ESTUDIO PARA LA SELECCIÓN DE MATERIAL AUTOADHESIVO PARA LA FABRICACIÓN DE PANELES SANDWICH EN ESTRUCTURAS AERONÁUTICAS
Autor: Isabel María Mudarra Medina
Tutor: Carpóforo Vallellano Martín
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Aeronáutica
Dep. de Ingeniería Mecánica y de los Procesos de Fabricación
IPF - Ingeniería de los procesos de fabricación
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2015
1 Proyecto Fin de Carrera
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Aeronáutica (Plan 2002)
ESTUDIO PARA LA SELECCIÓN DE MATERIAL
AUTOADHESIVO PARA LA FABRICACIÓN DE
PANELES SANDWICH EN ESTRUCTURAS
AERONÁUTICAS
Autor:
Isabel María Mudarra Medina
Tutor:
Carpóforo Vallellano Martín
Profesor titular
Dep. de Ingeniería Mecánica y de los Procesos de Fabricación
IPF – Ingeniería de los Procesos de Fabricación
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla Sevilla, 2015
2 Ingeniería Aeronáutica (Plan 2002)
3 Índice
Índice
Índice ________________________________________________________ 3
Índice de figuras _______________________________________________ 7
Índice de tablas ______________________________________________ 11
1 Objeto e interés ___________________________________________ 15
1.1 Campo de aplicación _________________________________________ 16
2 Estado del arte ____________________________________________ 19
2.1 Introducción _________________________________________________ 19
2.2 Componentes de un panel sándwich ____________________________ 19
2.2.1 Piel _____________________________________________________________ 19
2.2.2 Núcleo___________________________________________________________ 21
2.2.3 Adhesivo _________________________________________________________ 22
2.3 Características de los paneles sándwich _________________________ 23
2.4 Uso de paneles sándwich en estructuras aeronáuticas _____________ 25
2.5 Proceso de fabricación de paneles sándwich _____________________ 26
2.5.1 Preparación de los materiales ________________________________________ 27
2.5.2 Corte de telas _____________________________________________________ 28
2.5.3 Limpieza y preparación de útiles ______________________________________ 29
2.5.4 Apilado manual de telas (‘Hand lay-up’) _________________________________ 30
2.5.4.1 Compactación o consolidación ____________________________________ 32
2.5.5 Preparación de bolsa de vacío ________________________________________ 33
2.5.6 Curado en autoclave _______________________________________________ 36
2.5.6.1 Ciclo de curado ________________________________________________ 38
2.5.6.2 Termopares __________________________________________________ 40
2.5.6.3 Tomas de vacío _______________________________________________ 41
2.5.6.4 Paneles de control de procesos ___________________________________ 41
2.5.7 Desmoldeo _______________________________________________________ 41
2.5.8 Mecanizado ______________________________________________________ 42
2.5.9 Verificaciones _____________________________________________________ 43
2.5.10 Sellado de bordes ________________________________________________ 44
2.5.11 Inspecciones no destructivas _______________________________________ 44
2.5.11.1 Inspección visual ______________________________________________ 45
2.5.11.2 Prueba de estanqueidad ________________________________________ 45
2.5.11.3 Inspección ultrasónica __________________________________________ 45
2.5.12 Pintura ________________________________________________________ 46
2.5.13 Verificación final e identificación ____________________________________ 47
2.6 Alternativa de fabricación. Materiales autoadhesivos _______________ 47
3 Metodología de calificación _________________________________ 51
3.1 Paneles de ensayo ___________________________________________ 51
3.1.1 Panel simple ______________________________________________________ 51
3.1.2 Panel complejo ____________________________________________________ 54
3.2 Paneles de control de procesos ________________________________ 58
4 Índice
3.3 Materiales empleados _________________________________________ 59
3.3.1 Materiales estructurales y funcionales __________________________________ 60
3.3.2 Presentación de las tres alternativas de material preimpregnado autoadhesivo__ 63
3.3.2.1 Condiciones de procesamiento. Ciclos de curado _____________________ 63
3.3.2.2 Propiedades físicas de los preimpregnados frescos ___________________ 67
3.3.2.3 Propiedades térmicas de los preimpregnados frescos _________________ 70
3.3.3 Materiales Auxiliares _______________________________________________ 74
3.4 Matriz de ensayos ____________________________________________ 75
4 Fabricación de los paneles de ensayo_________________________ 79
4.1 Procesos ___________________________________________________ 79
4.1.1 Apilado de telas. Lay-up _____________________________________________ 80
4.1.1.1 Secuencia de telas paneles simples _______________________________ 80
4.1.1.2 Secuencia de telas paneles complejos _____________________________ 83
4.1.1.3 Compactación _________________________________________________ 86
4.1.1.4 Consideraciones al proceso de lay-up ______________________________ 87
4.1.1.4.1 Material I __________________________________________________ 90
4.1.1.4.2 Material II __________________________________________________ 91
4.1.1.4.3 Material III _________________________________________________ 92
4.1.2 Curado en autoclave _______________________________________________ 93
4.1.3 Desmoldeo ______________________________________________________ 100
5 Ensayos de calificación ___________________________________ 101
5.1 Ensayos no destructivos _____________________________________ 101
5.1.1 Inspección visual _________________________________________________ 101
5.1.2 Ensayo de estanqueidad ___________________________________________ 101
5.1.3 Inspección ultrasónica _____________________________________________ 101
5.1.3.1 Inspección ultrasónica en paneles simples _________________________ 101
5.1.3.2 Inspección ultrasónica en paneles complejos _______________________ 104
5.1.4 Pesada _________________________________________________________ 107
5.1.5 Inspección dimensional ____________________________________________ 107
5.1.5.1 Comprobación dimensional paneles simples ________________________ 108
5.1.5.2 Comprobación dimensional paneles complejos ______________________ 109
5.2 Ensayos destructivos ________________________________________ 109
5.2.1 Determinación del volumen de fibra, resina y huecos _____________________ 109
5.2.1.1 Procedimiento de ensayo _______________________________________ 110
5.2.1.2 Expresión de resultados ________________________________________ 112
5.2.1.3 Muestras en paneles simples ____________________________________ 113
5.2.1.4 Muestras en paneles complejos __________________________________ 113
5.2.2 Inspección macro/micrográfica _______________________________________ 114
5.2.2.1 Procedimiento de ensayo _______________________________________ 115
5.2.2.2 Muestras en paneles simples ____________________________________ 116
5.2.2.3 Muestras en paneles complejos __________________________________ 116
5.2.3 Determinación de la temperatura de transición vítrea _____________________ 117
5.2.3.1 Procedimiento de ensayo _______________________________________ 117
5.2.3.2 Muestras en paneles simples ____________________________________ 118
5.2.3.3 Muestras en paneles complejos __________________________________ 119
5.2.4 Ensayo de pelado de tambor ________________________________________ 119
5.2.4.1 Procedimiento de ensayo _______________________________________ 120
5.2.4.2 Expresión de resultados ________________________________________ 122
5.2.4.3 Muestras en paneles simples ____________________________________ 122
5 Índice
5.2.4.4 Muestras en paneles complejos __________________________________ 122
5.2.5 Ensayos mecánicos en paneles de control de procesos ___________________ 123
5.2.5.1 Ensayo de cortadura interlaminar ________________________________ 123
5.2.5.1.1 Expresión de resultados _____________________________________ 124
5.2.5.2 Tracción plana _______________________________________________ 125
5.2.5.2.1 Expresión de resultados _____________________________________ 126
5.2.5.3 Pelado tambor _______________________________________________ 126
5.2.5.4 Tracción simple ______________________________________________ 126
5.2.5.4.1 Expresión de resultados _____________________________________ 127
5.2.5.5 Cuatro puntos de flexión________________________________________ 127
5.2.5.5.1 Expresión de resultados _____________________________________ 128
5.2.5.6 Compresión _________________________________________________ 128
5.2.5.6.1 Expresión de resultados _____________________________________ 129
6 Resultados ______________________________________________ 131
6.1 Resultados de ensayos no destructivos _________________________ 131
6.1.1 Inspección visual _________________________________________________ 131
6.1.1.1 Paneles simples ______________________________________________ 131
6.1.1.2 Paneles complejos ____________________________________________ 131
6.1.2 Ensayo de estanqueidad ___________________________________________ 133
6.1.2.1 Estanqueidad en paneles simples ________________________________ 133
6.1.2.2 Estanqueidad en paneles complejos ______________________________ 133
6.1.3 Inspección ultrasónica _____________________________________________ 133
6.1.3.1 Ultrasonidos en paneles simples _________________________________ 134
6.1.3.2 Ultrasonidos en paneles complejos _______________________________ 134
6.1.4 Pesada _________________________________________________________ 134
6.1.5 Inspección dimensional ____________________________________________ 135
6.2 Resultados de ensayos destructivos ___________________________ 135
6.2.1 Resultados de la determinación del volumen de fibra, resina y huecos _______ 135
6.2.1.1 Fibra/resina y huecos en paneles simples __________________________ 135
6.2.1.2 Fibra/resina y huecos en paneles complejos ________________________ 136
6.2.2 Resultados de la inspección macro/micrográfica _________________________ 138
6.2.3 Resultados de la determinación de la temperatura de transición vítrea _______ 138
6.2.3.1 Transición vítrea en paneles simples ______________________________ 138
6.2.3.2 Transición vítrea en paneles complejos ____________________________ 139
6.2.4 Resultados del ensayo de pelado de tambor ____________________________ 140
6.2.4.1 Pelado en paneles simples _____________________________________ 140
6.2.4.2 Pelado en paneles complejos ___________________________________ 142
6.3 Resultados de ensayos mecánicos en paneles de control de procesos
144
6.3.1 Cortadura interlaminar _____________________________________________ 144
6.3.2 Tracción plana ___________________________________________________ 145
6.3.3 Pelado de tambor _________________________________________________ 147
6.3.4 Tracción simple __________________________________________________ 148
6.3.5 Cuatro puntos de flexión____________________________________________ 149
6.3.6 Compresión _____________________________________________________ 150
7 Análisis y comparativa ____________________________________ 151
7.1 Proceso de fabricación _______________________________________ 151
7.2 Estanqueidad _______________________________________________ 152
6 Índice
7.3 Inspección ultrasónica _______________________________________ 153
7.4 Pesos _____________________________________________________ 154
7.5 Dimensional ________________________________________________ 155
7.6 Contenido en fibra, resina y huecos ____________________________ 158
7.7 Temperatura de transición vítrea _______________________________ 159
7.8 Imágenes macro/micrográficas ________________________________ 159
7.9 Pelado de tambor ___________________________________________ 162
7.10 Cortadura interlaminar _______________________________________ 164
7.11 Tracción plana ______________________________________________ 165
7.12 Tracción simple _____________________________________________ 166
7.13 Cuatro puntos de flexión _____________________________________ 168
7.14 Compresión ________________________________________________ 169
8 Conclusiones ____________________________________________ 171
Referencias bibliográficas _____________________________________ 177
7 Índice de figuras
Índice de figuras
Figura 1 Panel sándwich para aplicaciones aeronáuticas _____________________________ 15
Figura 2 Evolución del porcentaje en peso de estructuras de composite en aviones Airbus __ 17
Figura 3 Incremento del peso de CFRP en aviones comerciales Airbus__________________ 17
Figura 4 Estructura básica de un panel sándwich ___________________________________ 19
Figura 5 Estructura de un tejido preimpregnado ____________________________________ 20
Figura 6 Laminado con capas a distintas orientaciones ______________________________ 21
Figura 7 Morfología de la celdilla hexagonal _______________________________________ 22
Figura 8 Analogía entre un panel sandwich y un perfil en I ____________________________ 24
Figura 9 Localización paneles “honeycomb” en un avión comercial _____________________ 25
Figura 10 Vida útil de un preimpregnado __________________________________________ 27
Figura 11 Sala limpia _________________________________________________________ 28
Figura 12 Utillaje para la fabricación de estructuras de “composite” _____________________ 30
Figura 13 “Hand lay-up” o apilado manual _________________________________________ 31
Figura 14 Aspecto micrográfico del puenteo de telas ________________________________ 31
Figura 15 Colocación de las capas de adhesivo alrededor de la superficie del núcleo ______ 32
Figura 16 Esquema de la bolsa de vacío temporal __________________________________ 33
Figura 17 Bolsa de vacío para curado en autoclave de una pieza sándwich genérica _______ 34
Figura 18 Conectores de vacío _________________________________________________ 34
Figura 19 Toma de vacío ______________________________________________________ 35
Figura 20 Tubo de vacío conectado a la toma de vacío ______________________________ 35
Figura 21 Vacuómetro ________________________________________________________ 36
Figura 22 Pieza embolsada al vacío y preparada para introducirse en autoclave __________ 37
Figura 23 Esquema de autoclave________________________________________________ 37
Figura 24 Ejemplo curvas de temperatura, presión y vacío de un ciclo de curado en autoclave
__________________________________________________________________________ 38
Figura 25 Tipos de termopares _________________________________________________ 40
Figura 26 Tipo de herramientas de corte para materiales compuestos___________________ 43
Figura 27 Equipos para inspección ultrasónica de componentes aeronáuticos ____________ 46
Figura 28 Panel sándwich fabricado con prepreg autoadhesivo ________________________ 48
Figura 29 Panel simple ________________________________________________________ 51
Figura 30 Zonas panel simple __________________________________________________ 52
Figura 31 Panel complejo ______________________________________________________ 54
Figura 32 Zonas Panel Complejo ________________________________________________ 54
Figura 33 Malla de bronce preimpregnada Hexply CuSn6 RC27 AW 80 _________________ 61
Figura 34 Adhesivo en película Hysol EA9695 _____________________________________ 61
Figura 35 Núcleos “honeycomb” ECK 4.0-32 ______________________________________ 61
Figura 36 Tedlar ® ___________________________________________________________ 62
Figura 37 Núcleo “honeycomb” de fibra de vidrio ___________________________________ 62
Figura 38 Ciclo de curado del Material I __________________________________________ 64
8 Índice de figuras
Figura 39 Ciclo de curado del Material II __________________________________________ 66
Figura 40 Ciclo de curado del Material III _________________________________________ 67
Figura 41 Termograma P1 Material I _____________________________________________ 72
Figura 42 Termograma P2 Material I _____________________________________________ 72
Figura 43 Termograma P1 Material II ____________________________________________ 73
Figura 44 Termograma P2 Material II ____________________________________________ 73
Figura 45 Termograma P1 Material III ____________________________________________ 74
Figura 46 Termograma P2 Material III ____________________________________________ 74
Figura 47 Uso de los ensayos destructivos en materiales compuestos __________________ 76
Figura 48 Zonas paneles simples fabricados _______________________________________ 81
Figura 49 Zonas panel complejo fabricado ________________________________________ 83
Figura 50 Telegraphing _______________________________________________________ 88
Figura 51 Banda rugosa _______________________________________________________ 88
Figura 52 Ejemplo disposición de las bandas rugosas _______________________________ 88
Figura 53 Recogimiento de núcleo ______________________________________________ 89
Figura 54 Ejemplo disposición de bandas rugosas panel simple _______________________ 89
Figura 55 Ejemplo disposición de bandas rugosas panel complejo _____________________ 90
Figura 56 Colocación de telas Material I __________________________________________ 90
Figura 57 Arrugas en telas _____________________________________________________ 91
Figura 58 Aplicación calor local mediante secador __________________________________ 91
Figura 59 Detalle del deshilachado de las telas _____________________________________ 92
Figura 60 Detalle de la resina adherida ___________________________________________ 92
Figura 61 Rigidez telas en las zonas de radio ______________________________________ 93
Figura 62 Ciclo de curado de alta temperatura _____________________________________ 94
Figura 63 Utillaje paneles simples______________________________________________ 100
Figura 64 Springback panel simple I ____________________________________________ 100
Figura 65 Método de transmisión automática para inspección ultrasónica _______________ 102
Figura 66 Probeta Patrón 1 ___________________________________________________ 104
Figura 67 Probeta Patrón 2 ___________________________________________________ 104
Figura 68 Método pulso-eco para inspección ultrasónica ____________________________ 105
Figura 69 Krautkramer USM35X _______________________________________________ 106
Figura 70 Probeta patrón Zona de radios ________________________________________ 107
Figura 71 Báscula Mettler Toledo Spider SW _____________________________________ 107
Figura 72 Medidor de espesores digital __________________________________________ 108
Figura 73 Puntos para medición de espesores en paneles simples ____________________ 108
Figura 74 Puntos para medición de espesores en paneles complejos __________________ 109
Figura 75 Desecador ________________________________________________________ 110
Figura 76 Balanza Mettler Toledo AB204S _______________________________________ 110
Figura 77 Baño de arena _____________________________________________________ 111
Figura 78 Crisol ____________________________________________________________ 111
9 Índice de figuras
Figura 79 Estufa de aire Carbolite PF120 ________________________________________ 111
Figura 80 Extracción de muestras para determinación volumen de fibra/resina y huecos.
Paneles simples ____________________________________________________________ 113
Figura 81 Extracción de muestras para determinación volumen de fibra/resina y huecos.
Paneles complejos __________________________________________________________ 114
Figura 82 Estereo Microscopio SMZ800 _________________________________________ 115
Figura 83 Fuente de luz fría Photonic PL3000 _____________________________________ 115
Figura 84 Epiphot 200 _______________________________________________________ 115
Figura 85 Lumenera Infinity 2-3C _______________________________________________ 115
Figura 86 Secciones transversales para análisis macro/microscópico. Paneles simples ____ 116
Figura 87 Secciones transversales para análisis macro/microscópico. Paneles complejos __ 116
Figura 88 Extracción muestras DMA. Panel simple _________________________________ 119
Figura 89 Extracción muestras DMA. Panel complejo _______________________________ 119
Figura 90 Probetas pelado tambor ______________________________________________ 120
Figura 91 Dispositivo de pelado ________________________________________________ 121
Figura 92 Típico diagrama de pelado tambor _____________________________________ 121
Figura 93 Extracción de muestras pelado tambor. Paneles simples ____________________ 122
Figura 94 Extracción de muestras pelado tambor. Paneles complejos __________________ 123
Figura 95 Ensayo de cortadura interlaminar ______________________________________ 124
Figura 96 Probeta para ensayo de tracción plana __________________________________ 125
Figura 97 Aplicación de carga en ensayo tracción simple ____________________________ 126
Figura 98 Configuración probetas de tracción simple según UNE EN 2597 ______________ 127
Figura 99 Esquema de ensayo de cuatro puntos de flexión según AITM1-0018 __________ 128
Figura 100 Probeta para la determinación del esfuerzo de rotura (Tipo B1) ______________ 129
Figura 101 Dispositivo de ensayo según UNE EN 2850 (I) __________________________ 129
Figura 102 Dispositivo de ensayo según UNE EN 2850 (II) __________________________ 129
Figura 103 Detalle recogimiento lateral núcleos Panel Complejo I _____________________ 131
Figura 104 Detalle delaminaciones en radio Panel Complejo II _______________________ 132
Figura 105 Delaminación en radio Panel Complejo III _______________________________ 132
Figura 106 Fugas ensayo estanqueidad panel Simple II _____________________________ 133
Figura 107 Detalle fuga puntual ________________________________________________ 133
Figura 108 Extracción muestras determinación contenido en volumen de fibra, resina y huecos
en paneles simples __________________________________________________________ 135
Figura 109 Extracción muestras determinación contenido en volumen de fibra, resina y huecos
en paneles complejos ________________________________________________________ 137
Figura 110 Extracción muestras determinación temperatura de transición vítrea en paneles
simples ___________________________________________________________________ 139
Figura 111 Extracción muestras determinación temperatura de transición vítrea en paneles
complejos _________________________________________________________________ 140
Figura 112 Extracción muestras ensayo de pelado tambor en paneles simples ___________ 141
10 Índice de figuras
Figura 113 Ejemplo modo de fallo 1: 100% Delaminación ___________________________ 142
Figura 114 Extracción muestras ensayo de pelado tambor en paneles complejos _________ 142
Figura 115 Ejemplo modo de fallo 2: Delaminación con rotura parcial de núcleo (<20%) ___ 143
Figura 116 Ejemplo modo de fallo 3: Delaminación con rotura parcial de núcleo (>20%) ___ 144
Figura 117 Modo de fallo probetas Material I y núcleo de poliamida: rotura de núcleos _____ 145
Figura 118 Modo de fallo probetas Material II y núcleo de poliamida: Despegue piel/núcleo +
Rotura de núcleo ___________________________________________________________ 146
Figura 119 Modo de fallo probetas Material III y núcleo de poliamida: rotura de núcleos____ 146
Figura 120 Modo de fallo probetas Material I y núcleo de vidrio: despegue piel/núcleo _____ 147
Figura 121 Modo de fallo probetas Material II y núcleo de vidrio: despegue piel/núcleo ____ 147
Figura 122 Modo de fallo probetas Material III y núcleo de vidrio: despegue piel/núcleo ____ 147
Figura 123 Modos de fallo probetas Material I _____________________________________ 149
Figura 124 Modos de fallo probetas Material II ____________________________________ 149
Figura 125 Modos de fallo probetas Material III ____________________________________ 149
Figura 126 Formación de meniscos en paneles sándwich ___________________________ 161
Figura 127 Detalle menisco resina ______________________________________________ 161
Figura 128 Resistencia al pelado frente al requerimiento ____________________________ 163
Figura 129 Resistencias a cortadura interlaminar “aparente” individual y media frente a
requerimientos _____________________________________________________________ 164
Figura 130 Resistencias a tracción plana individual y media frente a requerimientos ______ 166
Figura 131 Resistencias a tracción simple individual y media frente a requerimientos ______ 167
Figura 132 Módulo de elasticidad frente a requerimientos ___________________________ 167
Figura 133 Carga última frente a requerimiento ___________________________________ 168
Figura 134 Resistencia a compresión individual y media frente a requerimientos _________ 169
11 Índice de tablas
Índice de tablas
Tabla 1 Tipos principales de tejido _______________________________________________ 20
Tabla 2 Comparativa propiedades paneles sándwich vs laminado ______________________ 23
Tabla 3 Temperaturas de servicio, uso y propiedades de las resinas epoxy ______________ 39
Tabla 4 Secuencia teórica de telas paneles simples _________________________________ 53
Tabla 5 Secuencia teórica de telas paneles complejos: Panel Complejo I ________________ 56
Tabla 6 Morfología del panel de control de procesos según el tipo de ensayo _____________ 58
Tabla 7 Materiales estructurales y funcionales _____________________________________ 60
Tabla 8 Características generales _______________________________________________ 63
Tabla 9 Parámetros ciclo de curado Material I ______________________________________ 64
Tabla 10 Parámetros ciclo de curado Material II ____________________________________ 65
Tabla 11 Parámetros ciclo de curado Material III ____________________________________ 66
Tabla 12 Propiedades y ensayos de caracterización de materiales preimpregnados frescos _ 68
Tabla 13 Propiedades físicas del material preimpregnado I ___________________________ 69
Tabla 14 Propiedades físicas del material preimpregnado II ___________________________ 69
Tabla 15 Propiedades físicas del material preimpregnado III __________________________ 69
Tabla 16 Procedimiento calorimetría diferencial de barrido ____________________________ 71
Tabla 17 Resultados DSC Material I _____________________________________________ 71
Tabla 18 Resultados DSC Material II ____________________________________________ 72
Tabla 19 Resultados DSC Material III ____________________________________________ 73
Tabla 20 Materiales auxiliares __________________________________________________ 75
Tabla 21 Ensayos destructivos _________________________________________________ 77
Tabla 22 Ensayos mecánicos en paneles de control de procesos ______________________ 78
Tabla 23 Operaciones paneles simples y complejos _________________________________ 79
Tabla 24 Espesores por zonas Panel Simple I _____________________________________ 81
Tabla 25 Espesores por zonas Panel Simple II _____________________________________ 82
Tabla 26 Espesores por zonas Panel Simple III ____________________________________ 82
Tabla 27 Espesores por zonas Panel Complejo I ___________________________________ 84
Tabla 28 Espesores por zonas Panel Complejo II ___________________________________ 85
Tabla 29 Espesores por zonas Panel Complejo III __________________________________ 86
Tabla 30 Secuencia compactación paneles simples _________________________________ 87
Tabla 31 Secuencia compactación paneles complejos _______________________________ 87
Tabla 32 Parámetros del ciclo de curado de alta temperatura _________________________ 94
Tabla 33 Datos de las cargas de autoclave ________________________________________ 95
Tabla 34 Análisis parámetros curado paneles simples _______________________________ 97
Tabla 35 Análisis parámetros curado paneles complejos _____________________________ 98
Tabla 36 Análisis parámetros curado paneles de control de procesos ___________________ 99
Tabla 37 Equipamiento y materiales empleados en la inspección ultrasónica por transmisión103
Tabla 38 Equipamiento y materiales empleados en la inspección ultrasónica por pulso-eco _ 106
12 Índice de tablas
Tabla 39 Procedimento DMA __________________________________________________ 118
Tabla 40 Dimensiones (mm) __________________________________________________ 124
Tabla 41 Dimensiones de la probeta tipo B1 ______________________________________ 129
Tabla 42 Resultados ensayo estanqueidad paneles complejos _______________________ 133
Tabla 43 Resultado de la inspección ultrasónica por zonas __________________________ 134
Tabla 44 Registro de peso ____________________________________________________ 134
Tabla 45 Resultados densidad y contenido en peso de fibra y resina en paneles simples __ 136
Tabla 46 Resultados contenido en volumen de fibra, resina y huecos en paneles simples __ 136
Tabla 47 Resultados densidad y contenido en peso de fibra y resina en paneles complejos 137
Tabla 48 Resultados contenido en volumen de fibra, resina y huecos en paneles complejos 138
Tabla 49 Resultados temperatura de transición vítrea en paneles simples ______________ 139
Tabla 50 Resultados temperatura de transición vítrea en paneles complejos ____________ 140
Tabla 51 Resultados del ensayo de pelado de tambor en paneles simples ______________ 141
Tabla 52 Resultados del ensayo de pelado de tambor en paneles complejos ____________ 143
Tabla 53 Resultados del ensayo de cortadura interlaminar ___________________________ 144
Tabla 54 Resultados del ensayo de tracción plana en probetas con núcleo de papel ______ 145
Tabla 55 Resultados del ensayo de tracción plana en probetas con núcleo de vidrio ______ 146
Tabla 56 Resultados del ensayo de pelado de tambor ______________________________ 148
Tabla 57 Resultados del ensayo de tracción simple ________________________________ 148
Tabla 58 Resultados del ensayo de cuatro puntos de flexión _________________________ 149
Tabla 59 Resultados del ensayo de compresión ___________________________________ 150
Tabla 60 Comparativa de los parámetros de fabricación ____________________________ 151
Tabla 61 Resistencia a la estanqueidad de los fluidos ______________________________ 152
Tabla 62 Correlación UT con estanqueidad y micrografías ___________________________ 153
Tabla 63 Mejoras teóricas de peso _____________________________________________ 154
Tabla 64 Registro de peso ____________________________________________________ 155
Tabla 65 Evaluación dimensional_______________________________________________ 156
Tabla 66 Espesores paneles monolíticos de control de procesos ______________________ 156
Tabla 67 Evaluación dimensional paneles laminado sólido ___________________________ 157
Tabla 68 Evaluación dimensional por proceso (monolítico/sándwich) __________________ 157
Tabla 69 Evaluación calidad dimensional ________________________________________ 158
Tabla 70 Análisis resultados ensayo según UNE EN 2564 ___________________________ 158
Tabla 71 Evaluación de los contenidos en resina y huecos __________________________ 159
Tabla 72 Temperaturas de transición vítrea ______________________________________ 159
Tabla 73 Evaluación de la calidad interna ________________________________________ 160
Tabla 74 Evaluación de la calidad de la interfase piel/núcleo _________________________ 162
Tabla 75 Evaluación de la resistencia al pelado ___________________________________ 163
Tabla 17 Evaluación del ensayo de cortadura interlaminar ___________________________ 164
Tabla 77 Evaluación del ensayo de tracción plana _________________________________ 165
Tabla 78 Evaluación paneles de control adicionales ________________________________ 165
13 Índice de tablas
Tabla 79 Evaluación del ensayo de tracción simple ________________________________ 167
Tabla 21 Evaluación del ensayo de cuatro puntos de flexión _________________________ 168
Tabla 81 Evaluación del ensayo de compresión ___________________________________ 169
Tabla 82 Clasificación global materiales preimpregnados ____________________________ 171
14 Índice de tablas
15 Objeto e interés
1 Objeto e interés
El objeto de este Proyecto es comprobar la viabilidad de implementación de una
alternativa en el proceso de fabricación de paneles sándwich definido en una planta de
producción de estructuras aeronáuticas.
