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https://hdl.handle.net/10016/22801

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Tool wear and induced damage in CFRP drilling with step and double point angle drill bits
(Elsevier, 2019-06-19) Fernández Pérez, Juan; Cantero Guisández, José Luis; Díaz Álvarez, José; Miguélez Garrido, María Henar; Ministerio de Economía y Competitividad (España); Agencia Estatal de Investigación (España)
Drilling operations on Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) have become crucial for the manufacturing process of multiple components on the aerospace industry. The main objective of this research is to develop a comparative analysis between a step geometry drill bit, currently used in the aerospace industry for drilling processes in CFRP with a hole diameter of 9.54 mm, and the double point angle geometry. The tool material is tungsten carbide with a diamond coating. The performance of each cutting geometry is assessed based on the type of tool wear, the evolution of the thrust force and cutting torque and the onset of machining induced damage on the test specimens. Although the main wear mechanism suffered by both tools was very similar, it was observed a remarkable influence of the cutting geometry on the tool wear evolution and the associated thrust force. This different performance also affected the onset of the machining induced damage.
Influence of the undeformed chip cross section in finishing turning of Inconel 718 with PCBN tools
(Elsevier, 2018) Infante García, Diego; Díaz Álvarez, Antonio; Cantero Guisández, José Luis; Muñoz Sánchez, Ana; Miguélez Garrido, María Henar; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
Inconel 718 is a difficult-to-cut material due to its poor thermal conductivity, severe work hardening and high strength at high temperature. Machining of Inconel 718 with Polycrystalline Cubic Boron Nitride (PCBN) tools at high speed in finishing operations may lead to brittle fracture in the cutting tool because of the low toughness of PCBN inserts in comparison to other cutting materials. PCBN inserts shaped with large tip radius are commonly used to remove small values of depth of cut in order to counteract these aspects. When applying multipass turning strategies with this configuration, a significant peak may occur in the response of the machining forces at the end of the pass in the second and successive passes. This fact may also be present when turning inner profiles or into a shoulder. The increase of the undeformed chip cross section and the high specific cutting forces of Inconel 718 give rise to this peak of the machining forces. In this work, different tests involving multipass finishing turning in Inconel 718 have been carried out in order to study the magnitude of the peak forces for different cutting conditions. A PCBN tool at high cutting speed with coolant has been employed at different feed rates and depths of cut. On the other hand, an analytical study of the undeformed chip section at the end of each turning pass has been performed in order to determine its relation to the machining peak forces. The results have shown that these peaks in the machining forces are strongly related to the tool tip radius and the cutting parameters. The machining force at the end of a turning pass can increase significantly their values during a short interval. Consequently, this effect may influence tool wear progression leading to a premature breakage of the tool.
Study of the performance of PCBN and carbide tools in finishing machining of Inconel 718 with cutting fluid at conventional pressures
(Elsevier, 2018) Criado del Álamo, Víctor; Díaz Álvarez, José; Cantero Guisández, José Luis; Miguélez Garrido, María Henar; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
Inconel 718 is a nickel-based superalloy widely used in the aerospace industry, nuclear plants and gas turbines due to the exceptional mechanical properties and resistance to corrosion at elevated temperature. For these reasons Inconel 718 have a low machinability due to the high temperatures that appear in the cutting area in addition to the wear caused in the tools as abrasion, chemical affinity, diffusion, flank and notch wear. Carbide and recently Polycrystalline Cubic Boron Nitride (PCBN), are the cutting tool materials used in finishing operations of nickel-based superalloys. This paper focuses on the comparative analysis of carbide and PCBN tools in finishing operations on Inconel 718 using cutting fluid at conventional pressure (7.5 bar). Experimental tests were performed at different cutting speeds, feed rate and depths of cut depending of the cutting tool. PCBN tools were used at speeds within the range of 250-300 m/min, feed between 0.1 and 0.15 mm/rev and depth of 0.15mm. Carbide tools are not used at such speeds because of their lower hardness at high temperature. Speeds five times lower than those were used for PCBN (50-70 m/min), the same feeds (between 0.1 and 0.15 mm/rev) and a depth of 0.25 mm were used. Tool life and machined surface has been analyzed with the aim of studying the viability of these tools in finishing conditions of Inconel 718. The results indicate that PCBN tools have a shorter life in minutes than carbide tools; however, the machined surface by cutting edge is larger at higher cutting speeds, so PCBN tools are an interesting alternative in this type of machining.
