarrollo de la tecnología para conformar Ti-6Al-4V en caliente. Para ello, en primer lugar, se ha caracterizado la formabilidad del Ti-6Al-4V mediante ensayos experimentales de SPIF, analizando la influencia de los parámetros de proceso (temperatura, paso y velocidad de avance de la herramienta) sobre la formabilidad del material. En segundo lugar, se ha realizado un estudio sobre los ciclos de temperatura adecuados para calentar y enfriar el material. Este estudio ha servido para identificar un procedimiento de calentamiento óptimo de la chapa, el rango de temperatura de conformado recomendable y un procedimiento de enfriamiento óptimo de la pieza. Además, se ha realizado una evaluación de propiedades post-conformado de piezas de Ti-6Al-4V fabricadas mediante SPIF. Al tratarse de una tecnología novedosa, esta evaluación es necesaria para conocer cuál es el estado final del material y la integridad superficial conseguida. En sectores como el aeronáutico o el de automoción, el conocimiento del estado final del material se considera imprescindible para poder validar una tecnología. En cuanto al equipamiento para deformar Ti-6Al-4V mediante SPIF en caliente, dos de los elementos clave que se deben tener en cuenta son el tipo de herramienta y el sistema de calentamiento empleados. En este sentido, durante el trabajo de tesis se han desarrollado y validado tanto una herramienta tipo rueda de material cerámico como un sistema automatizado para controlar la temperatura de la chapa durante todas las fases del proceso (etapas de calentamiento, conformado y enfriamiento). Finalmente, el presente trabajo ha planteado dos enfoques diferentes para mejorar la precisión geométrica de las piezas. En este sentido, por un lado, se ha aplicado y evaluado el potencial técnico de un modelo de predicción y corrección del springback (o recuperación elástica), desarrollado por Khan et al. [Khan, 2015] y que previamente solo se había aplicado con piezas de geometría sencilla y fabricadas en frío. Por otro lado, se ha desarrollado y validado una solución para eliminar las desviaciones geométricas por sobredeformación que se producen en el perímetro de la pieza debido a la acción de la herramienta y a la falta de una matriz de apoyo.

Se ha desarrollado una metodología de análisis de la dinámica de sistemas multicuerpo para sistemas formados por sólidos rígidos. La novedad reside en que el sistema de ecuaciones diferenciales de segundo orden se resuelve directamente aplicando el método de diferencias centrales como integrador de orden dos. De esta manera, se evita duplicar las dimensiones del problema. Adicionalmente, se logra plantear el problema en función de los desplazamientos en tres instantes de tiempo consecutivos por lo que las restricciones únicamente se implementan a nivel de posición. Al emplear un esquema de integración explícito, la no linealidad de las ecuaciones de la dinámica proviene del producto cruzado de las velocidades angulares. De tal manera que el equilibrio en cada instante de tiempo se resuelve iterativamente aplicando el método de Newton exacto, obteniendo una convergencia cuadrática para cada nueva aproximación. Debido al carácter no lineal de las ecuaciones algebraicas de restricción para introducirlas adecuadamente en el sistema se han linealizado mediante su desarrollo en series de Taylor generado un sistema de ecuaciones indeterminado. Posteriormente, se emplea método del subespacio nulo para implementar las restricciones en el sistema de ecuaciones. Finalmente, para eliminar las fuerzas de restricción de la ecuación de equilibrio se plantea un sistema cuyas filas están formadas por las direcciones de los propios esfuerzos en función de los desplazamientos y las rotaciones. El subespacio nulo de dicha matriz permite eliminar no solo los esfuerzos sino también las ecuaciones afectadas por las fuerzas de reacción, logrado un sistema con el mínimo número de coordenadas. Por una parte, la metodología se ha implementado de forma preliminar en GNU Octave lo que ha permitido validar el método en términos de precisión y estabilidad. Por otra parte, para comprobar la eficiencia, el método se ha implementado en un lenguaje compilado. Para las validaciones, se han resuelto varios problemas de referencia propuestos por el IFToMM. Los resultados han sido cotejados con otras formulaciones realizadas por diferentes investigadores y con soluciones de software comerciales como Msc Adams o Recurdyn. Se ha podido comprobar que se trata de un método de resolución de las ecuaciones de la dinámica para sistemas multicuerpo altamente competitivo.

La presente tesis analiza el comportamiento de las fachadas de doble piel, formadas por una cubrición externa resuelta mediante chapas perforadas con agujeros de sección circular. Se hace un estudio del comportamiento resistente mediante elementos finitos, con 2 materiales acero y aluminio, y diferentes configuraciones de dobleces en los laterales de las chapas. Se acompaña este estudio con una campaña de ensayos a escala real. Se analiza el comportamiento fluido dinámico que presentan las chapas perforadas frente al paso del viento por los agujeros presentes en la misma, mediante una campaña de ensayos realizados en un túnel de viento. Se lleva a cabo un estudio del comportamiento acústico de dichos elementos en la mejora del confort interior, para ello se hacen unos modelos de comportamiento que se contrastan con una campaña de ensayos. Se realiza un modelo de comportamiento térmico de la fachada de doble piel, frente al paso de la radiación por los agujeros presentes en la chapa y que se puede controlar el área abierta mediante diferentes patrones de perforación y con ello se estima la radiación incidente en el edificio en función de su ubicación. Por último, se hace un estudio sobre el confort de los usuarios frente a la presencia de la chapa perforada, en el exterior del edificio presentando un velo, que puede originar quejas a los usuarios del edificio. Se muestran el comportamiento de las soluciones estudiadas en cada uno de los apartados, de cara a poder servir como herramienta de apoyo en los proyectos de este tipo de soluciones constructivas de fachadas de doble piel, mediante chapa perforada, que se están utilizando actualmente con mayor profusión.

Este trabajo de tesis se refiere al desarrollo de un modelo por elementos discretos del comportamiento termo-mecánico de una aleación de alumnio y su evolución microestructural cuando se somete a condiciones de grandes deformaciones y/o altas velocidades de deformación (soldadura por fricción o FSW). El proceso de Friction Stir Welding (FSW) es un proceso de soldadura reciente, inventado en 1991 por The Welding Institute (TWI). Este proceso se distingue de otros por su capacidad de soldar el material en estado sólido muy cerca de la temperatura de solidus de la aleación, pero sin alcanzar el punto de fusión. El principio es relativamente simple y comparable a una operación de de fresado, excepto que la herramienta de corte se reemplaza por una herramienta de mezclado que consiste en un perno y un hombro. Este proceso es de gran interés para la industria aeroespacial porque ofrece la posibilidad de soldar aleaciones de aluminio de las series 2XXX y 7XXX, que se sabe que son difíciles de soldar por otros procesos. Dado que la soldadura por fricción es un proceso reciente, sigue siendo objeto de investigación activa, para comprender mejor ciertos puntos como el flujo del material, la influencia de los parámetros del proceso (velocidad de rotación, forma de la herramienta, ...) y la modificación de la microestructura. Este último punto es particularmente importante para aleaciones e endurecimiento estructural como las series 2XXX y 7XXX. Para estas aleaciones de aluminio, las propiedades mecánicas dependen estrechamente de su estado de precipitación, a su vez influenciado por el aporte de calor generado durante la soldadura. La optimización de los parámetros de soldadura con respecto a las propiedades mecánicas pasa necesariamente por la predicción del estado de la precipitación a lo largo de la unión soldada. El objetivo de la tesis es establecer modelos a escala de la microestructura para predecir la modificación de las propiedades del material relaciondo con los parámetros del proceso.

En esta Tesis se presenta una metodología estableciendo los criterios para la evaluación de la necesidad de arbolado en las calles, proponiendo las correspondientes directrices para la implantación de elementos en las mismas, aunque centrando los objetivos de sombreado en sus zonas peatonales. La metodología está planteada para poder ser utilizada en cualquier localización geográfica, aunque el desarrollo y la aplicación de la misma se centra en la parte oriental de la cornisa cantábrica. Se procede previamente al planteamiento de un proceso de selección de especies de arbolado, eligiéndose las adecuadas para el sombreado urbano en la cornisa cantábrica y determinando sus principales características. La metodología se basa en el desarrollo de fórmulas matemáticas para determinar las propiedades geométricas y la posición más adecuadas de los árboles a disponer en las calles en función de la orientación de las mismas, la anchura de sus zonas peatonales, y la altura de las edificaciones que la delimitan.

La construcción aeronáutica requiere de procesos de fabricación eficientes. Los materiales compuestos son utilizados de forma masiva y los procesos de fabricación deben evolucionar para solventar las limitaciones para su fabricación y para su unión. El remachado es un proceso de unión habitual para la unión de materiales compuestos en el que un remache deformable es tensionado hasta que las fuerzas de unión son suficientemente altas como para provocar la rotura de uno de los componentes del remache y asegurar de esta forma fuerzas de unión de compresión suficientemente altas. De entre los procesos de remachado, el remachado mediante remaches ciegos es una técnica eficiente de unión que permite la construcción de estructuras aeronáuticas de material compuesto accediendo a la unión desde un único lado (desde la cara vista), permitiendo así la construcción de estructuras cerradas en las que el acceso a la cara trasera (la cara ciega) no es posible. Sin embargo, la imposibilidad de acceder a la cabeza de cierre deformada del remache ciego impide llevar a cabo un control de calidad adecuado de la instalación del remache y asegurar que la deformación del remache se ha logrado en condiciones adecuadas. En el presente trabajo de investigación se desarrolla una metodología de inspección no destructiva de remaches ciegos. Se ha evaluado diferentes tecnologías potenciales (shearografía, termografía, métodos basados en respuesta en frecuencia y métodos basados en ultrasonidos) con respecto a su capacidad de llevar a cabo la inspección de remaches ciegos. Se ha identificado un método basado en ultrasonidos que es capaz de clasificar parcialmente la instalación de los remaches ciegos. Un desarrollo posterior en el que se combina el método de capacidad parcial con el monitorizado del proceso ha conllevado el desarrollo de un método con una capacidad de clasificación total y una tasa de acierto >95% en las probetas evaluadas. Adicionalmente, el método desarrollado es capaz de identificar remaches que siendo de una longitud inferior a la nominal resultan instalados en condiciones que superan un control de calidad dimensional llevado a cabo por inspectores cualificados.

Actualmente se están desarrollando tecnologías para la captación de energías renovables marinas basadas en plataformas flotantes, como las energías eólica marina, undimotriz y mareomotriz, con el fin de lograr un coste de la energía competitivo. El impacto económico del sistema de fondeo es significativo dentro del coste total de dichos despliegues y se están realizando grandes esfuerzos para optimizar los diseños. Con el fin de obtener diseños económicamente eficientes, es muy conveniente que el sistema de fondeo se considere con suficiente precisión desde las primeras etapas del desarrollo tecnológico de las tecnologías correspondientes. El análisis de los sistemas de fondeo en las primeras etapas generalmente requiere un equilibrio entre métodos rápidos de análisis y una precisión suficiente para llevar a cabo análisis de sensibilidad de múltiples variables. Aunque los enfoques más precisos se basan en el método de elementos finitos no lineales en el dominio del tiempo, éstos pueden resultar en altos costes computacionales. En la etapa preliminar de esta tesis se han analizado y comparado los enfoques numéricos más utilizados para estimar las cargas en las líneas de amarre. Se muestra que se pueden realizar análisis de optimización de fondeos para convertidores de energía de olas basados en su dinámica vertical considerando la rigidez horizontal que introduce el sistema de fondeo en la estructura flotante, siempre que las pretensiones consideradas sean leves. Asimismo, se verifica que estimaciones precisas de las tensiones de línea requieren que se tengan en cuenta las fuerzas de inercia y viscosas del fluido en dichas líneas. Posteriormente se ha desarrollado un modelo acoplado de estructura flotante y fondeo basado en el enfoque `lumped mass¿. Éste ha sido validado con resultados de ensayos experimentales en tanque de olas de una boya cilíndrica flotante amarrada a través de tres líneas en catenaria, proporcionados por TECNALIA. Se ha confirmado que las diferencias encontradas entre los resultados del modelo numérico y los del modelo físico se han producido principalmente por incertidumbre en las estimaciones de las fuerzas hidrodinámicas en la estructura flotante, en lugar de en el modelo de las líneas de fondeo, basado en el método de `lumped mass¿ que se ha verificado que es muy preciso. Asimismo, la fricción con el lecho marino influye significativamente en la tensión de las líneas con movimientos transversales, y los modelos de fricción deben seleccionarse y ajustarse cuidadosamente. Con el fin de permitir estimaciones rápidas de la tensión de la línea, se ha propuesto una linealización del modelo acoplado de estructura y fondeo y se ha desarrollado un enfoque en el dominio de la frecuencia. Se ha verificado con los correspondientes resultados del modelo en el dominio del tiempo ya validado, ambos aplicados a un convertidor de energía undimotriz flotante amarrado con tres líneas en catenaria. Los resultados obtenidos en condiciones operativas han sido satisfactorios, permitiendo a su vez el análisis modal del sistema acoplado.

Las condiciones ambientales en el espacio exterior son muy extremas. Por ello cualquier equipo que es enviado al espacio cuenta con un sistema de control térmico (TCS) cuyo propósito es mantener los distintos componentes del equipo dentro de sus intervalos admisibles de temperatura. El diseño del TCS se realiza mediante modelos térmicos matemáticos (TMMs). Uno de los requerimientos que debe cumplir, es la correlación de los resultados de los TMMs con los resultados obtenidos en los ensayos térmicos. Se entiende por correlación la correspondencia entre las predicciones obtenidas de los TMMs y las temperaturas medidas en los ensayos térmicos. En esta tesis se ha desarrollado un método innovador, basado en un algoritmo genético, que permite realizar la correlación de los TMMs de sistemas espaciales de un modo semi-automatizado. Para ello se ha desarrollado el programa GAC-TM, el cual permite realizar la correlación entre los TMMs y los resultados de los ensayos térmicos de modo semiautomático, para modelos correspondientes a casos estacionarios o transitorios. GAC-TM permite realizar la correlación simultánea de distintos casos de funcionamiento del vehículo espacial con el objeto de mejorar la calidad de los resultados. Además de los casos de validación, se han realizado algunos análisis complementarios con el objeto de profundizar en la problemática de la correlación de TMMs y en el comportamiento del algoritmo desarrollado

Se estudia el contacto conforme rueda-carril, 3D y con fricción, mediante simulaciones por ordenador con modelos numéricos, incluyendo una versión de la teoría exacta de contacto de Kalker extendida para contacto conforme desarrollada en esta tesis y modelos de Elementos finitos. Se evalúan los efectos de la conformidad en la mecánica de contacto rueda-carril, las diferencias con respecto al contacto no conforme, y la adecuación de análisis no conformes en diferentes situaciones de contacto conforme. Los modelos de contacto desarrollados se extienden para su aplicación en rodamientos. Una parte adicional de la tesis versa sobre el estudio de la dinámica vertical vehículo-vía, en la cual el contacto rueda-carril es de gran importancia. Para ello se emplean modelos integrados multicuerpo-EF en el dominio del tiempo, que incluyen una representación de la dinámica de la vía, construidos con paquetes de software comerciales para análisis de sistemas multicuerpo y de EF.