Los paneles sándwich son una de las construcciones más empleadas dentro de la
industria aeronáutica ya que se trata de estructuras extremadamente ligeras que
exhiben una alta rigidez y relación resistencia/peso.
La estructura básica de estos paneles puede verse en la Figura 1 extraída del ASM
Handbook, Volume 21. Composites [Ref.1].
Figura 1 Panel sándwich para aplicaciones aeronáuticas
Se trata de paneles fabricados completamente a partir de materiales compuestos.
Ambas pieles consisten en laminados de material preimpregnado de fibra de carbono y
resina epoxy, las cuales se unen al núcleo “honeycomb” (nido de abeja) de papel de
poliamida por medio de dos capas de adhesivo termoestable (resina epoxy).
Es en la eliminación de estas capas de adhesivo donde radica la oportunidad de
mejora del proceso de fabricación de estos paneles y el punto de partida de este
Proyecto.
Si los laminados o pieles de la estructura sándwich se fabrican a partir de un material
preimpregnado autoadhesivo no sería necesario interponer capas adicionales de
adhesivo entre dichos apilados y el núcleo. La incorporación de un material de este
tipo en el proceso de fabricación de estos paneles permitiría po lo tanto reducir tanto
16 Objeto e interés
su peso, factor clave dentro de la producción aeronáutica, como el tiempo requerido en
su fabricación al reducirse el número de capas a disponer durante el montaje.
A lo largo de estas páginas se presentan tres propuestas de material autoadhesivo
que se emplearán en la fabricación de una serie de paneles representativos de la
producción de la planta. Posteriormente, dichos paneles se someterán a un plan de
ensayos con objeto de certificar tanto las propiedades autoadhesivas de dichos
materiales como la calidad interna y las propiedades mecánicas obtenidas en los
paneles fabricados.
A partir de los datos obtenidos se establecerá una comparativa entre las tres opciones
presentadas que permitirá discernir cuál de ellas resultaría más factible de incorporar
dentro de la producción actual de la planta y las acciones necesarias en su caso.
1.1 Campo de aplicación
En el sector aeronáutico los criterios impuestos de prestaciones para los materiales
empleados son mucho mayores que en otras áreas. Son aspectos clave el bajo peso,
la elevada resistencia mecánica, alta rigidez y buena resistencia a la fatiga.
Precisamente el factor peso ha sido el que ha impulsado la incorporación extensiva de
los materiales compuestos o “composites” en la industria aeronáutica pese a sus altos
costes de producción y procesos de fabricación no estandarizados.
Materiales compuestos son aquellos materiales que se forman de la unión a escala
macroscópica de dos o más materiales para conseguir combinaciones de propiedades
que no es posible obtener en los materiales originales. Estos compuestos pueden
seleccionarse para lograr combinaciones poco usuales de rigidez, resistencia, peso,
rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.
A día de hoy, los materiales compuestos son ampliamente utilizados en estructuras
aeronáuticas, y esto ha sido el resultado de una sustitución gradual y directa de los
componentes metálicos, seguido y apoyado por el desarrollo de diseños integrales con
materiales compuestos a medida que la confianza en éstos ha ido aumentando.
Aunque el uso de “composites” varía entre los diferentes tipos de aviones, la tendencia
en el futuro es un mayor uso de estos materiales en todas las aeronaves, de acuerdo
al último informe de Research and Markets “Opportunities for Composites in the
Global Aerospace Market 2014 – 2033" [Ref.2]. Actualmente suponen ya de más del
50% del peso total de la aeronave tal y como puede verse en la Figura 2, donde se
ilustra el crecimiento del porcentaje en peso que suponen las estructuras de material
compuesto dentro de los aviones fabricados por Airbus durante los últimos 40 años.
17 Objeto e interés
Figura 2 Evolución del porcentaje en peso de estructuras de composite en aviones Airbus
Los compuestos de fibras de carbono, de vidrio y de Kevlar son aquellos que han sido
más comúnmente diseñados y fabricados para piezas de aplicación aeroespacial. De
entre todos ellos se utilizan prioritariamente los compuestos de fibra de carbono
(CFRP: “Carbon Fibre Reinforced Prepreg”) debido a sus características en alto
rendimiento. Esto queda ilustrado por la Figura 3 que representa el porcentaje que
suponen estos compuestos dentro del peso de toda una serie de aeronaves de uso
comercial. En el caso de los últimos aviones correspondientes a la década actual el
porcentaje de CFRP supera ya el 50% del peso total de la aeronave.
Figura 3 Incremento del peso de CFRP en aviones comerciales Airbus
18 Objeto e interés
La constante demanda de aviones más ligeros y energéticamente más eficientes,
obliga a los fabricantes de piezas de material compuesto a mantener un gran
esfuerzo de investigación en al menos las tres siguientes áreas:
Tecnologías de fabricación
Comportamiento estructural y coste
Capacidades multifuncionales.
Es bajo la primera de estas áreas que quedaría englobado el propósito de este
Proyecto puesto que versa acerca de una posible mejora en la tecnología de
fabricación de una de las principales estructuras de materiales compuestos utilizadas
en el ámbito aeronáutico: las estructuras tipo sándwich.
A lo largo del Capítulo 2 se analizará en profundidad tanto la composición, como el uso
y el proceso actualmente seguido en la fabricación de este tipo de estructuras. Por
último se realizará una breve introducción del tipo de material propuesto como mejora
al introducir en dicho proceso de fabricación: el preimpregnado autoadhesivo.
19 Estado del arte
2 Estado del arte
2.1 Introducción
La principal ventaja que presenta un panel sándwich frente a otras alternativas de
diseño es el ahorro de peso y el incremento de rigidez de ahí que su uso en
aplicaciones aeronáuticas esté tan extendido.
En las siguientes secciones se tratarán diversos aspectos de las estructuras sándwich
tales como sus componentes, principales características, aplicaciones y proceso de
fabricación.
2.2 Componentes de un panel sándwich
Este tipo de estructuras consiste en dos finos revestimientos denominados pieles
altamente resistentes unidos a un núcleo grueso y ligero por medio de un material
adhesivo tal como puede verse en la Figura 4. Cada componente por sí mismo es
relativamente débil y flexible pero cuando se combinan entre sí en un panel sándwich
dan lugar a una estructura que es rígida, sólida y ligera.
Figura 4 Estructura básica de un panel sándwich
A continuación se describen las principales características de cada uno de estos tres
componentes.
2.2.1 Piel
Las pieles son los revestimientos que encierran al núcleo de un sándwich. Los
materiales de revestimiento más comunes incluyen el aluminio, acero, carbono, cartón
Kraft, madera, y los materiales compuestos.
El presente Proyecto se centra en paneles sándwich cuyas pieles son laminados
fabricados a partir de material compuesto reforzado con fibra en dos direcciones lo que
comúnmente se denomina tejido. Estos tejidos se suministran en rollos de material
preimpregnado (prepreg) en los que las fibras se encuentran embebidas en una matriz
de resina y adecuadamente procesadas para su almacenamiento, manejo y curado
con calor y presión sin necesidad de aditivo alguno.
20 Estado del arte
Los tejidos consisten en al menos dos hilos de fibra entrelazados entre sí, la urdimbre,
paralela al borde longitudinal del preimpregnado, y la trama perpendicular a dicho
borde como se muestra en la Figura 5.
Figura 5 Estructura de un tejido preimpregnado
El tipo de tejido puede variar en función de la ondulación y la capacidad de plegado.
Cuanto menor es la ondulación, mejores son las propiedades mecánicas ya que fibras
más rectas son capaces de soportar mayores cargas. Por otra parte, un tejido flexible
será más fácil de adaptar a formas complejas. De acuerdo a lo recogido en “Hexply®.
Prepreg Technology” [Ref.3], informe elaborado por la compañía Hexcel, una de los
principales proveedores de material compuesto preimpregnado, existen tres estilos
principales de tejido que aparecen recogidos en la Tabla 1.
Tabla 1 Tipos principales de tejido
MALLA SATINADO SARGA
Alta ondulación / Baja flexibilidad
Baja ondulación/ Buena flexibilidad
Media ondulación / Media flexibilidad
Los principales tipos de fibras empleadas como refuerzo son la fibra de carbono, de
vidrio, de boro (en menor medida) y las orgánicas (Kevlar). Estos materiales de
refuerzo determinan el comportamiento mecánico del compuesto; lo dotan de
extraordinaria rigidez y resistencia, así como de buenas propiedades térmicas,
eléctricas y mecánicas a la vez que suponen un ahorro de peso significativo sobre los
materiales metálicos. El modo de fallo de estos compuestos viene gobernado por la
fibra que contienen.
21 Estado del arte
El papel fundamental de la matriz consiste en soportar a las fibras y mantenerlas
unidas dentro del material compuesto. Transfiere las cargas aplicadas a las fibras
mientras que las mantiene en la posición y la orientación escogidas. La matriz también
determina la resistencia contra agentes externos y la temperatura de servicio máxima
del preimpregnado. Las matrices más empleadas son las termoestables,
especialmente las resinas epoxy y poliéster.
Tal y como se adelantaba en el Capítulo 1, los preimpregnados utilizados son tejidos
tipo malla de fibra de carbono y matriz epoxy. La principal ventaja de este sistema
fibra/resina es su excelente comportamiento mecánico. Además presentan buena
resistencia ambiental y elevada dureza. Todos estos factores unidos a su ligereza y a
su fácil procesado permiten obtener un significativo ahorro de peso en la fabricación
de los componentes. Además, en términos de coste no existe una diferencia
significativa de precio entre los prepreg carbono/epoxy y otro tipo de preimpregnados.
Ambas pieles de la estructura sándwich consisten en un apilado de varias láminas del
mismo prepreg (misma fibra, matriz y volumen relativo de ambos) si bien con
orientaciones diferentes entre sí debido a las necesidades de diseño (ver Figura 6). La
resina de las láminas de prepreg actúa como medio de unión entre las distintas capas
que constituyen el laminado.
Figura 6 Laminado con capas a distintas orientaciones
2.2.2 Núcleo
Según lo recogido en ASM Materials Handbook. Volume 21. Composites, [Ref.1] los
núcleos estructurales de bajo peso fueron usados por primera vez en aviones en los
años 40 para reducir peso y aumentar la carga de pago y distancia de vuelo. Se
incorporaron al diseño de aeronaves en sustitución del enfoque convencional de
estructura más pesada de lámina rigidizada por medio de vigas. Su incorporación en
paneles sándwich ha sido un concepto estructural básico en la industria aeroespacial
desde los años 50. Desde el año 2000 cada avión comercial y militar depende de la
integridad y la fiabilidad ofrecida por núcleos estructurales ligeros. Actualmente, estos
22 Estado del arte
núcleos se dividen en tres grandes grupos según el material utilizado: nido de abeja o
““honeycomb””, balsa (madera) y espumas o “foam”.
Los núcleos “honeycomb” se fabrican en una amplia gama de materiales: cartón Kraft,
cerámica, termoplásticos, aluminio, acero y otros metales, fibra de aramida, de vidrio o
de carbono mientras que los núcleos de tipo “foam” se elaboran con materiales
sintéticos como poliestireno, poliuretano, fenólico…
El concepto de ‘nido de abeja’ produce estructuras extremadamente rígidas y
resistentes con el mínimo peso. Es por ello que los núcleos que se utilizan en la
fabricación de los paneles de ensayo del presente Proyecto corresponden a dicha
tipología. El material con el que se fabrican dichos núcleos es el papel mecánico de
para-aramida. La morfología que presentan las celdillas es hexagonal como la
representada en la Figura 7 perteneciente a ASM Materials Handbook, Volume 21.
Composites [Ref.1] donde se indican las principales características de las mismas.
Figura 7 Morfología de la celdilla hexagonal
2.2.3 Adhesivo
La unión piel-núcleo suele realizarse situando una capa de adhesivo entre ambos.
Mediante el uso de adhesivos se consigue una superficie de contacto continua que
permite una distribución más uniforme de la carga. El adhesivo empleado debe ser
capaz de transmitir cargas de cortadura y axiales hacia y desde el núcleo
respectivamente.
Los adhesivos que normalmente se emplean son resinas termoestables que solidifican
por polimerización (epoxy) y su formato más clásico de presentación es en ‘película’
(“film”) similar a los preimpregnados. Se escogen según la temperatura de curado
deseada, el peso del “film” y el flujo del adhesivo durante el curado. Al ser mezclados
previamente sólo necesitan calor para curarse. El formato en película constituye una
vía útil para cubrir grandes superficies con una cantidad uniforme de adhesivo y
proporciona precisión y control durante el proceso de unión.
23 Estado del arte
2.3 Características de los paneles sándwich
El concepto básico de un panel sándwich implica que las pieles soporten las cargas de
flexión mientras que el núcleo resiste las cargas de cortadura. En la mayoría de los
casos las tensiones en los revestimientos están uniformemente distribuidas. El núcleo
“honeycomb” no ofrece resistencia alguna a flexión o en otras palabras, su módulo de
flexión es nulo. Esta suposición conduce a una distribución de carga de cortadura
uniforme a través del espesor del núcleo.
La deflexión en todas las estructuras presenta dos componentes: flexión y deformación
a cortadura o cizalladura. En una estructura no tipo sándwich, como por ejemplo una
lámina de acero, la deformación a cortadura a menudo es insignificante y por lo tanto
se desprecia. En una estructura sándwich por el contrario, la deformación a cortadura
puede ser muy significativa. En la mayoría de los casos representa alrededor de un
1% de la deformación a flexión, aunque puede ser mucho mayor en paneles gruesos o
con poco span.
La siguiente tabla muestra un ejemplo genérico de la efectividad del “honeycomb”
presentado en “Hexply®. Prepreg Technology” [Ref.3]. Se compara una lámina de
aluminio de espesor t=0.81 mm con dos paneles sándwich obtenidos separando en
dos mitades la lámina de aluminio e interponiendo un núcleo “honeycomb” de dos
espesores distintos entre ellas. El más grueso de los dos paneles sándwich resulta 37
veces más rígido a flexión y 9 veces más resistente que la lámina de aluminio con tan
sólo un incremento de peso del 6%. Así pues, la separación entre las pieles
proporcionada por la presencia del núcleo incrementa el momento de inercia del panel
con un pequeño aumento del peso, consiguiendo así una estructura más eficiente para
resistir cargas de flexión y abolladura.
Tabla 2 Comparativa propiedades paneles sándwich vs laminado
PROPIEDAD
ALUMINIO SÁNDWICH A
(espesor del núcleo: t) SÁNDWICH B
(espesor del núcleo: 3t)
Rigidez 1.00 7.00 37.00
Resistencia a flexión
1.00 3.50 9.25
Peso 1.00 1.03 1.06
El mismo artículo plantea que el comportamiento mecánico de los paneles sándwich
con núcleo “honeycomb” presenta semejanzas con el observado en perfiles como el
perfil en I que se muestra en la Figura 8. La estructura nido de abeja, actúa como una
red de perfiles en I, soportando las cargas de cortadura así como proporcionando
24 Estado del arte
rigidez estructural manteniendo los materiales de alta resistencia alejados del eje
neutro donde las tensiones de tracción y compresión son altas. La diferencia entre una
estructura sándwich y una viga en I radica en que en una estructura sándwich, el alma
se extiende a lo largo de la sección transversal completa, proporcionando alta rigidez a
torsión; mientras que en una viga en I, el alma se sitúa únicamente en el medio, lo que
supone una menor rigidez a torsión. Una construcción tipo sándwich proporciona la
más alta relación rigidez/peso y resistencia/peso.
Figura 8 Analogía entre un panel sandwich y un perfil en I
Sin embargo, en la selección de este tipo de estructuras frente a las monolíticas se
deben también considerar las complicaciones de fabricación derivadas, que pueden
hacer aumentar los costes de fabricación por encima de las construcciones
monolíticas.
En la siguiente lista se recogen los principales beneficios derivados de su uso:
Alta relación resistencia/peso.
Resistencia al impacto y al daño
Elevado ratio rigidez/peso.
Resistencia a la fatiga.
Durabilidad
Propiedades de aislamiento térmico y transferencia de calor adaptables.
Resistencia al fuego con propiedades de auto-extinción y baja generación de
humos.
Posibilidad de incluir insertos y otros elementos de unión.
Por otra parte, también existen desventajas relativas a su utilización tales como:
Escasa hermeticidad frente a la humedad, lo que podría dar lugar a la
degradación del adhesivo y posteriormente del núcleo. Está asociada al bajo
espesor del laminado de los revestimientos.
Baja resistencia al fuego de determinados materiales que se emplean como
núcleos.
Punzonamiento o hundimiento local. Se trata de estructural sensibles a las
cargas de impacto. Si los revestimientos son muy delgados se podría producir
el fallo del núcleo a compresión.
25 Estado del arte
2.4 Uso de paneles sándwich en estructuras aeronáuticas
El aumento de importancia del factor ahorro de peso motivado por reducir el consumo
de combustible unido a la necesidad de fabricación de piezas con formas cada vez
más complejas ha incrementado el uso de paneles sándwich en la industria
aeronáutica.
Algunas de las principales aeroestructuras donde se emplean estos paneles son:
Interiores, como los compartimentos superiores de estiba, tabiques, paneles de
techo y las estructuras de la galera.
Estructuras que rodean el motor como la caja del ventilador, estructuras de
góndolas, deflector de empuje…
Puertas del tren de aterrizaje.
Compartimentos portaequipajes.
Superficies de control de las alas tales como flaps y spoilers.
Carenados (“belly fairing”)
La Figura 9 esquematiza las principales zonas de uso de paneles sándwich con núcleo
“honeycomb” para un avión comercial genérico.
Figura 9 Localización paneles “honeycomb” en un avión comercial
En este proyecto nos centraremos en paneles pertenecientes a la “belly fairing” de un
avión comercial. La “belly fairing” o carenado ventral es una estructura mixta situada
en la parte inferior del fuselaje, entre las alas, y cubre la panza o parte inferior de la
aeronave (de ahí su nombre en inglés: “belly”, que significa panza o vientre). Este
elemento encierra soportes y apoyos para un gran número de sistemas.
El carenado actual que llevan los aviones comerciales consiste en una estructura
soporte anclada al fuselaje sobre la que se ubican paneles sándwich de fibra de
26 Estado del arte
carbono. La estructura soporte de la “belly fairing” en aviones comerciales consiste en
una serie de larguerillos realizados en aleación de aluminio. Su sección transversal
consta de dos partes, una en forma de T (a cuyas alas se fijan los paneles sándwich) y
otra en forma de U, con un ala de mayor tamaño, que se fija al alma de la primera
pieza mediante remache.
El conjunto de esta estructura está anclada al fuselaje. Aunque la estructura de la
“belly fairing” no es primaria, sí está sometida a cargas aerodinámicas, que los paneles
trasmiten a la estructura soporte por lo que los paneles sandwich que la constituyen se
encuentran dimensionados en consecuencia para resistir dichas cargas.
2.5 Proceso de fabricación de paneles sándwich
El proceso de fabricación de paneles sándwich de material compuesto puede hacerse
por tres técnicas diferentes tal y como se presenta en “MIL Handbook 17. Volume 3”
[Ref.4], las cuáles se resumen brevemente a continuación:
1. Cocurado: proceso por el cual tanto los revestimientos como el núcleo se someten
simultáneamente a un proceso de curado. Una capa de adhesivo se sitúa en cada
interfaz piel / núcleo para mantener la unión e incrementar la resistencia al pelado
y a la fatiga. Las principales ventajas derivadas de este proceso son el excelente
ajuste entre los componentes así como limpieza de la superficie.
2. Encolado secundario: los elementos de material compuesto que van a formar parte
del elemento, son curados previamente (precurados) y unidos en una operación
final de encolado mediante un adhesivo. Este tipo de procedimiento asegura un
buen acabado superficial de los revestimientos pero puede presentar problemas de
ajuste entre ellos y el núcleo.
3. Coencolado: en este caso, parte de los materiales compuestos o piezas
elementales de un elemento están preimpregnados (sin curar) y la otra parte están
polimerizados (precurados). Se trata de una combinación de los dos procesos
anteriores. Una de las pieles se somete a un primer ciclo de curado y a posteriori
se une por medio de una capa de adhesivo al núcleo “honeycomb”, sobre el que a
su vez por su otra cara se coloca otra capa de adhesivo y el resto de capas
correspondientes al segundo apilado con los materiales en fresco. Todo ello se
cocura en un segundo ciclo de autoclave. Los paneles así construidos se
denominan de doble ciclo. Se mejora el acabado superficial con respecto al
proceso de cocurado.
La fabricación de los paneles que se utilizaron en este Proyecto se realizó por medio
de un procedimiento de cocurado. A grandes rasgos este proceso consiste en cortar
las telas de prepreg y los núcleos ‘“honeycomb”’, colocarlas sobre un útil con la
orientación de fibras deseada y embolsarlas al vacío. Tras preparar la bolsa, el
compuesto junto con el molde se sitúan en el interior de un horno autoclave y se les
aplica calor y presión para conseguir el curado y consolidación de la pieza. Las
siguientes secciones desarrollan en detalle cada una de las operaciones que se
realizan.
27 Estado del arte
2.5.1 Preparación de los materiales
Los materiales preimpregnados, adhesivos ‘film’ y otras resinas son altamente
sensibles a la variación de temperatura y a la humedad, previamente a su curado. Por
ello debe prestarse especial atención durante su almacenamiento y transporte a fin de
mantener las propiedades de los mismos.
Conviene establecer las siguientes definiciones acerca de la vida de los materiales
preimpregnados que pueden encontrarse por ejemplo en “Hexply® Prepreg
Technology” [Ref.3].
Vida de almacenamiento: es el máximo tiempo que el material puede
permanecer dentro de una bolsa sellada e impermeable a -18ºC. Cada rollo de
prepreg debe incluir en su etiquetado cuál es su fecha de caducidad.
Vida de manejo: es el tiempo a temperatura ambiente durante el cual, el
prepreg retiene suficiente pegajosidad como para permitir un fácil manejo y
apilado de capas.
Vida total a temperatura ambiente: el máximo tiempo que se permite que el
material permanezca a temperatura ambiente desde su salida de nevera hasta
su curado.
Vida útil: es la suma de las vidas de almacenamiento y la vida total a
temperatura ambiente.
La Figura 10 esquematiza estos conceptos.
Figura 10 Vida útil de un preimpregnado
Los rollos de materiales preimpregnados y adhesivos estructurales se colocan dentro
de bolsas de polietileno selladas con paquetes desecantes de ser posible. Una vez
empaquetados, deben almacenarse en las condiciones recomendadas por el
28 Estado del arte
fabricante, normalmente por debajo de los 0ºF (-18ºC) para garantizar una vida útil de
más de 6 meses. Debido a que el curado de los materiales termoestables progresa a
temperatura ambiente y a pesar de las bajas temperaturas de almacenaje, se debe
anotar el tiempo de exposición a temperatura ambiente. Este registro se utiliza para
establecer la vida útil del material y para determinar cuándo sería necesario realizar
ensayos de recalificación del material. El tiempo que el material puede permanecer a
temperatura ambiente y mantenerse en condiciones de uso puede ir desde minutos
hasta más de 30 días. Para algunos materiales, las características de procesamiento
pueden cambiar drásticamente dependiendo de cuán largo haya sido el tiempo de
almacenamiento y el tiempo a temperatura ambiente.
Tras retirar de nevera y para evitar contaminación por humedad durante el descarche
se debe permitir al preimpregando alcanzar la temperatura ambiente antes de abrir la
bolsa. Un rollo completo de prepreg podría tardar alrededor de 48 horas en
atemperarse. Se dice que el material está ambientado cuando al limpiar la superficie
de su envoltura protectora no se obtiene condensación.
Por su parte, los núcleos ‘“honeycomb”’ se deben almacenar en bolsas de polietileno
perfectamente selladas en zonas secas y limpias de modo que se evite su
contaminación por agua, suciedad, etc. Siempre que sea posible deben colocarse en
posición horizontal para evitar distorsiones que puedan deformar las celdillas.
2.5.2 Corte de telas
Se debe aprovisionar los materiales según el marcado de la pieza y la lista de partes
aplicable. Tras ello se procede al corte de los mismos. En aplicaciones aeroespaciales,
esta operación tiene lugar en una atmósfera limpia y bajo condiciones controladas de
temperatura y humedad. Un ejemplo de sala de estas características así como del
equipamiento a vestir por los operarios encargados de manipular los materiales puede
verse en la Figura 11 perteneciente a “Composites Manufacturing. Materials, products
and process engineering” [Ref.5] En todas las operaciones deben emplearse guantes
autorizados por la normativa aplicable al correspondiente programa.
Figura 11 Sala limpia
Cuando la producción de piezas alcanza cantidades significativas se utilizan máquinas
de corte automatizado de prepregs. En este caso, el preimpregnado se sitúa en la
29 Estado del arte
mesa de corte y haciendo uso del movimiento alternativo de un láser o cuchilla
ultrasónico, el prepreg se corta siguiendo el patrón deseado. Estas máquinas están
controladas por computador y utilizan software orientado a la optimización del corte de
capas. Dicho software minimiza los retales o sobras y proporciona repetitividad y
consistencia en la operación de corte de capas.
No se permite cortar directamente los preimpregnados sin interponer un separador
(flexible, que no desprenda partículas ni produzca daños) entre ellos y el útil u otras
capas de preimpregnados con el objetivo de evitar que se produzcan daños. Después
del corte es importante comprobar que no existen defectos en los materiales tales
como cortes, arrugas u otras deformaciones de las telas.