Desarrollo de simulantes óseos mediante fabricación aditiva y validación del comportamiento mecánico a flexión
(Universidad Politécnica de Madrid. Departamento de Ingeniería Mecánica, 2022) Alvarez Blanco, Mario; Infante García, Diego; Marco Esteban, Miguel; Giner, Eugenio; Miguélez Garrido, María Henar; Comunidad de Madrid; Ministerio de Ciencia e Innovación (España)
Este trabajo se centra en el estudio y desarrollo de simulantes de tejido óseo fabricados mediante fabricación aditiva utilizando ácido poliláctico, con el objetivo de reproducir su comportamiento mecánico a flexión. Para ello, se han tomado como referencia muestras de costilla porcina para analizar su respuesta. Para conseguir la geometría de los simulantes se ha realizado un escáner óptico 3D de las superficies óseas y, posteriormente, se han fabricado las geometrías correspondientes variando distintos parámetros de impresión 3D. Desde estos diseños ha sido posible comparar distintas configuraciones de simulantes con las muestras reales mediante ensayos de flexión. Aparte, se ha llevado a cabo la caracterización del polímero con diferentes probetas impresas de tracción y flexión. Los resultados obtenidos mediante el ajuste de los parámetros de impresión analizados demuestran que es posible conseguir un comportamiento similar a flexión de los simulantes impresos con respecto a las propiedades mecánicas del tejido óseo real.
CFRP drilling process control based on spindle power consumption from real production data in the aircraft industry
(Elsevier, 2022) Domínguez Monferrer, Carlos; Fernández Pérez, Juan; Santos Garcia, Raul De; Miguélez Garrido, María Henar; Cantero Guisández, José Luis; Comunidad de Madrid; Ministerio de Educación, Cultura y Deporte (España)
Ongoing challenges in advanced manufacturing highlight the need of improved control of the production system, higher production speed, lower tool wear, top quality standards together with reduced material waste to minimize associated costs, time and environmental footprint. The organization of production resources through the integration of data along the value chain using Information Technologies is required to achieve these challenges. Thus, the emergence of the fourth industry revolution brings with it the organization of productive resources through computational intelligence and connectivity. This research seeks to analyze the spindle power consumption in Carbon-fiber-reinforced polymer composites (CFRPs) drilling operations as a process control indicator in terms of tool wear. This signal stands out among others available because it can be obtained in real time, with high quality and through a non-intrusive methodology. In particular, the study is framed in the real production system in factories of Airbus. The industrial process data were directly collected from the manufacturing plant in Getafe (in the Madrid-Spain region) and correspond to more than 3000 holes drilled with diamond-coated tungsten carbide tools. The variability of machining conditions in the aeronautical component drilling process and inherent noise level of signals obtained in industrial environments required the development of a data wrangling methodology to structure and clean the information. As a result, different magnitudes were obtained from spindle power consumption signal related to tool wear with low levels of dependence on drilling conditions. The conclusions of this work are directly applicable to the control of industrial production systems within the framework of Industry 4.0, searching new improvement opportunities through Data analytics and Artificial Intelligence such as tool breakage detection or the optimization of cycle times.
Crack morphology in lattice-core specimens made of biopolymer via fused deposition modelling
(Elsevier, 2022) Alvarez Blanco, Mario; Arias Blanco, Adrian; Infante García, Diego; Marco Esteban, Miguel; Giner, Eugenio; Comunidad de Madrid; Ministerio de Ciencia e Innovación (España)
During the last decades, it has been shown how additive manufacturing is becoming a cost-efficient alternative to produce customized parts or prototyping with traditional manufacturing processes. However, the integrity assessment of 3D printing technology parts is still challenging due to the huge number of parameters involved during the process along with the lack of industry standards. Therefore, further investigations are required to optimize the in-service behaviour of additive manufacturing parts. The objective of this work is to analyse the failure of components made from additive manufacturing under three-point bending tests in terms of crack morphology and strength. Specimens were made by a biopolymer (polylactic acid, PLA) via fused deposition modelling with different infill core densities. Next, three-point bending tests were carried out at a low strain rate under monotonic loading. In addition, three-dimensional digital image correlation was applied during tests in order to track the exterior full-field displacement and strain and output crack trajectories. The results are analysed in terms of fracture morphology and flexural strength of the post-mortem specimens, and they show the high impact of process parameters in the mechanical behaviour and failure of components made from additive manufacturing.
