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

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1º Jornadas Nacionales de Actualización Industrial
16 y 17 de noviembre de 2022
Rafaela (Santa Fe, Argentina)
EL ROL DE LA TOMOGRAFÍA EN LA INDUSTRIA:
Aplicaciones aeronáuticas y en el sector de la salud
Dr. Javier García Molleja
Técnico de Laboratorio de Rayos X

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El Instituto IMDEA Materiales
• Es uno de los siete Institutos Madrileños de Estudios Avanzados (IMDEA).
• Fundado en 2007 por el Gobierno de la Comunidad de Madrid.
• Centro de investigación público.
• Consta de 16 grupos de investigación.
• Alrededor de 120 artículos JCR publicados al año.
• >150 personas (entre administración, investigadores, postdoctorandos, doctorandos, técnicos
de laboratorio, estudiantes realizando su trabajo de grado o máster, pasantías, etc).
• Más de 70 contratos I+D directamente financiados por empresas privadas.

FIB-FEGSEM
(EDS and EBSD)
FEI Helios 600i
200 kV FEG(S)TEM
(3D-STEM 3D-EDS)
FEI Talos F200X Thermo Fisher Apreo 2S
FEGSEM
(EDS and EBSD)
W filament
(EDS)
EVO MA15, Zeiss

Hysitron TI950
Triboindenter
Park XE 150 AFM
Micromaterials Nanotest

El Laboratorio de Rayos X
• Coordinado por el grupo “In-situ processing and mechanical characterization of materials”.
• Caracterización avanzada de materiales, incluyendo información microestructural, química y
cristalográfica a través de varias escalas de longitud mediante el uso de varias técnicas.
• Laboratorio clave en la línea de investigación enfocada en caracterización multiescala de
materiales y procesos.
• También se realiza una intensa actividad en diferentes sincrotrones europeos (ESRF, SLS,
PETRA III, BESSY, ALBA).
Difractómetro
PANalytical Empyrean 2
Tomógrafo Phoenix|x-ray
Nanotom 160

Empyrean Panalytical – Lab
diffractometer
Nanotom 160NF – Lab
tomograph
phoenix
malvernpanalytical.com

suplitec-ndt.com
Detector Hamamatsu 7942-25SK Tubo
Portamuestras
• Tensión máxima: 160 kV.
• Blancos: Mo y W.
• Resolución: de 30 a 1 µm/px.
• Área del detector: 2300×2300 (píxel de
50 µm.)
• Posibilidad de 3 detectores virtuales.
• Hasta 9 radiografías por segundo.

xtras.amira-avizo.com
University of Arizona
ndt.net

XCT para industria aeronáutica:
comportamiento de composites

• Las grandes compañías aeronáuticas están introduciendo en el mercado aviones con un 50 %
de su fuselaje hecho de material laminado.
• El ahorro en peso conlleva un fuerte ahorro en combustible.
• Los composites son materiales hechos de fibra de carbono y resina. Se apilan mediante
diferentes técnicas y direcciones.
• Es crucial conocer el comportamiento de estos materiales a impactos y a fatiga.

Caso 1: propagación de grietas
M.A. Riezzo et al. (2019)
Comunicación privada

Frente de grieta
Caso 1: propagación de grietas
M.A. Riezzo et al. (2019)

Caso 2: curado
• Existen multitud de procesos para fabricar los laminados.
• Usar autoclave es bastante caro.
• Las láminas pre-preg (pre-impregnadas) son una solución más económica, pero hay que
estudiar detenidamente el proceso de curado y el cierre de los canales de evacuación.

Caso 2: curado
• El laminado puede fabricarse tal cual o incluir dispersión de partículas o velos sobre una cara
para determinar el impedimento (o no) al proceso de curado.
J.J. Torres López (2019)
https://oa.upm.es/56274/1/JUAN_JOSE_TORRES_LOPEZ.pdf
Fibra de carbono
Inclusión
Velo

Caso 2: curado
• Diferentes tipos de resina implican diferentes
procesos de curado.
• El mejor proceso de impregnación se da para
resinas con un ciclo con una gran región de baja
viscosidad.
S. Hernández et al. (2011)
http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2011.05.002

Caso 2: curado
• La distancia promedio entre canales de evacuación es similar a la distancia entre mazos de
fibras en el pre-preg.
• Con un proceso sólido de segmentación es posible cuantificar la forma y volumen de las
cavidades.

Caso 2: curado
• La mayoría de huecos son elongados y están alineados con respecto la dirección de las
fibras.
• El tipo de curado no influye en esta alineación.
• La mayoría de los huecos se dan en las intercapas.