A fin de reducir al mínimo el tiempo de exposición a temperatura ambiente y en función
de la cantidad de elementos a fabricar, los materiales ya cortados pueden
almacenarse en forma de ‘kits’ correspondientemente identificados en bolsas selladas
de polietileno que vuelven a introducirse en nevera, garantizando que no se formen
arrugas ni dobleces en las telas.
Todas las operaciones de corte, almacenamiento e identificación deben hacerse de
forma que el material permanezca el menor tiempo posible a temperatura ambiente.
2.5.3 Limpieza y preparación de útiles
El utillaje representa un papel fundamental en la fabricación de un panel ya que es el
encargado de proporcionar la forma final que tendrá el compuesto una vez curado. Se
debe diseñar un utillaje simple y estable de modo que las presiones se repartan de
manera uniforme durante el proceso de curado. Dicho molde debe ser lo
suficientemente rígido para producir piezas dentro de las tolerancias dimensionales y
lo bastante ligero para satisfacer los requisitos de velocidad de calentamiento y
enfriamiento, del ciclo de curado. En la Figura 12 se indican algunas de las
consideraciones a tener en cuenta en el diseño del utillaje más apropiado. Estas
recomendaciones aparecen dentro de la guía “Hexply® Prepreg Technology” [Ref.3].
30 Estado del arte
Figura 12 Utillaje para la fabricación de estructuras de “composite”
Para la fabricación de componentes aeroespaciales, el material del que está hecho el
útil es mayormente material compuesto, como preimpregnados carbono/epoxy,
preimpregnados carbono/bismaleimida, preimpregnados vidrio/epoxy, etc.
Previamente a realizar la operación del apilado de telas y demás componentes que
constituirán el panel sándwich, resulta necesario limpiar el útil y aplicar en toda su
superficie un agente desmoldeante que se dejará curar a temperatura ambiente
alrededor de una hora. Este agente facilitará la extracción de la pieza una vez
finalizado el proceso de curado de la misma.
Antes de su aplicación la superficie del utillaje debe ser limpiada eliminado el óxido, la
suciedad y contaminación usando trapos limpios y si es necesario Scotch Brite tipo A o
S, mojados en disolventes, llevando a cabo esta limpieza cuidadosamente para
mantener los requerimientos de acabado de la superficie del útil.
2.5.4 Apilado manual de telas (‘Hand lay-up’)
Se trata de un procedimiento en molde abierto que permite fabricar formas complejas
con un muy alto contenido en volumen de fibras. En el caso de una pieza sándwich, el
apilado comienza por uno de los revestimientos. Primero se elimina la capa protectora
de una de las caras de cada preimpregnado y se coloca sobre el útil. Después se van
disponiendo unas sobre otras el resto de capas de todos los materiales que conforman
la pieza, según la secuencia establecida en el correspondiente plano y la
31 Estado del arte
documentación de fabricación aplicable. Un ejemplo de un operario realizando esta
operación puede verse en la Figura 13.
Figura 13 “Hand lay-up” o apilado manual
Los puenteos en la colocación de la capas deberán evitarse en todo momento,
adaptando la capa correctamente a la superficie del útil o a la capa anteriormente
colocada. Para facilitar esta labor, y evitar las oclusiones de aire en el útil y entre las
capas, puede pasarse sobre el material en la dirección paralela a la fibra o en la
dirección de la urdimbre para el caso de los tejidos, una espátula aprobada por la
normativa correspondiente a cada programa.
La Figura 14 ilustra a nivel micrográfico el puenteo de las telas de carbono en el
chaflán o zona de transición o laminado / núcleo. La zona de radios de las piezas
suele ser otra zona susceptible a la aparición de este tipo de defectos.
Figura 14 Aspecto micrográfico del puenteo de telas
Para mejorar el acoplamiento y la pegajosidad (‘tacking’) de los preimpregnados, se
pueden usar sopladores de aire caliente siempre que la temperatura no exceda de los
65ºC durante un tiempo máximo de dos minutos.
32 Estado del arte
En el momento en que se detecte cualquier defecto en los materiales preimpregnados
como por ejemplo cruce de fibras, zonas con falta de resina, objetos extraños, etc., se
deben sustituir por otros en buen estado.
Tras realizar el apilado del primer revestimiento, se debe colocar una película de
adhesivo en toda la superficie del núcleo y en aquellos lugares a los que haga
referencia el plano de la pieza y la documentación de fabricación asociada, y continuar
con el apilado de las telas que constituyen el segundo revestimiento, tal y como se
indica en la Figura 15.
Figura 15 Colocación de las capas de adhesivo alrededor de la superficie del núcleo
2.5.4.1 Compactación o consolidación
Este paso consiste en crear un contacto íntimo entre cada capa o lámina de
preimpregnado. Con esta operación se asegura que el posible aire atrapado entre las
capas durante el apilado es eliminado. Resulta de gran importancia a la hora de
obtener una pieza de buena calidad. Las piezas que están pobremente consolidadas
tendrán huecos, y lugares secos (sin resina). La consolidación de compuestos de
fibras continuas implica dos importantes procesos: el flujo de resina a través del medio
poroso y la deformación elástica de la fibra. Durante el proceso de consolidación, la
presión aplicada se reparte entre la resina y la estructura de fibras. Sin embargo,
inicialmente, la presión aplicada es soportada solamente por la resina (deformación
elástica de las fibras cero). Las fibras experimentan deformación elástica cuando la
presión de compresión aumenta y la resina fluye hacia los límites.
Se deben realizar al menos las compactaciones indicadas en el proceso de fabricación
de la pieza, pudiéndose añadir tantas como sea necesario para garantizar la correcta
adaptación de las telas.
Para llevarlas a cabo, se cubre el apilado con una bolsa de vacío temporal. El vacío de
compactación se aplica durante 10-15 minutos a temperatura ambiente. La primera
capa unida al utillaje generalmente se suele compactar y después la operación se
repite cada 3 o 5 capas dependiendo del tipo de preimpregnado y del espesor y la
forma de la pieza.
El esquema de los materiales auxiliares que componen la bolsa de vacío temporal
puede verse en la Figura 16. Se denominan materiales auxiliares a aquellos que se
33 Estado del arte
emplean en la fabricación de la pieza pero que no permanecen incorporados en la
misma.
Figura 16 Esquema de la bolsa de vacío temporal
Se muestra a continuación la finalidad de cada uno de los consumibles empleados
extraída de “Hexply® Prepreg Technology” [Ref.3].
Agente desmoldeante: permite la separación del componente curado del útil.
Película separadora: Puede ser ligeramente porosa (perforada o
microperforada) y se interpone para permitir la separación de la pieza que se
fabrica del resto de materiales auxiliares.
Tejido aireador: su función es crear una presión uniforme a lo largo de toda la
pieza y colaborar en la eliminación de aire y volátiles de todo el conjunto.
Tejido aireador de contorno: tejido de fibra de vidrio para facilitar la eliminación
de volátiles durante la polimerización de piezas de material compuesto.
Película de bolsa de vacío: suele ser una película de poliamida expandible o
bien un elastómero reutilizable. Esta capa se sella en todas partes del apilado
preimpregnado usando pasta sellante. Si el útil es poroso es posible incluir el
molde completo dentro de la bolsa de vacío.
Pasta de sellado: es un material gomoso de espesor 0.5 a 1 pulgada que pega
ambos, el molde y el material de embolsado.
2.5.5 Preparación de bolsa de vacío
Una vez finalizado el apilado de las capas que constituyen el componente a fabricar,
ha de prepararse la bolsa de vacío para su curado en autoclave. Dicha bolsa presenta
una estructura muy similar a la de la bolsa de compactación. La principal diferencia
34 Estado del arte
radica en los auxiliares empleados, los cuales deben ser capaces de soportar las
elevadas temperaturas del curado.
Su construcción debe realizarse asegurando que soporte la mínima presión lateral
durante el ciclo de curado ya que este tipo de tensión podría traer consigo un
aplastamiento del núcleo, debido a que las estructuras tipo sándwich tan solo pueden
absorber pequeñas fuerzas en el plano durante el curado.
La Figura 17 muestra el esquema más frecuente de bolsa de vacío para curado en
autoclave de una pieza sándwich.
Figura 17 Bolsa de vacío para curado en autoclave de una pieza sándwich genérica
Una boquilla se inserta en el interior de la bolsa y se conecta a una manguera para
hacer el vacío dentro de la bolsa. Toda una gama de materiales y accesorios de vacío
resistentes al calor son necesarios para aplicar vacío a la bolsa. Las imágenes e
información relativa a los mismos fue obtenida de “Accesorios para laminar con bolsas
de vacío” [Ref.6]
Conectores de vacío: generalmente, el enchufe macho se conecta a la parte
superior de la toma de vacío (Figura 18 A). El conector hembra está enchufado
al tubo de vacío (Figura 18 B y C). Una vez realizada la conexión, es posible
sacar el vacío. Las válvulas se pueden desconectar fácilmente y rápidamente
sin pérdida de vacío antes del curado de la pieza. Esto permite el traslado de la
pieza a fin de conectarla de nuevo al sistema de vacío del autoclave. Ambos
enchufes rápidos anti retorno hembra y macho son equipados de juntas Viton
de alta temperatura (Figura 18 D).
Figura 18 Conectores de vacío
35 Estado del arte
Tomas de vacío: La toma de vacío (Figura 19) en dos partes se coloca en la
bolsa de vacío y proporciona una vía de extracción de aire una vez que la bolsa
ha sido sellada. La rosca macho de la parte superior de la unidad tiene filo para
poder realizar un orificio limpio en la bolsa de vacío. La parte superior se
inserta y se ajusta en el orificio de la base de la unidad. Esto automáticamente
corta un orificio en la bolsa. El disco de bolsa resultante se puede extraer
desenroscando la unidad antes de reposicionar y ajustar nuevamente las dos
partes. Una junta de silicona garantiza que se logre un excelente sellado. Es
esencial que la bolsa esté bien sellada y que no existan vías de fuga.
Figura 19 Toma de vacío
Tubo de vacío: se trata de tubos de silicona de gran resistencia para altas
aplicaciones como el que aparece en la Figura 20. Incluyen un resorte interno
de refuerzo para evitar que el tubo se aplaste con las elevadas presiones del
autoclave. El tubo de vacío está conectado a la toma de vacío, lo que permite
sacar el aire. Si es necesario mover la pieza, es posible desconectar el tubo
fácil y rápidamente. Para liberar el vacío, se presiona el acople de retención del
racor macho, conectado a la toma.
Figura 20 Tubo de vacío conectado a la toma de vacío
36 Estado del arte
Vacuómetro: es indispensable verificar el nivel de vacío una vez que se haya
aplicado y se haya evacuado todo el aire de la bolsa. Esto es posible mediante
el uso de un vacuómetro. El tubo de vacío se desconecta y se reemplaza por el
vacuómetro, que también cuenta con un enchufe rápido hembra (Figura 21 ). Si
la aguja indicadora del vacuómetro baja, hay una fuga en alguna parte de la
bolsa, la cual deberá sellarse. Las áreas que se deben verificar son la
estanqueidad de la fijación de la toma de vacío o las posibles fugas entre la
masilla de cierre y la bolsa de vacío. Si las fugas no se tratan correctamente, la
calidad del producto terminado puede verse seriamente comprometida
Figura 21 Vacuómetro
2.5.6 Curado en autoclave
Se trata de un proceso de curado de materiales que usa temperaturas relativamente
altas y alta presión en el interior de un horno autoclave.
Un autoclave, del mismo modo que un recipiente a presión, puede mantener la presión
y la temperatura deseadas dentro de su cámara para el procesado del compuesto. Por
lo general es capaz de soportar hasta 300 psi (2MPa) de presión interna y unas
temperaturas extremas de hasta 370ºC.
La aplicación del vacío, presión, velocidad de calentamiento y temperatura de curado
están controladas. Se requiere que los ciclos de curado sean largos ya que el gran
tamaño del autoclave conlleva un alto tiempo tanto para su calentamiento como para
su enfriamiento. Debido a las altas temperaturas que se dan en su interior durante el
curado, la atmósfera dentro del autoclave se purga de oxígeno utilizando un gas inerte
como por ejemplo el nitrógeno para desplazar al oxígeno y así prevenir la combustión
térmica o a carbonización de los materiales que se están curando.
Este proceso se utiliza para la fabricación de componentes estructurales de la más alta
calidad con un alto contenido en fibra y un bajo contenido en poros. Tras el apilado,
compactación y embolsado, el utillaje se sitúa en el interior de un horno autoclave para
conseguir el curado y solidificación de la pieza, tal como puede verse en la Figura 22 y
Figura 23. La solidificación de los preimpregnados termoestables es un proceso que
37 Estado del arte
puede durar más de 120 minutos durante los cuales, bien el vacío o bien la presión
deben mantenerse.
Los procesos de consolidación y curado son necesarios a la hora de asegurar que
las capas o secciones individuales de una pieza de material compuesto se unen
adecuadamente entre sí y que la matriz permanece intacta y capaz de mantener el
posicionamiento del refuerzo de fibras que será el encargado de soportar las cargas
que se apliquen sobre la pieza. Estos procesos se encuentran entre los más sensibles
a la hora de perfeccionar el procesado del material.
Cuando una pieza fabricada de material compuesto termoestable se está formando
durante el curado, el material se encuentra bajo un extensivo cambio químico y
morfológico. Existen numerosos factores interviniendo de forma simultánea. Algunos
de ellos pueden controlarse directamente, otros indirectamente y algunos de ellos
interactúan. Así pues, por ejemplo la evolución de los huecos o el desplazamiento del
refuerzo de fibras durante el flujo de la matriz pueden suponer grandes cambios en
las propiedades del material compuesto curado.
Figura 22 Pieza embolsada al vacío y preparada para introducirse en autoclave
Figura 23 Esquema de autoclave
38 Estado del arte
2.5.6.1 Ciclo de curado
Un correcto desarrollo del ciclo de curado al que se someten permite producir de
manera fiable paneles sándwich de buena calidad. Para construcciones sándwich
cocuradas algunas de las principales consideraciones a tener en cuenta son el
transporte de volátiles, la evacuación del núcleo y/o presurización, los perfiles de
viscosidad del adhesivo y de la resina del preimpregnado y la compatibilidad de la
estructura monolítica cocurada con la estructura sándwich.
Los materiales de revestimiento que se cocuran con el núcleo “honeycomb” tienen un
sistema de resina de ‘bajo flujo’ para evitar que ésta se introduzca en el interior de las
paredes de las celdillas del núcleo. Asimismo debe seleccionarse un adhesivo que
permita una adecuada unión al núcleo. En una estructura cocurada, la compatibilidad
de la resina del preimpregnado con el adhesivo empleado debe estar comprobada.
El ciclo de curado depende del tipo de resina y del espesor y de la geometría de la
pieza. Cuanto más bajo sea el tiempo de solidificación requerido por el material, más
alta será la tasa de producción alcanzable en el proceso. Los materiales compuestos
termoestables por lo general están procesados a menos de 100 psig y su rango de
temperaturas va desde los 120ºC hasta los 200ºC.
Un ejemplo de un ciclo de curado típico puede verse en la Figura 24 donde se
representan las distintas gráficas definidas para los parámetros de temperatura,
presión y vacío respectivamente.
Figura 24 Ejemplo curvas de temperatura, presión y vacío de un ciclo de curado en autoclave
39 Estado del arte
La velocidad de calentamiento escogida influye en la viscosidad de la matriz, el flujo, la
velocidad de reacción y la calidad superficial. La mayoría de los prepregs pueden
procesarse en un rango de velocidades de calentamiento. Por lo general, para
componentes de bajo espesor se emplean velocidades de calentamiento elevadas y
para componentes gruesos y de mayor tamaño se imponen velocidades de
calentamiento más lentas. La tasa de calentamiento seleccionada suele evitar que
aparezcan grandes diferencias de temperatura entre el componente, el útil y la fuente
de calor.
Cuando se trata de componentes de gran tamaño una etapa intermedia denominada
de residencia o “dwell” puede introducirse dentro del ciclo de curado. Su objeto es
garantizar una distribución uniforme de temperatura a través del útil y el compuesto.
Un buen control de la temperatura proporcionará un mejor y más consistente flujo de
resina durante el curado
Los paneles sándwich cuyas pieles están elaboradas a partir de materiales
preimpregnados termoestables, concretamente resina epoxy, dependiendo de la
temperatura de servicio requerida, se curan en ciclos industriales de 120º y 180ºC. Las
características y usos principales de estos paneles en función del ciclo de curado
asociado se presentan en la Tabla 3 correspondiente a “Hexply® Prepreg Technology”
[Ref.3].
Tabla 3 Temperaturas de servicio, uso y propiedades de las resinas epoxy
TIPO TEMPERATURA DE SERVICIO MÁXIMA
CARACTERÍSTICAS USO
120ºC 100ºC
Resinas epoxy de elevada resistencia que exhiben buenas propiedades de adhesión al núcleo
aeroespacial, deporte, ocio, naval, automovilística, trenes, transporte, energía eólica
180ºC 130ºC-155ºC
Resinas epoxy de elevada resistencia que buscan las máximas propiedades de fluidez en caliente.
aeroespacial, militar
Cada preimpregnado tiene un tiempo de curado recomendado. Se puede decir que el
curado comienza cuando el termopar frío (el más rezagado) alcanza la mínima
temperatura de curado. Un tiempo de curado mayor que el recomendado a la
temperatura de curado por lo general no tienen efectos adversos en la calidad del
componente.
Las estructuras tipo sándwich se fabrican típicamente a bajas presiones. Se debe
evitar tener presiones excesivas que pudieran conducir a un desplazamiento del
núcleo o finalmente al colapso del mismo, ya que estas estructuras pueden soportar
muy bajas cargas en su plano.
El vacío se utiliza para proporcionar presión de consolidación para el curado. Una
práctica común en los ciclos de curado en autoclave es reducir el vacío aplicado a un
40 Estado del arte
nivel inferior una vez se aplica la presión. Este es un método muy efectivo a la hora de
detectar fugas de vacío durante el ciclo.
El enfriamiento debe hacerse de forma controlada para evitar un repentino descenso
de temperatura que podría introducir tensiones térmicas en el componente. O bien la
presión o bien el vacío deben mantenerse a lo largo del periodo de enfriamiento.
2.5.6.2 Termopares
Un termopar (ver Figura 25) es un sensor de temperatura que consiste en dos
conductores metálicos diferentes, unidos en un extremo, denominado junta caliente
suministrando una señal de tensión eléctrica que depende directamente de la
temperatura; este sensor puede ser conectado a un instrumento de medición de F.e.m
(fuerza electro motriz) o sea un milivoltímetro o potenciómetro.
Un termopar no mide temperaturas absolutas, sino la diferencia de temperatura entre
el extremo caliente y el extremo frío. Este efecto termoeléctrico hace posible la
medición de temperatura mediante un termopar.
Figura 25 Tipos de termopares
El autoclave, el utillaje y el componente deben alcanzar y permanecer por encima de
la mínima temperatura de curado durante el tiempo de curado. Los termopares
empleados para controlar la temperatura deben colocarse cuidadosamente para
asegurar que se recibe información del sistema completo y asegurar que se está
operando a la temperatura de curado con una tolerancia de ± 5ºC. La distribución de
los termopares debe realizarse de forma homogénea para así conocer las
temperaturas máxima y mínima alcanzadas en la pieza.
Las piezas con un área igual o inferior a 2 m2 se deben controlar con un mínimo de
dos termopares. Si tienen un área superior a 2 m2, serán controladas con un mínimo
de un termopar por casa metro cuadrado o fracción adicional hasta alcanzar un
máximo de 15 termopares.
La disposición, distribución y número de termopares necesarios se debe definir según
el resultado del perfil térmico de la pieza. En el caso de que la pieza no requiera perfil
41 Estado del arte
térmico, los termopares deben distribuirse uniformemente y entre telas en las zonas
sobrantes de la pieza dentro de la bolsa de vacío.
2.5.6.3 Tomas de vacío
Por cada metro cuadrado o fracción de pieza o probeta deberán utilizarse al menos
dos tomas de vacío posicionadas diagonalmente y en los extremos opuestos de la
bolsa. Una de ellas se utiliza como fuente de vacío y la otra como toma de registro o
control.
La estanqueidad de las mangueras de vacío y accesorios de conexión debe revisarse
periódicamente de forma que se garantice su perfecto funcionamiento.
2.5.6.4 Paneles de control de procesos
Las probetas de control de proceso se realizan en función de la madurez, fiabilidad y
experiencia en el proceso de fabricación utilizado. Por lo general la necesidad o no de
incluir estos paneles y su aplicabilidad (por carga de autoclave o por pieza)
corresponde a Ingeniería de Fabricación, así como los ensayos a realizar en los
mismos tal y como se indica en “MIL Handbook 17. Volume 3” Process Control [Ref.7].
Estos paneles de ensayo de control se fabrican utilizando materiales representativos
del elemento (en el caso de que se requieran probetas por piezas) acompañando en
todo momento desde el “lay-up” hasta el curado final de las piezas que representan.
En la fabricación de los paneles de control se utiliza un solo tipo de material
preimpregnado (cinta o tejido) y adhesivo del lote de material predominante en la
construcción de las piezas. Deben curarse en la misma bolsa de vacío que las piezas
que representan y si esto no fuera posible, al menos las bolsas deberán estar
comunicadas mediante válvulas y conducciones adecuadas. En el caso de que los
paneles de control fuesen por carga de autoclave no es obligatorio que las bolsas de
los paneles y las piezas vayan comunicadas.
2.5.7 Desmoldeo
En caso de ser aplicable, antes del proceso de desmoldeo se darán los taladros de
coordinación para las operaciones de recanteado.
Tras la finalización del ciclo de curado, las piezas no han de desmontarse del útil hasta
que alcancen una temperatura ≤ 60ºC. Al retirar el conjunto del útil de polimerización
se ha de tener cuidado de no dañar la pieza o el útil.
Durante esta operación, se retiran asimismo los paneles de control de proceso y se
identifican con la pieza que representan o con el ciclo de curado (cuando se trate de
probetas por carga de autoclave).
42 Estado del arte
2.5.8 Mecanizado
Las necesidades de mecanizado de los materiales compuestos se centran en dos
tecnologías clave de acuerdo a “El composite como material a mecanizar” [Ref.8]:
1. Recanteado:
Las piezas de material compuesto se fabrican con la forma lo más aproximada
posible a su forma neta. Sin embargo, es imposible fabricar una pieza con la
morfología final deseada por varios factores. Por una parte, la incorporación de
creces de mecanizado permite conseguir un espesor uniforme en todos los
bordes de la pieza. Si las piezas se fabricasen sin creces, a medida que se
realizase el apilado, las capas colocadas aunque tuvieran idénticas
dimensiones, no terminarían en el mismo borde o límite por la curvatura
introducida por el espesor de las telas previamente colocadas. Además, las
acumulaciones de resina de los materiales preimpregnados que aparecen en
los bordes de la pieza a consecuencia del flujo de la misma durante el curado
hacen que sea necesario eliminar una zona de exceso o sobre espesor a lo
largo de todo el perímetro de la pieza.
El recanteado es por tanto la operación de mecanizado más destacada y
consiste en el corte o desbaste para eliminar el material geométricamente
sobrante de los bordes de la pieza curada conocido como creces. El corte de
los composites puede originar delaminaciones en estos bordes.
2. Taladrado:
Los componentes de materiales compuestos requieren su unión al resto de
componentes de la estructura, ya sean metales o materiales compuestos.
Teniendo en cuenta que la soldadura está todavía en un estado incipiente y el
adhesivo es complejo (e impide el desmontaje) la unión mecánica de
componentes mediante el remachado es, con diferencia, la tecnología más
utilizada. Para ello es necesario el taladrado de las estructuras para la
colocación de los vástagos de fijación. Las especificaciones son habitualmente
diámetro, posición y geometría, así como calidad superficial obtenida.
Debido a su estructura y composición, el mecanizado de los polímeros reforzados con
fibras de carbono difiere en gran medida del mecanizado convencional de metales.
Destacan, de esta forma, la presencia de fibra altamente abrasiva que da lugar a un
notable desgaste de las herramientas, y a una resina, en general blanda, y que limita
la temperatura máxima que puede generarse durante el mecanizado. Por una parte, la
resina es cortada, mientras que la fibra puede ser cortada o fracturada. La orientación
de la fibra, además, da lugar a comportamientos distintos y, por tanto, acabados
distintos.
Los equipos de mecanizado de compuestos son similares a los empleados en el
mecanizado de metales pero con algunas modificaciones principalmente en lo
referente a las herramientas de corte y al refrigerante empleado. La presencia de fibra
43 Estado del arte
de vidrio o de carbono provoca un desgaste muy rápido de los útiles tradicionales. En
consecuencia, no se recomienda el uso de útiles de acero de corte rápido; es
preferible el uso de carburos (tungsteno aunque también cobalto, titanio o tantalio) y
los útiles de diamante son prácticamente esenciales para las producciones y
laminados de gran volumen con contenidos elevados de fibra.
En términos de vida de la herramienta, las de carburo son superiores especialmente si
se usan grados de carburos de fino tamaño de grano. Sin embargo, el coste de la
herramienta es considerablemente más alto. Las herramientas de diamante
policristalino (PCD) se emplean extensivamente en el mecanizado de composites
reforzados de carbono y de vidrio debido a su alta resistencia al desgaste.
Se obtienen mediante la deposición de múltiples capas de diamante a través de la
sinterización sobre insertos metálicos de carburos. Esta sinterización requiere altas
presiones y elevadas temperaturas. Los insertos se aceran a continuación sobre el
cuerpo del útil. Esta técnica tiene un coste elevado, unas 10 veces superior a el de las
herramientas de carburo.
Una muestra de las herramientas empleadas en el mecanizado de “composites” puede
verse en la Figura 26.
Figura 26 Tipo de herramientas de corte para materiales compuestos
2.5.9 Verificaciones
Los laminados son propensos a algunos tipos de defectos a menos que sean
mecanizados y taladrados apropiadamente. Por este motivo, resulta necesario realizar
verificaciones que se hacen de acuerdo a la clase de la pieza, la cual se define en el
44 Estado del arte
conjunto de planos de la misma (a menos que se especifique lo contrario en la hoja
técnica de material compuesto).
Se ha de generar un informe de verificación dimensional donde se indique si las
principales dimensiones (espesores de laminado, posición de taladros, diámetro de los
taladros, etc.) se hayan dentro del intervalo de tolerancia para el valor nominal de
referencia establecido en el plano correspondiente.
Las especificaciones de proceso establecen algunos criterios para controlar la calidad
de los bordes cortados y los agujeros taladrados. Estos criterios establecen los límites
de aceptación o rechazo para defectos frecuentes detectables visualmente tales como:
astillado, delaminación, pérdida superficial de fibras, sobrecalentamiento, acabado
superficial, agujeros fuera del eje, cráteres superficiales y rotura de fibras que
comienza en los límites del taladro. Puesto que estos defectos son de naturaleza
interna, la evaluación de su gravedad no es posible tan sólo inspeccionando
visualmente, sino que se debe respaldar por otras técnicas de inspección no
destructivas (ultrasonidos), para las cuales se establecen límites de aceptación o
rechazo de defectos internos.