Estimation of thermal effects in dry drilling of Ti6Al4V
(Elsevier, 2015) Díaz Álvarez, Antonio; Cruz Hernández, Jesús Alberto de la; Díaz Álvarez, José; Cantero Guisández, José Luis; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
This work focuses on the dry drilling of titanium alloy Ti6Al4V. The main objective is establishing a methodology to quantify the heat generated in the material, and the heat fluxes towards it during a machining process. For the thermal effects determination in the machined material, a tridimensional finite element model of drilling was developed. The numerical model was validated experimentally. From the thermal distributions obtained numerically, the heat that acts on the material due to the action of the edges of the tool it is determined.
Numerical modelling of the thermal effects on material in drilling processes Ti6Al4V alloy
(Elsevier, 2015) Díaz Álvarez, José; Cruz Hernández, Jesús Alberto de la; Díaz Álvarez, Antonio; Cantero Guisández, José Luis; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
It has been developed a bidimensional finite element model, which considers the thermal analysis of the material during the dry drilling of Ti6Al4V. Thermal loads that affect material have been calculated based on three-dimensional numerical models and the evolution of the torque experimentally measured in dry drilling of Ti6Al4V. Results of the numerical model have been compared with temperature values reached in the material at 1 mm from drill wall that was obtained experimentally. The developed numerical model to determine the evolution of the temperature in the material obtained during the drilling process gives relevant information for the control of thermal damage due to machining.
Análisis numérico del efecto de la protección de mandíbula y visor en un casco de combate ante cargas explosivas
(Secretaría del Grupo Español de Fractura, 2016-03) Loya Lorenzo, José Antonio; Rodríguez Millán, Marcos; Tan, L. B.; Tse, K. M.; Lee, Heow Pueh; Miguélez Garrido, María Henar; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
En este trabajo, utilizando un código comercial de elementos finitos, se ha realizado un análisis numérico de la influencia de los distintos elementos que conforman una protección personal de la cabeza (casco de combate) ante una amenaza explosiva. El estudio, que incluye la modelización completa del casco y un modelo real de cabeza, permite determinar distintos valores de daño a partir de la presión intracraneal y posible fractura craneal producidos por la onda de choque. Los resultados obtenidos permiten constatar que el desarrollo de la protección personal de la cabeza cumple con su principal requisito de minimizar el efecto de las presiones y fractura en el cráneo. Sin embargo, debido a su configuración modular, las distintas configuraciones pueden ocasionar daños cerebrales y fractura craneal en el usuario.
Tecnologías para la seguridad y su aplicación en la formación superior de los futuros oficiales de la Guardia Civil
(2015) Rodríguez Millán, Marcos; Marco Esteban, Miguel; Loya Lorenzo, José Antonio; Moure Colón, Fernando; Miguélez Garrido, María Henar; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
El trabajo presenta la metodología empleada por el Centro Universitario de la Guardia Civil (CUGC) y la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) para el desarrollo de Trabajos Fin de Grado (TFG) enfocados a la aplicación educacional en defensa y seguridad. Los resultados presentados son desarrollados por los alumnos de cuarto curso en el Grado en Ingeniería de la Seguridad. El conocimiento desarrollado en el aspecto de la seguridad y el uso de nuevas herramientas numéricas son de gran utilidad para los futuros oficiales de la Guardia Civil. La principal contribución de este artículo es mostrar la heterogeneidad de los trabajos realizados, destacando el uso de herramientas informáticas para prevención, diseño y mejora de los dispositivos de seguridad y protección de las libertades de las personas. El uso de este tipo de herramientas aún no ha sido suficientemente utilizado a pesar de las amplias posibilidades que ofrece en el campo de la seguridad. En este documento se destacan los principales TFG destinados a la seguridad física así como al análisis de la seguridad empleando dispositivos tecnológicos: móviles, aviones no tripulados, material técnico y especializado para incendios estructurales.