Los tratamientos de superficie basados en tecnologías de plasma ofrecen un amplio abanico de posibilidades para el desarrollo de soluciones a problemas tribológicos (fricción, desgaste, etc.). Por otra parte, la combinación del desarrollo de procesos de tratamiento y recubrimiento basados en tecnología de plasma con técnicas de estudio de las propiedades electro-tribológicas, donde además de las propiedades tribológicas se monitorizan propiedades eléctricas tales como la resistencia de contacto eléctrica, ofrece una potencialidad añadida, especialmente para i) monitorizar en línea de forma continua el estado y deterioro de las superficies en contacto; y ii) estudiar el comportamiento de los recubrimientos en aplicaciones eléctricas, p.ej. en superficies conductoras o dieléctricas en movimiento relativo. En esta línea, se han investigado en el marco de la tesis procesos de tratamiento de nitruración por plasma con rejilla activa y efecto de cátodo hueco sobre aleaciones austeníticas y martensíticas de acero inoxidable, con el objeto de lograr un mejor compromiso entre las propiedades tribológicas y de resistencia a la corrosión. En este caso, se han estudiado las propiedades electro-tribológicas como una posible técnica de monitorización de forma continua del estado de la superficie. Adicionalmente, se ha investigado el comportamiento electro-tribológico de recubrimientos conductores eléctricos y dieléctricos depositados mediante la técnica de PVD por magnetron sputtering (MS-Physical Vapour Deposition), destinados a aplicaciones eléctricas en componentes en movimiento relativo. En el primer caso, recubrimientos conductores eléctricos, se han estudiado capas de AgAl tanto en cuanto a su comportamiento tribológico como a su deterioro en condiciones de inmersión en aceite aislante, realizándose una comparativa respecto al comportamiento al aire. En el segundo, recubrimientos dieléctricos, se han estudiado recubrimientos semi-diamantinos (Dimanod Like Carbon - DLC), en distintas condiciones de humedad, estableciéndose una vinculación entre la evolución de la resistencia eléctrica de contacto, los mecanismos de deterioro tribológico de la capa, y su funcionalidad.

En el sector del Oil&Gas, debido a la gran longitud que suelen tener las tuberías de los oleoductos y gasoductos submarinos, se hace necesario fabricar las tuberías en pequeños tramos para posteriormente unirlos mediante uniones in situ. Además, esto permite abaratar los costes de fabricación ya que hace posible fabricar piezas de carácter general (tramos rectos de tubería, codos, válvulas, etcétera). Entre los diferentes tipos de uniones, las uniones atornilladas son muy utilizadas debido a su fácil desmontaje, ya que hace posible realizar tareas de mantenimiento o acoplar nuevos dispositivos a las tuberías de una manera muy sencilla. No obstante, en este tipo de uniones es necesario obtener una distribución de presiones uniforme en la junta para así evitar o al menos reducir al máximo sus fugas. Para ello, obviamente, es preciso obtener una carga uniforme en todos los tornillos de la unión. Esto no es una tarea sencilla ya que cuando un tornillo es precargado durante la secuencia de atornillado, la unión se comprime y por lo tanto la carga de los tornillos que han sido previamente precargados se reduce. Este fenómeno es conocido como interacción elástica. Debido a la pérdida de carga de los tornillos durante la secuencia de atornillado, la carga que tienen los tornillos al final de la secuencia de atornillado es diferente de la carga de apriete que se ha aplicado a los tornillos. Además, la magnitud de estas variaciones de carga depende de un gran número de parámetros cuya influencia es muy difícil de prever, como por ejemplo la geometría y el material de los componentes de la unión, el orden de apriete, el espaciado entre tornillos, etcétera. En este sentido, se hace difícil prever las cargas finales en los tornillos, y por lo tanto, también es complicado obtener una distribución de cargas uniforme en la junta al final de la secuencia de atornillado. A fin de resolver esta problemática, existen diferentes normas (ASME, NORSOK, API, entre otras) que contienen procedimientos de ensamblado para obtener la carga final uniforme deseada en los tornillos. De este modo, se obtiene una distribución uniforme de presiones en la junta, y así se consiguen reducir al máximo las fugas en la unión. Sin embargo, las secuencias propuestas en las normas son muy costosas debido a que requieren un gran número de pasadas, y cuantas más pasadas, mayor es el tiempo de ensamblado de cada unión. Además, exceptuando las últimas pasadas, la secuencia de atornillado suele seguir un orden de apriete en estrella, lo cual complica aún más el ensamblado. En consecuencia, teniendo en cuenta que el número de uniones suele ser muy elevado, el coste económico del ensamblado acaba adquiriendo una gran importancia. Respecto a las secuencias de atornillado que proponen las normas, también cabe destacar que ellas mismas advierten que solo son orientativas y por lo tanto recomiendan que cada ensamblador desarrolle sus propias secuencias de atornillado para sus productos y condiciones de trabajo en particular. Resumiendo, para ser fiables y competitivos es indispensable crear procedimientos de ensamblado propios que se adapten a los productos propios. A fin de obtener diferentes secuencias para cada unión en particular y así obtener secuencias más eficientes, en los últimos años se han desarrollado métodos que definen las llamadas secuencias optimizadas. Entre ellos, los más populares en la literatura especializada son el ¿Método de los Coeficientes de la Interacción Elástica¿ (MCIE) y el ¿Método de la Secuencia Inversa¿ (MSI). Estos métodos estudian el comportamiento de la unión durante la secuencia de atornillado para así predecir las pérdidas de carga de todos los tornillos. De este modo, se pueden calcular las cargas de apriete de cada tornillo para una carga final deseada, y obtener una carga uniforme en tan solo una o dos pasadas. Sin embargo, estos métodos de optimización tienen la desventaja de que obtener la secuencia optimizada es bastante costoso porque hay que realizar un gran número de aprietes y mediciones previas. Es por ello, que estos procesos de optimización solo resultan rentables cuando el número de uniones a ensamblar es muy elevado o cuando se trata de una aplicación bastante crítica. Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo global estudiar el proceso de optimización de secuencias de atornillado en las uniones Ring Type Joint (RTJ) de ASME con junta metálica. Estas uniones son ampliamente utilizadas en el sector del Oil&Gas por su capacidad de proporcionar un buen sellado a temperaturas y presiones internas muy elevadas, gracias a la junta metálica que va introducida en el surco que tiene mecanizado cada una de las superficies de sellado. Para definir su proceso de optimización, el primer objetivo es estudiar los dos métodos anteriormente mencionados en este tipo de uniones y así obtener sus ventajas y sus desventajas. El segundo objetivo, y también el objetivo principal de esta Tesis Doctoral, es desarrollar una nueva metodología para la optimización de secuencias de atornillado en uniones RTJ. Para finalizar con la Tesis Doctoral, el último objetivo es programar la nueva metodología desarrollada en ¿Visual Basic for Applications¿ de Microsoft Excel, para dar lugar a una aplicación de gran aplicabilidad y muy sencilla de utilizar. Para ello, la tesis Doctoral se ha dividido en varios capítulos y se ha estructurado como se expone a continuación. En primer lugar, en el Capítulo 1 se describen los antecedentes y se presentan los objetivos. Se comienza explicando la necesidad de utilizar uniones atornilladas en las líneas de tuberías destinadas al Oil&Gas, y la dificultad que supone ensamblar correctamente estas uniones debido a fenómenos muy diversos que complican obtener una distribución de cargas uniforme en los tornillos. Además, se explican las diferentes alternativas que existen hoy en día para tratar de ensamblar correctamente una unión. En este Capítulo también se presenta el tipo de unión atornillada a estudiar a lo largo de esta Tesis Doctoral. En el Capítulo 2 se presentan las herramientas de análisis utilizadas a lo largo de la Tesis Doctoral. Por un lado, se presenta un modelo multiparamétrico de Elementos Finitos desarrollado en ANSYS® Workbench, el cual tiene automatizada toda la extracción de resultados. Por otro lado, se presenta un banco experimental de la unión atornillada que ha sido fabricado y ensamblado con la ayuda de las empresas ULMA y MATZ-ERREKA. Además, se le ha implementado tecnología muy avanzada con el fin de obtener resultados muy precisos. Por último, en este Capítulo también se valida el modelo de Elementos Finitos comparando bajo diferentes situaciones de carga sus resultados con los resultados que proporciona el banco experimental. El Capítulo 3 explica en profundidad los dos métodos mencionados anteriormente para definir secuencias de atornillado óptimas: el MCIE y el MSI. Seguidamente, ambos métodos son detenidamente estudiados y validados mediante Elementos Finitos para el tipo de unión estudiado a lo largo de esta Tesis Doctoral, ya que en la literatura especializada no se encuentran estudios acerca de la optimización de secuencias de atornillado en uniones RTJ. En el Capítulo 4 se desarrolla la nueva metodología para la optimización de secuencias de atornillado en uniones RTJ, la cual se ha llamado el ¿Método Tetreparamétrico de Ensamblado¿ (TAM). En este Capítulo la metodología se desarrolla únicamente para secuencias de atornillado de una sola pasada y se valida únicamente para la geometría de unión del banco experimental. Con dicha metodología se consigue definir el comportamiento de una unión mediante tan solo cuatro coeficientes que se obtienen de un sencillo análisis; además, se demuestra que es más eficiente que los métodos anteriormente expuestos. Las validaciones se realizan tanto por Elementos Finitos como por el banco experimental. Con el fin de generar una metodología completamente aplicable en diferentes situaciones, en el Capítulo 5 se generaliza la metodología para secuencias de atornillado de múltiples pasadas. Esta generalización es de gran utilidad ya que en ocasiones, con el fin de no dañar la unión, es imprescindible reducir las cargas de apriete, lo que conlleva secuencias de atornillado de múltiples pasadas. La validación se hace nuevamente mediante Elementos Finitos y mediante el banco experimental. Por otro lado, en este mismo Capítulo también se estudia y se define el rango de aplicación de la metodología dentro de las uniones RTJ. Además, a continuación se genera una librería con los cuatro coeficientes de todas las uniones que se encuentran dentro del rango de aplicación. En el Capítulo 6 se desarrolla una aplicación programada en ¿Visual Basic for Applications¿ de Microsoft Excel, en la que se implementa el MTE generalizado y la librería con todos los coeficientes. Da lugar a una aplicación de gran interés y muy sencilla de utilizar para los usuarios, y por lo tanto fácil de implementar en una compañía del área del Oil&Gas. Para su mejor entendimiento, también se presenta un ejemplo ilustrativo paso a paso en el que se puede apreciar en detalle todo su potencial. En el Capítulo 7 se desarrolla otra metodología de optimización, pero en este caso para el estudio de secuencias optimizadas en otro tipo de uniones, que por lo tanto están fuera del rango de aplicación establecido en el Capítulo 5. Esta metodología, la cual también es mucho más eficiente que los métodos explicados en el capítulo 3, está basada en la técnica de los superelementos. En comparación con un modelo de Elementos Finitos convencional, se consigue un modelo mucho más eficiente ya que reduce el coste computacional sin tener ninguna pérdida de precisión. Para ello, mediante la técnica de los superelementos se construye una matriz de rigidez condensada a partir de una selección apropiada de los nodos principales del modelo. Así se reducen significativamente las dimensiones y el coste del problema. En el Capítulo 8, se presenta por un lado todas las conclusiones principales obtenidas a lo largo de toda la Tesis Doctoral. Por el otro lado, también se presentan las líneas de investigación que han quedado abiertas como consecuencia del trabajo de investigación realizado. Además, para concluir con el Capítulo, se listan todas las publicaciones derivadas de esta Tesis Doctoral. Por último, el apartado bibliográfico recoge las referencias citadas a lo largo de toda la Tesis Doctoral.

Esta tesis doctoral presenta el desarrollo y caracterización de una solución flexible y de bajo coste que permita la fabricación de pieles aeronáuticas de aluminio mediante mecanizado convencional. Este concepto se basa, por un lado, en la adaptación e integración de láminas de goma de nitrilo butadieno (NBR) como utillajes flexibles de vacío. Por otro lado, de cara a compensar la diferencia de tolerancia de espesor de este tipo de elementos flexibles con los requisitos de espesor demandados en la industria, se plantea la integración de diferentes elementos de monitorización que permitan la adaptación de la trayectoria de la herramienta. Así, se pretende que este sistema sea capaz de fabricar este tipo de piezas aeronáuticas esbeltas sin tener que recurrir a tecnologías de bajo rendimiento, como el fresado químico, o incurrir en grandes inversiones, como las soluciones de fresado mecánico mediante máquina de doble cabezal.

El presente documento es el resumen de los estudios realizados en el ámbito de la fabricación aditiva, mediante deposición de energía focaliza basada en láser e inyección de polvo, y en su empleo con materiales aeronáuticos, en especial aquellos altamente reactivos, como el Ti6Al4V. Uno de los principales objetivos de este trabajo es desarrollar la capacidad de trabajar con dichos materiales, mediante el uso de la tecnología DED-LB con inyección de polvo sin un entorno de vacío o recinto cerrado con atmosfera inerte. Se marcan también objetivos de optimización de dicho proceso basándose en la reducción del gas empleado y el uso de distintas mezclas de gases inertes. Se desarrolla un modelo CFD que evalúa dicha solución y se asegura su fiabilidad mediante ensayos que validan los resultados matemáticos. Se emplea dicho modelo de CFD para la optimización del diseño de la solución aportada y se caracteriza al menos un material altamente reactivo. Por último, se emplea la caracterización del material y los conocimientos desarrollados para la fabricación de unas piezas de muestra.

El objetivo del presente trabajo de tesis doctoral es el resultado del proyecto HIMMOVAL, Grant Agreement 620134, financiado por el programa Clean-Sky JU, con el objetivo de investigar nuevos métodos de fabricación para aumentar la productividad durante el mecanizado de aleaciones base níquel. Durante esta tesis, el estudio se ha enfocado en dos aproximaciones diferentes para desarrollar métodos de fabricación más productivos. La primera parte del desarrollo se ha centrado en estudiar métodos de mecanizado convencional en diferentes aleaciones. Dentro de este apartado, la tesis ha generado y desarrollado nuevo conocimiento en diferentes aleaciones base níquel (Inconel 718, Waspaloy and Haynes 282), teniendo en cuenta el efecto de los tratamientos térmicos, caracterización metalúrgica, ensayos de maquinabilidad y el efecto de diferentes estrategias de lubricación en el mecanizado y su impacto en la herramienta de corte. Aspectos considerados durante la experimentación fueron: -Diferentes estados (tratamiento envejecido y solucionado) -Tamaño de grano (grano pequeño y grano grande) -Ensayos con lubricación normal (6bar) y ensayos a alta presión (80bar): incluyendo el efecto en el desgaste de la herramienta. La segunda parte del desarrollo se ha centrado en estudiar métodos no convencionales de mecanizado. Las tecnologías exploradas durante este parte de la investigación han sido tecnologías de corte por agua y abrasivo (AWJ), corte por hilo (WEDM), corte por láser y mecanizado asistido por ultrasonidos (UVAM). La aleación seleccionada en esta parte del proyecto ha sido Inconel 718, porque es la aleación más comúnmente usada en los motores aeronaúticos. El Inconel 718 fue desarrollado para trabajar en condiciones de alta temperatura mientras mantiene sus propiedades mecánicas inalteradas. Las tecnologías no convencionales fueron utilizadas para mecanizar Inconel 718 y la superficie mecanizada fue evaluada mediante un ensayo de fátiga en 4 puntos. Además la superficie fue medida en términos de integridad superficial -Rugosidad, -Dureza, -SEM y, -Tensiones residuales, Los resultados obtenidos fueron comparados con métodos convencionales de mecanizados utilizados como línea de referencia.