2.5.10 Sellado de bordes
Consiste en la aplicación de una capa de producto aislante (por ejemplo resina epoxy)
en los bordes de mecanizado de un componente. Este proceso resulta necesario al
quedar las fibras de carbono expuestas tras las operaciones de mecanizado (no están
recubiertas por resina o adhesivo). El propósito de este proceso es prevenir la
corrosión galvánica de las piezas de material compuesto. Debe aplicarse en las piezas
fabricadas a partir de preimpregnados de fibra de carbono siempre que se espere que
aparezca un camino físico (por ejemplo un electrolito) entre la fibra de carbono
electroquímicamente activa y el material no resistente a la corrosión.
2.5.11 Inspecciones no destructivas
Se denomina ensayo no destructivo (también llamado END, o en inglés NDI de “no
destructive inspection”) a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no
altere de forma permanente sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o
dimensionales.
Los ensayos no destructivos implican un daño imperceptible o nulo. Los diferentes
métodos de ensayos no destructivos se basan en la aplicación de fenómenos físicos
tales como ondas electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión de partículas sub-
atómicas, capilaridad, absorción y cualquier tipo de prueba que no implique un daño
considerable a la muestra examinada. No ofrecen una gran cantidad de información
comparados con los ensayos destructivos, sin embargo tiene la ventaja, como su
nombre indica, de no destruir lo ensayado, lo que hace que sean más baratos. [Ref.9]
El grado de inspección no destructiva depende de si las piezas pertenecen a la
estructura primaria, estructura secundaria o de seguridad en vuelo, o a la estructura de
no seguridad en vuelo. El tipo o clase de pieza se define habitualmente en el plano de
45 Estado del arte
la pieza. Este también hace referencia a la especificación de proceso que define los
ensayos no destructivos y los criterios de aceptación y/o rechazo. Los ensayos no
destructivos se usan para encontrar defectos y daños como huecos, delaminaciones,
inclusiones y micro grietas en la matriz.
Las técnicas de inspección no destructiva comúnmente empleadas en la producción
incluyen visual, ultrasónica y rayos-X. Otros métodos como los infrarrojos, holográficos
y la inspección acústica se encuentran en desarrollo y podrían ser usados en
aplicaciones futuras.
2.5.11.1 Inspección visual
La inspección visual es una técnica de inspección no destructiva que implica
comprobaciones para asegurar que la pieza cumple los requerimientos del plano y
para evaluar la superficie y la apariencia de la pieza. Esta inspección incluye
examinación de burbujas, depresiones, inclusiones de material, distorsiones en las
capas, arrugas, rugosidad superficial y porosidad superficial. Los criterios de
aceptación y/o rechazo para estos defectos vienen dados en la especificación del
proceso de fabricación.
2.5.11.2 Prueba de estanqueidad
Todos los elementos sándwich fabricados deben someterse a un ensayo o prueba de
estanqueidad para comprobar la ausencia de fugas en los mismos. Información de
interés referente a este procedimiento de inspección se encuentra en la [Ref.10]
“Detection and characterization of water ingress in honeycomb structures…”
El ensayo de estanqueidad tiene por objeto la detección de zonas de elementos o
estructuras sándwich insuficientemente selladas o estancas. La entrada de líquidos en
el interior de un elemento o estructura sándwich puede producir daños en servicio
tales como delaminaciones, desencolados, absorción de agua, etc.
La prueba consiste en introducir brevemente el elemento o estructura en un tanque de
agua limpia y caliente, de forma que este no flote. Los posibles defectos de falta de
estanqueidad quedan evidenciados por la aparición de aire, cuando en el ensayo se
detectan burbujas, la zona se marca y la pieza se saca del agua inmediatamente.
La duración adecuada de la inspección se determina teniendo en cuenta el material y
el espesor del revestimiento de la pieza (independientemente de la altura y tipo de
núcleo “honeycomb” empleado). En ningún caso debe sobrepasar los 120 segundos.
Esta prueba de estanqueidad deberá realizarse siempre antes que la inspección por
ultrasonidos.
2.5.11.3 Inspección ultrasónica
La técnica más ampliamente utilizada para la inspección de composites es la
inspección ultrasónica por transmisión (C-Scan) seguida de una inspección ultrasónica
46 Estado del arte
pulso eco. Estos métodos se presentan brevemente en base a la información aportada
en la [Ref.11] “Inspección por ultrasonidos”. Algunos de los equipos usualmente
empleados se muestran en la Figura 27.
Figura 27 Equipos para inspección ultrasónica de componentes aeronáuticos
La inspección ultrasónica por transmisión involucra sólo la medición de la atenuación o
disminución de señal. El mapeo C-Scan es una representación bidimensional de datos
que se muestran como una vista en planta de una pieza de ensayo donde el color
representa la amplitud o profundidad de la señal en cada punto de la pieza de ensayo
asignada a su posición.
El método de inspección ultrasónica por pulso eco involucra la detección de ecos
producidos cuando un pulso ultrasónico es reflejado por una discontinuidad o una
interface en una pieza de trabajo. Se utiliza para detectar la localización de defectos y
para medir espesores.
Los principales defectos evaluados por ultrasonidos son porosidad, huecos internos y
delaminaciones. Las distintas disposiciones que suelen darse a las piezas son: (1)
aceptable como está, (2) sujeta a trabajos adicionales o reparaciones para su
aceptación, o (3) desechada cuando los defectos hallados se encuentran fuera de los
límites permitidos.
2.5.12 Pintura
El proceso completo de acabado consiste en las siguientes etapas de operación tal y
como viene definido en el ASM Handbook.Volume 21. Composites [Ref.12].
1. Preparación superficial: de forma más general, la adherencia de la pintura al
sustrato se cumple gracias al anclaje mecánico o fisico-químico. Como
consecuencia estas dos etapas son obligatorias en cualquier preparación
superficial:
Limpieza: para eliminar cualquier contaminación de las áreas a pintar.
47 Estado del arte
Activación (con lijado, anodizado u otro) para eliminar contaminaciones
incrustadas y para dar una superficie definida que asegure la adherencia de la
pintura.
2. Operaciones de pintura: se debe aplicar la capa de pintura de tal forma que haya
una película cerrada con un espesor de capa ampliamente uniforme. Este
resultado puede que se consiga con una o varias pasadas. El sistema de pinturas
que es recomendable aplicar en el caso de un material compuesto termoestable
consiste en una capa de imprimación (tapaporos) y otra de acabado
3. Secado: las propiedades de secado (temperatura y tiempo) aparecen indicadas en
la ficha técnica de la pintura correspondiente. A menos que se indique lo contrario,
el secado debe realizarse a temperatura ambiente. En caso de aplicar un secado
forzado, se debe asegurar que los componentes y materiales son capaces de
soportar la temperatura aplicada.
4. Comprobaciones de terminación y calidad: después del secado, el recubrimiento
debe ser uniforme y consistente en color.
2.5.13 Verificación final e identificación
Una de las operaciones finales que se ejecutan consiste en pesar el elemento y
registrar el valor obtenido en su correspondiente orden de producción. Asimismo se
verifica visualmente que la pieza no ha sufrido delaminaciones ni otros daños, se
identifica, embala y almacena.
2.6 Alternativa de fabricación. Materiales autoadhesivos
Como ya se ha sido comentado en apartados previos, los paneles sándwich de núcleo
“honeycomb” son utilizados en muchas aplicaciones en las cuales la rigidez y la
resistencia estructural del panel son los factores principales. Además, estos paneles
se emplean mucho en la industria aeroespacial en la cual el peso del panel tiene
fundamental importancia. En consecuencia, ha existido y sigue existiendo un esfuerzo
conjunto para reducir el peso de estos paneles sin sacrificar la resistencia estructural.
Uno de los frentes de investigación para reducir el peso es la eliminación de las capas
adhesivas individuales que realizan la función de unir los revestimientos o pieles al
núcleo “honeycomb”. Consideremos un panel cuya superficie de núcleo es de 1 m2 lo
que supondría la incorporación de dos capas de adhesivo en película de 1 m2 de
superficie, lo que haría un total de 2 m2 de adhesivo film para unir el núcleo a los
revestimientos. Considerando un adhesivo de este tipo empleado en aplicaciones
aeronáuticas como es el Hysol EA 9695 .05, su masa por unidad de área depende del
grado pero en el caso más restrictivo es de unos 250 g/m2 por lo que su eliminación
equivaldría a un ahorro de 500 g de peso en un panel de estas características lo que
en este supone un ahorro de peso considerable.
La eliminación de las capas adhesivas se consigue con la incorporación de materiales
preimpregnados autoadhesivos en la fabricación de los revestimientos tal y como se
48 Estado del arte
muestra en la Figura 28. En este caso en que el prepreg y núcleo se unen sin
necesidad de emplear adhesivo, la resina del preimpregnado debe cumplir con el
doble requisito de ser adecuada para impregnar a la fibra y garantizar la unión de
capas de carbono entre sí mientras que además proporciona una adhesión adecuada
al núcleo. En un prepreg autoadhesivo, se añaden partículas a la matriz de resina que
impregna a las fibras del prepreg con el fin de modificar propiedades de la misma tales
como la viscosidad durante el curado.
Figura 28 Panel sándwich fabricado con prepreg autoadhesivo
La eliminación del adhesivo no sólo supone un ahorro de peso sino también de costes
asociados al material, su precio, ensayos de recepción, costes de almacenamiento…
Otra de las consecuencias derivadas es la reducción en los tiempos de fabricación
necesarios ya que se trata de dos capas menos de material que cortar y colocar dentro
de la secuencia de apilado definida para la pieza. Así como tampoco resulta necesario
considerar el tiempo necesario para el atemperamiento del adhesivo.
Una ventaja derivada es la reducción de posibles problemas de compatibilidad de
materiales ya que se requiere que el adhesivo utilizado sea compatible tanto con los
preimpregnados utilizados como con el núcleo.
A día de hoy, la planta de fabricación de estructuras aeronáuticas en la cual se
desarrolla este Proyecto de investigación, ha implementado el uso de este tipo de
materiales autoadhesivos de fibra de carbono y resina epoxy para los paneles
fabricados en ciclos de baja temperatura (120ºC); sin embargo, aún no dispone de un
material certificado equivalente para los paneles de curado en ciclos de alta
temperatura (180ºC).
Tres alternativas de prepregs autoadhesivos de fibra de carbono y resina epoxy
pertenecientes a tres proveedores distintos de materiales compuestos han sido
propuestos por el cliente con el objetivo de comprobar si su utilización sería posible
dentro del proceso de fabricación actual de la planta, es decir siguiendo la misma ruta
49 Estado del arte
de fabricación, manteniendo el ciclo de curado con los parámetros tal y como están
actualmente definidos, empleando los mismos materiales auxiliares, etc. En definitiva
simplemente cambiando el material de serie actual por el alternativo.
Dado que se trata de tres materiales de los que no se tienen datos de su
comportamiento en fabricación ni evidencias de calidad de las piezas fabricadas, se ha
optado por lanzar una campaña de fabricación y ensayo de varios paneles de la “Belly
Fairing” representativos de la producción.
En el siguiente Capítulo se presentarán tanto los paneles a fabricar como los
materiales que se emplearon en su elaboración, prestando especial atención a las
características de los tres materiales preimpregnados autoadhesivos alternativos, y
finalmente la matriz de ensayos de calificación que permitirán extraer conclusiones
acerca de cuál de las alternativas resulta más viable a la hora de adaptarla dentro del
ritmo de producción actual.
50 Estado del arte
51 Metodología de calificación
3 Metodología de calificación
El objetivo de este Capítulo es el de presentar cuál fue el procedimiento seguido a la
hora de determinar de las tres alternativas de material preimpregnado autoadhesivo
cuál resulta más conveniente como sustituta del material de serie actualmente
empleado.
Se comienza por identificar de toda la producción actual de la planta cúales fueron los
paneles escogidos como representativos y presentar tanto su morfología como su
composición. A continuación, se detallan todos los materiales que fueron empleados
en la fabricación de los mismos, haciendo especial hincapié tanto en las principales
características como en las condiciones de procesamiento de los nuevos materiales
preimpregnados. Por último se presentan los ensayos e inspecciones que se
definieron y realizaron sobre los paneles una vez concluida su fabricación así como la
información que se obtuvo en cada uno de ellos.
3.1 Paneles de ensayo
Tal y como ya se avanzó anteriormente, se seleccionaron dos tipos de paneles, ambos
pertenecientes al carenado ventral de un avión comercial y fabricados en ciclos de
curado de alta temperatura. Estos paneles se denominan en base a la mayor o menor
complejidad de su morfología como paneles simples y paneles complejos.
3.1.1 Panel simple
La Figura 29 muestra el primero de estos paneles. Se trata de una estructura cocurada
tipo sánwich de un solo núcleo motivo por el cual se denomina panel simple.
Figura 29 Panel simple
52 Metodología de calificación
Consta de dos zonas, la zona de pista que comprende el laminado situado en todo el
contorno del núcleo “honeycomb” y la zona de sándwich propiamente dicha,
denominada zona de núcleo tal y como puede verse en la Figura 30.
Figura 30 Zonas panel simple
Las dimensiones aproximadas de este panel son 1 m x 0.5 m (0.5 m2).
La Tabla 4 recoge la secuencia de apilado de las telas que constituyen el panel, tanto
para el que actualmente se fabrica en serie como para los fabricados a partir de las
tres alternativas de preimpregnado autoadhesivo y que posteriormente fueron
ensayados.
Como puede verse en la Tabla 4, en ambas configuraciones se incorpora al laminado
de fibra de carbono y resina epoxy por cara útil protección contra rayos en forma de
malla de bronce también preimpregnada en resina epoxy, junto con una capa de
adhesivo superficial para mejorar el acabado superficial y proteger la malla. Más
información acerca de estos componentes y su finalidad será analizada más adelante
en el apartado de materiales. En cuanto a los refuerzos de fibra de vidrio, se
eliminaron de la configuración fabricada a modo de simplificarla. Finalmente la cara
bolsa de los paneles se recubrió de una capa protectora de Tedlar®.
53 Metodología de calificación
Tabla 4 Secuencia teórica de telas paneles simples
CAPA
CONFIGURACIÓN ACTUAL CONFIGURACIÓN FABRICADA
PANEL SIMPLE I PANEL SIMPLE II PANEL SIMPLE III
Cara útil ZONA 1 ZONA 2 ZONA 1 ZONA 2 ZONA 1 ZONA 2 ZONA 1 ZONA 2
1 Adhesivo Film Adhesivo Film Adhesivo Film Adhesivo Film
2 Malla de bronce Malla de bronce Malla de bronce Malla de bronce
3 Prepreg carbono/epoxy Material I Material II Material III
4 Prepreg
carbono/epoxy - Material I - Material II - Material III -
5 Prepreg
carbono/epoxy - Material I - Material II - Material III -
6 Prepreg carbono/epoxy Material I Material II Material III
7 - Adhesivo Film N/A N/A N/A
8 - Núcleo
“honeycomb” -
Núcleo “honeycomb”
- Núcleo
“honeycomb” -
Núcleo “honeycomb”
9 - Adhesivo Film N/A N/A N/A
10 Prepreg
carbono/epoxy - Material I - Material II - Material III -
11 Prepreg
carbono/epoxy - Material I - Material II - Material III -
12 Prepreg
carbono/epoxy - Material I - Material II - Material III -
13 Prepreg carbono/epoxy Material I Material II Material III
14 Prepreg
carbono/epoxy - Material I - Material II - Material III -
15 Prepreg
carbono/epoxy - Material I - Material II - Material III -
16 Prepreg carbono/epoxy Material I Material II Material III
17 Prepreg
vidrio/epoxy - N/A N/A N/A
Cara bolsa 18 Tedlar ® Tedlar ® Tedlar ® Tedlar ®
54 Metodología de calificación
3.1.2 Panel complejo
La Figura 31 representa el segundo de los paneles seleccionados, llamado panel
complejo. De nuevo se trata de una estructura cocurada tipo sándwich que se
denomina complejo puesto que consta de tres núcleos y su morfología resulta más
complicada que la del denominado panel simple al presentar una zona de radio que
añade dificultad a la hora de adaptar las telas al molde. Por añadidura, sus
dimensiones son mucho mayores que las del panel simple con una superficie 4 veces
mayor, de unos 2.5 m2.
Figura 31 Panel complejo
Consta de seis zonas. La zona de pista, que comprende el laminado que rodea a
todos los núcleos “honeycomb”, la forman las Zonas 1 (reforzada con vidrio tal y como
puede verse en la Tabla 5 y que aparece en azul en la Figura 32), la Zona 2 o zona de
radios (en morado en la Figura 32) y el resto de laminado o Zona 3. La zona de
sándwich por su parte la componen las Zonas 4, 5 y 6. Los núcleos ““honeycomb””
correspondientes a cada una de estas zonas tienen alturas diferentes aunque están
fabricados a partir del mismo material.
Figura 32 Zonas Panel Complejo
55 Metodología de calificación
La Tabla 5 recoge la secuencia de apilado de las telas que constituyen el panel, tanto
para el que actualmente se fabrica en la serie como para los fabricados a partir de las
tres alternativas de preimpregnado autoadhesivo. Al igual que en el caso de los
paneles simples, se incorporan malla de bronce y adhesivo superficial en toda la cara
útil. Por simplicidad, también se eliminaron los refuerzos de fibra de vidrio de la
configuración fabricada. La cara bolsa del panel se recubre con una capa protectora
de Tedlar®.
56
Metodología de calificación
Tabla 5 Secuencia teórica de telas paneles complejos: Panel Complejo I
CAPA
CONFIGURACIÓN ACTUAL CONFIGURACIÓN FABRICADA
Cara útil
ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3 ZONA 4 ZONA 5 ZONA 6 ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3 ZONA 4 ZONA 5 ZONA 6
1 Adhesivo Film Adhesivo Film
2 Malla de bronce Malla de bronce
3 Prepreg carbono/epoxy Material I
4 Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy - - - Material I Material I Material I - -
5 Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy - - - Material I Material I Material I - -
6 Prepreg carbono/epoxy Material I
7 - - - Adhesivo
Film - - N/A
8 - - - - Adhesivo
Film - N/A
9 - - - - - Adhesivo
Film N/A
Core 1 - - - Núcleo
“honeycomb” - - - - -
Núcleo “honeycomb”
- -
Core 2 - - - - Núcleo
“honeycomb” - - - - -
Núcleo “honeycomb”
-
Core 3 - - - - - Núcleo
“honeycomb” - - - - -
Núcleo “honeycomb”
10 - - - Adhesivo
Film - - N/A
11 - - - - Adhesivo
Film - N/A
12 - - - - - Adhesivo
Film N/A
13 Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy - - - Material I Material I Material I - - -
14 Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy - - - Material I Material I Material I - - -
15 Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy - - - Material I Material I Material I - - -
57
Metodología de calificación
CAPA
CONFIGURACIÓN ACTUAL CONFIGURACIÓN FABRICADA
Cara útil
ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3 ZONA 4 ZONA 5 ZONA 6 ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3 ZONA 4 ZONA 5 ZONA 6
16 Prepreg carbono/epoxy Material I
17 Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy - - Material I Material I Material I - - -
18 Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy Prepreg
carbono/epoxy - - Material I Material I Material I - - -
19 Prepreg carbono/epoxy Material I
20 Prepreg
vidrio/epoxy - - - - - N/A
Cara bolsa
21 Tedlar ® Tedlar ®
Nota: La secuencia de apilado para los paneles complejos II y III es idéntica sin más que sustituir el Material I por el II o el III según corresponda.
58 Metodología de calificación
3.2 Paneles de control de procesos
Puesto que se trata de materiales sin calificar y cuyo proceso de fabricación es
experimental, de acuerdo a lo que se indicaba en la sección 2.5.6.4., conjuntamente
con los paneles simples y complejos, se incorporaron varios paneles de control de
procesos. Dichos paneles fueron sometidos a una serie de ensayos con el fin de
evaluar el comportamiento mecánico de los materiales en estudio.
Así pues se fabricaron un total de 7 paneles de control de procesos para cada una de
las alternativas de material. El tipo de ensayo a realizar determinó la morfología con la
que el panel se fabricó. En la Tabla 6 se detalla la composición de estos paneles
además de los materiales y la configuración en la que se disponen.
La definición de los paneles de control de procesos monolíticos presentó algunos
problemas derivados de las diferencias existentes entre los espesores de capa curada
para los tres materiales propuestos (muy similares en los Materiales I y III e inferiores
en el Material II como se verá más adelante). Así pues, para los paneles de control de
procesos de cortadura interlaminar, tracción simple y compresión se estableció que
cada panel laminado se fabricase con con un número de capas diferente según el
material a fin de conseguir espesores finales similares en los tres laminados.
Tabla 6 Morfología del panel de control de procesos según el tipo de ensayo
TIPO DE ENSAYO
TIPO DE PANEL
SECUENCIA DE APILADO MATERIALES
Cortadura interlaminar
Laminado
9 ó 10 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º (ver Nota)
Tracción plana
Sándwich
Piel: 2 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º
Núcleo Papel de poliamida (12,7 mm) ó fibra de vidrio impregnada en resina fenólica (12,7 mm)
Piel: 2 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º
59 Metodología de calificación
TIPO DE ENSAYO
TIPO DE PANEL
SECUENCIA DE APILADO MATERIALES
Pelado tambor
Sándwich
Piel: 2 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º
Núcleo Papel de poliamida (12,7 mm)
Piel: 2 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º
Tracción simple
Laminado
9 ó 10 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º (ver Nota)
4 puntos de flexión
Laminado
2 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º
Núcleo Papel de poliamida (12,7 mm)
2 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º
Compresión Tipo B1
Laminado
9 ó 10 capas de material preimpregnado autoadhesivo (Material I, II o III) dispuestas con orientación 0º (ver Nota)
Nota: 9 capas para los Materiales I y III y 10 capas en el caso del Material II
3.3 Materiales empleados
En esta sección se incluye información acerca de todos los materiales que forman
parte de las secuencias de telas de los paneles presentadas en la sección anterior
(Tabla 4 y Tabla 5). Para los materiales ya calificados, tan sólo se ha optado por incluir
una breve descripción de sus características más significativas así como de su función
dentro de la estructura, centrándose la sección en caracterizar los materiales
preimpregnados autoadhesivos de fibra de carbono y resina epoxy. Cabe indicar que
al tratarse de materiales en proceso de calificación, la información de la que aún se
dispone es limitada y no es toda la que formalmente vendría incluida en la
60 Metodología de calificación
correspondiente especificación técnica del material. Así pues, se presentan las
condiciones de procesamiento así cómo algunas de las propiedades físicas y térmicas
suministradas por cada proveedor.
3.3.1 Materiales estructurales y funcionales
En la Tabla 7 se recopilan según su tipo y nombre comercial los materiales
estructurales y funcionales empleados en la fabricación de las estructuras sándwich
que son objeto de estudio de este Proyecto.
Tabla 7 Materiales estructurales y funcionales
MATERIAL NOMBRE COMERCIAL
Preimpregnado autoadhesivo de fibra de carbono y resina epoxy
Materiales I, II y III (en proceso de calificación)
Malla de bronce Hexply CuSn6 / 8552 RC 27
AW 80
Adhesivo en película Hysol EA 9695
Núcleos “honeycomb” de papel de poliamida ECK 4.8-32
Tedlar® TWH20BS3
Núcleos “honeycomb” de fibra de vidrio impregnada en resina fenólica
HRP - 3/16 - 4.0
Se realiza a continuación una breve descripción de sus características y funcionalidad
dentro de la estructura.
Malla de bronce: se trata de una red de bronce impregnada en resina epoxy que se
incopora en una de las caras de la estructura sándwich de material compuesto 8cara
útil) como elemento de protección contra descargas. Tal y como se expone en el
artículo “Lightning strike protection strategies for composite aircraft” [Ref.13], este tipo
de mallas metálicas son una de las soluciones más frecuentemente seleccionadas
como protección contra el impacto de rayos puesto que exhiben una alta conductividad
y un alto calor de vaporización, ambas características necesarias para soportar los
masivos niveles que se tienen en el impacto de un rayo.
La mayoría de los proveedores de materiales aeorespaciales ofrecen estas mallas
metálicas embebidas en una matriz de resina tal y como es el caso de la malla
empleada en este caso, donde el contenido en resina se indica en la referencia
comercial (RC 27%) así como el peso de bronce por unidad de área (80 g/m2). El
sistema de resina que incorpora es el Hexply 8552 del fabricante Hexcel [Ref.14]
recomendado en aplicaciones estructurales que requieren elevada resistencia, rigidez
y tolerancia al daño.
61 Metodología de calificación
Figura 33 Malla de bronce preimpregnada Hexply CuSn6 RC27 AW 80
Adhesivo en película (‘film’): Este material tiene como finalidad proporcionar
protección a la malla de bronce frente a fallos mecánicos así como mejorar la calidad
superficial de la cara útil de los paneles de cara a la preparación superficial posterior y
la aplicación de pintura. De acuerdo con lo especificado en su Ficha Técnica [Ref.15]
correspondiente, el material Hysol EA 9695 empleado es un adhesivo de base epoxy
con una excelente resistencia ambiental adecuado para la unión de estructuras de
material compuesto tanto en procesos de cocurado como en coencolado. Su baja
fluidez minimiza la posibilidad de que se entremezcle con la resina del preimpregnado.
Núcleos “honeycomb” o nido de abeja: los núcleos empleados son núcleos ECK
[Ref.16] del proveedor Eurocomposites. Se trata de materiales estructurales no
metálicos y de bajo peso usados fundamentalmente como núcleos en construcciones
tipo sándwich. En su producción, las fibras de para-aramida se recubren de resina
fenólica. Poseen una elevada relación resistencia-peso. Se trata también de materiales
eléctrica, térmica, química y corrosivamente aislantes así como resistentes al choque y
a la fatiga. Son moldeables y auto extinguibles. Estas propiedades los convierten en
materiales ideales para aplicaciones de bajo peso tales como es el caso de estos
paneles. Dentro de su nombre comercial, 4.0 hace referencia a la altura de la celdilla
mientras que 32 es la densidad en (g/cm3) del material.
Figura 34 Adhesivo en película Hysol EA9695
Figura 35 Núcleos “honeycomb” ECK 4.0-32
62 Metodología de calificación
Tedlar ® : de acuerdo a lo indicado en el ASM Handbook. Volume 21. Composites
[Ref.17] el Tedlar ® es el nombre comercial que se da al fluoruro de polivinilo un
material polimérico que se interpone como capa impermeable en algunos materiales
compuestos. En este caso el Tedlar® empleado corresponde al fabricante Dupont™.
Las propiedades generales de este material aparecen en su correspondiente Hoja
Técnica [Ref.19]. Cabe destacar que se trata de un material suministrado en forma de
película con orientación biaxial que ofrece una excelente resistencia a los agentes
externos, propiedades mecánicas destacadas y comportamiento inerte frente a una
amplia variedad de agentes químicos, disolventes y pigmentos.