Análisis numérico del efecto de la protección de mandíbula y visor del casco de combate bajo cargas explosivas
(2015) Rodríguez Millán, Marcos; López-Gálvez Muñoz, Héctor; Loya Lorenzo, José Antonio; Lee, Heow Pueh; Miguélez Garrido, María Henar; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
En este trabajo se ha analizado numéricamente, mediante el uso del código comercial de elementos finitos ABAQUS/Explicit, el comportamiento de distintos componentes de una protección personal de cabeza humana (casco de combate) ante una amenaza explosiva. Los resultados obtenidos muestran la propagación de la onda de choque, responsable del incremento de la presión intracraneal. El desarrollo óptimo de la protección personal de la cabeza permite paliar el efecto de la onda presión sin exceder los límites establecidos.
Modelización numérica de casco EOD ante impacto de fragmento
(2018) Loya Lorenzo, José Antonio; Aranda Ruiz, Josué; Rodríguez Millán, Marcos; Miroir, Kentin; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
En este trabajo se ha estudiado y analizado numéricamente la respuesta de un casco diseñado para la desactivación de explosivos (EOD) frente a impacto de fragmento. Para ello se ha utilizado el código comercial de elementos finitos Abaqus/ Explicit modelizando el comportamiento de los diferentes materiales mediante subrutinas de usuario. Los resultados obtenidos permitirán el desarrollo óptimo de este tipo de sistemas de protección, mejorando la ergonomía y minimizando los daños producidos por dicho impacto en el usuario.
Análisis experimental y numérico del material compuesto de aramida frente a impacto balístico
(Universidad Nacional de Educacion a Distancia (UNED), 2018-09) Rodríguez Millán, Marcos; Rubio Díaz, Ignacio; Loya Lorenzo, José Antonio; Moure Cuadrado, Marta María; Miguélez Garrido, María Henar; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
En este trabajo se ha realizado un estudio experimental y numérico del comportamiento mecánico un casco de combate frente a impacto balístico de projectiles esféricos de 1.7 gramos. Se ha desarrollado un modelo numérico que ha sido calibrado y validado mediante ensayos experimentales en placas de diferente espesor. Un vez validado el modelo, se han desarrollado los ensayos experimentales en el casco de combate. Entre las conclusiones de este trabajo destaca que localización del impacto en el casco influye notablemente en el límite balístico. Cabe destacar que el modelo numérico es capaz de reproducir cada capa del casco de combate lo cual puede ser beneficioso para llevar a cabo futuras investigaciones sobre el casco con aramida u otro material.
Estudio experimental y numérico de la fricción entre hilos en la respuesta frente a impacto de tejidos de alto rendimiento
(Universidad Nacional de Educacion a Distancia (UNED), 2018-09) Moure Cuadrado, Marta María; Rodríguez Millán, Marcos; Aranda Ruiz, Josué; Feito Sánchez, Norberto; Loya Lorenzo, José Antonio; Miguélez Garrido, María Henar; Ministerio de Economía y Competitividad (España)
En este trabajo, se ha realizado un estudio experimental y numérico sobre tejidos de alto rendimiento con el fin de determinar la fricción existente entre los hilos del tejido (trama y urdimbre), parámetro de gran importancia en cualquier simulación numérica de impacto balístico sobre este tipo de materiales. Dicho estudio se ha llevado a cabo sobre un total de cuatro tejidos de aramida flexible (tejidos sin refuerzo polimérico) con distintas densidades areales. Para una correcta predicción numérica del comportamiento mecánico de los distintos tejidos de aramida, es necesario conocer sus propiedades mecánicas. Con este fin, se ha realizado un estudio exhaustivo de cada una de las geometrías de hilo consideradas, incluyendo ensayos experimentales de tracción de hilo para conocer sus propiedades mecánicas, así como ensayos de extracción de hilo para calcular el rozamiento existente entre ellos. Esta información ha permitido desarrollar un modelo numérico realista de extracción de hilo que recoge las particularidades de la arquitectura de cada uno de los tejidos estudiados, para así analizar la influencia debida a los parámetros característicos del tejido. Para el desarrollo del modelo se han considerado varios factores: número de hilos, el tamaño del hilo, la ondulación del hilo, el módulo de elasticidad del hilo, el diámetro del hilo y la fricción entre hilos.