El rectificado es un proceso de mecanizado por abrasión el cual suele estar situado al final del proceso de producción de las piezas. Esto quiere decir que el valor de las piezas al llegar al punto de necesitar ser rectificadas es prácticamente su valor final. Debido a que las demandas de tolerancias geométricas y de acabado superficial van en aumento, el proceso de rectificado está constantemente sumido en un proceso de investigación y desarrollo. El rectificado es un proceso ampliamente usado en industrias de gran volumen de producción como la industria de la automoción, así como otras de gran valor añadido como la aeroespacial. Tanto un tipo como el otro de industria requieren de un conocimiento tanto teórico como práctico de los procesos que se llevan a cabo en las piezas. Entre otras operaciones de rectificado, el rectificado de caras es ampliamente usado en la industria, sin embargo, el conocimiento acerca de este proceso es limitado y se trata de una operación poco documentada. Esta tesis trata sobre el análisis de las dos principales técnicas de rectificado de caras, el rectificado de caras con muelas angulares y con muelas rectas. El análisis de cada una de las dos técnicas se ha enfocado en primer lugar en un estudio de la cinemática, así como de los efectos termo-mecánicos de cada una de ellas. Para ello se han desarrollado modelos cinemáticos basados en los mecanismos locales de arranque, esto es, analizando en detalle lo que ocurre en cada punto del área de contacto. Además, se han usado modelos térmicos los cuales han permitido estudiar el efecto de las condiciones de rectificado en cada punto del área, así como los efectos a un nivel más global como pueden ser el de la refrigeración sobre la pieza completa o el posible efecto de realimentación térmica. Con el objetivo de validar las hipótesis planteadas por estos modelos, se han hecho pruebas de rectificado de caras usando ambas técnicas en un amplio rango de condiciones. De esta forma se ha conseguido establecer el comportamiento energético en base a la agresividad, así como de la influencia de las condiciones sobre el desgaste progresivo de la muela. También se ha estudiado la influencia de los parámetros de rectificado en el dañado térmico estableciendo una relación entre la temperatura límite de quemado y el tiempo de contacto para cada una de las técnicas. Vista la importancia de la medición de temperaturas para la correcta caracterización del comportamiento térmico a la hora de modelizar un proceso de rectificado, se ha propuesto un diseño de un medidor de temperaturas específicamente pensado para operaciones de rectificado de caras. La tecnología de los pirómetros de dos colores que se ha usado permite la medición de temperaturas casi instantánea sin la dependencia de la emisividad del material por lo que la precisión es mucho mayor respecto de otros sistemas de medición

El objetivo de esta tesis es la fabricación de componentes metálicos mediante fabricación aditiva láser DED en la máquina híbrida multiprocesos IBARMIA ZVH45/1600 Add+Process. El material central de esta tesis es una aleación base níquel químicamente equivalente al Inconel®718. Sin embargo, los resultados obtenidos no son solo aplicables a este material. La optimización del proceso se ha basado inicialmente en una sucesión de estudios experimentales con el fin de conocer mejor el proceso, caracterizarlo y obtener una ventana de parámetros en función de la estructura y características geométricas del material aportado. Los resultados obtenidos en el estudio experimental del proceso de aporte han servido para desarrollar un modelo geométrico que permite predecir las características geométricas de los recubrimientos y de estructuras multicapa a través de las características del cordón simple. Por último, se ha desarrollado la estrategia de aporte multicapa basándose en la información aportada por el modelo geométrico. Para validarla, se ha utilizado un algoritmo desarrollado mediante el lenguaje de programación Python y se han fabricado varios componentes multicapa de geometría compleja. Los desarrollos realizados a lo largo de esta tesis se han validado a través de la fabricación de una sección basada en la carcasa de una turbina de baja presión.

Esta tesis nace en el contexto de afrontar uno de los grandes retos de la sociedad de reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera, con especial enfoque en el sector del transporte. Uno de los más importantes focos de investigación para reducir el consumo de combustible, por ende, las emisiones, está puesto en el aligeramiento de los materiales estructurales de los vehículos con nuevos materiales de menor densidad y mejores prestaciones. En la presente se han investigado seis nuevas aleaciones multicomponente de baja densidad, de alta dureza y resistencia que pueden aplicarse en el sector del transporte para su aligeramiento, basadas en el concepto de aleaciones de alta entropía propuesto en el año 2004. Las seis aleaciones investigadas muestran una microestructura multifase, compuesta de varios compuestos intermetálicos. En los que a las propiedades tribológicas de las aleaciones se refiere, todas las aleaciones investigadas han obtenido una tasa de desgaste mucho menor que la de la aleación comercial empleada como referencia AlSi10Mg. Además, todas las aleaciones han obtenido una tasa de desgaste menor que la segunda aleación comercial empleada como referencia AlSi9Cu3, excepto la aleación Al85Cu5Si5Zn5. De los resultados obtenidos en los ensayos mecánicos estáticos, se ha seleccionado la aleación que ha presentado mejor balance de propiedades para su estudio a fatiga axial. Los resultados obtenidos del ajuste de los datos experimentales de la aleación Al85Cu5Si5Zn5 en los diagramas de Haigh se ajustan al típico patrón de los materiales frágiles.

El principal objetivo de esta tesis es desarrollar una metodología robusta de monitorización y control del proceso de aporte, Laser Metal Deposition (LMD), que permita reducir el tiempo y coste de fabricación y aumente la calidad de las piezas fabricadas. Con este propósito, se plantea el desarrollo de una metodología de medición y corrección geométrica durante el proceso. El proceso LMD cuenta con numerosos parámetros, tanto de entrada como de proceso, que influyen en el resultado de la pieza fabricada, lo que lo convierte en un proceso complejo. En ocasiones, la elección de los parámetros de entrada óptimos es el resultado de una serie de ensayos de prueba y error o de un gran número de ensayos basados en un diseño de experimentos. Sin embargo, la gran sensibilidad de las condiciones de fabricación ante pequeñas variaciones en los parámetros de entrada puede provocar que estos ensayos se alarguen en exceso, o incluso que las condiciones supuestas como adecuadas como resultado de una experimentación previa sobre una geometría simplificada no sean apropiadas en el aporte de la pieza definitiva. Por esta razón la monitorización y el control del proceso es un aspecto necesario para garantizar la fabricabilidad y calidad las piezas fabricadas. A la vista del estado del arte presentado en la tesis, se destaca la necesidad de desarrollar nuevos controles in-situ para controlar el proceso en lazo cerrado y detectar discontinuidades en el material aportado. Esto es debido a que, aunque los módulos de monitorización ya se incorporen en la mayoría de las máquinas de fabricación aditiva comerciales, en muchos casos se trata de medidas off-line en las que la información se almacena para un posterior análisis. Es importante introducir técnicas que permitan dar robustez al proceso LMD y llegar a construir piezas fiables para su implementación en la industria. Por otro lado, las correcciones de los parámetros que afectan el resultado final deben hacerse en el momento que se está aportando material, para garantizar la integridad estructural y dimensional de los productos terminados, por lo que la monitorización y control del proceso juega un papel fundamental. Este trabajo se ha enfocado en la monitorización geométrica del proceso, por ser un aspecto menos desarrollado que la monitorización térmica. Para ello, se ha desarrollado una metodología de digitalización basada en la proyección de luz estructurada y de corrección de la altura de aporte de la pieza de forma robusta, simple e independiente de la dirección de aporte, para así aumentar la estabilidad del proceso. Algunos de los aspectos tratados son la detección y corrección de las desviaciones de altura, el control de la geometría aportada en el propio sistema de fabricación, la detección de las inestabilidades en el aporte o la minimización de la aparición de defectos internos. La metodología desarrollada ha sido validada tanto en el proceso LMD con aporte de polvo como de hilo metálico. Las piezas fabricadas han sido digitalizadas mediante la incorporación de escáneres de medida tridimensional en el entorno de fabricación, para posteriormente aplicar variaciones sobre los parámetros de entrada del proceso, como la altura de capa, el ajuste de la posición del robot al crecimiento real de la pieza o la variación de la tasa de aporte de material en función de la altura local en cada zona de la pieza. Por último, tanto la medida de las piezas como las correcciones han sido introducidas de manera automática durante el proceso, haciendo uso de un protocolo de comunicación entre el sistema de fabricación y una aplicación informática desarrollada, garantizando así el adecuado ritmo de producción.

El objetivo de este trabajo es desarrollar un dispositivo para entrenar el equilibrio y movimiento del tronco durante la etapa temprana de rehabilitación en pacientes que han sufrido un ictus. Este dispositivo se encuentra acoplado a un bipedestador y se basa en un manipulador continuo paralelo donde una mochila es desplazada por cuatro brazos flexibles accionados por motores rotativos, logrando la traslación y rotación requerida en el tronco para realizar un ejercicio determinado. Después de medir los requisitos cinemáticos, se ha desarrollado un modelo del mecanismo para diseñar el sistema. Se ha construido el prototipo y se ha realizado una validación experimental preliminar donde la mochila realiza una rotación alrededor del eje anteroposterior, medio lateral y longitudinal.

El desarrollo de los países está generando una serie de problemas a nivel mundial que están provocando cambios en el clima, que en la mayoría de los casos afectan en gran medida a las familias con menores recursos. De igual forma, la sobrepoblación mundial y el crecimiento de los entornos urbanos, ha generado el desarrollo de las ciudades que han crecido tanto en extensión (esto para las casas de una planta), como en altura (para los edificios de varias plantas), donde en este último caso el objetivo primordial es aprovechar al máximo el espacio y los recursos disponibles. Por otro lado, la población mundial reclama en su medida unos niveles de confort mínimo en las edificaciones. Ello está incrementando el consumo energético mundial y a su vez produciendo fenómenos adversos asociados al cambio climático. En países de clima cálido y húmedo, como es el caso de la República Dominicana, donde los efectos de sobrecalentamiento interior y de sobre-humectación afectan directamente el confort de las viviendas, además de estar ubicada en zonas altamente sísmicas, y con una permanente incidencia de huracanes, tormentas tropicales, caracterizadas por fuertes vientos y lluvias torrenciales, se requiere que las edificaciones posean estructuras constructivas resistentes a dichos fenómenos atmosféricos. Lograr que estas edificaciones también cumplan con los estándares de confort interior establecidos por las normativas internacionales, sin el uso exclusivo de sistemas mecánicos de climatización, es uno de los propósitos principales a alcanzar en el desarrollo de esta investigación, ya que la mayoría de la población de este país, no posee los recursos económicos para poder utilizar dichos sistemas de climatización. El objetivo final de esta investigación, se centra en el análisis de las condiciones de confort en las viviendas de la República Dominicana. Más concretamente, se han analizado las edificaciones residenciales de los dos grupos predominantes del parque inmobiliario del país, que en la actualidad, se encuentran en continuo crecimiento (Caso 1: Vivienda unifamiliar de una planta y Caso 2: Edificación Multiplantas de 4 niveles). La metodología seguida ha analizado dos edificios de referencia, con su sistema constructivo tradicional, buscando la mejor orientación del edificio, el uso de diferentes alternativas de elementos de sombreamiento, y la mejora de la envolvente del edificio, mediante el uso de materiales no tradicionales en la construcción del país, en la búsqueda de las técnicas que mejoren el confort interior con consumos de energía casi nulos. Para analizar las diferentes alternativas planteadas, se ha medido el confort térmico en el interior del edificio, según la ASHRAE 55. Se ha planteado un conjunto de 57 configuraciones distintas entre sí, que se han analizado con el software de simulación energética de edificios DesignBuilder, contemplado únicamente medidas pasivas (esto es que no consuman energía), para poder favorecer su aplicación incluso en familias con bajos recursos económicos. El trabajo muestra las alternativas analizadas, los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas, con significativas mejoras en el confort y un análisis de la repercusión económica de los cambios realizados en el precio final de la vivienda

Durante esta tesis se ha desarrollado: 1. Un modelo analítico del proceso de revestimiento por láser para la aleación Inconel 718, tomando en cuenta las propiedades dependientes de la temperatura y aplicable a otros materiales metálicos (AISI 316L ...). 2. Un modelo analítico de cristalización de granos (para modelizar la transición equiaxial-columnar), basado en datos experimentales de mapas de solidificación, así como una metodología para determinar todas las constantes necesarias para este modelo analítico. El modelo se desarrollado para la aleación Inconel 718 y es aplicable a otros materiales metálicos. Se ha validado este modelo aplicándolo una metodología que se ha desarrollado para la reutilización de polvo metálico del proceso de revestimiento por láser. 3. Una metodología completa para la caracterización del material aportado por revestimiento por láser a través de una propuesta de diseño de probetas recubiertas, además de las técnicas necesarias para interpretar los datos de los ensayos y obtener las propiedades mecánicas tanto a nivel estático, como de las propiedades de fatiga entre material base y el obtenidos por revestimiento láser. 4. Una metodología para la modelización y optimización de parámetros del proceso de revestimiento por láser en cordones simples y en configuración multicordón/multicapa por medio de Diseño de Experimentos y con el uso de Regresión Múltiple Linear. 5. Se ha modelizado las propiedades mecánicas a nivel estático para la aleación Inconel 718 en material aportado por el proceso de revestimiento por láser a través del uso de teoría fractal y por medio de descriptores estadísticos de la geometría de grano de la microestructura, además de obtener los factores modificadores láser de resistencia a la fatiga a vida infinita (2*106 ciclos), para las probetas con recubrimientos de Laser Cladding.

En el método planteado se tienen en cuenta los machos de corte mejores para roscar fundiciones de alta resistencia Austempered Ductile Iron (ADI) en condiciones industriales, en geometría, tipo de recubrimiento PVD y preparaciones superficiales del filo de corte. Se analizan los factores de la máquina fresadora que intervienen al roscar como son el montaje de la herramienta, la sincronización del movimiento del cabezal y la cinemática. También se tienen en cuenta las propiedades y caracterización de las fundiciones ADI, para comprender su maquinabilidad. Se aborda el conjunto de factores que intervienen, la herramienta, el proceso y el material a roscar.

El trabajo presentado se centra en la definición de un método para establecer condiciones óptimas del mecanizado de aleaciones de baja maquinabilidad atendiendo a consideraciones de integridad y productividad. Se podría pensar que en 2022 queda poco por inventar o avanzar en el campo del mecanizado, pero en realidad sigue siendo una tecnología que permite obtener buen acabado, precisión e integridad superficial en los componentes fabricados a un coste asumible por el mercado. El desarrollo de nuevos materiales, recubrimientos y geometrías de corte es continua y como consecuencia de ello los fabricantes de herramientas lanzan al mercado nuevas herramientas periódicamente. Evaluar de manera sistemática a vida todas las herramientas es inabordable, por lo que disponer de un método que permita identificar la herramienta y las condiciones óptimas de aplicación resulta de gran interés desde el punto de vista productivo. Este trabajo se estable un método inductivo de filtrado en cascada para la optimización de procesos de mecanizado que ha sido aplicado a dos materiales de baja maquinabilidad como son el Inconel 718 y la fundición ADI 1000. En ambos materiales se optimizan procesos de torneado y fresado de aplicación industrial. Otros de los objetivos del método es la generación de conocimiento a partir de los resultados experimentales, para ello es clave un adecuado diseño de experimentos. El conocimiento generado redunda en la identificación de los factores que aumentan el rendimiento de la herramienta y en la aplicación de nuevos métodos de evaluación de los resultados experimentales. En resumen: el mecanizado es un gran mercado, una tecnología clásica pero a su vez en evolución, el noble arte de trabajar metales sigue siendo en 2022 una mezcla de ciencia aplicada, buen saber hacer y experiencia. Entre tanta oferta los métodos clásicos de mejora de maquinabilidad ofrecen un sustrato de conocimiento, pero para los retos de la industria de nuestro entorno han quedado superados. Evolución continua implica saltos de gran magnitud cada década. Cuando hay tantas soluciones en el mercado solo caben dos caminos: o se sabe todo, o se tiene un método de trabajo. Esta tesis apuesta por lo segundo. Por muchos datos que se tengan, por mucha integración digital, el que arranca material sigue siendo una herramienta de corte dura, y el material sigue siendo en general una aleación metálica. Y no hay modelo de red neural ni otra herramienta digital que elimine este hecho.