Figura 36 Tedlar ®
Núcleos de vidrio (Control de Procesos): este tipo de núcleos se ha utilizado en la
fabricación de algunos de los paneles de control de proceso con configuración
sándwich. Los núcleos HRP del fabricante Hexcel Composites [Ref. 19] son núcleos
de nido de abeja de configuración hexagonal y fabricados en fibra de vidrio reforzada
con resina fenólica resistente a altas temperaturas. Por este motivo se emplean en
aplicaciones que requieren materiales con elevadas temperaturas de servicio (hasta
175ºC). La designación HRP - 3/16 - 4.0 indica el tipo de nido de abeja (HRP), el
tamaño de las celdillas en pulgadas (3/16) y la densidad nominal en lb/ft3 (4.0).
Figura 37 Núcleo “honeycomb” de fibra de vidrio
63 Metodología de calificación
3.3.2 Presentación de las tres alternativas de material preimpregnado
autoadhesivo
La Tabla 8 resume las características generales de las tres alternativas de material
preimpregnado autoadhesivo que se emplean en el desarrollo de este Proyecto.
Tabla 8 Características generales
PROPIEDAD MATERIAL I, II, II
Tipo de material Tejido de fibra de carbono/resina epoxy autoadhesiva
Formulación Fibra: módulo estándar
Resina: epoxy curado 180ºC
Método de fabricación Curado en autoclave 180ºC
3.3.2.1 Condiciones de procesamiento. Ciclos de curado
Cada una de las tres alternativas de prepreg viene acompañada por un ciclo de curado
en autoclave recomendado por el fabricante donde se establecen los límites
admisibles dentro de los que habrían de mantenerse los parámetros clave del curado
como son la temperatura, el vacío y la presión. Puesto que el objetivo del presente
Proyecto es el de determinar la viabilidad de incluir los nuevos materiales
preimpregnados dentro del proceso de producción tal y como se encuentra definido en
la planta (lo que incluye el ciclo de curado de alta temperatura actualmente empleado)
el presentar los ciclos de curado propuestos por cada fabricante se hace meramente a
título informativo y servirá a la hora de establecer conclusiones sobre la influencia de
los parámetros de curado en la calidad interna de las piezas obtenidas.
En el caso del Material I el ciclo de autoclave propuesto consta de dos escalones de
curado a distintas temperaturas. Primero se aplicaría vacío a la bolsa y
posteriormente se procedería a elevar la temperatura hasta un nivel en el que se
lograse aumentar el flujo de la resina. Una vez alcanzado dicho nivel habría de
mantenerse el mismo durante un intervalo de tiempo constituyendo el primero de los
escalones de curado conocido como etapa de residencia o “dwell”. Durante esta etapa
se igualan las temperaturas del útil y de la pieza y se inicia un curado controlado de la
misma. Finalizada esta primera etapa se aumentaría la temperatura hasta el segundo
escalón el cual se acompaña de presión exterior para conseguir el curado final del
componente.
La Tabla 9 muestra los intervalos admisibles en los que deberían encontrarse los
principales parámetros de curado del material y la Figura 38 representa la curva media
propuesta para el curado.
64 Metodología de calificación
Tabla 9 Parámetros ciclo de curado Material I
TIPO DE CURADO AUTOCLAVE
PARÁMETRO UNIDAD REQUERIMIENTO
PRIMER ESCALÓN SEGUNDO ESCALÓN
Presión Psig - 43.5
bar - 3.0
Vacío1)
mmHg 713 713
bar 0.95 0.95
Velocidad de calentamiento ºC/min 1 – 3 1 – 3
Tiempo de calentamiento Min 30 – 90 23 – 70
Tiempo de estabilización Min 55 – 65 115 – 125
Temperatura de estabilización ºC 105 – 115 175 – 185
Velocidad de enfriamiento ºC/min - 2 – 5
Tiempo de enfriamiento Min - 28 – 70
Temperatura de desmoldeo ºC - ≤ 40 1)
En el segundo escalón, se debe retirar el vacío cuando la temperatura desciende por debajo de los
40ºC
Figura 38 Ciclo de curado del Material I
65 Metodología de calificación
Los ciclos de curado de las alternativas de Material II y III son ciclos de un solo
escalón, en ellos se omite la etapa de residencia y el calentamiento tendría lugar en
una única rampa de subida hasta alcanzar la temperatura de estabilización, se
mantendría al componente a esta temperatura durante un intervalo de tiempo y
posteriormente se haría descender su temperatura de forma gradual. En ambos casos,
el vacío se aplicaría al inicio del ciclo y se ventilaría al exterior cuando la presión
alcanzase un valor determinado. La presión por el contrario se mantendría
prácticamente durante todo el ciclo y en ambos casos durante la fase de
estabilización.
En la Figura 39 aparecen las curvas teóricas tanto para la temperatura como para la
presión y el vacío a lo largo del ciclo propuesto para el Material II y en la Tabla 10 los
límites dentro de los cuales sería recomendable que oscilasen dichos parámetros. En
este ciclo se opta por aplicar vacío a la bolsa desde el inicio, esperar un intervalo de
unos 30 minutos antes de aplicar presión y liberar el vacío cuando esta alcanzase un
determinado valor.
Tabla 10 Parámetros ciclo de curado Material II
TIPO DE CURADO AUTOCLAVE
PARÁMETRO UNIDAD REQUERIMIENTO
Presión Psig 40 – 50
bar 2.7 – 3.4
Vacío1)
mmHg 500
bar 0.68
Velocidad de calentamiento ºC/min -
Tiempo de calentamiento Min 53 – 160
Tiempo de estabilización Min 120 – 180
Temperatura de estabilización ºC 175 – 185
Velocidad de enfriamiento ºC/min -
Tiempo de enfriamiento Min >60
Temperatura de desmoldeo ºC -
1) Deben aplicarse 500 mmHg (0.68 bar) durante los 30 (+5/-0) minutos previos a la aplicación de la
presión. Ventilar al exterior cuando la presión alcanza los 20 Psig (1.4 Bar)
66 Metodología de calificación
Figura 39 Ciclo de curado del Material II
En la Figura 40 y la Tabla 11 se muestran tanto gráfica como cuantitativamente los
parámetros teóricos del ciclo del Material III.
Tabla 11 Parámetros ciclo de curado Material III
TIPO DE CURADO AUTOCLAVE
PARÁMETRO UNIDAD REQUERIMIENTO
Presión Psig 49.3
bar 3.4
Vacío1)
mmHg 63
bar 0.084
Velocidad de calentamiento ºC/min 1
Tiempo de calentamiento Min 160
Tiempo de estabilización Min 120
Temperatura de estabilización ºC 180
Velocidad de enfriamiento ºC/min 2
Tiempo de enfriamiento Min 80
Temperatura de desmoldeo ºC -
1) Ventilar al exterior cuando la presión alcanza 14 Psig (0.952 Bar)
67 Metodología de calificación
Figura 40 Ciclo de curado del Material III
3.3.2.2 Propiedades físicas de los preimpregnados frescos
Existe toda una serie de propiedades físicas de los materiales preimpregnados en
fresco, es decir, antes de ser sometidos a cualquier proceso de curado, que aparecen
incluidas en la ficha o especificación técnica correspondiente. Estas propiedades,
sirven como referencia a la hora de determinar la idoneidad del material para un
proceso de fabricación determinado y se presentan en la Tabla 12 junto con el ensayo
necesario para su determinación.
Así pues, cuando se adquiere un lote de material preimpregnado, este viene
acompañado por lo que se conoce como Certificado de Conformidad (CoC) del
fabricante. Dicho CoC es un informe en el que se reportan los resultados de los
ensayos que el fabricante realiza para determinar los valores concretos de dichas
propiedades que se tienen para el lote de material en cuestión. De este modo se
demuestra que esas propiedades se encuentran dentro de los admisibles definidos en
la especificación técnica correspondiente.
68 Metodología de calificación
Tabla 12 Propiedades y ensayos de caracterización de materiales preimpregnados frescos
PROPIEDAD ENSAYO
Tiempo de gel El tiempo a una temperatura dada cuando la matriz progresa desde el estado líquido al sólido indicado por un rápido incremento en la viscosidad de la matriz
Viscosidad Medición de las características de fluidez de las matrices las cuales están influenciadas por la temperatura y la tasa de calentamiento.
Volátiles Pérdida de peso porcentual de material gaseoso de un especimen pesado de preimpregnado tras su exposición durante un intervalo de tiempo establecido a una temperatura determinada.
Flujo Pérdida de peso porcentual de matriz en un especimen de ensayo bajo condiciones de presión y temperatura convenidas.
Pegajosidad Medida de la capacidad de un preimpregando sin curar de adherirse a sí mismo y a las superficies de moldes
Contenido en resina
Porcentaje de resina en peso por unidad de área
Formulación Verificación de que se tiene la cantidad correcta de componentes de formulación.
Como se comentó previamente, al no tratarse de materiales calificados, no se dispone
de Ficha Técnica para ninguna de las tres alternativas de material preimpregnado. Sin
embargo, sí que se tienen los CoC de los lotes concretos empleados en la fabricación
del los paneles.
Para cada uno de los tres materiales propuestos, las Tabla 13, Tabla 14 y Tabla 15
recopilan los valores concretos de las principales propiedades físicas que se
obtuvieron en el lote de material suministrado. Tan sólo en los CoC de las alternativas
I y II aparecen intervalos de conformidad para las propiedades físicas determinadas
(futura información a aparecer en las Fichas Técnicas correspondientes) y por ello
también son incluidos en la tabla correspondiente.
69 Metodología de calificación
Tabla 13 Propiedades físicas del material preimpregnado I
MATERIAL I MATERIAL FRESCO
PROPIEDAD UNIDADES REQUERIMIENTO RESULTADO
Peso por unidad de área del prepreg g/m2 325 - 375 351
Peso por unidad de área de la fibra g/m2 185 - 201 193
Densidad de la resina g/cm3 1.21 1.21
Densidad de la fibra g/cm3 1.79 1.79
Contenido en volátiles (180ºC) % 2.0 0.9
Contenido en resina % peso 42.5 – 47.5 45.2
Flujo de resina % 17.0 – 27.0 24,2
Pegajosidad - - Bueno
Tabla 14 Propiedades físicas del material preimpregnado II
MATERIAL II MATERIAL FRESCO
PROPIEDAD UNIDADES REQUERIMIENTO RESULTADO
Peso por unidad de área del prepreg g/m2 325 - 375 333.06
Peso por unidad de área de la fibra g/m2 185 - 201 192.94
Densidad de la resina g/cm3 1.297 1.297
Densidad de la fibra g/cm3 1.750 1.750
Contenido en volátiles (180ºC) % 1.0 0.875
Contenido en resina % peso 39.0 – 43.0 42.075
Flujo de resina % 5.0 – 30.0 19.675
Pegajosidad - - Bueno
Tabla 15 Propiedades físicas del material preimpregnado III
MATERIAL III MATERIAL FRESCO
PROPIEDAD UNIDADES REQUERIMIENTO RESULTADO
Peso por unidad de área del prepreg g/m2 - 355.5
Peso por unidad de área de la fibra g/m2 - 199.3
Densidad de la resina g/cm3 1.29 1.29
Densidad de la fibra g/cm3 1.77 1.77
Contenido en volátiles (180ºC) % - 0.2
Contenido en resina % peso 44 43.9
Flujo de resina % - 17.4
Pegajosidad - - Buena
Tal y como se extrae de las tablas anteriores, todas las propiedades ensayadas se
encuentran dentro de los intervalos definidos para las mismas por lo que la calidad de
los lotes recibidos queda asegurada.
70 Metodología de calificación
3.3.2.3 Propiedades térmicas de los preimpregnados frescos
De acuerdo a lo indicado en el MIL Handbook 17 Volumen 1 [Ref. 20], la transición
vítrea de un material compuesto de matriz polimérica es la temperatura a la que tiene
lugar el cambio en el material de la matriz desde el estado vítreo o vidrioso hasta el
estado gomoso durante el calentamiento o desde el estado gomoso al vítreo durante
el enfriamiento. Un cambio de dos o tres órdenes de magnitud tiene lugar en la rigidez
de la matriz durante la transición vítrea debido al inicio de la pérdida de la movilidad de
largo rango de las cadenas poliméricas. La temperatura a la que sucede la transición
vítrea ocurre como función de la arquitectura molecular y densidad de
entrecruzamiento de las cadenas de polímero pero también es dependiente de la
velocidad de calentamiento usada en la medición y en la frecuencia del ensayo si una
técnica dinámico-mecánica es empleada. Además de el cambio en la rigidez, la
transición vítrea marca un cambio en la capacidad calorífica y el coeficiente de
expansión térmica del material.
Previamente a la fabricación de los paneles, se tomó una muestra correspondiente a
cada uno de los lotes de preimpregnado fresco con el fin de determinar la temperatura
de transición vítrea de los mismos y comprobar de este modo que se obtienen valores
similares a los suministrados por los proveedores.
El ensayo realizado sobre las muestras es el denominado D.S.C (siglas de “Diferential
Scanning Calorímetry” o calorimetría diferencial de barrido). Tanto la finalidad como el
procedimiento a seguir a la hora de realizar este ensayo aparecen recogidos en el MIL
Handbook 17 Volumen 1 [Ref.21]. Se trata de una técnica empleada frecuentemente
para caracterizar materiales compuestos. Consiste en monitorizar los cambios de
entalpía en los materiales en función de la temperatura de forma directa. De este
modo se obtiene información referente a la calidad de los materiales preimpregnados.
El ensayo se realiza en modo dinámico con el espécimen pesado e introducido en el
interior de una cápsula de aluminio junto con otra cápsula de aluminio vacía que se
emplea como referencia. El tamaño de espécimen medio empleado es de unos 10 mg
por lo que debe prestarse especial atención a la hora de obtener una muestra
representativa del material. Una línea de base isotermal se registra a la temperatura
más baja y a continuación se aumenta la temperatura mediante la adición de calor
𝑄(𝑊) de manera programada en el rango de interés. Se mide la tasa de evolución del
flujo de calor (dQ
dt) en función de la temperatura. Monitorizando la fracción de calor
implicada como función de la temperatura se obtiene información relativa al grado de
curado y otros parámetros de la cinética del mismo. Los principales aspectos del
procedimiento se resumen en la Tabla 16.
71 Metodología de calificación
Tabla 16 Procedimiento calorimetría diferencial de barrido
CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (D.S.C)
Equipo Q2000 (TA)
Espécimen Preimpregnado (10 a 30 mg) en una cápsula de aluminio
Referencia Cápsula de aluminio vacía
Velocidad de calentamiento
10ºC/min
Rango de temperaturas
Desde temperatura ambiente hasta 350ºC
Atmósfera Nitrógeno
Uso de los datos
Los datos se almacenan por ordenador y se dibuja la curva de flujo de calor vs temperatura
Calor de reacción
La rutina de calibrado y el programa de integración proporcionados por el analizador térmico se utilizan para calcular los calores de reacción de las resinas termoestables de los preimpregnados
Transición vítrea
Un dispositivo de refrigeración conectado a la celda DSC facilita las mediciones de temperatura de transición vítrea de las resinas termoestables de los preimpregnados por ejemplo a menudo es necesario iniciar el escaneo de temperatura a -50ºC o por debajo ya que estas resinas típicamente tienen valores de Tg por debajo de la temperatura ambiente.
Resultados
Tos (T onset): la temperatura de inicio de la transición (ºC)
Tp (T peak): la temperatura pico (máxima) (ºC)
H: la entalpía de reacción (J/g)
H100: la entalpía de reacción (J/g) corregida a el 100% de contenido en resina
Tg: la temperatura de transición vítrea (ºC)
Para cada material fueron dos los especímenes ensayados. A lo largo de las Tabla 17,
Tabla 18 y Tabla 19 se presentan para cada material los resultados obtenidos en
cada una de las muestras extraídas de los lotes de material fresco las cuales se han
denominado P1 y P2. Adicionalmente se incluyen los termogramas correspondientes a
P1 y P2 de cada material en los que pueden verse de forma gráfica los parámetros
anteriormente reportados.
Tabla 17 Resultados DSC Material I
PROPIEDADES Nº DE
ENSAYOS TÉCNICA UNIDADES
VALORES TEÓRICOS
RESULTADOS
P1 P2
Tos
2 DSC
ºC 178 - 185 182.73 181.66
Tp ºC 229 - 237 233.04 233.19
-H J/g Sin definir 195.40 202.30
-H100 J/g Sin definir 434.22 449.56
Tg ºC (-3) – (+5) 0.79 1.19
72 Metodología de calificación
Figura 41 Termograma P1 Material I
Figura 42 Termograma P2 Material I
Tabla 18 Resultados DSC Material II
PROPIEDADES Nº DE
ENSAYOS TÉCNICA UNIDADES
VALORES TEÓRICOS
RESULTADOS
P1 P2
Tos
2 DSC
ºC Sin definir 162.15 162.60
Tp ºC Sin definir 221.85 221.53
-H J/g Sin definir 150.30 163.00
-H100 J/g Sin definir 349.53 379.07
Tg ºC Sin definir -0.68 -1.13
73 Metodología de calificación
Figura 43 Termograma P1 Material II
Figura 44 Termograma P2 Material II
Tabla 19 Resultados DSC Material III
PROPIEDADES Nº DE
ENSAYOS TÉCNICA UNIDADES
VALORES TEÓRICOS
RESULTADOS
P1 P2
Tos
2 DSC
ºC Sin definir 141.54 141.86
Tp ºC Sin definir 186.63 187.48
-H J/g Sin definir 178.60 166.80
-H100 J/g Sin definir 405.91 379.09
Tg ºC Sin definir 5.92 5.95
74 Metodología de calificación
Figura 45 Termograma P1 Material III
Figura 46 Termograma P2 Material III
3.3.3 Materiales Auxiliares
Los materiales auxiliares empleados en la elaboración de la bolsa de vacío empleada
en la fabricación de los paneles se recogen en la Tabla 20. A excepción del agente
desmoldeante, el resto de los materiales auxiliares empleados pertenecen a Airtech™,
compañía que ostenta el liderazgo mundial como fabricante y proveedor de materiales
auxiliares para la preparación de bolsas de vacío de materiales compuestos. Se trata
de los materiales auxiliares habitualmente utilizados en la planta para la fabricación de
estructuras sandwich cocuradas de alta temperatura sin excepciones siguiendo en la
línea de respetar las condiciones de fabricación actualmente implantadas.
75 Metodología de calificación
Tabla 20 Materiales auxiliares
MATERIAL ESPECIFICACIÓN
Agente desmoldeante Loctite Frekote 700 NC
Cintas adhesivas de fijación (alta temperatura) Flashbreaker 1, 2 & 5
Película separadora Wrightlon 5200
Aireador Airweave N 10
Película de bolsa de vacío Ipplon DPT 1000
Película de bolsa de compactación Wrightlon-5400
Masilla para bolsa de vacío (alta temperatura) GS-43 MR
3.4 Matriz de ensayos
Los principales requisitos que debe cumplir un material compuesto susceptible de ser
utilizado en la fabricación de estructuras de altas prestaciones, es la reproducibilidad
de sus propiedades mecánicas finales y una tolerancia dimensional muy baja.
Los principales factores que contribuyen a aumentar la variabilidad en sus
prestaciones son principalmente la falta de uniformidad en las propiedades de los
materiales de partida (preimpregnados en nuestro caso) y en el proceso de fabricación
de los mismos, hasta su estado final de utilización.
Las propiedades de partida de los materiales preimpregnados autoadhesivos ya fueron
comprobadas en el apartado anterior del presente Capítulo. Se definen a continuación
cuáles son las inspecciones y ensayos que se realizaron sobre los paneles una vez
fabricados con objeto de:
Evaluar el proceso de fabricación a través de tres propuestas alternativas de
material autoadhesivo.
Comprobar el ahorro de peso frente a la configuración de fabricación actual .
Determinar la calidad interna de dos componentes estructurales
representativos de la producción en lo que se refiere a materiales, parámetros
clave del proceso de fabricación, utillaje y características de diseño.
Comprobar la correlación entre la calidad interna y los resultados de ensayos
no destructivos.
Demostrar que la calidad interna de los componentes fabricados cumple los
requerimientos establecidos por Ingeniería.
Cada uno de los 6 paneles (3 simples y 3 complejos) se sometió a las siguientes
comprobaciones:
Comprobación de defectos externos: inspección visual efectuada tras el
desmoldeo de las piezas
Ensayos no destructivos:
76 Metodología de calificación
o Inspección ultrasónica
o Prueba de estanqueidad
Registro de peso: pesada de los paneles en una báscula adecuada a dicho
fin.
Comprobación dimensional: consistente en medir los espesores a lo largo de
toda la zona de pista de los paneles y comparar los valores obtenidos con los
espesores teóricos calculados para dicha zona en función de la secuencia de
materiales y sus espesores de capa curada correspondientes.
Ensayos destructivos: la Figura 47 extraída del MIL Handbook 17 Volume 3
[Ref. 22] ayuda a ilustrar la necesidad de realizar este tipo de ensayos en
piezas de composite. Por lo general, estos ensayos se usan para asegurar la
integridad estructural de un componente cuando esta no puede quedar
garantizada únicamente con las técnicas no destructivas. Incluyen la disección
de la pieza para examinar su interior y ensayos mecánicos efectuados sobre
paneles de control de procesos fabricados con ese fin.
Figura 47 Uso de los ensayos destructivos en materiales compuestos
De acuerdo a la Figura 47 existen dos categorías principales de ensayos
destructivos: la disección de la pieza completa o bien el examen de algunas de
las secciones de la misma. La elección de una u otra categoría depende del
grado de madurez del proceso de fabricación y del conocimiento disponible
sobre las peculiaridades de la producción y la calidad interna de las piezas.
77 Metodología de calificación
Dado que el presente estudio versa sobre la evaluación de nuevos materiales
compuestos sobre los que no se dispone de información alguna referente a su
puesta en uso en la fabricación, la disección realizada sobre los paneles fue
total a fin de efectuar un examen completo de los mismos. Los ensayos
destructivos que se efectuaron aparecen recogidos en la Tabla 21. Se trata de
los ensayos típicos efectuados en la determinación de la calidad interna de
piezas de material compuesto.
El contenido en volátiles es uno de los principales indicadores de calidad
interna. Una porosidad excesiva trae consigo una reducción de las propiedades
mecánicas teóricas de la estructura así como puede llegar incluso a afectar al
aspecto visual de la misma. Unos porcentajes de fibra y resina dentro de los
límites definidos para el material implican que la fluidez del preimpregando es
la adecuada y no se generan fugas de resina en la estructura. Íntimamente
relacionado con este ensayo se encuentra la inspección macro/micrográfica ya
que permite la observación de la porosidad en caso de que exista así como de
zonas de exceso/pérdida de resina. Otras características observables son el
número y la distribución de las capas y los posibles defectos que podrían darse
en las mismas tales como arrugas, delaminaciones, etc.
La determinación de la temperatura de transición vítrea aporta información
acerca de la temperatura de servicio de los materiales.
Finalmente, el ensayo de pelado de tambor se realiza para efectuar la
caracterización mecánica del comportamiento autoadhesivo.
Tabla 21 Ensayos destructivos
TIPO DE ENSAYO PROCEDIMIENTO DATOS A RECOPILAR
Determinación del contenido en fibra, resina y huecos
Digestión de resina según EN2564
Densidad del preimpregnado
Contenido en fibra, resina y huecos por volumen
Determinación de la temperatura de transición
vítrea
DMA (Análisis dinámico-mecánico)
Temperatura de transición vítrea (Tg)
Observación macro/microscópica de secciones transversales
Imágenes macro/micrográficas
Número de capas
Porosidad
Arrugas
Ondulaciones de la fibra
Microgrietas
Delaminaciones
Inclusiones de objetos extraños
Morfología de los meniscos
Morfología de la zona de transición
Morfología de las celdillas
78 Metodología de calificación
TIPO DE ENSAYO PROCEDIMIENTO DATOS A RECOPILAR
Ensayo de pelado de tambor Pelado de tambor según
normativa UNE EN2243-3 Carga de pelado
Resistencia al pelado
Ensayos mecánicos: se emplean para determinar el comportamiento
estructural de un material bajo diferentes configuraciones de carga. Este
conjunto de ensayos presentado en la Tabla 22 se efectuó sobre los
paneles de control de procesos fabricados con la configuración requerida
según el tipo de ensayo y las propiedades a evaluar.
Tabla 22 Ensayos mecánicos en paneles de control de procesos
TIPO DE ENSAYO PROCEDIMIENTO DATOS A RECOPILAR
Cortadura interlaminar Según normativa UNE
EN2563
Resistencia a cortadura (MPa)
Modo de fallo
Tracción plana Según AITM1-0025 Resistencia a
tracción plana (MPa)
Modo de fallo
Pelado de tambor Según normativa UNE
EN2243-3
Resistencia al pelado (MPa)
Modo de fallo
Tracción simple UNE EN2597
Resistencia a tracción (MPa)
Módulo de elasticidad (GPa)
Cuatro puntos de flexión Según AITM1-0018
Carga máxima (N)
Deflexión máxima (mm)
Modo de fallo
Compresión UNE EN2850 (Tipo B) Resistencia a
compresión (MPa)
79 Fabricación de los paneles de ensayo
4 Fabricación de los paneles de ensayo
Sirvan los siguientes puntos como breve resumen de los principales aspectos
asociados al proceso de fabricación de los seis paneles fabricados a partir de los
materiales preimpregnados autoadhesivos objeto de estudio del presente Proyecto.
4.1 Procesos
Las operaciones de las que consta el proceso de fabricación de un panel sandwich ya
fueron ampliamente descritas en la Sección 5 del Capítulo 2 del presente Proyecto.
Sin embargo, puesto que el tratamiento dado en la planta a los paneles empleados en
este estudio es el de ítem de ensayo, no se realizaron sobre los mismos todas las
operaciones que habitualmente compondrían la secuencia de fabricación de un panel
avionable. En la Tabla 23 a modo de resumen se enumeran todas las operaciones de
las que realmente consta la Orden de Producción de cada uno de estos paneles
adaptada a su finalidad como panel de pruebas.
Tabla 23 Operaciones paneles simples y complejos
SECUENCIA OPERACIÓN REALIZADO
1 Corte de los kits de telas. Sí
2 Limpieza/preparación de útiles Sí
3 Apilado de telas (Lay-Up) Sí
4 Bolsa de vacío Sí
5 Ciclo de autoclave Sí
6 Desmoldeo Sí
7 Recanteo y reparaciones No
8 Taladrado No
9 Avellanado No
10 Sellado de bordes No
11 Prueba de estanqueidad Sí
12 Inspección ultrasónica Sí
13 Imprimación y pintura No
14 Pesada Sí
En resumen, a partir de su desmoldeo, la ruta que siguieron estos paneles comenzó a
diferir de la que habrían seguido de haberse tratado de piezas de serie. Puesto que su
propósito final era la destrucción, se omitieronn las operaciones de acabado tales
80 Fabricación de los paneles de ensayo
como el recanteo, taladrado, avellanado, sellado de bordes y pintura. Si se sometieron
sin embargo a todas aquellas inspecciones que pudieran arrojan información acerca
de la calidad interna de los mismos como son la ultrasónica, la de estaqueidad y la
pesada.
Se desgranan a continuación aspectos concretos del proceso de fabricación que
resultan de interés.