Influence of special tool geometry in drilling woven CFRPs materials
(Elsevier B.V., 2015-07-22) Feito Sánchez, Norberto; Díaz Álvarez, José; Cantero Guisández, José Luis; Miguélez Garrido, María Henar
Machining processes of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) are commonly required in order to achieve final assembly specifications. Despite the good mechanical properties of this kind of materials, they are hard to be machined due to the presence of hard particles; delamination, fiber pull-out and matrix thermal degradation are usually observed during its machining. Drilling operations are required before mechanical joining of the CFRP components. The actual interest in reducing delamination rests in the fact that it is the most serious damage found during drilling. In this work, a comparative study of three special geometries under different cutting conditions is presented. Thrust force and torque were monitoring during drilling tests and delamination extension was quantified. Results showed that a good drill tip geometry and feed rate selection is fundamental to reduce delamination damages.
Análisis numérico de blindajes cerámicos modulares inspirados en la naturaleza para protecciones balísticas
(Grupo Español de Fractura, 2018) González Albuixech, Vicente Francisco; Rodríguez Millán, Marcos; Ito, T.; Loya Lorenzo, José Antonio; Miguélez Garrido, María Henar
The requirements increase of the protections used by the security forces, which should combine a high capacity for protection and ergonomics, have determined an interest on bioinspired protections. This work presents a numericalstudy numerical of its role performance against impact. We have considered ceramic armours based on ganoid fishscales (gars, bichirs and reedfishes), placoid fish scales (sharks and rays) and armadillos. Perpendicular impacts tosurface protection, oblique and double impacts are considered. It is concluded that the localized damaging and crack arrest properties, associated with its modular configuration, improve their efficiency on multihit situations, besides itspotential ergonomic, convert them in suitable candidates for a deeper study.
Análisis experimental de la resistencia a la penetración de cuchillo en tejidos de alto rendimiento
(2016-11) Rodríguez Millán, Marcos; Ito Gonzales, Tadashi; Loya Lorenzo, José Antonio; Rubio Díaz, Ignacio; Marco Esteban, Miguel; Miguélez Garrido, María Henar
En este trabajo se ha llevado a cabo ensayos experimentales para determinar la eficacia de dos tipos de tejidos de aramida frente a una penetración de cuchillo. El tipo de tejido es un parámetro fundamental a la hora de fabricar una protección personal como se ha demostrado en este trabajo. Para medir la eficiencia de cada tipo de tejido, se ha fabricado gelatina balistica de modo que el ensayo sea lo más real posible. El trauma producido en la gelatina y el modo de fallo de las diferentes telas son analizados con el fin analizar profundamente Se ha demostrado que las telas de aramida impregnadas con resina termoplástica producen una mejor protección ante impacto a baja velocidad de una cuchilla de doble filo. Sin embargo, aumentan considerablemente el peso de la protección personal. Una correcta combinación entre telas flexibles y telas rígidas es lo más deseable a la hora de diseñar una protección personal para uso diario de un miembro de las Fuerzas y Seguridad del Estado.
Behaviour of a new combat helmet design against ballistic impact: Experimental and numerical analysis
(2016-09) Rodríguez Millán, Marcos; Olmedo Torres, Álvaro; Romualdo, G.; Feito Sánchez, Norberto; Loya Lorenzo, José Antonio; Miguélez Garrido, María Henar
This work focuses on the finite element analysis (FEA) of a new combat helmet design developed by the Spanish Company FECSA S.A. with the aim of optimizing the final design. The helmet was made of aramid/phenolic resin. Mechanical behavior under impact conditions were analyzed through the experimental Fragment Simulating Projectile (FSP) and Full-Metal Jacketed (FMJ) impact tests on aramid flat plates. From this point, the helmet numerical model, developed using the commercial code ABAQUS/Explicit, was optimized in order to reach the required ballistic limit. Since the aramid composite mechanical properties depends on fiber orientation, a user-defined subroutine VUMAT was developed to simulate the composite behavior under ballistic penetration. For the final validation of the proposed numerical model, experimental impact tests on helmets were performed showing good agreement with the numerical predictions.

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