Due to the competition of funding among different sectors of the economy and society, Pavement Management Systems (PMS) have become necessary for road agencies to design more cost-effective and longer lasting pavements and to better allocate available funds. Within the PMS, the performance models are a key factor, as they are able to predict the future condition of the pavements. The Regional Government of Biscay (RGB) manages and is responsible of almost the entire interurban road network in the territory of Biscay, making a total of more than 1.300 km under its control. Aiming to efficiently manage its resources, the RGB has developed a PMS, where all the information about roads is stored. The aim of this PhD thesis is to develop performance models for the International Roughness Index (IRI) and the Side-force coefficient to predict the future condition of the road network of Biscay. IRI models are developed for new two-lane roads with flexible and semi-rigid pavements. The proposed models for forecasting skid resistance can be deployed in any type of road, two-lane roads or double carriageway roads and for all the usual materials in surface layers. ----- Debido a la competencia por la obtención de fondos de los diferentes sectores de la economía y de la sociedad, los Sistemas de Gestión de Firmes (SGF) se han convertido en necesarios para las administraciones viarias para conseguir unos pavimentos más eficientes con respecto a su coste y con mayor duración y asignar mejor los fondos disponibles en actuaciones. Dentro de los SGF, los modelos de comportamiento son un factor clave, dado que son capaces de predecir el estado futuro de los pavimentos. La Diputación Foral de Bizkaia (DFB) gestiona y es responsable de la mayoría de las carreteras interurbanas que discurren por el territorio histórico de Bizkaia, teniendo bajo su control directo más de 1.300 km de carreteras. Para una más eficiente gestión de sus recursos, la DFB ha desarrollado un SGF, donde se encuentra almacenada toda la información relativa a las carreteras. El objetivo de esta tesis es desarrollar unos modelos de comportamiento para el International Roughness Index (IRI) y el Coeficiente de Rozamiento Transversal (CRT) para predecir el estado futuro de la red viaria de Bizkaia. Los modelos de IRI se desarrollan para nuevas carreteras convencionales de dos carriles con firmes flexibles y semirrígidos. El modelo desarrollado para el CRT puede ser utilizado en cualquier tipo de carretera, convencional o de calzadas separadas y todos los materiales habituales en la capa de rodadura. ---- Ekonomiaren eta gizartearen hainbat sektoreren arteko finantzaketa lortzeko lehia dela eta, Bide-zoruak Kudeatzeko Sistemak (BKS) beharrezko bihurtu dira bide-administraziorako luzeago irauten duten eta kostu eraginkorragoko bide-zoruak diseinatzeko eta dauden funtsak hobeto esleitzeko. BKSen barruan, portaera modeloak oinarrizko faktore bat dira, bide-zoruaren etorkizuneko egoera iragartzeko gai direlako. Bizkaiko Foru Aldundiak (BFA) Bizkaiko lurraldeko hiri arteko ia errepide-sarea osoa kudeatzen du eta horren arduraduna da. Beraz, 1.300 km baino gehiago daude bere kontrolpean. Bere baliabideak hobeto kudeatu nahian, BFAk garatu du BKS bat, non errepideei buruzko datu guztiak biltzen diren. Tesi honen helburua International Roughness Index (IRI) eta zeharkako marruskadura koefizienterako portaera-modeloak garatzea da. IRI modeloak garatu dira errepide konbentzional (bi erreiko errepideak) berrietarako, bide-zoru malgu eta erdi-zurrunekin. Labainketarekiko erresistentziarako proposatutako modeloa edozein errepide motarako erabil daiteke, errepide konbentzionaletan edo galtzada bananduko errepideetan eta normalean erabiltzen diren errodadura geruzako materialerako.

El objetivo principal de la presente tesis doctoral es analizar la fractura interlaminar en modo I de laminados compuestos. Se ha realizado un análisis del ensayo DCB y de los métodos de reducción de datos. En este trabajo se propone un método para la determinación de la longitud de grieta basado en la comparación de la flexibilidad experimental y la calculada analíticamente. El resultado incluye la flexibilidad del sistema y permite obtener la curva de resistencia del material utilizando los datos de carga y desplazamiento proporcionados por la máquina de ensayos. Se ha estudiado la influencia que tienen en el ensayo de laminados angulares tanto las tensiones residuales como los fenómenos de acoplamiento. En todos los casos se han obtenido expresiones analíticas de la tasa de liberación de energía que incluyen los efectos estudiados. Los modelos analíticos que se proponen están basados en la energía complementaria de una viga laminada. Los resultados experimentales muestran una buena concordancia cuando se comparan con el método de las áreas

El objeto de este trabajo es desarrollar una metodología integral de diseño mecatrónico de mecanismos paralelos tipo compliant, es decir, cuyo movimiento se consigue gracias a la deformación de determinados puntos del mecanismo y no por el uso de juntas cinemáticas tradicionales. Dicho procedimiento aborda el estudio cinemático, y dinámico de los mecanismos, el diseño estructural de las juntas y el conjunto del mecanismo, así como el diseño mecatrónico. La metodología ha sido aplicada al desarrollo de un prototipo basado en una cinemática compliant 3PRS cuyo fin es servir de etapa de posicionamiento para una máquina de microfresado de lentes.

This Thesis focuses on the conception and design of joints to be used in reconfigurable parallel manipulators. A set of different joint designs was proposed and subjected to characteristics analysis in order to select the ones that provide better qualities. From the comparison among the various designs, it has been shown that two of them present such potential benefits as big workspace area, high load capacity and accuracy, small inertia forces, simplicity of manufacturing, and small dimensions. Therefore, these two joints were selected for further study, performing an in-depth analysis of their application as reconfigurable joints. Their kinematics and structural analysis have been carried out. The joints¿ reconfiguration ability and performance were tested by application of the joint prototypes in haptic device that controlled a 2-RFR planar ultraflexible parallel manipulator. The haptic device was equipped with a force feedback system that was intended to help indicating the singular areas of the workspace in which the control of the manipulator can be lost. Both joint designs were tested by a group of operators that was asked to perform several testing tasks. The results of the test demonstrate that the proposed joint designs are suitable for implementing them as haptic device and presenting the ability of joint reconfiguration. They provide reliable operation and control simplicity. After thorough analysis of the experimental results, the most beneficial joint design and the most appropriate control mode for it were determined. After adapting this design to conventional manufacturing technologies, the joint could be tested in a commercially available manipulator.

Cuestiones ambientales como el calentamiento global, el agotamiento de los recursos naturales, la contaminación del agua, el aire y el suelo, la generación de enormes cantidades de residuos y subproductos, y las consecuencias ambientales de su eliminación; son algunos de los grandes desafíos a los que se enfrenta la civilización actual. Cada uno de estos problemas repercute considerablemente en el desarrollo futuro de la humanidad, por lo cual, se deben abordar urgentemente y de una manera eficaz y sostenible. La industria del hormigón tiene una gran implicación en las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GHG, por sus siglas en inglés, Greenhouse Gases), ya que es el material más consumido en el sector, siendo la fabricación del cemento Portland, la que aporta en mayor medida, debido a que requiere la extracción y procesamiento de una importante cantidad de materia prima y el proceso en general consume una gran cantidad de energía. Adicionalmente, la extracción y procesamiento del árido para la fabricación del hormigón también colabora, aunque en menor medida que el cemento, a las emisiones totales generadas por la industria del hormigón. En este contexto, el uso de subproductos industriales ha demostrado ser una alternativa viable para abordar el desafío de reducir el impacto ambiental del hormigón. Sin embargo, se requieren políticas sostenibles que permitan, la sustitución total o parcial del cemento o áridos del hormigón, por adiciones disponibles localmente, preferentemente materiales de desecho o subproductos; cuyo uso permita mejorar las propiedades del material, cumplir con los requisitos mínimos de los estándares actuales y reducir los costes asociados. Por otra parte, las técnicas constructivas y materiales utilizados en la envolvente de los edificios se encuentran en constante evolución. Este fenómeno, ha sido provocado por las mayores exigencias de las normativas actuales, tal es el caso de la normativa española Documento Básico de Ahorro de energía (DB-HE) del Código Técnico de la Edificación (CTE), la cual está en constante renovación. Es por ello que, actualmente existe un interés creciente en desarrollar nuevos materiales de construcción sostenibles para la envolvente de los edificios, con propiedades térmicas óptimas. Sin embargo, este no ha sido el caso de los bloques de hormigón, que a pesar de que continúan siendo ampliamente utilizados, aún se fabrican con propiedades térmicas ineficientes y con un enfoque insostenible. Es bien sabido que, el desarrollo sostenible enmarca tanto el aspecto ambiental, como los aspectos económico y social. Con lo cual, para lograr que la producción de bloques sea sostenible, se requiere adoptar un enfoque multidisciplinar, que cubra dichos aspectos. Este es el caso de la reutilización de subproductos, los cuales a su vez, puedan optimizar las propiedades térmicas de estos elementos prefabricados. Con este enfoque, se obtendría un menor impacto ambiental en la producción de bloques, se generaría un ahorro económico tanto para las empresas de prefabricados de bloques, como para las empresas que generan los subproductos, ya que por un lado se ahorraría en material, y por otro, se ahorraría en el canon de vertido. Por otra parte, se obtendría un beneficio social debido al mayor confort térmico en las viviendas, oficinas, locales y demás inmuebles donde se empleen, lo cual a su vez, reduciría los costes asociados al consumo de energía. Anualmente, se obtienen grandes cantidades de virutas, cenizas de madera y lodos de cal como subproductos de la industria de la madera. Las virutas resultan del aserrado de madera para la fabricación de muebles y productos de madera, las cenizas de madera son un residuo, generado en las instalaciones de biomasa, después de la combustión de madera y los lodos de cal, se obtienen durante la conversión de la madera en fibras de celulosa pura a través del proceso kraft, siendo este subproducto un residuo sólido generado en una reacción de caustificación, en el proceso de reciclado de álcali de la fabricación de papel. Según el Catálogo Europeo de Residuos estos tres subproductos industriales no presentan sustancias peligrosas y están clasificados como residuos no peligrosos. Por lo tanto, esta investigación busca reutilizar dichos subproductos para el desarrollo de bloques de hormigón más sostenibles y con mejores propiedades térmicas, para el sector de la edificación. Con ello, se conseguiría reducir el consumo de materias primas, valorizar los subproductos y reducir la ocupación de los vertederos. La parte experimental comprendió tres etapas: el análisis de las propiedades de los subproductos, la fabricación y análisis del comportamiento de diferentes tipos de hormigones, y la fabricación y análisis del comportamiento de diferentes tipos de bloques. A continuación se describen estas tres etapas en mayor detalle. La primera etapa, consistió en la caracterización por medio del análisis de las propiedades físicas, químicas y mineralógicas de las virutas, las cenizas de madera y los lodos de cal. Con ello, se buscaba conocer sus propiedades e identificar la presencia de componentes peligrosos, que no fuesen adecuados para el hormigón. Una vez analizados las virutas, las cenizas de madera y los lodos de cal, se decidió realizar un estudio sobre el efecto de la incorporación de estos subproductos en las propiedades del hormigón, cuyos resultados ayudarían a decidir si sería viable realizar un estudio posterior sobre el uso de los subproductos en bloques, con que porcentajes trabajar para optimizar las propiedades de los bloques y si sería beneficioso la incorporación de estos de manera combinada. Cabe destacar que, los resultados de las propiedades térmicas y mecánicas influyeron en gran medida en la selección de los porcentajes óptimos. Así pues, la segunda etapa experimental, incluye la definición de las proporciones empleadas para la elaboración de 10 tipos de mezclas, las cuales fueron definidas a través de un estudio exhaustivo de las investigaciones previas y de las recomendaciones de una empresa de prefabricados de bloques. De las 10 mezclas de hormigón, se realizó una mezcla de referencia sin subproductos, 3 mezclas en las que el árido fino se sustituyó por virutas, en cantidades del 5, 10 y 20% en volumen; otras 3 mezclas en las que el cemento se sustituyó por cenizas de madera en cantidades de 5, 10 y 15% en volumen; y, finalmente, otras 3 mezclas en las que el cemento se sustituyó por lodos de cal en cantidades del 5, 10 y 15% en volumen. En esta etapa se evaluaron las propiedades físicas, mecánicas y térmicas de los distintos tipos de hormigón. En la tercera etapa experimental se buscó industrializar el estudio, para ello, se extrapolaron los resultados obtenidos de una escala de laboratorio a una escala real. Con lo cual, se decidió fabricar tres series de bloques con diferentes dosificaciones, un tipo en el cual el 5% del árido fino se sustituyó por virutas, este porcentaje se escogió debido a que su adición mejoró significativa la densidad y las propiedades térmicas del hormigón, sin reducir drásticamente su resistencia a compresión. Un segundo tipo, en el cual el 5% del árido fino se sustituyó por virutas y el 15% del cemento se sustituyó por lodos de cal, con la adición de este último, se buscaba contrarrestar el efecto negativo de las virutas sobre las propiedades mecánicas, y a su vez mantener las mejoras térmicas que aporta la madera a los bloques. Para este segundo tipo, la adición de virutas fue también en porcentajes bajos, debido a lo señalado anteriormente, mientras que, para los lodos de cal se empleó un porcentaje mayor, a fin de obtener bloques más sostenible. Finalmente, se fabricó un tercer tipo sin subproductos, que se empleó de referencia. En cuanto a las cenizas de madera, se decidió no continuar estudiándolas debido a que no se obtuvo en la primera etapa una mejora significativa en las propiedades del hormigón. Así pues, en esta segunda etapa, se caracterizaron las propiedades morfológicas, físicas, mecánicas, acústicas, radiativas y térmicas de los bloques. Por otra parte, se realizó un análisis térmico-numérico en dos dimensiones (2-D) de muros de bloques, mediante el método de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés Finite Element Method), empleando el software ANSYS. Los resultados se compararon con los obtenidos en el ensayo experimental, con el propósito de validar el procedimiento del análisis numérico. Asimismo, se evaluó como vía alternativa, el comportamiento térmico de muros con bloques huecos rellenos de aislamiento térmico. Adicionalmente, se llevó a cabo un Análisis del Ciclo de Vida (LCA, por sus siglas en inglés, Life Cycle Assessment) de los bloques con y sin subproductos, a fin de analizar los beneficios medioambientales que conllevaría la incorporación de subproductos en los bloques. El LCA se realizó de acuerdo con lo establecido en la norma EN-ISO 14040, utilizando la herramienta de software Eco-it. El alcance de este análisis es de la ¿cuna al sitio¿ ("cradle-to-site"). Posteriormente, se calcularon y analizaron los beneficios económicos que obtendrían las empresas de prefabricados de bloques y las empresas que generan los subproductos, al adicionar dichos subproductos a la mezcla de los bloques. Con base a los resultados se puede concluir que la sustitución parcial del árido fino por las virutas y del cemento por los lodos de cal en la mezcla, es una vía alternativa para obtener bloques más respetuosos con el medio ambiente y a su vez con mejores propiedades térmicas. Finalmente, se puede decir que los ensayos y análisis presentados en este documento constituyen el primer paso y servirán de base en la investigación sobre virutas, ya sea incorporado en los bloques de manera individual o en combinación con los lodos de cal.

Los rotores de álabes integrados consisten en discos rotativos con álabes fabricados en una sola pieza, los cuales están siendo cada vez más utilizados en los motores aeronáuticos debido a sus ventajas en cuanto a fiabilidad, reducción del peso, eficiencia y reducción de ruido. Estos componentes plantean uno de los problemas más difíciles desde el punto de vista del mecanizador, ya que se combinan tres factores críticos: 1) el fresado de superficies complejas en 5 ejes continuos, 2) materiales de baja maquinabilidad que generan grandes fuerzas de corte y altas temperaturas durante el mecanizado y, por último, 3) presencia de paredes delgadas y estructuras poco rígidas que son propensas a deformarse o vibrar durante el mecanizado. En este trabajo se define una metodología fiable de diseño y verificación de operaciones de fresado en cinco ejes de IBR-s. En una primera fase experimental de fabricación de geometrías de impeller y blisk, se han estudiado y analizado los diferentes tipos de operaciones de desbaste y acabado, así como las herramientas de geometría tradicional y las de nuevo diseño. En concreto, existe gran interés en introducir las nuevas geometrías de fresa de barril en el sector aeronáutico en operaciones de semiacabado y acabado de álabes. El elevado radio de curvatura del contorno permite reducir el número de pasadas, y por lo tanto el tiempo de mecanizado, sin aumentar el tamaño de la herramienta. Para completar la metodología propuesta se han desarrollado herramientas predictivas de la topografía y rugosidad superficial de la pieza, y de las fuerzas de corte del proceso. Por un lado, se ha validado un modelo de predicción basado en la substracción de sólidos, para operaciones de fresado periférico con fresa cilíndrica considerando la flexión estática de la pared. Por otro lado, se han desarrollado dos modelos enfocados a las operaciones de cinco ejes con fresas de barril. El primero de ellos permite simular la topografía y rugosidad teniendo en cuenta el runout de la herramienta y la orientación de la fresa. El segundo modelo propuesto predice las fuerzas de corte en mecanizados utilizando fresas de barril, para condiciones de corte estacionarias y en las que no se producen deflexión de pieza o herramienta.