4.1.1 Apilado de telas. Lay-up
La secuencia de telas teórica de los dos tipos de paneles fue presentada en el
Capítulo 3 sin embargo en la fabricación de los paneles se introdujeron algunas
variantes respecto a dicha configuración definida según plano al introducir zonas extra
con secuencias de apilado diferentes a las definidas originalmente. Resulta por tanto
necesario aclarar el número de zonas existente en cada panel así como la secuencia
final de telas en cada una de ellas. Además, a partir de los espesores de capa curada
para cada preimpregnado, se estiman los espesores teóricos en cada una de esas
zonas que fueron posteriormente empleados en las comprobaciones dimensionales de
las mismas.
Para finalizar, se comentan aspectos tanto positivos como negativos encontrados en
cada una de las alternativas de material durante el proceso de apilado de telas en lo
que a características de fabricación se refiere.
.
4.1.1.1 Secuencia de telas paneles simples
Los paneles simples se fabricaron de acuerdo a la secuencia de apilado descrita en el
apartado 3.1.1 a excepción de una zona (denominada Zona 3) perteneciente a la zona
de pista del panel (Zona 1). El objeto de definir esta zona adicional fue el de disponer
de una región de laminado en el panel cuyo apilado tan sólo constase del
preimpregnado de fibra de carbono y resina epoxy empleado. Esto resultaría de gran
utilidad a la hora de la extracción de muestras para por ejemplo los ensayos de
determinación del volumen de fibras, resina y huecos puesto que permite garantizar
una mayor fidelidad en los resultados obtenidos al no tener que eliminar de las
muestras extraídas el resto de materiales que no sean fibra de carbono
preimpregnada.
La Zona 3 se prolonga a lo largo de uno de los lados de mayor longitud del panel y
tiene un grosor de aproximadamente 30 mm.
Puesto que se trataba de una operación especial fuera del flujo normal de
instrucciones a seguir en el apilado de los paneles, la instrucción de fabricar la Zona 3
sin adhesivo, malla ni Tedlar había de incorporarse de forma manual a la Orden de
Producción de cada panel. No fue así en el caso del Panel Simple III y por lo tanto en
este panel tan sólo existen las Zonas I y II.
81 Fabricación de los paneles de ensayo
Figura 48 Zonas paneles simples fabricados
En las Tabla 24, Tabla 25 y
Tabla 26, se recogen los espesores teóricos para cada uno de los paneles simples
calculados por zonas en base a la secuencia de apilado y el espesor nominal de capa
correspondiente a cada material. El espesor del adhesivo superficial y la malla de
bronce ha sido estimado de forma conjunta. El núcleo empleado tiene una altura de 15
mm. Los valores de capa curada para los tres preimpregnados fueron suministrados
por el fabricante correspondiente.
Tabla 24 Espesores por zonas Panel Simple I
CONFIGURACIÓN ESPESORES (mm)
ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3
Adhesivo Film 0.220 0.220 -
Malla de bronce preimpregnada en resina epoxy
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 0.238 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 0.238 0.238
Núcleo Honeycomb - 15.00 -
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 0.238 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I 0.238 0.238 0.238
Tedlar 0.025 0.025 -
TOTAL 2.863 16.197 2.618
82 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 25 Espesores por zonas Panel Simple II
CONFIGURACIÓN ESPESORES (mm)
ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3
Adhesivo Film 0.220 0.220 -
Malla de bronce preimpregnada en resina epoxy
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 0.211 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 0.211 0.211
Núcleo Honeycomb - 15.00 -
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 0.211 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II 0.211 0.211 0.211
Tedlar 0.025 0.025 -
TOTAL 2.566 16.089 2.321
Tabla 26 Espesores por zonas Panel Simple III
CONFIGURACIÓN ESPESORES (mm)
ZONA 1 ZONA 2
Adhesivo Film 0.220 0.220
Malla de bronce preimpregnada en resina epoxy
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 -
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 -
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 0.237
Núcleo Honeycomb - 15.00
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 -
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 -
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 -
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 -
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 -
Prepreg carbono/epoxy: Material III 0.237 0.237
Tedlar 0.025 0.025
TOTAL 2.852 16.193
83 Fabricación de los paneles de ensayo
4.1.1.2 Secuencia de telas paneles complejos
Los paneles complejos se fabricaron de acuerdo a la secuencia de apilado descrita en
el apartado 3.1.2 a excepción de una zona (denominada Zona 7) perteneciente a la
zona de pistas del panel (Zona 3) y la Zona 2 (zona de radios de la pieza). Ambas
zonas (en negro y morado respectivamente en la Figura 49) tan sólo eliminan el
Tedlar® del conjunto de sus telas.
Al igual que en el caso de los paneles simples, el objetivo era disponer de regiones de
laminado en el panel cuyo espesor tan sólo constase del preimpregnado de fibra de
carbono y resina epoxy empleado. Sin embargo, como la fabricación de los paneles se
hayaba supeditada a las necesidades de la producción, se comenzó con la fabricación
antes de que esta modificación pudiera añadirse de forma manual en las órdenes de
producción de los paneles, por lo tanto tan sólo el Tedlar® fue retirado del lay-up
original.
Figura 49 Zonas panel complejo fabricado
Las Tabla 27, Tabla 28 y Tabla 29 recogen los espesores teóricos para cada uno de
los paneles complejos calculados por zonas en base a la secuencia de apilado y el
espesor nominal de capa correspondiente a cada material. El espesor del adhesivo
superficial y la malla de bronce ha sido estimado de forma conjunta. El espesor de las
Zonas 4,5 y 6 (zonas de sandwich) varía a pesar de compartir idéntica distribución de
telas debido a que se utilizan núcleos de distinta altura.
84 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 27 Espesores por zonas Panel Complejo I
CONFIGURACIÓN
ESPESORES (mm)
ZONA 1
ZONA 2
ZONA 3
ZONA 4
ZONA 5
ZONA 6
ZONA 7
Adhesivo Film
0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 Malla de bronce preimpregnada en resina
epoxy
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 0.238 0.238 0.238 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 - - - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 - - - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 0.238 0.238 0.238 0.238
Núcleo Honeycomb - - - 11 - - -
Núcleo Honeycomb - - - - 5 - -
Núcleo Honeycomb - - - - - 5 -
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 - - - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 - - - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 - - - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 0.238 0.238 0.238 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 - - - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 - - - 0.238
Prepreg carbono/epoxy: Material I
0.238 0.238 0.238 0.238 0.238 0.238 0.238
Tedlar 0.025 - 0.025 0.025 0.025 0.025 -
TOTAL 2,863 2,838 2,863 12.197 6.197 6.197 2,838
85 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 28 Espesores por zonas Panel Complejo II
CONFIGURACIÓN
ESPESORES (mm)
ZONA 1
ZONA 2
ZONA 3
ZONA 4
ZONA 5
ZONA 6
ZONA 7
Adhesivo Film
0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 Malla de bronce preimpregnada en resina
epoxy
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 0.211 0.211 0.211 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 - - - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 - - - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 0.211 0.211 0.211 0.211
Núcleo Honeycomb - - - 11.00 - - -
Núcleo Honeycomb - - - - 5.00 - -
Núcleo Honeycomb - - - - - 5.00 -
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 - - - 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 - - - -
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 - - - -
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 0.211 0.211 0.211 0.211
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 - - - -
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 - - - -
Prepreg carbono/epoxy: Material II
0.211 0.211 0.211 0.211 0.211 0.211 0.211
Tedlar 0.025 - 0.025 0.025 0.025 0.025 -
TOTAL 2.566 2.541 2.566 12.089 6.089 6.089 2.541
86 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 29 Espesores por zonas Panel Complejo III
CONFIGURACIÓN
ESPESORES (mm)
ZONA 1
ZONA 2
ZONA 3
ZONA 4
ZONA 5
ZONA 6
ZONA 7
Adhesivo Film
0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 0.220 Malla de bronce preimpregnada en resina
epoxy
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 0.237 0.237 0.237 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 - - - 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 - - - 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 0.237 0.237 0.237 0.237
Núcleo Honeycomb - - - 11.00 - - -
Núcleo Honeycomb - - - - 5.00 - -
Núcleo Honeycomb - - - - - 5.00 -
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 - - - 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 - - - 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 - - - 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 0.237 0.237 0.237 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 - - - 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 - - - 0.237
Prepreg carbono/epoxy: Material III
0.237 0.237 0.237 0.237 0.237 0.237 0.237
Tedlar 0.025 - 0.025 0.025 0.025 0.025 -
TOTAL 2.852 2.827 2.852 12.193 6.193 6.193 2.827
4.1.1.3 Compactación
Las Tabla 30 y Tabla 31 muestran la compactaciones llevadas a cabo durante el
proceso de apilado de telas de los paneles simples y complejos respectivamente. El
vacío de compactación realizado fue de 495 mmHg durante 5 ó 6 minutos en las capas
anteriores a la colocación del núcleo y de 120 mmHg máximo durante 5 ó 6 minutos en
las posteriores. El número de compactaciones efectuado en cada panel es el mínimo
necesario que por experiencia previa se establece para garantizar una correcta
adaptación de las telas.
87 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 30 Secuencia compactación paneles simples
CAPA
Adhesivo Film Compactación
Malla de bronce preimpregnada en resina epoxy Compactación
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Núcleo Honeycomb
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Prepreg carbono/epoxy: Material I Compactación
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Prepreg carbono/epoxy: Material I
Tedlar® Compactación
Tabla 31 Secuencia compactación paneles complejos
CAPA
Adhesivo Film Compactación
Malla de bronce preimpregnada en resina epoxy Compactación
Prepreg carbono/epoxy: Material III Compactación
Prepreg carbono/epoxy: Material III
Prepreg carbono/epoxy: Material III
Prepreg carbono/epoxy: Material III
Núcleo Honeycomb
Núcleo Honeycomb
Núcleo Honeycomb
Prepreg carbono/epoxy: Material III
Prepreg carbono/epoxy: Material III
Prepreg carbono/epoxy: Material III Compactación
Prepreg carbono/epoxy: Material III
Prepreg carbono/epoxy: Material III
Prepreg carbono/epoxy: Material III
Prepreg carbono/epoxy: Material III Compactación
Tedlar®
4.1.1.4 Consideraciones al proceso de lay-up
El proceso de apilado seguido en estos paneles debía asegurar el nivel de
consolidación necesario para asegurar un adecuado procesado posterior, conseguir un
bajo contenido en huecos en las zonas de laminado, evitar la formación de arrugas en
las capas cobertoras, así como evitar el recogimiento o colapso de los núcleos y la
aparición del fenómeno conocido como “telegraphing” en las zonas de sandwich de la
88 Fabricación de los paneles de ensayo
pieza. El “telegraphing” (ver Figura 50) consiste en una depresión que aparece en la
piel de la cara bolsa de la pieza sándwich debido a la copia del patrón de celdillas del
núcleo subyacente. El origen de este defecto puede estar en la aplicación de una
presión excesiva durante el proceso de curado de las piezas. Se trata de una
incidencia no deseada que afecta a los admisibles de cálculo de las piezas ya que
puede llegar a suponer el mismo efecto que un corte en las telas lo que disminuye las
propiedades mecánicas.
Detalle A1
Figura 50 Telegraphing
Tanto en la fabricación de los paneles simples como en los paneles complejos se
emplearon unos elementos de utillaje auxiliares conocidos como bandas rugosas. Se
trata de unas bandas de chapa semidura de unos 77.5 mm de ancho y 0.4 mm de
espesor (ver Figura 51) las cuales se pegan a lo largo de todo el contorno del útil y
tienen como finalidad la de retener las telas a medida que estas se van situando sobre
el útil. Un esquema de su funcionamiento aparece en la Figura 52.
Figura 51 Banda rugosa
Figura 52 Ejemplo disposición de las bandas rugosas
89 Fabricación de los paneles de ensayo
La disposición de bandas rugosas a lo largo del contorno en las piezas sandwich
reduce el recogimiento de los núcleos. Este fenómeno consiste en una deformación
del núcleo originada por la presión que ejercen el resto de telas sobre el mismo y
puede verse en la Figura 53. La rugosidad de las bandas consigue fijar las telas de
preimpregnado y evita que al ejercer presión durante el curado se originen fuerzas de
arrastre sobre el núcleo que tendería a deformarse “recogiéndose” lateralmente a la
vez que por su altura tiene lugar el colapso de sus celdillas
Figura 53 Recogimiento de núcleo
En el caso de los paneles simples, las bandas rugosas se dispusieron a lo largo de
todo el contorno de la pieza, tal y como puede verse en la Figura 54
Figura 54 Ejemplo disposición de bandas rugosas panel simple
En el caso de los paneles complejos, las bandas rugosas se colocaron de forma
puntual a lo largo de todo el contorno tal y como se observa en la Figura 55. Esto
tendrá influencia en los espesores de la zona de pista de los paneles como se verá
más adelante.
90 Fabricación de los paneles de ensayo
Figura 55 Ejemplo disposición de bandas rugosas panel complejo
4.1.1.4.1 Material I
Desde la colocación de la primera tela el especialista de fabricación consideró que la
pegajosidad (“tacking”), moldeabilidad y comportamiento del material es similar o
incluso en algunos aspectos mejor que el actual material de serie, presentando una
mejor adaptabilidad y posibilidad de posicionamiento de telas más favorable para el
proceso de fabricación, ya que permite manipular el material sin protectores.
Las propiedades favorables del material en cuanto a “tacking” y adaptabilidad,
posibilitaron la colocación del núcleo sin necesidad de uso calor local controlado tipo
secadores.
Figura 56 Colocación de telas Material I
91 Fabricación de los paneles de ensayo
4.1.1.4.2 Material II
Tras la colocación y compactación del adhesivo y la malla de bronce y comenzar el
apilado de las telas de prepreg, el especialista de fabricación consideró que el material
presentaba una adecuada adaptación al útil aunque un aspecto mucho más seco que
el actual material de serie En las capas posteriores se confirmó que el material tenía
fácil manejabilidad pero una pegajosidad (“tacking”) muy baja, lo que afectaba
básicamente a tres aspectos:
1. La falta de tacking hacía que se despegase el protector del preimpregando y
esto dificultaba el posicionamiento de las telas, especialmente en la fabricación
del panel complejo, dejando muchas arrugas en la pieza.
Figura 57 Arrugas en telas
2. Colocación del núcleo: Fue necesario el uso de calor local mediante secador
para su posicionamiento.
Figura 58 Aplicación calor local mediante secador
3. Se observó que el tejido se abría, unido a que las telas cortadas a grados se
deshilacharon durante la operación del corte de telas.
92 Fabricación de los paneles de ensayo
Figura 59 Detalle del deshilachado de las telas
4.1.1.4.3 Material III
Después de compactar adhesivo y malla de bronce se colocaron las capas de refuerzo
previas al posicionamiento del núcleo. Desde la primera tela el especialista de
fabricación consideró que la pegajosidad (“tacking”), manejabilidad y comportamiento
del material era bueno. Incluso en algunos aspectos mejor que el actual material de
serie, presentando una mejor adaptabilidad, y posibilidad de posicionamiento de telas
más favorable para el proceso de fabricación, ya que permitía manipular el material sin
protectores igual que en el caso del Material I.
Como aspecto destacable se observó que al quitar el protector del preimpregnado,
parte de la resina del material se quedaba adherida en el protector dejando
marcas/aguas de resina en la tela de carbono.
Figura 60 Detalle de la resina adherida
Aunque la pegajosidad del material era buena, la adherencia al núcleo fue baja sin ser
necesaria la aplicación de calor mediante secador. Aplicando un poco de presión
manual el núcleo quedó fijado.
Durante la fabricación del panel complejo, aunque las telas de prepreg se adaptaban
en las zonas de radio, se dedujo que para piezas con una geometría aún más
compleja, la rigidez del material (es un material poco flexible) podría generar
93 Fabricación de los paneles de ensayo
dificultades de colocación de telas y arrugas en zonas de radio y curvatura (ver Figura
61).
Figura 61 Rigidez telas en las zonas de radio
4.1.2 Curado en autoclave
Se presenta a continuación el ciclo de curado en autoclave de alta temperatura
(180ºC) actualmente definido en la planta para la fabricación de componentes
sandwich. El curado de los paneles de ensayo se hizo conforme a este ciclo dado a la
necesidad de emplear un ciclo de curado ya implementado en la planta. Se trata de un
ciclo de un solo escalón con la velocidad de calentamiento controlada por tramos y
presión mantenida desde el inicio del ciclo. En lo que a vacío se refiere, está permitida
la ventilación al exterior transcurridos unos minutos desde el inicio del ciclo, una vez la
presión ha alcanzado un valor requerido. En la Tabla 32 y la Figura 62 se muestra el
ciclo de curado teóricos de alta temperatura.
94 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 32 Parámetros del ciclo de curado de alta temperatura
TIPO DE CURADO AUTOCLAVE
PARÁMETRO UNIDAD REQUERIMIENTO
Presión2)
Psig 40 – 50
bar 2.7 – 3.4
Vacío1)
mmHg 200 – 250
bar 0.27 – 0.34
Velocidad de calentamiento
máxima
ºC/min
2.7
Intervalo de 54ºC a 165ºC 0.6
Intervalo de 165ºC a 180ºC 0.2
Tiempo de calentamiento Min 57 – 285
Tiempo de estabilización Min 120 – 180
Temperatura de estabilización ºC 175 – 185
Velocidad de enfriamiento ºC/min -
Tiempo de enfriamiento Min ≥ 43
Temperatura de desmoldeo ºC ≤ 60 1)
Ventilar al exterior a los 20 Psig 2)
Se permite una caída natural de presión, durante la etapa de enfriamiento manteniendo un mínimo de 26 Psig
Figura 62 Ciclo de curado de alta temperatura
95 Fabricación de los paneles de ensayo
La idea inicial era realizar el curado del panel simple, complejo y los paneles de control
de proceso de un mismo material en una misma carga de autoclave. Sin embargo la
necesidad de adaptarse al ritmo de producción de la planta y la disponibilidad de sus
instalaciones hicieron que esto no fuese posible en los tres casos. Tan sólo para el
Material I tuvo lugar el curado conjunto de todos los paneles. En el caso del Material II
panel complejo y probetas de control de procesos sí se curaron en la misma carga de
autoclave (y bajo la misma bolsa) pero no así el panel simple que se curó en una
carga diferente pero con el mismo ciclo. Finalmente, para el Material III cada uno de
los paneles se curó en una carga de autoclave diferente pero siguiendo siempre el
mismo ciclo de curado.
El control de la temperatura de cada una de la piezas se hizo por medio de dos
termopares y el del vacío por medio de una toma de registro. La Tabla 33 resume los
datos referentes a la carga de autoclave en la que se curó cada uno de los paneles así
como los termopares y toma de vacío correspondientes que se emplearon para
registrar los datos del curado.
Tabla 33 Datos de las cargas de autoclave
MATERIAL PANEL CARGA DE
AUTOCLAVE TERMOPARES
TOMA DE VACÍO
Material I
Simple 1136/14 33, 34 31
Complejo 1136/14 43, 44 14
Control de procesos
1136/14 47, 48 42
Material II
Simple 1162/14 27, 28 47
Complejo 1174/14 37, 38 29
Control de procesos
1174/14 37, 38 29
Material III
Simple 1203/14 3, 4 22
Complejo 1208/14 10, 30 46
Control de procesos
1221/14 23, 24 20
Se presentan a continuación los parámetros de curado registrados por los termopares
correspondientes a los paneles simples (ver Tabla 34), complejos (ver Tabla 35) y de
control de procesos (ver Tabla 36).
Cabe realizar algunas aclaraciones sobre el modo de calcular de los parámetros del
ciclo. Se considera tiempo de calentamiento al tiempo transcurrido desde el inicio del
ciclo hasta el instante en que la temperatura alcanza los 175ºC (primer valor de
temperatura admisible como temperatura de estabilización). La velocidad de
calentamiento se obtiene como la rampa o pendiente de la curva temperatura-tiempo
dentro de los dos intervalos definidos en la Tabla 32. En el segundo tramo (desde los
165ºC hasta los 180ºC), dado que se admite que la estabilización de la pieza tenga
lugar en el intervalo de temperaturas comprendido desde los 175ºC hasta los 185º, la
96 Fabricación de los paneles de ensayo
velocidad de calentamiento en realidad se calcula en el tramo desde los 165ºC hasta
que se superan por primera vez los 175ºC.
El tiempo de estabilización es el tiempo comprendido desde que se alcanzan por
primera vez los 175ºC hasta que la temperatura vuelve a descender por debajo de
este mismo valor.
Como tiempo de enfriamiento se considera el tiempo necesario una vez superada la
estabilización, para que la temperatura descienda por debajo de los 60ºC.
Por último, en cuanto a la temperatura de desmoldeo, dado que dicha operación tuvo
lugar transcurrido al menos un día desde el final del ciclo se garantiza que se alcanzó
la temperatura ambiente.
97 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 34 Análisis parámetros curado paneles simples
MATERIAL I II III
REFERENCIA CARGA DE AUTOCLAVE 1136/14 1162/14 1203/14
SENSORES TERMOPARES TOMA DE
REGISTRO TERMOPARES
TOMA DE REGISTRO
TERMOPARES TOMA DE
REGISTRO
PARÁMETRO UNIDAD REQ. TC33 TC34 TR31 TC27 TC28 TR47 TC03 TC04 TR22
Presión Psig 40 – 50 44.96 44.96 44.96
bar 2.7 – 3.4 3.1 3.1 3.1
Vacío
mmHg 200 – 250 -
Sin
reg
istr
os
225.06 - - 217,55 - - 210.05
bar 0.27 – 0.34 - 0.3(*) - - 0.29(**) - - 0.28(***)
Velocidad de calentamiento
54ºC a 165ºC
ºC/min 0.6 – 2.7 0.99 - 1.27 1.06 - 1.04 1.04 -
165ºC a 180ºC
0.2 – 2.7 0.40 - 0.24 0.36 - 0.51 0.53 -
Tiempo de calentamiento Min 57 – 285 163 - 140 156 - 158 154 -
Tiempo de estabilización Min 120 – 180 167 - 178 170 - 156 157 -
Temperatura de estabilización
ºC 175 – 185 181.45 - 180.54 180.97 - 179.70 179.40 -
Velocidad de enfriamiento ºC/min - 0.59 - 0.56 0.54 - 0.50 0.51 -
Tiempo de enfriamiento Min ≥ 43 195 - 201 210 - 231 226 -
Temperatura de desmoldeo
ºC ≤ 60 OK - OK OK - OK OK -
(*) Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.3 bares lo cual sucede transcurridos 7 minutos desde el inicio del ciclo. (**) Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.3 bares lo cual sucede transcurridos 4 minutos desde el inicio del ciclo. (***) Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.3 bares lo cual sucede transcurridos 4 minutos desde el inicio del ciclo.
98 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 35 Análisis parámetros curado paneles complejos
MATERIAL I II III
REFERENCIA CARGA DE AUTOCLAVE 1136/14 1174/14 1208/14
SENSORES TERMOPARES TOMA DE
REGISTROO
TERMOPARES TOMA DE
REGISTRO TERMOPARES
TOMA DE REGISTRO
PARÁMETRO UNIDAD REQ. TC43 TC44 TR14 TC37 TC38 TR29 TC10 TC30 TR46
Presión Psig 40 – 50 44.96 44.96 44.96
bar 2.7 – 3.4 3.1 3.1 3.1
Vacío
mmHg 200 – 250 - - 217.55 - - 217.55 - - 247.56
bar 0.27 – 0.34 - - 0.29(*) - - 0.29(**) - - 0.33(***)
Velocidad de calentamiento
54ºC a 165ºC
ºC/min 0.6 – 2.7 1.07 1.05 - 0.70 0.60 - 1.06 1.06 -
165ºC a 180ºC
0.2 – 2.7 0.43 0.44 - 0.23 0.29 - 0.54 0.55 -
Tiempo de calentamiento Min 57 – 285 154 159 - 236 263 - 149 147 -
Tiempo de estabilización Min 120 – 180 172 168 - 173 157 - 162 162 -
Temperatura de estabilización
ºC 175 – 185 181.87 181.92 - 179.77 178.30 - 179.00 178.64 -
Velocidad de enfriamiento ºC/min - 0.61 0.60 - 0.19 0.19 - 0.50 0.52 -
Tiempo de enfriamiento Min ≥ 43 188 202 - 589 588 - 229 221 -
Temperatura de desmoldeo
ºC ≤ 60 OK OK - OK OK - OK OK -
(*) Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.3 bares lo cual sucede transcurridos 7 minutos desde el inicio del ciclo (**)Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.2 bares lo cual sucede transcurridos 4 minutos desde el inicio del ciclo (***)Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.2 bares lo cual sucede transcurridos 4 minutos desde el inicio del ciclo
99 Fabricación de los paneles de ensayo
Tabla 36 Análisis parámetros curado paneles de control de procesos
MATERIAL I II III
REFERENCIA CARGA DE AUTOCLAVE 1136/14 1174/14 1221/14
SENSORES TERMOPARES TOMA DE
REGISTRO TERMOPARES
TOMA DE REGISTRO
TERMOPARES TOMA DE
REGISTRO
PARÁMETRO UNIDAD REQ. TC47 TC48 TR42 TC37 TC38 TR29 TC23 TC24 TR20
Presión Psig 40 – 50 44.96 44.96 44.96
bar 2.7 – 3.4 3.1 3.1 3.1
Vacío
mmHg 200 – 250 - - 217,55 - - 217,55 - - 232.56
bar 0.27 – 0.34 - - 0.29(*) - - 0.29(**) - - 0.31(***)
Velocidad de calentamiento
54ºC a 165ºC
ºC/min 0.6 – 2.7 1.00 0.98 - 0.70 0.60 - 1.03 1.15 -
165ºC a 180ºC
0.2 – 2.7 0.42 0.39 - 0.23 0.29 - 0.27 0.49 -
Tiempo de calentamiento Min 57 – 285 165 171 - 236 263 - 173 153 -
Tiempo de estabilización Min 120 – 180 164 161 - 173 157 - 154 170 -
Temperatura de estabilización
ºC 175 – 185 181.54 181.28 - 179.77 178.30 - 180.15 181.17 -
Velocidad de enfriamiento ºC/min - 0.58 0.58 - 0.19 0.19 - 0.25 0.25 -
Tiempo de enfriamiento Min ≥ 43 198 198 - 589 588 - 466 459 -
Temperatura de desmoldeo
ºC ≤ 60 OK OK - OK OK - OK OK -
(*) Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.3 bares lo cual sucede transcurridos 7 minutos desde el inicio del ciclo (**)Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.2 bares lo cual sucede transcurridos 4 minutos desde el inicio del ciclo (***)Se ventila al exterior cuando la presión alcanza 1.3 bares lo cual sucede transcurridos 4 minutos desde el inicio del ciclo
100 Fabricación de los paneles de ensayo
No se observan discrepancias en ninguno de los registros de los termopares
asociados a las piezas. Todos los parámetros calculados se encuentran dentro de los
intervalos permitidos. La única divergencia encontrada fue la desconexión por error
mecánico en el termopar TC34 del panel simple, sin embargo, esta no conformidad es
salvable dado que por extensión superficial (área) de la pieza los requerimientos de
fabricación permiten que tener el registro de un único termopar sea admisible.
