Selección de material para un cuadro de bicicleta de carga eléctrica
Una startup de Barcelona quiere fabricar 500 bicicletas de carga eléctricas al año. El cuadro debe pesar menos de 4,5 kg, resistir fatiga, ser soldable o reparable y no superar 90 € de material por unidad. El volumen total de tubos y uniones es 1,15 dm³. Se comparan tres materiales: aleación 6061-T6 (ρ=2.700 kg/m³, σy=276 MPa, E=69 GPa, 4,5 €/kg, soldadura con aporte 5356 y pérdida de propiedades en la zona afectada térmicamente), acero 4130 (ρ=7.850 kg/m³, σy=435 MPa, E=205 GPa, 1,8 €/kg, soldable y pintado) y laminado de fibra de carbono (ρ=1.600 kg/m³, σy=600 MPa, E=90 GPa, 65 €/kg, unión pegada, frágil ante impacto). El proveedor de aluminio puede aplicar tratamiento térmico posterior completo; el de acero, no. La empresa prioriza coste total y reciclabilidad al final de la vida útil, pero no quiere sacrificar la seguridad frente a fatiga.
1. Calcula masa y coste de material por cuadro para los tres materiales y decide cuáles cumplen los límites de 4,5 kg y 90 €. Expón qué descartas y por qué.
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Cálculo básico. Volumen: 1,15 dm³ = 1,15×10⁻³ m³.
- 6061-T6: m = 2.700 × 1,15×10⁻³ = 3,11 kg; coste = 3,11 × 4,5 = 14,0 €.
- 4130: m = 7.850 × 1,15×10⁻³ = 9,03 kg; coste = 9,03 × 1,8 = 16,3 €.
- CFRP: m = 1.600 × 1,15×10⁻³ = 1,84 kg; coste = 1,84 × 65 = 119,6 €.
Decisión. El acero cumple coste, pero no masa: 9,03 kg supera claramente 4,5 kg. El CFRP cumple masa, pero incumple coste material y además exige unión pegada y es frágil ante impacto. El 6061-T6 cumple ambos límites con margen: 3,11 kg y 14,0 €. No obstante, la elección no es solo estática: la zona afectada térmicamente por la soldadura reduce la resistencia a fatiga si no se trata después, por lo que la condición del proveedor de aplicar T6 completo es decisiva. Si no se garantizara ese tratamiento, habría que sobredimensionar o cambiar de unión.
2. El tubo crítico de aluminio tiene área 320 mm² y trabaja a compresión con 50 kN. Calcula tensión y coeficiente de seguridad respecto a σy. Discute si la soldadura sin tratamiento térmico posterior sería admisible y qué harías.
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Tensión nominal: σ = F/A = 50.000 N / 320 mm² = 156,3 MPa.
Coeficiente de seguridad estático: n = σy/σ = 276/156,3 = 1,77. Frente a plastificación estática es aceptable, aunque no evalúa pandeo local del tubo; habría que comprobar esbeltez y estabilidad.
El problema real es la soldadura. En 6061-T6 sin tratamiento posterior, la zona afectada térmicamente puede quedar en torno a 160-170 MPa de límite elástico. Con 156,3 MPa el coeficiente sería cercano a 1,0-1,1, insuficiente para una estructura sometida a fatiga y con incertidumbre de carga. Soluciones: aplicar solución y envejecimiento posterior completo, rediseñar la unión fuera de la zona crítica, aumentar espesor local o usar refuerzos. Mantendría el aluminio solo si el T6 posterior está asegurado y se verifica fatiga; en caso contrario, no aprobaría el diseño tal cual.
3. Compara aluminio y fibra de carbono desde el punto de vista ambiental y de reparabilidad. ¿Mantendrías la elección? Justifica con los datos.
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El aluminio es reciclable con alta tasa y valor de chatarra; la refundición requiere mucha energía, pero evita extraer bauxita y el circuito industrial está consolidado. Un cuadro de 3,11 kg se puede reparar por soldadura y vuelve a servicio con inspección. El CFRP pesa menos, 1,84 kg, pero su matriz termoestable dificulta el reciclaje: normalmente se tritura o se valoriza térmicamente con pérdida de fibras, y la unión pegada hace la reparación más artesanal y difícil de verificar. Además, su fallo es frágil ante impacto, lo que exige inspecciones más conservadoras.
Con los criterios del enunciado -coste, reciclabilidad y seguridad- mantendría el 6061-T6. El ahorro de 1,27 kg por cuadro no compensa un sobrecoste de más de 100 € por unidad ni el peor fin de vida. Si el cliente priorizara prestaciones puras, el CFRP sería defendible, pero no con el pliego actual.