Esta tesis presenta el desarrollo de dos métodos de fatiga multiaxial basados en un modelo físico formulado a partir de consideraciones energéticas, siendo su ámbito de aplicación la fatiga de altos ciclos (HCF). El documento contiene una amplia bibliográfica y experimental sobre la Fatiga Multiaxial, incluyendo los principales métodos y ensayos recogidos en la literatura. La principal conclusión que se extrae de esta revisión histórica es que los efectos que más influyen en la fatiga multiaxial son el efecto de las tensiones medias axiales y de torsión. Se ha realizado una campaña de ensayos sobre el acero 34CrNiMo6 incluyendo ensayos estáticos, ensayos de fatiga por flexión rotativa, ensayos de fatiga axial y ensayos de fatiga por torsión. Estos últimos se realizaron en Burdeos en 2016, durante la estancia internacional de un año del doctorando en la École Nationale Superieure d'Arts et Métiers. Teniendo en cuenta los resultados experimentales de las pruebas de torsión, se pudo observar que éstas seguían con precisión un equilibrio energético entre la energía de distorsión estática y la energía de distorsión elástica alterna. Para obtener una mejor correlación experimental, se han desarrollado dos métodos: el primero combina las virtudes de dos de los métodos de invariantes de tensión más exitosos, a saber, los de Crossland y Marin, y se publicó en el International Journal of Fatigue en abril de 2018. Adicionalmente, se ha desarrollado un método totalmente energético que utiliza la energía elástica del cambio de volumen (hidrostática) como mecanismo para modelizar la ruptura de la simetría en el diagrama axial de Haigh, obteniendo una mejor correlación experimental que los métodos existentes ante tensiones medias axiales y de torsión para materiales dúctiles.

El objetivo de este trabajo de investigación es proponer nuevas técnicas para reducir los problemas limitantes de las operaciones de mandrinado: la evacuación de viruta y las vibraciones autoexcitadas. Como herramienta para el desarrollo de soluciones, se ha llevado a cabo un modelado dinámico del proceso de mandrinado, compuesto por un modelo dinámico de barras y un modelo mecatrónico. Por una parte, el modelo de barras tiene en cuenta la rigidez y el amortiguamiento del amarre, lo que permite una estimación precisa de su comportamiento dinámico. Por otro lado, se ha desarrollado un modelo mecatrónico que permite simular la estabilidad del proceso en el dominio temporal, incluyendo las técnicas de rotura de viruta y los actuadores inerciales. El problema de la rotura de viruta se ha abordado mediante la técnica del mecanizado asistido por modulación (MAM), desarrollando un algoritmo automático que selecciona los parámetros óptimos para su aplicación en operaciones de mandrinado pesado. Además de ello, se han estudiado varias técnicas para suprimir las vibraciones autoexcitadas en operaciones de mandrinado. Por un lado, se propone el acoplamiento modal entre los modos de la barra de mandrinar y de la máquina para los casos de esbeltez intermedia. Por otro lado, las soluciones activas permiten cubrir un mayor rango de esbeltez, por lo que se ha diseñado un nuevo actuador basado en fuerzas de reluctancia. Finalmente, se ha realizado una comparación estricta entre el amortiguamiento proporcionado por medio del dispositivos activos y el que proviene de los sistemas de guiado.

This research work is focused on the study of the application of the Laser Metal Deposition (LMD) technology to hot stamping. In this process, high-added-value components are used, such as stamping tools, whose repair or localised coating can be of great industrial interest. In addition, the great flexibility of additive technologies also opens doors to new designs of traditional components, which can be an innovation towards the manufacture of new parts, with all that this implies. Throughout this work, several topics have been dealt with, ranging from the characterization of materials for their correct deposition to their application in the generation of coatings or geometries. In addition, thermal and mechanical analyses have been performed in order to determine the capabilities and potential benefits that the use of LMD can offer compared to conventional manufacturing techniques. The final aim of this work is to demonstrate the feasibility of the LMD process as a new manufacturing approach applicable to the die and mould industry, overcoming the challenges and fulfilling the requirements inherent to this sector.

El objetivo de esta tesis es el análisis v caracterización del comportamiento mecánico del material técnico Polisulfuro de polifenileno (PPS) impreso mediante la tecnoloeía "Fused Deposition Modeling" FDM ara dis ner de una uía de diseño e simulación numérica de iezas funcionales im resas en PPS teniendo en cuenta el carácter anisótro e esentan las iezas una im resas. Los resultados obtenidos se han verificado a través de experimentales contrastando dichos resultados con simulaciones realizadas mediante el método de los elementos finitos.

Las restricciones relativas a las emisiones contaminantes planteadas por la Unión Europea hacen que el desarrollo de nuevos materiales sea crítico y necesario. Considerando el sector del transporte uno de los más contaminantes, esta necesidad de desarrollar nuevos materiales ligeros que cumplan los requerimientos del mercado es si cabe más necesario. Estos materiales ligeros deben alcanzar propiedades mecánicas elevadas que permitan sustituir algunos de los materiales actualmente empleados para fabricar los componentes de los coches por otros menos pesados. Esto permitiría reducir el peso total del coche y en consecuencia la contaminación. En este contexto y teniendo en cuenta la mejora de propiedades que ofrecen los compuestos de matriz metálica (del inglés MMCs), el trabajo que se presenta consiste en estudiar la influencia de la introducción de nanopartículas cerámicas en la microestructura del aluminio y en sus propiedades mecánicas. El estudio realizado tiene dos partes claramente diferenciadas: (1) fabricación y análisis de los compuestos nano ¿ reforzados y, (2) estudio teórico de la influencia que tiene la incorporación de nanopartículas en aleaciones de aluminio. En primer lugar, las muestras fabricadas se han analizado, con el objetivo de comparar las propiedades mecánicas de las probetas nano ¿ reforzadas con la aleación base. Por otro lado, se ha realizado una caracterización microestructural de las cinco muestras (aleación base y muestras nano ¿ reforzadas) con el objetivo de observar la microestructura general de la aleación y verificar la incorporación de los refuerzos en la aleación. La segunda vía de estudio consiste en el desarrollo de dos modelos matemáticos. El primero de ellos permite predecir la influencia de la incorporación de partículas en el aluminio fundido en base a su forma, tamaño y composición química. El segundo modelo matemático es capaz de predecir (vía calibración experimental), el flujo de germinación de aleaciones de aluminio llegando incluso a predecir el tamaño de grano aproximado en función de la forma y composición del refuerzo introducido. Además, considerando que las partículas introducidas sirven de germen de solidificación y que esto influye en el subenfriamiento de la solidificación, se ha realizado un análisis térmico de las muestras. Para ello, por un lado, se ha analizado con el software ThermoCalc® la solidificación teórica de la aleación y por otro se ha realizado un análisis térmico diferencial de las aleaciones nano ¿ reforzadas. Respecto a las propiedades mecánicas de las muestras nano ¿ reforzadas, se ha observado un claro incremento simultaneo de la resistencia y de la ductilidad que evidencian la incorporación y dispersión de las nanopartículas en el aluminio fundido. Además, el estudio microestructural realizado verifica la incorporación de las partículas en el aluminio. Por su parte, los modelos matemáticos desarrollados se han validado experimentalmente observando que las partículas esféricas y cúbicas, son capaces de afinar la microestructura de la aleación.

La fabricación aditiva es un concepto de producción que ha generado creciente interés en los últimos años. En este tipo de tecnología se parte de un diseño en tres dimensiones y se acaba materializando en un objeto físico mediante la adición de material capa a capa, en vez de sustraerlo de un bloque macizo. Dentro de la fabricación aditiva metálica, dependiendo de la naturaleza del material utilizado y del tipo de fuente de energía, hay diferentes clases de tecnologías, cada una con sus restricciones en cuanto a materiales, calidad, productividad y eficiencia. Entre las tecnologías de fabricación aditiva metálica, esta tesis se centra en la tecnología conocida como WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), que se clasifica dentro de la categoría de deposición de energía dirigida (DED, Directed Energy Deposition). La tecnología WAAM utiliza un arco eléctrico para fundir el material introducido en el proceso en forma de hilo metálico y lo aporta con la geometría deseada. En concreto, de las diferentes tecnologías WAAM que se pueden encontrar en el mercado, en esta tesis se estudia, en profundidad, el proceso WAAM basado en GMAW (Gas Metal Arc Welding). Este último proceso genera especial interés gracias a que permite la fabricación de piezas grandes con cierta complejidad geométrica con un coste reducido en diversos materiales con altas tasas de aporte. Además, también puede reparar piezas desgastadas o añadir detalles a estructuras básicas, mejorando aún más sus capacidades. Por todo ello, en los últimos años, la tecnología WAAM ha ido generando cada vez más interés en la fabricación industrial y se prevé que será uno de los pilares fundamentales de la industria 4.0. La presente tesis doctoral se enmarca en el marco de los proyectos HARITIVE y HARI-PLUS llevados a cabo en colaboración con la empresa ADDILAN S.A [ADDILAN, 2021], quien recientemente ha puesto en el mercado su nueva máquina para la fabricación de piezas mediante la tecnología WAAM. El objetivo de estos proyectos ha sido profundizar en el conocimiento de los diferentes procesos WAAM, incorporando los beneficios de cada una de ellas para poder ofrecer al mercado una solución más avanzada. Los materiales centrales de esta tesis son el acero dulce ER70S-6 y el aluminio 5356. Estos dos materiales son ampliamente utilizados en diferentes industrias para fabricar piezas de gran tamaño sin requerimientos mecánicos especialmente altos con un coste reducido. Aun así, los resultados y las conclusiones obtenidas en esta tesis podrían ser extrapolables a otros materiales férricos u otras aleaciones de aluminio. La parte experimental de todo el análisis del proceso WAAM basado en GMAW se ha llevado a cabo en un sistema robótico desarrollado en esta tesis y equipado con sistemas de monitorización y control que son de vital importancia para poder ejecutar el proceso de manera adecuada y controlada. En este aspecto, se ha desarrollado e implementado un control de altura basado en señales internas de soldadura para actuar en el proceso de aporte. Además, se ha estudiado la influencia de los principales parámetros del proceso WAAM basado en GMAW y los diferentes modos de trabajo adecuados para aceros y aluminios, en concreto los modos GMAW pulsado, Cold Arc, Force Arc y AC pulsado. También, se ha llevado a cabo una comparación de dos estrategias de aporte, estrategia oscilatoria frente a la estrategia de solape, en aceros y se han diseñado modelos de anchura y altura de cordones únicos aportados en aluminio 5356. Además, en los dos materiales especificados, se han estudiado las propiedades mecánicas y la metalurgia obtenida mediante el proceso WAAM basado en GMAW. Por último, para la validación de los resultados, se han fabricado cuatro demostradores (dos en acero ER70S-6 y dos en aluminio 5356) mediante la tecnología WAAM basado en GMAW y el sistema robótico desarrollado.

El proceso de temple por inducción es una técnica de endurecimiento superficial que utiliza cada vez más en la industria debido a las ventajas que ofrece sobre otros tratamientos térmicos más convencionales. Habitualmente se utiliza en componentes críticos que están sometidos a cargas elevadas y a contactos de alta presión, lo que requiere una elevada dureza superficial. A pesar de que el interés de la industria en este tratamiento térmico es relevante, la definición de los parámetros más determinantes del proceso está generalmente limitado de forma empírica al know-how de los técnicos y a la experiencia previa de los agentes del sector, aumentando los costes asociados y el time-to-market, puesto que el diseño del proceso normalmente se realiza mediante procedimientos de prueba-error. Al ser un proceso multifísico con numerosas interacciones entre campos físicos, la simulación del temple por inducción es altamente compleja y computacionalmente muy costosa. En la revisión de la literatura se ha observado que la aplicación del temple por inducción en componentes complejos industriales se ve obstaculizada por la falta de modelos numéricos capaces de predecir sus consecuencias. La simulación numérica es, por lo tanto, clave en la definición optimizada del proceso y su implementación eficaz en la industria moderna. Además, el estudio de las implicaciones que el temple por inducción tiene en el comportamiento en servicio de los componentes endurecidos, como es el caso de la fatiga, es una tarea a la que ingenieros y científicos han dedicado su atención en los últimos años, aunque aún no está del todo resuelto. En esta tesis doctoral se aborda la problemática de la simulación del proceso de temple por inducción para tratar de solventar las limitaciones encontradas en la literatura. Se ha trabajado en el desarrollo de un modelo numérico para simular la fase de calentamiento por inducción de materiales ferromagnéticos de forma eficiente, acoplando los campos electromagnético y térmico a través de un modelo semi-analítico. Este modelo se ha validado experimentalmente en cilindros del acero de baja aleación 42CrMo4 obteniendo resultados más precisos y un 80 \% más rápidos que utilizando softwares comerciales ya existentes. Adicionalmente, se ha desarrollado un modelo multifísico acoplado para simular la fase de enfriamiento del proceso de temple por inducción. Este modelo acopla las físicas térmica, mecánica y microestructural y se ha validado experimentalmente en términos de predicción de microestructura, dureza y generación de tensiones residuales. El modelo desarrollado, a diferencia de otros softwares comerciales, permite evaluar el impacto que tienen en los resultados del proceso las diferentes aproximaciones de cálculo de los fenómenos que ocurren durante el temple. En esta tesis, se ha investigado el impacto del Transformation Induced Plasticity (TRIP) en el acero 42CrMo4, concluyendo que los modelos de cálculo deberían incluir este efecto para mejorar las predicciones de tensiones residuales. Finalmente, se han combinado los modelos de simulación desarrollados con técnicas experimentales para investigar la influencia de las tensiones residuales en el comportamiento a rolling contact fatigue (RCF) en cilindros templados por inducción. En este estudio, se ha desarrollado una metodología de cálculo para incorporar las tensiones residuales en los análisis de vida a RCF y se ha estudiado la influencia de las tensiones residuales numérica y experimentalmente mediante un ensayo de three-ball-on-rod modificado. Se ha observado que las tensiones residuales de compresión en la superficie extienden la vida del componente y modifican la profundidad a la que se produce el daño más crítico. Para el análisis numérico se ha utilizado el criterio multiaxial de Dang Van y se han comparado tres magnitudes de cortadura críticas (Tresca, cortadura ortogonal y cortadura octaédrica) en términos de predicción de vida útil y localización del daño crítico. Los resultados numéricos y experimentales indican que la magnitud de cortadura ortogonal predice resultados más precisos. Se espera que las contribuciones realizadas en esta tesis doctoral reduzcan la actual brecha entre los modelos simplificados generalmente desarrollados en la literatura y los casos industriales de mayor complejidad, permitiendo que los procedimientos empíricos de prueba-error se reduzcan considerablemente y aumentando el control sobre el resultado obtenido con el proceso. Con este cambio de paradigma, se espera obtener mayor eficiencia en términos económicos, temporales y energéticos a nivel industrial, reduciendo también el número de defectivos.

Esta Tesis Doctoral recopila el trabajo realizado durante 4 años en la Universidad del país Vasco UPV-EHU en colaboración con la empresa BTI (Biotechnology Institute), fabricante de implantes dentales y componentes protésicos. En este trabajo se ha analizado el comportamiento mecánico de las restauraciones dentales, centrándose en 3 fallos comunes: el fallo por fatiga bien sea del implante o del tornillo protésico, la formación de microgaps en la conexión poste-implante, y el aflojamiento del tonillo protésico. Además de un estudio en profundidad mediante ensayos experimentales y mediante el Método de Elementos Finitos de los fenómenos anteriormente mencionados, esta Tesis Doctoral proporciona metodologías para la predicción de vida a fatiga tanto para el caso del implante como del tornillo protésico y para determinar si se cumplen las condiciones para producir aflojamiento del tornillo protésico.