En todos los casos, se utilizó la condición que permite ventilar al exterior una vez la
presión alcanza los 1.3 bares.
4.1.3 Desmoldeo
Durante el desmoldeo del Panel Simple I (Material I) se detectó un ligero “springback”
en sentido contrario al que cabría esperar. Teóricamente el fenómeno conocido como
“springback” consiste en el cambio geométrico que tiene lugar en una pieza al finalizar
su proceso de deformación una vez que ha sido liberada del útil de conformado.
Como se aprecia en la Figura 63 el útil del panel simple presenta una cierta curvatura
hacia arriba (forma cóncava) mientras que el panel desmoldeado (Figura 64) presenta
una curvatura en el sentido contrario (forma convexa). No se realizaron mediciones al
respecto.
Figura 63 Utillaje paneles simples
Figura 64 Springback panel simple I
101 Ensayos de calificación
5 Ensayos de calificación
Se desarrollan a lo largo de estos apartados el conjunto de inspecciones y ensayos
efectuados en los paneles producto de la fabricación descrita en el Capítulo 4. La
matriz de ensayos ya fue presentada en el Capítulo 3 Apartado 3.4 del presente
Proyecto.
5.1 Ensayos no destructivos
En el Capítulo 2 Apartado 2.5.9 del presente Proyecto se introdujeron los ensayos no
destructivos como aquellos que permitían obtener información acerca de la calidad de
las piezas sin producir una alteración permanente en sus propiedades.
La mayor parte de estos ensayos se realizaron en la planta y formaron parte de la
Orden de Producción de los paneles. Tan sólo la medición de espesores se incluyó
dentro del plan de ensayos a realizar por el laboratorio de “composites” escogido para
el desarrollo del Proyecto.
5.1.1 Inspección visual
Esta operación se efectuó inmediatamente después de que tuviera lugar el desmoldeo
de los paneles y consistió en una evaluación del aspecto externo general de las piezas
tanto por cara útil como por cara bolsa. Las incidencias encontradas se anotaron en la
orden de producción correspondiente.
5.1.2 Ensayo de estanqueidad
El primero de los ensayos no destructivos a los que las piezas se sometieron tras su
desmoldeo. En todos los casos el procedimiento consistió en la inmersión del panel
correspondiente en la cuba o depósito de agua caliente para este tipo de pruebas
disponible en las instalaciones de la planta de producción.
5.1.3 Inspección ultrasónica
Todos los paneles se inspeccionaron por ultrasonidos con el equipamiento y las
técnicas recogidas en los procedimientos internos de la planta para las mismas piezas
de serie.
5.1.3.1 Inspección ultrasónica en paneles simples
La inspección se realizó tras la prueba de estanqueidad de las piezas. El
procedimiento de inspección para estos paneles define dos zonas a inspeccionar:
laminado y núcleos (Zonas 1 y 2 respectivamente). La técnica empleada fue la
transmisión automática. La Figura 65 extraída de “Ultrasonic Testing of Aerospace
Materials” [Ref.23], muestra en qué consiste esta ténica. Un transmisor ultrasónico se
sitúa a uno de los lados de la pieza mientras que un detector se posiciona en el lado
opuesto. El escaneo del panel mediante esta técnica permite la localización de
posibles defectos: inclusiones,delaminaciones, grietas,etc en el plano X-Y. Este
102 Ensayos de calificación
método se usa para inspección no destructiva de piezas multicapa y multicompontes.
En materiales compuestos cada onda transmitida /recibida de la Figura 65 representa
un pulso de energía. Un componente sin defectos será atravesado por un pulso de
energía mayor que aquel que presente defectos o delaminaciones.
Figura 65 Método de transmisión automática para inspección ultrasónica
Previamente a la inspección se debe definir el valor de transferencia. Este valor es la
corrección de la ganancia registrada por el equipo de ultrasonidos cuando se
transfieren los palpadores desde una probeta de referencia a la pieza bajo examen
(este valor incluye pérdidas debidas a acoplamiento, reverberación y atenuación). El
valor de transferencia debe estar entre ± 6dB.
En la transmisión automática, el valor de transferencia se obtiene de los datos de
C-Scan de las probetas de referencia y de la pieza inspeccionada calculando la
diferencia entre las amplitudes de señal (ganancia en dB) entre la mejor área de la
probeta y la mejor área de la pieza bajo inspección que tenga idéntica geometría.
La Tabla 37 muestra información referente a los materiales y equipamientos
involucrados en la inspección ultrasónica de los paneles simples.
103 Ensayos de calificación
Tabla 37 Equipamiento y materiales empleados en la inspección ultrasónica por transmisión
EQUIPAMIENTO Y MATERIALES
Técnica Transmisión automática
Equipo Composite 1
Valor de transferencia 6 dB
Modelo de Palpador Benchmark
Diámetro del palpador ֱ½”
Frecuencia del palpador 2.25 MHz
Velocidad de barrido 800 mm/s
Acoplador Agua
Probeta de referencia Patrón 1 (Zona Laminado)
Patrón 2 (Zona Sándwich)
El equipo utilizado en la inspección, COMPOSITE 1, del fabricante Tecnatom,
generalmente se utiliza para la inspección de paneles planos o de componentes con
curvatura poco significativa. Consiste en un sistema de inspección con dos ejes y un
canal ultrasónico para inspección por transmisión por chorro de agua. El agua es el
mejor acoplador debido a su disponibilidad, seguridad y baja viscosidad.
COMPOSITE 1 consta de los siguientes subconjuntos:
Sistema mecánico: estructura soporte, pórtico de inspección, brazos y boquillas
de inspección, módulos de contacto y circuito de aporte y regulación de agua.
Controlador SIROCO-VME o SIROCO INSIDE para controlar todos los
movimientos del sistema mecánico.
Sistema MIDAS de adquisición y evaluación de datos ultrasónicos.
Programa GENTRAY de elaboración de trayectorias
Otros elementos auxiliares.
Toda la información referente al equipo COMPOSITE 1 se encuentra disponible en la
página web de Tecnatom. [Ref. 24]
Puesto que se trata de unos paneles de prueba fabricados a partir de materiales
pendientes de calificación no se dispone de probetas de referencia propias para la
inspección. Se optó por lo tanto por utilizar las probetas patrón habitualmente
empleadas en la inspección de estos paneles, las cuales imitan la configuración de las
zonas de la pieza pero están fabricadas con el material de serie. Las probetas patrón
para las dos zonas de la pieza se muestran en las Figura 66 y Figura 67.
104 Ensayos de calificación
Tres filas de defectos a lo largo del espesor:
Fila A: defectos situados a dos filas de la superficie inferior.
Fila B: defectos situados a la mitad del espesor.
Fila C: defectos situados a dos telas de la superficie superior.
Materiales:
Adhesivo film
Malla de bronce
Preimpregnado de fibra de carbono y resina epoxy
Figura 66 Probeta Patrón 1
Materiales:
Adhesivo film
Malla de bronce
Preimpregnado de fibra de carbono y resina epoxy
Adhesivo film
Núcleo nido de abeja
Preimpregnado de fibra de carbono y fibra de vidrio
Figura 67 Probeta Patrón 2
5.1.3.2 Inspección ultrasónica en paneles complejos
Al igual que para los paneles simples, la inspección se realizó tras la prueba de
estanqueidad de las piezas. El procedimiento correspondiente divide el panel en 5
zonas. La técnica de inspección por ultrasonidos empleada depende de la zona del
panel bajo revisión. En la “parte larga” del panel, tanto el laminado (Zona 1) como la
zona de núcleos (Zona 2) fueron inspeccionados mediante transmisión automática, la
misma técnica de inspección empleada en los paneles simples y se emplearon las
105 Ensayos de calificación
mismas probetas patrón que las anteriormente descritas. La zona de radios de la pieza
(Zona 3) se inspeccionó por pulso-eco manual. Finalmente, la “parte corta” del panel
se inspeccionó por pulso-eco manual tanto la zona de laminado (Zona 4) como la zona
de núcleo (Zona 5).
Figura 68 Método pulso-eco para inspección ultrasónica
A continuación se realiza una breve descripción del método pulso-eco tay como
aparece en “Ultrasonic Testing of Aerospace Materials” [Ref.23] junto con su definición
gráfica mostrada en la Figura 68. En ella se presenta un palpador piezoeléctrico con
su eje longitudinal situado perpendicular y montado sobre o cerca de la superficie del
material que está siendo inspeccionado se usa para transmitr y recibir energía
ultrasónica. Las ondas ultrasónicas son reflejadas por la cara opuesta del material o
bien por posibles discontinuidades, huecos o inclusiones en el mismo y recibidas por el
mismo palpador donde la energía reflejada se convierte en una señal eléctrica. Esta
señal es procesada por computador para ser poder ser visualizada en un monitor de
vídeo. La representación obtenida permite conocer la profundidad a la que aparecen
posibles defectos en el material. Cada señal enviada/ recibida de la Figura 68
representa un pulso de energía. La Tabla 38 muestra información referente a los
materiales y equipamientos involucrados en la inspección ultrasónica por pulso eco de
los paneles complejos.
106 Ensayos de calificación
Tabla 38 Equipamiento y materiales empleados en la inspección ultrasónica por pulso-eco
EQUIPAMIENTO Y MATERIALES
Técnica Manual pulso-eco
Equipo Krautkramer USM 35X
Valor de transferencia 6 dB
Modelo de Palpador Benchmark
Diámetro del palpador ¼”
Frecuencia 2.25 MHz
Acoplador Sonotrace
Probeta de referencia
Patrón1 (Zona Laminado)
Patrón 2 (Zona Sándwich)
Patrón 3 (Zona de Radios)
El equipo empleado, USM 35X (General Electric) (ver Figura 69) es un detector de
fallas ultrasónico ligero y compacto especialmente adecuado para localizar y evaluar
defectos en materiales y documentar y almacenar los resultados de las inspecciones.
Existen diferentes versiones del instrumento, la 35X es la estándar para aplicaciones
universales de inspeccion ultrasónica.
Figura 69 Krautkramer USM35X
Sonotrace 30 es un acoplador de base acuosa libre de glicerina y siliconas formulado
para la detección ultrasónica de defectos. Se emplea para asegurar una óptima
transmisión gracias a que no presenta burbujas que puedan reflejar, dispersar y
atenuar las ondas sonoras.
Las probetas patrón a emplear en la inspección por pulso eco son idénticas a las
empleadas en la transmisión automática a excepción de una tercera probeta que se
introduce para la inspección de la zona de radios y que aparece representada en la
Figura 70.
107 Ensayos de calificación
Figura 70 Probeta patrón Zona de radios
5.1.4 Pesada
La pesada de todos los paneles fue la última operación efectuada en la planta de
fabricación ante de la expedición de los paneles al laboratorio. El equipo empleado en
la misma fue una báscula Mettler Toledo modelo Spider SW como la de la Figura 71
con una capacidad máxima de hasta 60 kg y una precisión de 20 g. Este modelo se
combina con plataformas de pesaje de acero inoxidable que permiten pesar ambas
configuraciones de paneles.
Figura 71 Báscula Mettler Toledo Spider SW
5.1.5 Inspección dimensional
La inspección dimensional realizada en ambos tipos de paneles consiste en la
medición del espesor en una serie de puntos definidos a lo largo de toda la zona de
108 Ensayos de calificación
pistas de los paneles. Se realiza de forma manual mediante una pinza medidora de
espesores digital tal y como la que se muestra en la Figura 72.
Figura 72 Medidor de espesores digital
Los valores obtenidos se registran para comprobar si se encuentran dentro del
intervalo de tolerancia admisible definido según plano para la zona de medida. Para
ello resulta necesario primero definir cuáles son los espesores teóricos nominales para
cada uno de los paneles en base a los materiales empleados y su secuencia de
apilado correspondiente.
5.1.5.1 Comprobación dimensional paneles simples
Para realizar la comprobación dimensional en las Zonas 1 y 3 se marcaron un total de
60 puntos distribuidos a lo largo de todo el contorno. Puesto que los paneles no se
recantearon, se decidió mantener una distancia mínima de 20 mm desde el borde del
panel hasta la marcada del punto para de esta forma evitar realizar la medición dentro
de la zona de creces del panel que como ya fue comentado en el Capítulo 2 esta zona
presenta acumulaciones de resina que serían eliminadas en el recanteado de la pieza.
Figura 73 Puntos para medición de espesores en paneles simples
La Figura 73 muestra un croquis con la posición de los puntos en los que se lleva a
cabo la inspección dimensional. Los puntos del 1 al 20 pertenecen a la Zona 3
mientras que el resto (21-60) a la Zona 1.
109 Ensayos de calificación
5.1.5.2 Comprobación dimensional paneles complejos
La comprobación dimensional se realiza en 60 puntos (ver Figura 74) distribuidos a lo
largo de las Zonas 3 y 7 (las Zonas 1 y 2 a pesar de ser también zona de laminados no
resultan accesibles al instrumento empleado para la medición).
Puesto que los paneles no se recantearon, se decidió mantener una distancia mínima
de 20 mm desde el borde del panel hasta la marcada del punto para de esta forma
evitar realizar la medición dentro de la zona de creces del panel (ídeam que para el
panel simple).
Figura 74 Puntos para medición de espesores en paneles complejos
5.2 Ensayos destructivos
La finalidad y el tipo de ensayos destructivos a realizar fueron ampliamente descritos
en el Capítulo 3, sección 3.4. En los siguientes puntos se describen en detalle los
procedimientos seguidos en la realización de cada uno de ellos (equipamiento,
probetas,etc) así como los resultados a obtener en cada caso.
5.2.1 Determinación del volumen de fibra, resina y huecos
Se realizó de acuerdo a la normativa UNE EN2564 Revisión 99 [Ref. 25] la cual recoge
los métodos para determinar el contenido en fibra por volumen y masa y por
correlación el contenido en resina por volumen y masa y el contenido en huecos por
volumen de los laminados curados de fibra de carbono para aplicaciones
aeroespaciales.
Como se expuso en el Capítulo 3 Apartado 3.3, la determinación del volumen de fibras
pertenece al grupo de ensayos a realizar como parte de la caracterización de
laminados fabricados a partir de preimpregnados de fibra de carbono. Se definió por
tanto un conjunto de muestras a lo largo de la zona de pistas de los paneles de las que
extraer las probetas de laminado de fibra de carbono / epoxy necesarias para el
ensayo.
110 Ensayos de calificación
Tal y como la normativa aplicable establece, tres especímenes deben extraerse como
mínimo de cada zona considerada. Según normativa estos especímenes deben tener
unas dimensiones de 20x10 mm y un espesor de 2 mm.
5.2.1.1 Procedimiento de ensayo
El principio fundamental de este ensayo consiste en determinar la diferencia de masa
en probetas antes y después de la extracción de resina por digestión en ácido
sulfúrico. De los dos métodos posibles recogidos en la normativa de aplicación se
empleó el método B o método simplificado, es el usado habitualmente en laboratorios
donde se llevan a cabo un gran número de ensayos garantizando el mantenimiento de
unas adecuadas condiciones de seguridad.
El acondicionamiento previo al ensayo se realizó de acuerdo a la normativa UNE EN
2743 Procedimiento B [Ref.26]. Las probetas extraídas se acondicionaron durante 2
horas en una atmósfera de humedad relativa del 50±5 % y temperatura de 23±2ºC.
Se describe a continuación paso a paso el procedimiento seguido.
1. Los especímenes se secaron con la ayuda de un desecador como el de la
Figura 75 hasta conseguir una masa constante Esto se consideró cuando la
diferencia entre dos pesadas consecutivas fue inferior a 2 mg. En la pesada se
utilizó la balanza analítica AB204S / FACT Mettler Toledo (Figura 76) con una
precisión de 0.01 mg. La masa obtenida se denominó m1.
Figura 75 Desecador
Figura 76 Balanza Mettler Toledo AB204S
2. Se determinó la densidad de los especímenes (ρc) de acuerdo a la normativa
UNE EN ISO 1183, Método A [Ref.27], por medio de un kit de densidad Mettler
Toledo incorporado a la balanza.
3. Cada espécimen fue colocado en un vaso de precipitado con 20 ml de ácido
sulfúrico concentrado.
4. Los vasos de precipitado se situaron en el interior de un baño de arena a
160±10 ºC. Un baño de arena como el de la Figura 77 es una pieza común
entre los equipos de laboratorio consistente en un recipiente lleno de arena
calentada empleado para proporcionar un calentamiento uniforme de otro
contenedor.
111 Ensayos de calificación
Figura 77 Baño de arena
5. Cuando la coloración oscura del ácido sulfúrico indicó el inicio de la
descomposición de la resina se añadieron gradualmente 25 ml de una solución
de peróxido de hidrógeno de concentración 300 g/l. La adición aclaró el color
de la solución y las fibras emergieron a la supeficie. Se continuó con el
calentamiento hasta la reaparición de los humos blancos de el trióxido de
sulfuro.
6. Una vez que la solución se mantuvo clara, se retiraron los vasos de precipitado
del baño de arena y se dejaron enfriar hasta la tempertatura ambiente.
7. El contenido de cada vaso se virtió en un nuevo vaso de precipitado de
aproximadamente 400 ml y que contenía unos 100 ml de agua destilada. Se
lavaron de esta forma todas las fibras adheridas al primer vaso dentro del
segundo.
8. Se filtró el contenido de cada vaso de precipitado a través de un crisol
previamente secado y pesado (masa m2), se lavaron el vaso y su contenido en
el crisol con agua destilada hasta quedar libres de ácido. Posteriormente se
lavaron con 10 ml de acetona.
9. El crisol y su contenido se secó en una estufa de aire Carbolite PF120 a 120ºC
durante unos 45 minutos y después se dejó secar en un desecador durante 20
min. Pasado ese tiempo se pesó (m3) hasta que la variación obtenida fue de
±1 mg.
Figura 78 Crisol
Figura 79 Estufa de aire Carbolite PF120
112 Ensayos de calificación
5.2.1.2 Expresión de resultados
Contenido de fibras por unidad de peso
𝑊𝑓 es el contenido en fibra como porcentaje de la masa inicial. Se obtiene de la
siguiente relación:
𝑊𝑓 = 100 ∙(𝑚3 −𝑚2)
𝑚1
Donde:
𝑚1: masa inicial del espécimen en gramos
𝑚2: peso del crisol en gramos
𝑚3: masa final del crisol y del residuo tras la digestión en gramos
Contenido de resina por unidad de peso
𝑊𝑟 = 100 −𝑊𝑓
Contenido de fibras por unidad de volumen
𝑉𝑓 = 𝑊𝑓 ∙𝜌𝑐𝜌𝑓
Donde:
𝑊𝑓 : es el contenido en fibra como porcentaje de la masa inicial.
𝑉𝑓: es el contenido en fibra como porcentaje del volumen inicial
𝜌𝑐: es la densidad del espécimen en g/cm3
𝜌𝑓: es la densidad de la fibra en g/cm3.
Contenido de resina por unidad de volumen
𝑉𝑟 = (100 −𝑊𝑓) ∙𝜌𝑐𝜌𝑟
Donde:
𝑉𝑟: es el contenido en resina como porcentaje del volumen inicial
𝑊𝑓: es el contenido en fibra como porcentaje de la masa inicial
𝜌𝑐: es la densidad del espécimen en g/cm3
𝜌𝑟: es la densidad de la resina curada en g/cm3
Contenido de huecos por unidad de volumen
𝑉𝑜 = 100 − [𝑊𝑓 ∙𝜌𝑐𝜌𝑓
+ (100 −𝑊𝑓) ∙𝜌𝑐𝜌𝑓]
Donde:
𝑉𝑜: es el contenido en huecos como porcentaje del volumen inicial
113 Ensayos de calificación
𝑊𝑓: es el contenido en fibra como porcentaje de la masa inicial
𝜌𝑐: es la densidad del espécimen en g/cm3
𝜌𝑓: es la densidad de la fibra en g/cm3.
5.2.1.3 Muestras en paneles simples
La zona de panel escogida para la extracción de las muestras fue la Zona 3 puesto
que su espesor tan sólo se compone de capas de preimpregnado de fibra de carbono
y resina epoxy (a excepción del Panel Simple III cuya incidencia en el proceso de
fabricación ya fue comentada en el Apartado 4.1.1.1). Se seleccionan un total de 3
muestras denominadas M1, M2 y M3 a lo largo de la Zona 3 tal y como aparece en la
Figura 80. Tres seran los especímenes extraídos de cada una de ellas tal y como se
establece en la normativa aplicable EN 2564 [Ref 25]. Una indicación adicional de
dicha normativa señala que el laminado debe tomarse respetando una distancia de al
menos 10 mm desde el borde de la pieza y así se indicó en el correspondiente
marcado del panel.
Figura 80 Extracción de muestras para determinación volumen de fibra/resina y huecos. Paneles
simples
5.2.1.4 Muestras en paneles complejos
Las muestras se marcaron en las Zonas 7 y 2 (zonas sin Tedlar) pero puesto que
malla y adhesivo se mantenían en la secuencia de apilado de dichas zonas, fue
necesario someter los especímenes a un proceso de lijado a fin de eliminar todo lo que
no fuera fibra de carbono preimpregnada en resina epoxy del espesor de los mismos.
114 Ensayos de calificación
Figura 81 Extracción de muestras para determinación volumen de fibra/resina y huecos. Paneles
complejos
Se seleccionaron un total de 4 muestras (M1, M2, M3 y M4) tomadas tal y como puede
verse en la Figura 81. Al igual que en los paneles simples, tres fueron los
especímenes extraídos de cada una de esas regiones de acuerdo a la normativa de
aplicación UNE EN 2564 [Ref.25].
5.2.2 Inspección macro/micrográfica
Esta inspección consiste en realizar una serie de cortes o secciones transversales en
los paneles para poder examinar primero desde un punto de vista macroscópico (x10)
y luego en mayor detalle mediante microscopía (x50) características de la estructura
interna de los paneles tales como la calidad del laminado sólido (ausencia de
porosidad, posibles delaminaciones, inclusiones de objetos extraños, ondulaciones en
las fibras, grietas, arrugas…)
Conviene aclarar las siguientes definiciones empleadas en laboratorio las cuáles son
conformes con las definiciones de laboratorio metalográfico que aparecen en las
normativas ASTM E3 [Ref.28], ASTM E7 [Ref.29] y ASTM E175 [Ref.30].
Sección macroscópica: la sección que se examina tiene una superficie de análisis
lijada. La imagen puede amplificarse hasta más de 100 veces.
Sección microscópica: la sección que se examina tiene una superficie de análisis
pulida. La imagen puede amplificarse hasta más de 1000 veces.
Montaje: especímen embebido en un compuesto o mezcla adecuado por ejemplo
resina epoxy de curado en frío.
Macrografía: fotografía de una sección macroscópica.
Micrografía: fotografía de una sección macroscópica.
115 Ensayos de calificación
5.2.2.1 Procedimiento de ensayo
Todas las muestras fueron mecanizadas hasta sus dimensiones finales usando una
cuchilla revestida de diamante. El mecanizado de los paneles se hizo de acuerdo a la
normativa ISO 2818 [Ref.31]. Durante el corte de las muestras, la velocidad de corte,
tamaño de diente, etc, se escogen para producir el mínimo calentamiento del panel
usando una sierra con recubrimiento de diamante. Los bordes de la muestra se
cortaron en ángulo de 90º y sin rebabas ni irregularidades. Se tomaron precauciones
para evitar muescas, hundimientos, superficies rugosas o irregularidades y
delaminaciones causadas por métodos de mecanizado inapropiados.
Una vez cortadas, las muestras son preparadas con una máquina automática de lijado
y pulido y se montan en una pastilla donde se embeben en una resina epoxy de
curado en frío. Todo el equipamiento empleado en la observación macro-microscópica
se muestra de la Figura 82 a la Figura 85. La observación fue realizada en un estéreo
microscopio binocular (Figura 82) y en un microscopio binocular invertido (Figura 84)
con cámara adaptada (Figura 85).
Figura 82 Estereo Microscopio SMZ800
Figura 83 Fuente de luz fría Photonic PL3000
Figura 84 Epiphot 200
Figura 85 Lumenera Infinity 2-3C
116 Ensayos de calificación
La amplificación depende de la razón definida para la observación. Para cada sección
macroscópica considerada, se seleccionan varios detalles de los que se extrae
información más detallada por medio de inspección microscópica.
Un detalle al cual se ha prestado especial atención en las observaciones realizadas en
este Proyecto ha sido la formación de los meniscos. Al no existir adhesivo entre el
núcleo honeycomb y el laminado, es la propia resina epoxy la encargada de adherir las
capas de carbono por medio de una buena formación de meniscos en la interfase.
5.2.2.2 Muestras en paneles simples
Dos secciones transversales se marcaron en los paneles: la sección A-A’ situada en
una de las esquinas del panel y B-B’ centrada en uno de los lados tal y como aparece
en la Figura 86.
Figura 86 Secciones transversales para análisis macro/microscópico. Paneles simples
5.2.2.3 Muestras en paneles complejos
Cinco secciones transversales fueron marcadas, A-A’, B-B’ y C-C’, D-D’ y E-E’, estas
dos últimas en la zona de radios de la pieza de acuerdo a la Figura 87.
Figura 87 Secciones transversales para análisis macro/microscópico. Paneles complejos
117 Ensayos de calificación
5.2.3 Determinación de la temperatura de transición vítrea
La técnica empleada es el Análisis mecánico diferencial, conocido por sus siglas
inglesas DMA ( “Dynamical Mechanical Analysis”). En MIL Handbook 17 Volume 1
[Ref.32] esta técnica se presenta como el método de preferencia y el más común a la
hora de caracterizar la transición vítrea de materiales compuestos de matriz orgánica.
En lo que a determinación de temperatura de transición vítrea (Tg) se refiere, DMA es
la técnica más sensible.
De acuerdo a lo indicado en el ASM Volumen 21. Composites [Ref. 33], el análisis
dinámico mecánico mide la rigidez (módulo de almacenamiento) y el amortiguamiento
de un material (módulo de pérdida, tan δ) en función de la temperatura, tiempo y
frecuencia bajo una atmósfera controlada y produce las curvas correspondientes a
estos parámetros en función de la temperatura. Estas curvas reflejan la cantidad de
energía disipada durante cada ciclo de carga y presentan un valor pico durante la
transición vítrea.
5.2.3.1 Procedimiento de ensayo
Se realizó un ensayo oscilatorio dinámico. El procedimiento a seguir aparece recogido
en el MIL-Handbook 17 Volume 1 [Ref.32] y se resume en la Tabla 39.
De este modo, una tensión sinusoidal fue aplicada sobre las probetas extraídas de los
paneles y se midió la deformación resultante junto con la diferencia de fase δ entre las
dos señales sinusoidales. Puesto que el módulo es tensión entre deformación, se
obtuvo el módulo complejo E* y a partir de este y de la diferencia de fase medida, se
calculó el módulo de almacenamiento E’ y el módulo de pérdida E’’. El módulo de
almacenamiento es la componente elástica en relación a la rigidez de la muestra. El
módulo de pérdida es la componente viscosa relacionada con la capacidad de la
muestra de disipar energía mecánica por medio del movimiento molecular. La tangente
de diferencia de fase es otro parámetro común que proporciona información de la
relación entre las componentes elásticas e inelásticas.