Caso 3: evolución de fracturas
• Se puede estudiar in situ (desarrollando un dispositivo adecuado para ello) cómo
evolucionan las fracturas en laminados sometidos a ensayos mecánicos.
F. Sket et al. (2014)

Caso 3: evolución de fracturas
• Se puede estudiar in situ (desarrollando un dispositivo adecuado para ello) cómo
evolucionan las fracturas en laminados sometidos a ensayos mecánicos.
https://www.materials.imdea.org/groups/nano/research-lines/x-
ray-tomography/4d-tomography/damage-development-in-carbon-
fiber-reinforced-composites/
https://doi.org/10.1179/1743284714Y.0000000561

Caso 4: resistencia al impacto
• Dependiendo del tipo de laminado el daño de impacto se repartirá de manera diferente entre
cada capa en función de la dirección de la fibra.
Dynacomp Project
https://materials.imdea.org/project
s/dynacomp-dynamic-behaviour-of-
composite-materials-for-next-
generation-aeroengines/

XCT para industria automotriz:
influencia del proceso de
fabricación en aleaciones
metálicas

• Las estructuras de automóviles tienden a ser cada vez más ligeras.
• Los nuevos materiales que se emplean deben tener similares características a los que se están
usando.
• Es necesario determinar cómo quedan afectados por esfuerzos y tiempo de uso.

Caso 1: efectos de la presión hidrostática
• Cilindros de aleación de magnesio generados por fundición a presión.
• Una vez solidificado, se le somete a presión hidrostática para ver el comportamiento de la
porosidad interna del material.
• Un proceso de segmentado permite generar una mallado para llevar a cabo simulaciones
mediante elementos finitos. Así se determina la deformación de la porosidad.
http://dx.doi.org/10.1007/s11661-015-3024-z

Caso 2: influencia de los defectos en la
propagación de grietas
• Una aleación de níquel se somete a ensayo de tracción con fractura.
• Un análisis antes y después de la fractura puede ayudar a determinar si la defectología inicial
influye en la formación y propagación de la grieta de fractura.
Xmart project
https://www.materials.imdea.
org/groups/nano/research-
lines/x-ray-
tomography/effects-of-
casting-defects/xmart-
project/
σ σ

Caso 2: influencia de los defectos en la
propagación de grietas
• La extracción tridimensional de la superficie de la fractura indica que se ha propagado a
través de los cúmulos de porosidad.
Xmart project
https://www.materials.imdea.
org/groups/nano/research-
lines/x-ray-
tomography/effects-of-
casting-defects/xmart-
project/
45A
CL2
CL1
CL3
CL4
CL5

Caso 3: evolución del daño por carga
• Muestra de acero queda sometida a tensión por tracción.
• Midiendo paso a paso el proceso se puede identificar la
defectología interna y su evolución en función del nivel
de carga aplicada.
F. Suárez et al. (2019)
https://doi.org/10.3390/met9030292

Caso 3: evolución del daño por carga
• Es posible centrarse en un defecto y evaluar cómo se desarrolla en función de la carga
aplicada.
A. Isaac et al. (2008)
https://doi.org/10.1117/12.795941

Caso 4: deformación a alta velocidad
• Mediante fabricación aditiva se pueden insertar intencionalmente diferentes densidades de
porosidad en tubos de aluminio para ver cómo afecta la defectología a la deformación del
material y la presencia y recorrido de posibles fracturas.
J. Rodríguez et al. (2022)
En preparación

XCT para la salud: materiales
estructurales aplicados en la
Biología

• En el sector de la salud, el uso de materiales estructurales está atrayendo mucha importancia.
• Estos materiales han de tener propiedades mecánicas similares a los huesos.
• También deben tener una forma similar a la parte ósea a ser remplazada. Esto puede
conseguirse mediante el uso de técnicas de fabricación aditiva.
• Además, no deben ser tóxicos y han de poder adaptarse al interior del cuerpo humano.
• Las aleaciones de magnesio son los mejores candidatos para cumplir esta tarea.

Caso 1: influencia de la estructura
• La estabilidad de la estructura dependerá del tipo de material.
• Su resistencia a la corrosión se ve afectada por la presencia (o no) de tratamiento superficial
del material.
• El tamaño del puntal (strut) y el tipo de celda unidad elegido para imprimir afectarán en el
desempeño mecánico de la estructura final.
M. Li et al. (2021)
FCC
[100]ext [100]int

del material.
M. Li et al. (2021)
BCC
[110] [111]

del material.
M. Li et al. (2021)
Giroide
[001]

Caso 2: corrosión de aleaciones
de magnesio
• Los intermetálicos presentes en la estructura pueden iniciar
los procesos de corrosión.
• El fallo estructural se inicia en el interior de la muestra.
• Las muestras sometidas a tratamiento térmico presentan
diferentes tipos de procesos corrosivos.
M. Li et al. (2021)
https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111623

Caso 3: resistencia mecánica de
aleaciones de magnesio
• Se desarrolló en laboratorio un sistema de ensayos mecánicos para análisis in situ.
• Se puede radiografiar un andamio de magnesio sometido a corrosión durante cierto tiempo.
• Sucesivas radiografías indican bajo qué carga se produce rotura y cuáles son los planos
preferentes para el fallo.
M.D. Martín Alonso et al. (2022)
En preparación

Caso 3: resistencia mecánica de
aleaciones de magnesio
• Se desarrolló en laboratorio un sistema de ensayos mecánicos para análisis in situ.
• Se puede radiografiar un andamio de magnesio sometido a corrosión durante cierto tiempo.
• Sucesivas radiografías indican bajo qué carga se produce rotura y cuáles son los planos
preferentes para el fallo.
M.D. Martín Alonso et al. (2022)
En preparación
BCC
0 N 1600 N

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