Las piezas de aleación de aluminio son ampliamente utilizadas en el sector aeronáutico, entre otros, para los componentes de cobertura y pieles del fuselaje. Estas piezas suelen ser muy delgadas y por lo tanto su rigidez es reducida. El ensamblaje y el fresado químico solían emplearse para fabricarlas, pero presentan serios inconvenientes, por lo que la apuesta por el fresado mecánico es cada vez más decidida. Con todo, este método entraña diversos retos derivados de la baja rigidez de las piezas, como afrontar las vibraciones que suceden en ellas, minimizar las distorsiones producidas al redistribuirse las tensiones residuales, así como lograr una apropiada calidad superficial. Existen varias técnicas para afrontar estos retos, como son el empleo de utillajes flexibles y reconfigurables, y la selección de las condiciones óptimas de fresado por medio del cálculo de los lóbulos de estabilidad. Sin embargo, en el caso de las pieles aeronáuticas, en los utillajes flexibles una gran parte de la piel queda sin soporte y sin la rigidización adecuada, por lo que el fresado mecánico se hace difícil, se recurre a costosos utillajes ad hoc, o se opta en su lugar por el ensamblaje o el fresado químico, los cuales son ineficientes, contaminantes y de peores propiedades mecánicas. El propósito de la presente tesis es impulsar el uso de los utillajes flexibles para pieles aeronáuticas. Para ello, se han realizado ensayos de fresado mecánico en placas delgadas con distintas condiciones de corte y distintas geometrías de pieza, empleando una configuración experimental que emula a la de pieles aeronáuticas en utillajes flexibles. Se han calculado sus lóbulos de estabilidad y se han analizado la vibración, la rugosidad, el espesor final y las fuerzas que se producen en este fresado. Asimismo, se ha elaborado un modelo de fuerza empírico, integral y predictivo enfocado en las pieles aeronáuticas con el que optimizar las condiciones de corte, la trayectoria de la herramienta, la geometría de pieza y la distribución de las sujeciones del utillaje. Además, el análisis se complementa con un estudio del mecanizado de una pieza aeronáutica, que busca la secuencia óptima de las operaciones de mecanizado que menor distorsión provocan en la pieza final a consecuencia de la redistribución de las tensiones residuales inherentes.

El objetivo de este trabajo de investigación es desarrollar una metodología de optimización de superficies de mecanizado de troquel mediante la predicción de deformaciones térmicas debidas a un mapa de temperaturas heterogéneo en la pieza y a su posterior enfriamiento en el ambiente. Actualmente para obtener las superficies de mecanizado de los troqueles de estampación en caliente se parte de la geometría original del cliente. La forma deseada de la pieza final dependerá en gran manera de la superficie de mecanizado utilizada. La modificación de dicha superficie en los sucesivos ciclos de corrección será la que nos ayude a conseguir la forma final de pieza deseada. En los casos en los que la pieza estampada tenga un mapa de temperatura homogéneo el cálculo arriba descrito es suficiente para obtener resultados óptimos de calidad de pieza sin necesidad de tener que hacer ciclos de corrección ya que no existirá una distorsión térmica debida al enfriamiento. Por otro lado, aquellas piezas que tienen un mapa de temperatura heterogéneo y por tanto una distorsión térmica durante el enfriamiento necesitaran un ciclo de prueba y error durante la fase de puesta a punto para obtener la superficie de mecanizado óptima y así cumplir con los requisitos de cliente. Para corregir dichas distorsiones térmicas la operación empleada en los casos de menor desviación será un retoque y pulido manual de la superficie, siendo necesario en los casos de mayor desviación repetir el mecanizado de la superficie de trabajo de troquel. Este proceso de prueba y error tiene un coste muy elevado además de un aumento en el periodo de maduración de los troqueles. La estimación de la deformación térmica y su minimización y control permite conseguir la forma final más precisa, reduciendo e incluso eliminando las operaciones de acabado posterior ya sean manuales o mediante máquinas de mecanizado. El modelo térmico del binomio troquel-pieza se basa en un cálculo térmico lineal. Por un lado, se tiene en cuenta la transferencia de calor de la pieza al troquel mediante la modelización de la superficie de contacto entre ambas y por el otro, la transferencia de calor del troquel al agua de los canales de refrigeración. Tanto en la pieza, como el troquel, se considera también la transferencia de calor por radiación y convección. Mediante la obtención del mapa de temperaturas, después de la estampación, se puede calcular las deformaciones térmicas finales en la pieza al enfriarse a temperatura ambiente. La última etapa, una vez obtenido el mapa de deformación completo de la pieza, es realizar la ingeniería inversa para su aplicación en la superficie de mecanizado. El modelo se ha validado mediante la predicción del mapa de temperaturas y la deformación térmica en una pieza estampada industrialmente. Los resultados obtenidos permiten determinar el mapa de temperaturas final de la pieza con un error menor al 10%. El presente trabajo de investigación se sitúa dentro del campo de la modelización de procesos de simulación de estampación, cuyo avance ha sido constante en los últimos años.

Desarrollo de un modelo de gemelo digital para la evaluación causa-efecto de defectos de porosidad en componentes de fabricación aditiva y fundición mediante tomografía computarizada por rayos X. De este modo, esta metodología propone la digitalización de los componentes mediante técnicas de procesamiento de datos, geometría computacional y modelización virtual, con el propósito de asegurar su calidad tanto dimensional como de comportamiento mecánico, así como investigar las posibles causas de la formación de defectos y sus efectos asociados. Por consiguiente, se considera que la propuesta resulta adecuada tanto para el estudio y análisis geométrico de componentes mediante su inspección; como para la predicción del comportamiento y fallo mecánico de los mismos en consideración de los defectos de porosidad inherentes a los materiales y procesos de fabricación. Asimismo, la caracterización de dichos defectos permite el análisis de causalidad de los mismos en consideración del proceso, material y parámetros de fabricación.

La presente tesis doctoral tiene como objetivo presentar los últimos avances en el campo de los rodamientos de vuelco con pista de rodadura alámbrica (wire-race bearings). Debido a la escasa literatura científica disponible para este tipo de rodamientos, la investigación se ha centrado principalmente en entender su comportamiento estructural, identificar los fenómenos físicos que aparecen bajo carga y desarrollar herramientas de cálculo analíticas y numéricas. Estas labores tienen como propósito sentar las bases científicas de estos componentes y promover futuras líneas de investigación. En el ámbito más específico, las herramientas de cálculo propuestas tienen un valor industrial remarcable. Los modelos analíticos desarrollados para rodamientos de bolas y de rodillos cruzados son excelentes herramientas de cálculo que proporcionan la respuesta de los rodamientos bajo carga con un coste computacional casi inexistente. Para cálculos más en detalle o con geometrías complejas, se proponen estrategias de modelado eficiente mediante Elementos Finitos (EF) que también permiten realizar cálculos precisos con reducido coste computacional.

Las distorsiones son un problema recurrente en la producción de componentes estructurales aeroespaciales, y conlleva altos costos y desperdicio de material y energía en la industria. Actualmente se resuelve mediante largos procesos de mecanizado, con secuencias repetitivas en las que se sueltan las piezas, se analiza la distorsión y se realizan correcciones, las cuales dependen en gran medida de la experiencia de los trabajadores cualificados. Esta tesis aborda la comprensión de la distorsión tras el mecanizado de aeroestructuras con el objetivo de desarrollar un procedimiento capaz de determinar las tensiones residuales y calcular la distorsión en las líneas de producción. En las aeroestructuras, las principales fuentes de distorsión son las tensiones residuales, tanto las procedentes de procesos de fabricación previos inherentes a los brutos, como las inducidas en las superficies por el mecanizado debido a las elevadas cargas térmicas y mecánicas. Debido a las variabilidades entre brutos, los modelos de simulación no proporcionan datos reales del estado inicial de tensiones residuales de cada bruto, y la medición de estas tensiones volumétricas es compleja, costosa y limitada al laboratorio. Además, dado que la mayoría de los métodos de medición de tensiones residuales volumétricas son destructivos, no se pueden obtener piezas finales a partir de brutos cuyas tensiones residuales iniciales hayan sido medidas. Por otro lado, las tensiones residuales superficiales inducidas por el mecanizado varían en función de las condiciones de mecanizado y además existe una incertidumbre vinculada a los métodos de medición. Por estas razones, el presente proyecto desarrolla procedimientos para la cuantificación de tensiones residuales en entornos industriales y la predicción precisa de distorsiones. En primer lugar, se desarrolla un método de caracterización de tensiones residuales iniciales en los brutos de mecanizado, el cual se puede realizar en taller en brutos de tamaño real, permitiendo obtener piezas finales a partir de brutos con tensiones iniciales medidas. En segundo lugar, se realizan mediciones de distintos perfiles de tensión inducidos por el mecanizado en aleaciones de aluminio y titanio, y se desarrolla un modelo empírico para la predicción de tensiones inducidas por el mecanizado. En tercer lugar, se evalúa la aplicabilidad de los desarrollos relacionados con la determinación de tensiones residuales a través de diferentes estudios vinculados a la predicción de distorsiones tras el mecanizado. Finalmente, se realiza una predicción de la distorsión tras el mecanizado en una pieza real utilizando la geometría de la pieza, el material, las tensiones residuales y los datos del proceso. Los resultados obtenidos de forma sencilla y rápida muestran una estimación de distorsión tras el mecanizado precisa, así como el rango de incertidumbre de dicha estimación.

The objective of this thesis is to propose a theory that is able to capture specific phenomena during machining operations on metals. Recent investigations proved that dislocations-driven mechanisms at molecular or atomic scale strongly affect the response of the medium when the deformations are localized in small areas compared to grain size. The classical continuum mechanics fails at predicting size effects, so new theories are required. Furthermore, during machining operations, strong thermal-microstructure interactions occur, and such pivotal relationships must be properly captured. In the last century, the strain-gradient theories have been used to overcome these shortcomings of the classical continuum mechanics. A special form of strain gradient theory is the Cosserat theory, which includes the microstructure grain rotation and its gradient as additional deformation measures, therefore allowing the theory to predict size-effects. A finite-deformation thermodynamically compatible elasto-visco-plastic Cosserat theory is presented in this investigation, alongside its numerical implementation in a Finite Element software. The theory is first verified against previously derived analytical solutions and then used to analyze the size effect in a Hat-Shaped shear tests and simplified machining simulation of a Titanium Alloy. The focus of the investigations was to predict the correct thickness of the adiabatic shear band that forms in the metal during machining operations. Similar tests have been used to analytically identify the thickness of the adiabatic shear band. Finally, the effect of the additional material parameter (directly defining the intrinsic characteristic length of the continuum) on the thickness of the shear band has been examined during machining operations.

La estampación en caliente es un proceso simultáneo de deformación y tratamiento térmico de chapas de acero, muy usado en el sector de automoción para producir piezas de muy elevado límite elástico y resistencia. La carrocería de un vehículo en el año 2020 no se entiende sin este proceso y en su futuro a corto y medio plazo no se observan amenazas, sino por el contrario oportunidades de seguir creciendo. La movilidad eléctrica no afecta este proceso, dado que la carrocería es una parte consubstancial de cualquier vehículo. El proceso de estampación en caliente comienza calentando la chapa por encima de la temperatura de austenización del material (aprox. 900ºC) y haciéndola permanecer en esta temperatura un tiempo suficientemente largo que asegure que todo el material se ha transformado en austenita. En ese momento la chapa se templa rápidamente a la vez que se deforma en un troquel refrigerado, obteniendo una pieza deformada con una estructura totalmente martensítica. La simultaneidad es la clave. La alta resistencia obtenida en el acero (superior a 1500 MPa) permite a los fabricantes de automoción la disminución de espesores y por tanto es clave para diseñar coches más ligeros. La estampación en caliente permite reducir el número de piezas y el espesor de las mismas en los elementos estructurales de la carrocería. Por otra parte la carrocería puede soportar cargas muy elevadas e incluso de choques y accidentes. En los últimos 15 años la tecnología se ha desarrollado exponencialmente y hoy en día más del 40% de las piezas de la carrocería se fabrican con esta tecnología. Sin embargo, respecto a otras tecnologías de estampación, como es la estampación en frío en prensas transfer, la productividad es todavía baja, pudiendo llegar a ser incluso hasta un 20% más baja. Solo las grandes ventajas en la aplicación final en cuanto a resistencia y aligeramiento hacen soportable la baja productividad. El campo de mejora es amplio y esta tesis es un buen ejemplo de esta afirmación. Por otro lado, esta tesis y en general cualquier avance e investigación en estampación en caliente debe hacerse durante la producción de las plantas trabajando 365 días al año; esta tesis se desarrolla durante la propia producción, que es en sí mismo un reto. Esta tesis realiza un estudio sobre las ¿causas raíces¿ de la baja productividad del proceso y de los sistemas de producción, y propone un nuevo método de calentamiento para mejorar la eficiencia en un 10%, llegando a demostrar la efectividad del acercamiento. Para ello se utilizan análisis de fallos y problemas de producción, y se aplican algunos principios basados en lo que se denomina de forma genérica como análisis de datos. Las contribuciones principales son en aspectos relativos a los medios de calentamiento (hornos), y a las ventajas de conceptos nuevos de avance de la chapa que eliminan parte de los defectos de fabricación y casusas de parada de las líneas.

El corte por electroerosión por hilo (WEDM) es un método no convencional de mecanizado ampliamente utilizado en la fabricación de componentes de alto valor añadido para las industrias aeroespacial, biomédica y automotriz, entre otras. Esto se atribuye a su alta precisión de mecanizado, eficiencia, estabilidad y capacidad de mecanizado de diversas formas complejas. El proceso WEDM se ha utilizado particularmente en aplicaciones de herramientas para el mecanizado de diversos materiales y se ha desarrollado en máquinas de alta tecnología. Sin embargo, todavía existen ciertos aspectos fundamentales relacionados con el proceso de mecanizado que se hacen falta investigar mas al fondo. Para mejorar la calidad y la eficiencia del mecanizado, una comprensión profunda del proceso de mecanizado y de los principios de mecanizado es esencial e indispensable. Esta tesis está dedicada a profundizar en el análisis de algunos aspectos fundamentales del proceso WEDM a través de experimentos, simulación numérica y discusiones relacionadas, y cubre el análisis profundo de todo el proceso de WEDM. Los resultados de este trabajo serán útiles para una mejor comprensión y desarrollo del proceso de mecanizado en el futuro.

En esta tesis se desarrolla un modelo en el dominio del tiempo/espacio muy eficiente computacionalmente que combina la dinámica vertical y lateral de la vía y del eje montado para la predicción de la corrugación en líneas ferroviarias. La ventaja, y a su vez complejidad, del modelo desarrollado reside en la introducción de la dinámica lateral, ya que resulta de gran importancia en curvas de radio reducido. En paralelo, se estudia la evolución de la corrugación experimentalmente en una línea de metro en la que este fenómeno se desarrolló de forma prematura tras su inauguración. El modelo desarrollado se valida gracias a las mediciones experimentales de corrugación realizadas a lo largo de más de 5 años en una línea de metro. Finalmente, el modelo desarrollado se implementa en la línea de metro, modificando algunas de las características de circulación y parámetros de la vía obteniendo soluciones viables para reducir el desarrollo de la corrugación en la línea estudiada.

En esta tesis doctoral se presentan los últimos avances principalmente en el cálculo del par de fricción para rodamientos de vuelco de cuatro puntos de contacto. Se ha observado que los métodos analíticos para el cálculo de par de fricción muestran una gran discrepancia respecto a las mediciones experimentales del mismo, por lo que se ha desarrollado una metodología de cálculo en la que se ha tenido en cuenta la dispersión de la precarga introducida debido a los errores de fabricación y flexibilidad de los anillos y elementos colindantes. Para el cálculo del par de fricción se ha trabajado bajo la hipótesis de anillos rígidos, un deslizamiento puro en los contactos bola-pista y un coeficiente de fricción constante. Tras la correlación con las mediciones experimentales, se ha observado que se requiere del modelado mediante Elementos Finitos (EF) para un cálculo correcto de la distribución de cargas en los elementos rodantes, el cual permite una estimación precisa del cálculo del par de fricción. Por tanto, se han realizado avances en las técnicas de modelización mediante EF y se estudia el efecto de las mismas en la flexibilidad de los rodamientos de vuelco en un ensamblaje real de pala-rodamiento-buje. Mientras que la literatura ofrece métodos de cálculo del par de fricción precisos, las guías de diseño y catálogos de fabricantes de rodamientos ofrecen métodos de cálculo rápidos y eficaces para su estimación. En el presente trabajo se ha elaborado una alternativa a estos métodos mediante la normalización del par de fricción respecto a sus principales parámetros de diseño. Con esta formulación, se ha desarrollado un Diseño de Experimentos que, tras una extensa campaña de simulaciones, se ha obtenido una base de datos que permite relacionar las cargas externas aplicadas al rodamiento con el par de fricción, según su microgeometría (conformidad, ángulo inicial de contacto y precarga inicial). Con esta base de datos, se han generado unos mapas de par de fricción que permiten al usuario estimar el par de fricción normalizado de una forma igual de ágil y eficaz que los métodos mencionados anteriormente y con una precisión mayor.

The main contribution of this document lies on the development of a new algorithm to integrate the equations of multibody dynamics using Newmark. This method takes advantage of the use of fundamental nullspace basis to integrate the equations in the manifold, so unconditionally stable behavior without the introduction of numerical damping can be achieved. This is quite similar to the concept of using minimal coordinates but, in this case, instead of using the same coordinates for an interval, the same nullspace used to solve a step is used to define the coordinate set at a moderate cost. Along with this main contribution, other contributions have also been achieved: ¿ A method for the general linearization of the equations (including equilibrium and constraints) regardless of the chosen orientation representation. This method simplifies the use of different systems of representation when this is required. ¿ A new set of conditionally explicit methods of general use based on the classical structural central difference method. They allow for a higher degree of convergence at a very limited computational cost. ¿ A preliminary study of the applicability of structural methods for the resolution of Discrete Element problems.

La fabricación aditiva es una de las tecnologías con mayores perspectivas dentro del desarrollo industrial gracias al potencial que conlleva, en especial para el sector aeronáutico debido a la necesidad de reducción de tiempos y costes de este sector. Aunque las expectativas de crecimiento del sector aeronáutivo se han visto alteraras por la crisis producida por el COVID-19, se prevé que para el año 2025 pueda llegar a recuperarse el sector de la aviación y las previsiones esperadas sigan su curso. Estas previsiones apuntan a una necesiad de más de 30000 nuevos aviones, lo que conducirá a una necesidad de trabajar con materiales resistentes a altas temperaturas, que son los comúnmente utilizados en los motores de los aviones. Las superaleaciones utilizadas en la industria aeroespacial, como las de base níquel y las aleaciones de titanio, se emplean generalmente debido a su combinación única de propiedades como alta resistencia a elevadas temperaturas, resistencia a la degradación química y resistencia al desgaste. La fabricación aditiva se presenta como una alternativa muy prometedora para la fabricación de componentes de este tipo de materiales. El objetivo del presente trabajo de tesis doctoral surge del acuerdo de colaboración entre Tecnalia R&I y ADDILAN para el desarrollo de la tecnología WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) con el objetivo de crear una máquina para la fabricación aditiva de diferentes materiales, que permita la fabricación de piezas en materiales específicos para el sector aeronáutico como los bases niquel o titanios que necesitan especificaciones concretas de máquina para poder ser depositados mediante fabricación aditiva. El presente trabajo de tesis doctoral se divide principalmente en dos bloques temáticos, el primero centrado en la máquina (implementación de equipo WAAM, comunicación, control¿) y el segundo en relación con temas más propios del proceso de fabricación aditiva WAAM, mas en concreto mediante tecnología PAW (Plasma Arc Welding). La primera parte del proyecto se ha centrado en la implementación de diferentes equipos en una máquina tipo gantry de 5 ejes con el fin de habilitarla para la fabricación aditiva PAW. Esta máquina servirá como prototipo inicial para determinar los equipos y desarrollos que finalmente se incluirán en la máquina desarrollada por ADDILAN. Los diferentes aspectos considerados en este bloque han sido los siguientes: - Integración equipo PAW - Integración equipos de monitorización - Comunicación máquina-equipo PAW-sistema de monitorización - Estrategias de control En el segundo bloque temático se ha llevado a cabo la puesta a punto de la tecnología para fabricar piezas en dos materiales comúnmente utilizados en el sector aeronáutico como son el Ti6Al4V y el Inconel 718. Uno de los puntos clave de este estudio es el análisis de las propiedades de estos dos materiales tras su deposición mediante PAW, para lo que se han realizado los siguientes análisis: - Ensayos de tracción - Microdurezas - Metalografía Además, teniendo en cuenta aplicaciones específicas de ambos materiales, se llevan a cabo otros estudios para cada uno. Así en el caso del Ti6Al4V se lleva a cabo un estudio de sus propiedades a fatiga tras la fabricación aditiva y en el caso del Inconel 718 se llevan a cabo ensayos a tracción en caliente y un estudio de la formación de fisuras en caliente y la formación de fases de Laves tan características de este material. Por último, a modo de validación de todo el trabajo llevado a cabo en esta tesis doctoral, se ha fabricado en la máquina desarrollada el mismo demostrador en tres materiales: acero AISI316L, Ti6Al4V e Inconel 718.

El doctorado forma parte del proyecto ENABLE (European Network for Alloys Behaviour Law Enhancement) que ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie N°764979. El trabajo también se ha desarrollado en el marco del laboratorio transfronterizo conjunto LTC ÆNIGME, entre la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), la Universidad de Bordeaux (UBx) y Arts et Métiers Science et Technologie (ENSAM). El objetivo del doctorado es caracterizar experimentalmente el comportamiento a cizalla de una aleación de aluminio (AA7075-T6), en el rango de velocidad de deformación intermedia (101-103s-1) y temperatura elevada (hasta 0,7 veces la temperatura de fusión). La fabricación de componentes metálicos implica a menudo la deformación del material a velocidades de deformación de medias a altas y a temperaturas elevadas, especialmente en los procesos de conformación, mecanizado, soldadura por fricción (FSW), etc. Además, en muchos procesos de fabricación, la deformación dentro del material se genera por esfuerzos de cizallamiento y no por esfuerzos de tracción o compresión. Sin embargo, los dispositivos de ensayo mecánico existentes no son capaces de proporcionar un historial completo del comportamiento del material durante el proceso de fabricación en el rango de la velocidad de deformación y la temperatura. Los principales pasos tecnológicos y científicos para superar la preocupación: - Diseño y desarrollo de un nuevo banco de pruebas experimental para realizar el ensayo de cizallamiento a una velocidad de deformación intermedia. - La definición de ensayos termomecánicos capaces de reproducir las mismas solicitaciones que durante el mecanizado (velocidad de deformación media y deformación de rango medio), FSW (velocidad de deformación media, alta deformación), etc. - Proporcionar un comportamiento experimental detallado del material y realizar investigaciones microestructurales. Se desarrolla un nuevo dispositivo experimental de prueba de torsión basado en el principio de la rueda volante de inercia para reproducir localmente los niveles de tensión y las tasas de deformación que se encuentran en procesos como el mecanizado o el FSW. En Abstract una primera etapa, este dispositivo permite, mediante esfuerzos de torsión, alcanzar deformaciones a velocidades de deformación medias (en el rango de 102-103s-1). A continuación, se realizará una evolución para realizar ensayos de temperatura (hasta 0,7 veces la temperatura de fusión para las tres aleaciones estudiadas). La novedad de este equipo radica en los ensayos dinámicos en torsión que pueden realizarse bajo velocidades de deformación intermedias controlando la velocidad de carga. La deformación de la muestra se mide mediante una cámara de grabación de alta velocidad y la carga se mide mediante la técnica de la barra de Hopkinson. El nuevo banco de pruebas se implementa en la plataforma dinámica presente en el I2M, Burdeos, Francia. Tras la fabricación del dispositivo de prueba, se lleva a cabo la calibración de los diferentes componentes de medición para obtener resultados precisos de par y deformación. Por último, se realizan las pruebas preliminares. Una vez validado el banco de pruebas, se realizan ensayos a temperatura ambiente y a alta temperatura. Para ello, se adopta el diseño del experimento (DOE), con el fin de optimizar y organizar la campaña de ensayos. Los ensayos se realizan a diferentes velocidades de carga y temperaturas. También se realizan varias investigaciones microestructurales con el fin de identificar claramente los mecanismos que rigen la evolución de la respuesta plástica cubriendo un amplio rango de temperaturas, deformaciones y velocidades de deformación. Se estudia a fondo la caracterización mecánica y microestructural del material. Por último, se comparan las curvas de tensión de flujo obtenidas en el nuevo banco de ensayos de torsión a diferentes velocidades de deformación y a diferentes temperaturas con los modelos clásicos de material existentes que se utilizan habitualmente para la modelización del comportamiento constitutivo del AA7075-T6. Los parámetros de los modelos de material se determinan experimentalmente. La comparación con los resultados experimentales permite evaluar la adecuación de los modelos existentes y proponer una línea de base para la mejora del modelo existente o el desarrollo de un nuevo modelo de material.

En este trabajo se realiza una investigación experimental acerca de procesos de torneado de alto avance en superaleaciones termorresistentes. Primeramente, se realizaron pruebas de torneado con una herramienta de alto avance para aleaciones termorresistentes y se estudió también el efecto del uso de refrigerante convencional y criogénico. Se crearon modelos mecanísticos para la obtención de coeficientes de corte en Inconel® 718, Nimonic® C-263 y AISI 1055. Los coeficientes de corte se obtuvieron en condiciones de herramienta no desgastada y son útiles para condiciones de corte iniciales, sin embargo, no aportan información sobre el comportamiento del inserto en condiciones de desgaste. A continuación, se evaluó la respuesta al desgaste de los insertos de alto avance al mecanizar Nimonic® C-263 bajo diferentes condiciones. Asimismo, se ha comparado el desempeño de los insertos al mecanizar con taladrina y con CO2. Además, se ha comprobado la efectividad de la disminución del ángulo de posición en la durabilidad del inserto y se ha desarrollado un modelo para la predicción del desgaste. Este modelo considera el deterioro geométrico gradual de la herramienta que se ha demostrado como un mecanismo importante, ya que controla la evolución de las fuerzas de corte en esta superaleación.

El proceso de fabricación LPBF permite obtener componentes de gran complejidad geométrica y controlar la textura cristalográfica mediante estrategias de escaneado láser. Al mismo tiempo, las texturas cristalográficas pueden alcanzar diferentes grados de intensidad en función de los parámetros de fabricación láser. Un aspecto esencial del proceso LPBF es el desarrollo de patrones cristalinos asociados a cada configuración de fabricación LPBF; de esta forma, es posible hasta cierto punto estar seguros de las orientaciones cristalinas primarias que se desarrollarán en el material respecto al sistema de referencia del componente. Para ello, esta Tesis considera la repetibilidad de los patrones cristalinos asociados a diferentes configuraciones de fabricación de LPBF, mostrando que es posible obtener las orientaciones cristalinas esperadas en un rango experimental. La metodología propuesta busca obtener las propiedades mecánicas del material en función de diferentes orientaciones de los vectores de carga para mejorar el diseño mecánico de componentes LPBF, haciendo que los componentes se fabriquen en orientaciones donde los vectores de deformación principales coincidan principalmente con las direcciones cristalinas de mayor resistencia mecánica. Además, esta tesis considera el posprocesamiento por mecanizado y las formas de mejorar la estabilidad del mecanizado y disminuir la resistencia al corte. Dado que la orientación que aumenta la resistencia mecánica no siempre coincide con la orientación que disminuye la resistencia al cizallamiento por corte, es necesario considerar la optimización multiobjetivo como una herramienta para obtener configuraciones de fabricación que permitan obtener una solución de diseño equilibrada donde se establezcan las prioridades de diseño de los componentes. Adicionalmente, la optimización multi-objetivo requiere de funciones matemáticas para cuantificar el efecto de los parámetros de fabricación de LPBF sobre las propiedades mecánicas, para lo cual se presentan diferentes modelos matemáticos y metodologías en este documento. En esta tesis se presentan diferentes casos de estudio para evaluar los modelos propuestos para la cuantificación de la resistencia al cizallamiento en función de la microestructura, para el incremento de la rigidez del componente mediante el control de la anisotropía y los rigidizadores temporales, para el efecto del beam shaping sobre la microestructura y para comparar el efecto de las configuraciones de fabricación de LPBF sobre los parámetros físicos y las propiedades mecánicas entre otros.

Los procesos de Fabricación Aditiva generan materiales con una estructura interna estratificada debido a la deposición de cordones contiguos y superpuestos, generando interfases horizontales y verticales que provocan discontinuidades en la estructura interna del material, y por lo tanto, en sus propiedades. Los trabajos realizados en esta Tesis Doctoral se han centrado en la cuantificación del efecto de las discontinuidades introducidas durante la Fabricación Aditiva en las propiedades mecánicas del material impreso, respecto del material en masa utilizado en métodos tradicionales. En la primera parte se ha caracterizado en masa diferentes formulaciones de morteros desarrollados específicamente para Impresión 3D, estudiando también el desarrollo con el tiempo de las propiedades mecánicas. En segundo lugar, se ha cuantificado el efecto del proceso de impresión en las propiedades del material impreso, estudiando la anisotropía introducida en el material por la presencia de interfases. Finalmente se ha validado la caracterización mecánica realizada sobre el material impreso y en masa mediante ensayos sobre elementos a escala real, impresos y enmoldados, así como simulaciones de dichos ensayos mediante elementos finitos.

La presente tesis doctoral investiga el acabado de geometrías complejas que incluyen superficies de forma libre utilizando herramientas de punta esférica. Estas superficies son comunes en productos aeronáuticos de alto valor agregado, como los alabes, donde las desviaciones pueden reducir su durabilidad y rendimiento, resaltando la importancia de predecir la textura superficial y los errores dimensionales. Durante el desarrollo de la tesis, se abordaron temas relacionados con la fabricación de superficies de forma libre, incluyendo materiales, contacto herramienta-pieza, así como los parámetros de corte y estrategias utilizando fabricación aditiva. Además, se creó una API en software CAD/CAM con una interfaz abierta para auxiliar en la predicción y entendimiento del proceso de fabricación en 5 ejes de superficies de forma libre con herramientas de punta esférica, incluyendo la modelización de herramientas de hasta doble radio de punta, trayectoria de la arista de corte y textura, contribuyendo tanto al ámbito académico como industrial.

This PhD thesis aims to investigate aspects related to the process-microstructure-property trinomial in multi-material Additive Manufacturing (AM) when applied to the production of high-wear-resistant coatings. In the course of this research work, several topics have been covered in order to approach the Laser-Directed Energy Deposition (L-DED) of metal-ceramic multi-material structures from a holistic perspective. Therefore, from aspects related to the process set-up and the behaviour of multi-material powder mixtures in L-DED nozzles to the influence of the processing conditions on the microstructure and subsequent material properties have been investigated. In addition, the performance of these coatings has been evaluated from a mechanical and tribological perspective, to demonstrate the capabilities and potential benefits of metal-ceramic coatings for wear-resistant applications. Based on the current state-of-the-art and motivated by industrial and societal requirements, WC-Co Metal Matrix Composite (MMC) coatings are established as a suitable solution for the coating of components subject to high frictional loads and operating at high temperatures. In addition, L DED is proposed as the most suitable process for depositing such coatings. On this basis, the most relevant research questions are identified, namely, the challenges associated with multi-material L-DED from a system design perspective and the need for a methodology to set-up the L-DED process and target specific microstructures and properties, when multi-material powder feedstocks are involved. The first part of this PhD thesis focuses on investigating the fluid-dynamic behaviour of metal-ceramic multi-material powder mixtures in continuous coaxial L-DED nozzles. Indeed, due to the different inertial properties of WC and Co-alloys, powder segregation is likely to occur, which will subsequently affect the composition of the deposited coatings. For this purpose, a Computational Fluid Dynamic (CFD) model is developed and validated through experimental methods. The proposed tool has demonstrated its ability to predict the actual composition of the deposited coatings, thus allowing the powder segregation to be anticipated and the parameters of the powder feeder to be tuned to achieve a specific composition. It is worth noting that, due to the different behaviour of each constituent of the multi-material powder mixture, the composition of the clad can also be optimised by acting on the stand-off distance of the nozzle, which is quite versatile from an industrial point of view. The second part of this thesis aims to explore the correlation between the thermal cycle of the L-DED process and the microstructure and hardness of MMC coatings. One of the main concerns in multi-material AM refers to the high-temperature processing nature of these processes. This is already a key issue in single-material AM and becomes even more important in multi-material AM. In the case of metal-ceramic mixtures, the exposure of these material systems to high temperatures promotes their interaction. As a result, hierarchical microstructures are often generated, which significantly modify their microstructure and mechanical properties. Therefore, in the present work, the influence of the process parameters on the thermal cycle of the L-DED process is first studied with the aim of precisely controlling the thermal aspects during processing. Then, the correlation between the thermal cycle of the process and the metal-ceramic interaction in MMC coatings is studied by looking at the compositional modification of the metal matrix. Finally, the hardness of the compositionally modified matrix and the overall hardness of the composite are characterised. It is concluded that, depending on the composition of the metal-ceramic mixture, different strengthening mechanisms are dominant, namely grain refinement and carbide precipitation. In addition, microstructural observations demonstrate the dispersion of complex carbides throughout the matrix when higher ceramic contents are employed. It is therefore concluded that if a controlled ceramic-metal interaction is desired, low ceramic content mixtures should be sought. Finally, and based on the previous results, the durability and performance of MMC coatings are investigated. The durability of monolithic MMC coatings is first studied by means of flexural tests, supported by microstructural observations and hardness tests. It should be highlighted that the results obtained are in good agreement with the hypothesis reached in the previous experiments. In addition, the failure mechanism is studied, which is concluded to be a rapid coalescence of voids, which is more acute the higher the ceramic content. In addition, the performance of the MMC coatings is assessed through room and high-temperature reciprocating tests. These tests are also supported by microstructural and hardness characterisations to confirm the correct design of the MMC coatings. It is concluded that WC-Co MMC coatings are particularly advantageous under high-temperature conditions and that particle clustering promotes heterogeneous wear of the coating. In addition, the Functionally Graded Material (FGM) strategy is proposed to increase the surface integrity of MMC coatings as surface cracking is common. Furthermore, it has been demonstrated that this crack mitigation strategy does not affect the tribological performance of the coatings and is therefore a useful tool to increase the WC content of MMC coatings without adverse effects. To sum up, this work presents an investigation into the surface enhancement of high-added-value components through multi-material wear-resistant coatings produced by L-DED. The proposed methodology attempts to approach the process-microstructure-property trinomial in multi-material AM in order to facilitate the design and processing of metal-ceramic coatings. The results obtained demonstrate the suitability of L-DED to produce high-performance coatings to protect high-added-value components, such as hot-forming tools, and industrial or oil and gas components.

Through this Thesis, a novel methodology for the preliminary design of floating offshore wind substructures has been developed. The main advantage is the significantly higher efficient, in terms of computational cost, compared the state-of-the-art tools. The primary contribution of this study resides in two novel methods that predict with reasonable accuracy the hydrodynamic loads up to 2500 times faster than the common radiation-diffraction analysis. The first method estimates the linear hydrodynamic coefficients, and the second method, the second-order hydrodynamic loads, which are usually neglected in the preliminary design phases due to the long simulation time required for their calculation. Both methods are integrated into a frequency domain response model to compose the novel tool presented in this Thesis. The results have been validated against the time domain based state-of-the-art tools. It is demonstrated that the proposed tool enables to narrow down the number of platform designs, achieving the similar conclusions as the conventional tools. Moreover, it enables to quickly perform sensitivity analyses that will provide knowledge to empower designers to make informed decisions and fine-tune the designs accordingly, ensuring optimal performance and stability.

El consenso entre expertos internacionales es claro: las actividades humanas están acelerando el calentamiento global y el cambio climático. Somos muy conscientes de nuestras demandas energéticas, y es evidente que una parte significativa de nuestro consumo proviene de la producción de combustibles fósiles. Mientras las necesidades energéticas de los consumidores sigan aumentando, la producción de energía seguirá desempeñando un papel clave en el calentamiento global. Las fuentes de energía renovable desempeñan innegablemente un papel vital en reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles. En este ámbito, las energías renovables marinas, en particular la energía eólica, se presentan como una gran promesa, pero aún son una fuente de energía en evolución. Si bien estas tecnologías demuestran eficacia en demostraciones unitarias y algunos proyectos de parque piloto con pocas unidades, es imperativo realizar más investigaciones y desarrollos para que las soluciones sean rentables y alcancen una fase comercial a gran escala. Mejorar la producción y gestionar eficazmente los costes es clave para reducir el coste total de la energía generada por sistemas de energía eólica. Nuestro objetivo principal, constante a lo largo de toda la tesis, ha sido la reducción de los costes asociados con el diseño en las etapas tempranas cuando más cambios pueden producirse sobre el concepto del sistema. Al profundizar en los problemas principales, buscamos descubrir estrategias de control innovadoras, aprovechar las distintas tecnologías emergentes para su modelado y control, mejorando la eficiencia de los sistemas. A través de esta exploración multifacética, intentamos fomentar caminos más accesibles y rentables para el diseño en esas primeras etapas de diseño para el siempre cambiante panorama de la producción de energía eólica marina flotante.

La Unión Europea ha clasificado el wolframio y el cobalto como materiales críticos, esenciales para la fabricación de herramientas de corte, especialmente el metal duro. Dada su importancia, las herramientas cerámicas, de diamante y de materiales sintéticos ultra-duros están ganando relevancia en la fabricación por arranque de viruta. Esta tesis doctoral busca aumentar la productividad de las herramientas de corte cerámicas mediante su optimización en procesos de torneado. Tras un estudio exhaustivo del estado del arte, se proponen tres mejoras: el uso de recubrimientos con vanadio, la inclusión de texturizados en la cara de desprendimiento y la búsqueda de la preparación del filo de corte óptima. Para ello, se han comparado recubrimientos tradicionales con auto-lubricados, se han optimizado ranuras texturizadas usando un láser y se ha modelizado las fuerzas de corte teniendo en cuenta el radio del filo de corte de la herramienta. El modelo predice las fuerzas de corte (tangencial y avance) en función del radio de filo, las condiciones de corte y el desgaste de la herramienta para un corte ortogonal.

El presente trabajo aborda de manera conjunta todas las etapas del proceso de producción de los componentes de geometría compleja con posibilidad de ser mecanizadas mediante doble flanco. Siguiendo dicho propósito, se ha llevado a cabo una metodología esquemática que aúna todas las etapas planteadas en este trabajo, como son el desarrollo del algoritmo matemático para el cálculo de la geometría de la herramienta que permita realizar un mecanizado de doble flanco, así como para el cálculo de las trayectorias de mecanizado que proporcionen una menor desviación dimensional. Además, también se ha implementado un modelo mecanístico para el cálculo teórico de los esfuerzos de corte de la operación de acabado de doble contacto con herramientas de forma.

Introducción al Rectificado y el Papel de las Muelas Abrasivas: El rectificado es esencial en la manufactura para obtener tolerancias precisas y componentes duraderos. Los avances recientes se centran en mejorar la tecnología de las muelas abrasivas. El desgaste en las muelas, especialmente la rotura del aglomerante, afecta la vida útil de las herramientas. Objetivos de la Investigación: Este estudio tiene como objetivo caracterizar y analizar el desgaste volumétrico, en particular la rotura del aglomerante, en muelas de alúmina vitrificada. Se utilizan enfoques experimentales y numéricos para examinar este fenómeno. Investigación Experimental: Pruebas reales de rectificado aíslan la rotura del aglomerante, enfatizando las fuerzas y la influencia de la resistencia del aglomerante. Este enfoque permite condiciones de contacto controladas. Análisis Numérico: Una novedosa simulación multiescala sigue la evolución de la rotura del aglomerante, reduciendo el tiempo de cálculo. Se consideran dos hipótesis sobre las propiedades del aglomerante. Comparación de Resultados Experimentales y Numéricos: La hipótesis 1 concuerda con los hallazgos experimentales, mostrando un factor de forma del grano del 6%. La hipótesis 2, con un valor de daño del 0.7%, también presenta un acuerdo favorable en el desgaste radial y la relación de rectificado. Modelo Térmico: Las especulaciones sobre altas temperaturas que afectan al aglomerante son refutadas por el modelo térmico, indicando temperaturas más bajas durante el rectificado. Conclusión: Esta investigación aborda la rotura del aglomerante en muelas de alúmina vitrificada, considerando la resistencia del aglomerante. Los métodos experimentales y numéricos contribuyen a comprender el desgaste volumétrico, optimizar el proceso de rectificado y mejorar el rendimiento y la durabilidad de las muelas abrasivas.

En la presente tesis se estudia el modo de fallo conocido como White etching crack, que afecta a los rodamientos del eje rápido de las multiplicadoras. Este fallo está promovido entre otros factores por la presencia del hidrogeno proveniente del lubricante. El hidrogeno atómico se produce por reacciones triboquimicas en las superficies de contacto que no están debidamente separadas por un tribofilm en los rodamientos. En este trabajo se presenta un estudio detallado del modo de inicio del fallo. Esto se lleva a cabo a través de la realización de ensayos tribológicos a nivel de laboratorio en un tribómetro de contacto disco contra disco y también a nivel de banco de ensayos donde se emplearon rodamientos reales. Tras realizar todos los ensayos las muestras se analizaron mediante técnicas avanzadas de caracterización como SEM, EDS y EBSD.

Se conoce como sensorización virtual (en inglés, virtual sensing) al conjunto de técnicas que, aplicadas a un sistema como una máquina industrial o una estructura, permiten estimar medidas en puntos no directamente medidos con sensores. Para ello, las técnicas de sensorización virtual combinan modelos del sistema con medidas reales obtenidas en otros puntos. Estas técnicas resultan de gran utilidad integradas en sistemas de Condition Monitoring (CM, aplicadas sobre todo en maquinaria industrial y vehículos) y Structural Health Monitoring (SHM, aplicadas sobre todo en estructuras e ingeniería civil), porque permiten obtener medidas en puntos donde no sería posible instalar un sensor real (por diversos motivos como falta de espacio, condiciones advers, etc) y también porque permiten reducir el número de sensores reales en un sistema de monitorización (con la consecuente reducción de costes que ello supone).

Climate change impacts such as extreme events and progressive global warming are threatening the conservation and liveability of urban cultural heritage. Understanding climate risks on heritage should be part of policy and planning decision-making processes to increase resilience and sustainability of both social and built environmental systems. However, despite a large body of literature focusing on climate-related hazards, there is a noticeable knowledge gap regarding a holistic conceptualization of the risks in historic urban areas, which is particularly noticeable in the case of the impacts of heat waves and heat urban island phenomena on urban heritage. The scope of this thesis is to assess the impact and intrinsic characteristics of the area to determine risk, which serves as the basis for future prioritization of climate change adaptation interventions. The thesis develops a methodological approach for vulnerability and risk assessment supported by a multi-scale urban model that represents the interaction between urban spaces and heat waves via Geographic Information Systems (GIS) data. The methodology delivers a robust and replicable tool by using a categorization method for urban modelling that considers the vulnerability of historic areas both as urban systems and as heritage areas. The MIVES (Integrated Value Model for Sustainability Assessment) methodology was applied, in order to provide decision-making with objective and justified prioritization. To frame a holistic approach, socio-economic, cultural, governance (services and resources) and physical (gathering tangible characteristics of all infrastructures, elements and buildings) aspects of the system are taken into account. The methodology is tested for its replicability in two case studies, the historic area of Bilbao, Basque Country, and the old quarters of Naples, Italy.

La fabricación aditiva mediante arco e hilo (wire arc additive manufacturing, WAAM) es uno de los procesos de fabricación aditiva de metales que ha despertado un interés creciente en los últimos años como viable alternativa a la fabricación convencional. Su principal objetivo es reducir el coste y tiempo de fabricación además del desperdicio de material. En esta tesis, se han investigado diferentes variantes de tecnología CMT y su influencia en la calidad del material depositado. También se han estudiado distintas aleaciones de aluminio de media y alta resistencia con diferentes estrategias de deposición y tratamientos térmicos con el objetivo de obtener las mejores propiedades mecánicas. Las condiciones de deposición incluyen el uso de diferentes geometrías y estrategias, que afectan directamente a la microestructura resultante. También se han estudiado diferentes tiempos y temperaturas del ciclo térmico de solubilización y envejecimiento y su influencia en la dureza, propiedades mecánicas e isotropía. Con esta combinación de parámetros de fabricación en los que se obtienen una microestructura fina y equiaxial y la aplicación de un tratamiento térmico adecuado se llegan a obtener propiedades superiores a las especificadas para estas aleaciones mediante procesos convencionales de fabricación.

This contribution addresses the outdated methodology in traditional engineering component design, leading to time-consuming tasks, overdimensioning, and material waste, which negatively impact technological advancement and machine efficiency. Overdimensioning affects the assembly and machine levels, creating a domino effect. Greater machine efficiency requires highly customized components. The subtractive manufacturing system is also obsolete due to material waste and energy consumption, particularly affecting aerospace, automotive, and energy industries with high costs from heavier, less functional parts. Nature optimizes material usage through additive processes, offering a model for efficient design. The thesis aims to develop a methodology integrating advanced design methods like topology optimization, generative design, parametric design/optimization, and eco-design, inspired by nature, to create functionally optimized parts. This includes considering operational conditions, manufacturing methods, and suitable materials. The methodology involves a review of nature's design principles and advanced design/manufacturing methods, selection of the best tools for design and validation, and application to various use cases for validation. The results show that modern computing and manufacturing advances allow for more efficient, sustainable designs, challenging traditional methods and reducing project times while improving machine performance. The thesis also emphasizes future research opportunities, particularly using artificial intelligence to enhance design methodologies and reduce simulation times. (

Esta Tesis Doctoral aborda la síntesis y el análisis de manipuladores paralelos de movilidad 2T2R, con potencial para ser utilizados en la rehabilitación de las funciones de equilibrio y marcha de pacientes afectados por daño neurológico. Se propone una metodología de síntesis para la generación de nuevos mecanismos capaces de realizar dos traslaciones en un plano vertical y dos rotaciones en torno a ejes horizontales. Analizadas las alternativas resultantes, se seleccionan dos manipuladores con la topología RRU-3RSS, similares, pero con diferente potencial, que serán objeto de estudio. El primero presenta una configuración simétrica y es de propósito general, para cubrir necesidades industriales que requieren movimientos 2T2R, mientras que el segundo es específico para la generación de movimientos de rehabilitación y está diseñado para soportar los pies del paciente. Para ambos se lleva a cabo un detallado análisis de singularidades cinemáticos y del espacio de trabajo, que permite determinar la capacidad operacional real de cada manipulador. El objetivo principal de la Tesis ha sido el de llegar a materializar un prototipo funcional del dispositivo de rehabilitación que pueda ser puesto a prueba en condiciones reales, por lo que la investigación presentada también incluye un completo análisis dinámico y de planificación de trayectorias del manipulador.

El ensayo small punch test es un ensayo en miniatura que sirve para caracterizar las propiedades mecánicas de materiales metálicos. El ensayo se realiza desde el año 1980 aproximadamente pero su estandarización se ha llevado a cabo recientemente en el año 2020. Aprovechando que se ha convertido en un ensayo estandarizado, se utiliza el ensayo para investigar tres áreas de aplicación que no se pueden caracterizar adecuadamente con probetas tradicionales, o que requieren de un esfuerzo excesivo en cuanto a costes y tiempo para realizarlos con probetas tradicionales. Estas aplicaciones permiten desarrollar nuevas metodologías de ensayo capaces de extraer información referente a las propiedades mecánicas de materiales metálicos con volúmenes muy reducidos de muestras. Los campos en los que se enfoca la tesis son; un estudio del efecto de las velocidades de enfriamiento en componentes de gran espesor y como se ven afectados los componentes frente a diferentes tratamientos térmicos, un estudio de fragilización por hidrogeno exsitu en un acero de ultra alta resistencia al ser recubierto con ZnNi y por último un estudio de seis aleaciones metálicas a temperaturas criogénicas.