Así pues, la temperatura de transición vítrea puede determinarse de varias maneras a
partir de los datos obtenidos del análisis mecánico diferencial. Esta es la fuente de las
diferencias existentes en los valores de Tg reportados. La Tg puede determinarse como
la temperatura en el inicio o en el punto medio de la transición según se tome como
base:
Curva del módulo de almacenamiento: la denominada Tg onset se determina
como la instersección de dos líneas tangentes a la curva del módulo de
almacenamiento. La primera tangente se selecciona a una temperatura anterior
a la transición. La segunda línea tangente se construye en el punto de inflexión
aproximadamente en el punto medio de la caída del módulo de
almacenamiento.
Máximo en el módulo de pérdida: la llamada Tg loss
Máximo en la curva tan δ: la llamada Tg peak
118 Ensayos de calificación
El método utilizado para el cálculo produce marcadas diferencias entre los valores
para un mismo ensayo DMA de hasta 28ºC. la tasa de calentamiento a la que se
realiza el análisis así como la frecuencia empleada también influyen en el resultado. El
valor más bajo en el DMA es normalmente la Tg onset observada en el módulo de
almacenamiento que a menudo es la estimación más aproximada a la temperatura
donde se observa una drástica caída de las propiedades mecánicas.
Tabla 39 Procedimento DMA
ANÁLISIS MECÁNICO DIFERENCIAL (DMA)
Acondicionamiento previo
Durante una semana a 105ºC
Equipo Q800
Frecuencia 1 Hz
Amplitud 15µm (constante)
Velocidad de calentamiento
5ºC/min
Rango de temperaturas
Desde temperatura ambiente hasta 350ºC
Probeta Cantilever simple: la probeta se amordaza en uno de sus extremos y flexionada por la mitad
Atmósfera Nitrógeno
Uso de los datos Los datos se almacenan en el ordenador y se plotean las curvas del
módulo de almacenamiento , módulo de pérdida y tan δ.
Solidificación
La solidificación ocurre cuando el módulo de Young del material comienza a aumentar rápidamente (varios órdenes de magnitud) sobre un estrecho rango de temperaturas. La temperatura de solidificación depende de la tasa de calentamiento y de la frecuencia mecánica. Así pues ambos datos han de proporcionarse cuando las temperaturas de solidificación del DMA se reportan,
Tiempo de solidificación
En el modo isotérmico, el tiempo de solidificación se determina calentando rápidamente una muestra hasta la temperatura deseada y manteniéndola constante mientras se monitoriza el cambio que tiene lugar en el módulo de Young con el tiempo. El tiempo de solidificación se define como el tiempo que tarda el módulo en empezar a aumentar rápidamente (varios órdenes de magnitud).
5.2.3.2 Muestras en paneles simples
Se marcaron un total de dos muestras (P1 y P2) como aparece en la Figura 88 por
panel de las cuales extraer los especímenes de laminado sólido del cual se quiere
determinar la temperatura de transición.
119 Ensayos de calificación
Figura 88 Extracción muestras DMA. Panel simple
5.2.3.3 Muestras en paneles complejos
Se marcaron un total de dos muestras (P1 y P2) (ver Figura 89) por panel de las
cuales extraer los especímenes de laminado sólido del cual se quiere determinar la
temperatura de transición.
Figura 89 Extracción muestras DMA. Panel complejo
5.2.4 Ensayo de pelado de tambor
El ensayo de pelado tambor mide la resistencia al pelado de la unión entre una piel
flexible y el núcleo de una estructura tipo sándwich. Este ensayo se emplea
comúnmente como control de procesos en la fabricación de piezas sandwich a modo
de control del curado y calidad de la unión de la estructura, de hecho dentro de los
paneles de control de proceso se incluyen paneles fabricados exclusivamente para
efectuar este ensayo.
120 Ensayos de calificación
La normativa de ensayo que se tomó como referencia fue la UNE EN 2243-3 [Ref. 34]
la cual forma parte de las normas EN para materiales no metálicos en aplicaciones
aeroespaciales.
En el caso que nos ocupa, la prueba se efectúa sobre probetas extraídas de las piezas
lo que implica que la configuración de las probetas ensayadas no coincide con la
requerida en la normativa ni en lo referente a materiales ni a altura de núcleo.
5.2.4.1 Procedimiento de ensayo
Las dimensiones de las probetas de pelado tambor se esquematizan en la Figura 90.
Figura 90 Probetas pelado tambor
Las probetas extraídas de los paneles se sometieron a un acondicionamiento previo
durante 16 horas con una humedad relativa del 50±5 % y una temperatura de 23±2ºC.
Este es el periodo mínimo recogido por la norma para paneles de curado a alta
temperatura.
El útil para el ensayo de pelado se esquematiza en la Figura 91. Consiste en un
cilindro o tambor provisto de dos poleas laterales con la que es concéntrico y solidario,
dos flejes de acero de longitud conveniente para la aplicación de la carga y dos
mordazas para la sujección de la probeta. El cilindro contiene en su interior un
contrapeso opuesto a la mordaza con el fin de equilibrar su peso respecto al eje de
giro. El peso del tambor incluyendo sus mordazas, poleas y flejes no supera los 3,5 kg.
121 Ensayos de calificación
Figura 91 Dispositivo de pelado
Este útil se dispuso en una máquina universal de ensayos Zwick Retroline equipada
con una célula de carga de 10kN. Al inicio del ensayo, el laminado se situó tangente al
cilindro tal y como aparece en la Figura 91 y se fijó por uno de sus extremos al mismo
y por el extremo opuesto a la mordaza. La carga se aplicó fijando una velocidad de
separación de las mordazas constante de 25 mm/min. Se registró continuamente el
desplazamiento relativo a la carga aplicada a lo largo del ensayo hasta que ocurrió el
fallo de la probeta. En la Figura 92 aparece un diagrama típico de pelado.
Figura 92 Típico diagrama de pelado tambor
122 Ensayos de calificación
5.2.4.2 Expresión de resultados
La carga F0 es la carga de enrollado en Newtons, es decir, la carga que se necesita
para enrollar la piel alrededor del tambor. La carga Fr es la carga media de pelado y
enrollado en Newtons la cual se determina una vez superada una longitud de pelado
de 125 mm introduciendo el valor medio estimado en el diagrama de la Figura 92.
Los resultados de los primeros 25 mm de separación de pelado del espécimen tras el
primer máximo de carga se excluyen de estimación de la carga media tal y como se
indica en la Figura 92.
El valor de la carga de pelado se obtiene a partir de la ecuación:
𝐹 = 𝐹𝑟 − 𝐹0
La resistencia al pelado (N/cm) se obtiene de:
𝜏 =𝐹
𝑊
5.2.4.3 Muestras en paneles simples
La zona delimitada en gris que se indica en la Figura 93 fue la escogida para extraer
las dos probetas que fueron sometidas al ensayo de pelado de tambor (probetas DP1
y DP2). Una de ellas se peló por cara útil y la otra por cara bolsa.
Figura 93 Extracción de muestras pelado tambor. Paneles simples
5.2.4.4 Muestras en paneles complejos
Las zonas delimitadas en gris que se indican en la Figura 94 fueron escogidas para la
extracción de las dos probetas por núcleo que fueron sometidas al ensayo de pelado
de tambor (probetas DP1 y DP2, DP3 y DP4 Y DP5 y DP6 respectivamente). De cada
par de probetas, una de ellas se peló por cara útil y la otra por cara bolsa.
123 Ensayos de calificación
Figura 94 Extracción de muestras pelado tambor. Paneles complejos
5.2.5 Ensayos mecánicos en paneles de control de procesos
Hasta un total de siete paneles de control de procesos (para cada alternativa de
material autoadhesivo) fueron fabricados y ensayados. La configuración de cada panel
depende del tipo de ensayo mecánico al que estaba destinado y se introdujo en el
Capítulo 3 del presente Proyecto. Se resumen brevemente a continuación lo métodos,
normativa y equipos que fueron empleados en cada uno de dichos ensayos.
5.2.5.1 Ensayo de cortadura interlaminar
Este ensayo aporta información acerca de la calidad de la relación fibra-resina. Se
trata de un ensayo muy frecuente en la recepción y control de producción de
materiales compuestos y por añadidura en el control de procesos de las piezas de
serie. Consiste en determinar la resistencia a la delaminación bajo cargas de cortadura
paralelas a las capas de un laminado. Esta resistencia se conoce bajo el nombre de
resistenicia a cortadura interlaminar “aparente” y es la máxima resistencia a cortadura
calculada a la mitad del espesor del especimen en el momento del primer fallo.
La normativa UNE EN2563 [Ref.35], norma que especifica el método para determinar
la resistencia de cortadura interlaminar de materiales plásticos reforzados con fibra de
carbono en forma de laminados unidireccionales por medio de un ensayo de flexión
fue la normativa seguida a la hora de realizar este ensayo. Esto se debe a que el
método que recoge también puede aplicarse en el caso de materiales plásticos
reforzados con fibra de carbono en forma de tejidos tal y como es el caso que nos
ocupa.
La determinación se realiza sobre una probeta de dimensiones reducidas y sección
transversal rectangular tal y como la que aparece representada en la Figura 95
(derecha) que se ensaya a flexión entre dos apoyos (rodillos). La carga se aplica en el
centro de la probeta por medio de un tercer rodillo situado justo en la mitad de los
apoyos (izquierda). Aunque básicamente el ensayo consiste en una flexión en tres
124 Ensayos de calificación
puntos, dado que la distancia entre apoyos es pequeña, la componente de cortadura
prima sobre la de flexión.
Figura 95 Ensayo de cortadura interlaminar
Las dimensiones tanto de las probetas de ensayo como de los apoyos aparecen
recogidas en la normativa EN2563 [Ref.35] y se indican en la Tabla 40.
Tabla 40 Dimensiones (mm)
SÍMBOLOS VALORES
R1 3 ± 0.1
R2 3 ± 0.1
B 10 ± 0.2
L 20 ± 0.25
Lv 10 ± 0.1
H 2 ± 0.2
De cada uno de los paneles de control de procesos de cortadura interlaminar que se
fabricaron para cada una de las alternativas de material autoadhesivo se extrajeron un
total de 5 probetas de acuerdo a las dimensiones que aparecen en la Tabla 40. Dichas
probetas se sometieron a un acondicionamiento previo al ensayo de acuerdo a la
normativa EN2743 procedimiento B [Ref. 26], durante un tiempo de dos horas con una
humedad relativa del 50±5 % y una temperatura de 23±2ºC. Tras ello, fueron
ensayadas en una máquina universal de ensayos Zwick Retroline equipada con una
célula de carga de 10 kN. Se dispusieron de manera que su eje fuera perperndicular a
sus soportes y se cargaron lentamente, imponiendo una velocidad de desplazamiento
del rodillo de carga constante de aproximadamente 1mm/min. Se registró la carga en
función de la flecha o desplazamiento de dicho rodillo hasta alzanzar la carga de fallo
del espécimen (PR).
5.2.5.1.1 Expresión de resultados
La resistencia a cortadura interlaminar “aparente” se obtiene como sigue:
𝜏 =3 ∙ 𝑃𝑅4 ∙ 𝑏 ∙ ℎ
Donde:
𝜏: es la resistencia a cortadura interlaminar “aparente” (MPa)
125 Ensayos de calificación
𝑃𝑅: es la carga de fallo es decir, la máxima carga registrada en el momento en que
tiene lugar el primer fallo del espécimen (N)
𝑏: es el ancho del espécimen en mm
ℎ: es el espesor del espécimen en mm
5.2.5.2 Tracción plana
En estructuras tipo sandwich es habitual realizar el ensayo de tracción plana de
núcleos para evaluar los valores admisibles de resistencia a la tracción de la unión
adhesivo-núcleo. El método consiste en someter las probetas extraídas del panel
sandwich fabricado para el ensayo a una carga de tracción perpendicular a las pieles
del mismo hasta que tiene lugar su rotura.
Tal y como ya se indicó en el Capítulo 3, se fabricaron paneles sándwich con un
núcleo del mismo material que el de los paneles para el ensayo de tracción plana de
cada una de las alternativas de material siendo la altura del núcleo (12,7 mm)
empleado la única diferencia existente con los núcleos de las piezas.
El ensayo se efectuó de acuerdo a la normativa AITM1-0025 [Ref.36]. Las
dimensiones de las probetas se muestran en la Figura 96. El adhesivo que se empleó
para unir los tacos metálicos al panel sandwich es el adhesivo estructural en película
Scotch Weld AF 163-2 del fabricante 3M. Se sometió las probetas a un curado de 90
minutos de duración a una temperatura comprendida entre 125±5 ºC y a una presión
de 2.8±3 bares.
Figura 96 Probeta para ensayo de tracción plana
El equipo utilizado fue una maquina universal de ensayos Zwick Zetroline equipada
con una célula de carga de 100 kN. El ensayo se realizó a temperatura ambiente. Las
probetas se colocaron en la máquina de manera que no se generasen cargas de
126 Ensayos de calificación
pandeo indeseadas durante el proceso de carga. La carga se aplicó imponiendo una
velocidad constante de 1 mm/min en las mordazas. Se registró el valor máximo de
carga para el que tiene lugar el fallo de la probeta.
Para que el material autoadhesivo desarrolle toda su capacidad portante y no limite la
de la unión piel núcleo, lo deseable es que el fallo tenga lugar en parte del núcleo
garantizando así que la resistencia entre laminado autoadhesivo y núcleo es
adecuada.
5.2.5.2.1 Expresión de resultados
La resistencia a la tracción plana se obtiene a partir de la siguiente relación:
𝜎𝐵 =𝐹
𝐿 ∙ 𝑊
Donde:
𝜎𝐵: es la resistencia a tracción plana (MPa)
𝐹: es la carga última (N)
𝐿: es la longitud del espécimen (mm)
𝑊: es el ancho del espécimen (mm)
5.2.5.3 Pelado tambor
Tanto la normativa aplicable como el procedimiento seguido en la realización de este
ensayo sobre los paneles fabricados con este fin, es idéntico al descrito en la sección
5.2.6 del presente Capítulo.
5.2.5.4 Tracción simple
El ensayo de tracción sobre laminados pretende obtener las propiedades de rigidez y
resistencia del laminado. Consiste en aplicar una carga de tracción en los extremos de
una probeta tal y como se refleja en la Figura 97.
Figura 97 Aplicación de carga en ensayo tracción simple
127 Ensayos de calificación
En el caso que nos ocupa, tanto la geometría de las probetas a ensayar, el
procedimiento o técnica experimental empleada, las recomendaciones sobre el ensayo
y los resultados a obtener del mismo se recogen en la normativa UNE EN 2597
[Ref.37]
Figura 98 Configuración probetas de tracción simple según UNE EN 2597
Tal y como puede verse en la Figura 98, las probetas se refuerzan con unos tacos de
vidrio para garantizar que el fallo de las mismas tiene lugar en una zona alejada de la
de aplicación de la carga.
5.2.5.4.1 Expresión de resultados
Por medio de una galga extensométrica colocada en las probetas de laminado con
orientación 0º se miden las deformaciones 𝜀𝑥 cuando la probeta se somete a tracción.
A partir de esta medida, de la carga aplicada y de la geometría de la probeta se
determina el módulo de elasticidad del laminado.
𝜎𝑥 =𝐹
𝐴
𝜀𝑥 =∆𝐿
𝑙
𝐸𝑥 =𝜎𝑥𝜀𝑥
Donde:
σx: resistencia a la tracción (MPa)
F: carga última (N)
𝐴: área (mm2)
Ex: módulo de elasticidad longitudinal (GPa)
5.2.5.5 Cuatro puntos de flexión
Este ensayo consiste en someter a flexión una probeta apoyada en sus dos extremos
aplicando carga en dos puntos (flexión en cuatro puntos). La aplicación de carga se
realizó de acuerdo a la normativa AITM1-0018 [Ref.38] tal y como se representa en la
Figura 99. Se ensayaron un total de cinco probetas rectangulares de configuración
sandwich extraídas del panel de control de procesos correspondiente. La cara
sometida a compresión fue la cara bolsa de los paneles.
128 Ensayos de calificación
Figura 99 Esquema de ensayo de cuatro puntos de flexión según AITM1-0018
La carga se aplicó por medio de un útil de ensayo de 100 kN que se situó en una
máquina universal de ensayos Zwick Z100 BS1. La velocidad de desplazamiento de
las mordazas fue de 12 mm/min.
Durante el ensayo se registró tanto la carga total aplicada como el desplazamiento en
el centro de la probeta por medio de un extensómetro.
5.2.5.5.1 Expresión de resultados
Los valores que se obtienen del ensayo son la carga última, la máxima deflexión y la
curva fuerza-desplazamiento o F versus donde:
F: carga última (N): la última carga aplicada en el ensayo de flexión.
: deflexión (mm): es el desplazamiento del centro del especimen relativo al cilindro de
acero exterior durante el ensayo.
5.2.5.6 Compresión
Este ensayo se realiza para determinar las propiedades a compresión de laminados
unidireccionales. La carga de compresión se aplica normalmente a la probeta por
cizallamiento en las caras laterales y la forma de aplicarla depende del tipo de probeta,
de la secuencia de apilado y de la norma a aplicar. En este caso, la normativa de
referencia empleada fue la UNE EN 2850 Tipo B [Ref.39].
Se ensayaron un total de cinco probetas con la configuración y dimensiones que
aparecen en la Figura 100 y la Tabla 41.
129 Ensayos de calificación
Figura 100 Probeta para la determinación del
esfuerzo de rotura (Tipo B1)
Tabla 41 Dimensiones de la probeta tipo B1
TIPO DE PROBETA B1
h 2 ± 0.2
H De 4.5 hasta 6
b 12.5 ± 0.2
L De 75 a 80
t 5 + 0.5
Nota:Todas las dimensiones en mm
El ensayo se realizó en una máquina universal de ensayos Zwick Z100 BS1 equipada
con una célula de carga de 100 kN tal y como la que se presenta en la Figura 101 y la
Figura 102. La velocidad de las mordazas se mantuvo constante e igual a 1 mm/min.
Figura 101 Dispositivo de ensayo según
UNE EN 2850 (I)
Figura 102 Dispositivo de ensayo según UNE EN 2850 (II)
5.2.5.6.1 Expresión de resultados
La resistencia a compresión se obtiene de:
𝜎𝐶 =𝑃𝑅𝑏 ∙ ℎ
Donde:
130 Ensayos de calificación
𝑃𝑅: carga última (N). El último valor de fuerza registrado durante el ensayo de
compresión.
𝑏: ancho de espécimen (mm)
ℎ: espesor del espécimen (mm)
131 Resultados
6 Resultados
A lo largo de este Capítulo se presentan los resultados obtenidos en todas las
inspecciones y ensayos efectuados sobre paneles simples y complejos presentados
en el Capítulo 5.
6.1 Resultados de ensayos no destructivos
6.1.1 Inspección visual
Se resumen a continuación los principales defectos encontrados durante la inspección
visual de los paneles.
6.1.1.1 Paneles simples
Los tres paneles simples superaron la inspección visual sin que se detectasen
defectos a simple vista por lo que el resultado de la misma puede considerarse
conforme.
6.1.1.2 Paneles complejos
En lo que a los paneles complejos se refiere, en el caso del Material I se detectaron
recogimientos del núcleo mayor del panel que no son más que desplazamientos
laterales registrados en la zona de sándwich ocasionados por el colapso de las
celdillas. Estos desplazamientos se muestran en la Figura 103.
Figura 103 Detalle recogimiento lateral núcleos Panel Complejo I
132 Resultados
En cuanto a los paneles complejos fabricados a partir de los Materiales II y III, se
observaron delaminaciones en la zona de radio por cara útil. Dichas delaminaciones
consisten en una separación o desprendimiento de las capas de material. Al
presentarse en el radio y por la cara útil de la pieza las capas que se delaminan son el
adhesivo, la malla y parte del preimpregnado de fibra de carbono.
Su carácter fue múltiple y a lo largo de todo el radio en el caso del Panel Complejo II
como se muestra en la Figura 104, y singular en el caso del Panel Complejo III tal y
como se ve en la Figura 105.
La aparición de estas delaminaciones no se consideró un defecto específico del
material puesto que se trata de una incidencia que habitualmente se da en este tipo de
piezas en la fabricación de serie actual.
Figura 104 Detalle delaminaciones en radio Panel Complejo II
Figura 105 Delaminación en radio Panel Complejo III
133 Resultados
6.1.2 Ensayo de estanqueidad
Esta sección detalla los resultados obtenidos tras someter los paneles a la prueba de
estanqueidad.
6.1.2.1 Estanqueidad en paneles simples
Los tres paneles presentaron fugas tras ser sometidos a la prueba de estanqueidad
siendo de carácter puntual en los paneles simples I y III y de carácter generalizado en
el panel simple II como puede verse en la Figura 106.
Las fugas se relacionan con la presencia de manchas oscuras en la cara útil de los
paneles tal y como las que pueden verse en la Figura 107.
Figura 106 Fugas ensayo estanqueidad panel Simple II
Figura 107 Detalle fuga puntual
6.1.2.2 Estanqueidad en paneles complejos
Todos los paneles complejos presentaron fugas tras someterse al ensayo de
estanqueidad. Su carácter viene indicado en la Tabla 42.
Tabla 42 Resultados ensayo estanqueidad paneles complejos
PANEL TIPO DE FUGA
Complejo I Generalizada
Complejo II Generalizada
Complejo III Leves fugas en el centro de la pieza
6.1.3 Inspección ultrasónica
Esta sección resume los resultados de la inspección por ultrasonidos efectuada en los
paneles.
134 Resultados
6.1.3.1 Ultrasonidos en paneles simples
Dos fueron las zonas inspeccionadas, laminado (Zona 1) y sándwich (Zona 2). El
resultado de la inspección ultrasónica en los tres paneles simples fue conforme para el
100% de la pieza. Ningún tipo de defecto interno fue detectado en la inspección.
6.1.3.2 Ultrasonidos en paneles complejos
En el caso de los paneles complejos cinco eran las zonas diferenciadas por el
procedimiento de inspección. Los resultados de la inspección ultrasónica en cada una
de las zonas se detallan a continuación en la siguiente Tabla 43.
Tabla 43 Resultado de la inspección ultrasónica por zonas
ZONA PANEL COMPLEJO I PANEL COMPLEJO II PANEL COMPLEJO III
1: Laminado “parte larga”
Conforme Conforme Conforme
2: Núcleo “parte larga”
Conforme Conforme Conforme
3: Radio Conforme No conforme Admisible
4: Laminado “parte corta”
Conforme Conforme Admisible
5 Núcleo “parte corta” Conforme Conforme Admisible
La no conformidad de la inspección ultrasónica en el radio del Panel Complejo II se
encuentra en consonancia con la delaminación observada durante la inspección visual.
Asimismo también se detecta porosidad a lo largo de toda la zona de radios de la
pieza.
En el caso del Panel Complejo III, el resultado de la inspección de los radios y la ·parte
corta” de la pieza tan solo resulta admisible en lugar de conforme. Esto implica que se
obtiene cierta atenuación durante la inspección por pulso eso lo que implica la
presencia de porosidad aunque dentro de unos límites aceptables.
6.1.4 Pesada
El peso registrado para cada uno de los paneles se recopila en la Tabla 44.
Tabla 44 Registro de peso
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL II
SIMPLE COMPLEJO SIMPLE COMPLEJO SIMPLE COMPLEJO
PESO (kg) 1,66 6,6 1,62 6,3 1,68 6,6
135 Resultados
Como se vio en el Capítulo 2, el registro de peso de las piezas se realiza como parte
de la verificación final de las mismas tras ser pintadas. Sin embargo en el caso de
estos paneles, el peso registrado es el de los paneles sin recantear (con una zona de
creces de aproximadamente 15 mm de material extra a lo largo de todo el contorno de
las piezas), sin taladrar, sin operación de sellado de bordes y sin pintura.
6.1.5 Inspección dimensional
Los resultados completos de la medición de espesores en los puntos marcados en
paneles simples y complejos se presentan en el Anexo I.
6.2 Resultados de ensayos destructivos
6.2.1 Resultados de la determinación del volumen de fibra, resina y
huecos
6.2.1.1 Fibra/resina y huecos en paneles simples
La Figura 108 representa las tres zonas dentro de los paneles simples de las que se
obtuvieron las muestras a ensayar. Dentro de cada región M1, M2 y M3 se extrajeron
tres especímenes descartando la zona de laminado más próxima al borde del panel.
Figura 108 Extracción muestras determinación contenido en volumen de fibra, resina y huecos en
paneles simples
Los resultados reportados en la Tabla 46 y la Tabla 46 son los valores medios para
cada una de las tres muestras M1, M2 y M3 y para cada uno de los paneles simples.
136 Resultados
Tabla 45 Resultados densidad y contenido en peso de fibra y resina en paneles simples
PANEL MUESTRA CONTENIDO DE
FIBRA (% PESO ) CONTENIDO EN
RESINA (% PESO)
I
M1 69.47 30.53
M2 69.98 30.02
M3 70.07 29.24
II
M1 61.37 38.63
M2 60.71 39.29
M3 62.86 37.14
III
M1 62.80 37.20
M2 62.82 37.18
M3 63.19 36.81
Tabla 46 Resultados contenido en volumen de fibra, resina y huecos en paneles simples
PANEL MUESTRA CONTENIDO EN
FIBRA (%) CONTENIDO EN
RESINA (%) CONTENIDO EN
HUECOS (%)
I
M1 60.12 39.09 0.79
M2 60.63 38.47 0.90
M3 61.50 37.59 0.91
II
M1 53.62 45.55 0.83
M2 52.90 46.18 0.91
M3 55.19 43.99 0.82
III
M1 54.26 45.14 0.61
M2 54.19 45.06 0.75
M3 54.54 44.63 0.83
6.2.1.2 Fibra/resina y huecos en paneles complejos
La Figura 109 representa las cuatro zonas dentro de los paneles complejos de las que
se obtuvieron las muestras a ensayar. Dentro de cada región M1, M2, M3 y M4 se
extrajeron tres especímenes descartando la zona de laminado más próxima al borde
del panel. Para las muestras M3 y M4 localizadas en la zona de radios, se extrajeron
del laminado más próximo a la “parte corta” del panel.
137 Resultados
Figura 109 Extracción muestras determinación contenido en volumen de fibra, resina y huecos en
paneles complejos
Los resultados obtenidos se reportan en la Tabla 47 y Tabla 48. Se trata de valores
medios para cada una de las cuatro muestras M1, M2, M3 y M4 y para cada uno de
los paneles complejos.
Tabla 47 Resultados densidad y contenido en peso de fibra y resina en paneles complejos
PANEL MUESTRA CONTENIDO DE
FIBRA (% PESO ) CONTENIDO EN
RESINA (% PESO)
I
M1 67.00 33.00
M2 67.58 33.42
M3 68.67 31.33
M4 68.01 31.99
II
M1 59.52 40.48
M2 61.58 38.42
M3 61.60 38.40
M4 63.48 36.52
III
M1 62.57 37.43
M2 63.43 36.57
M3 62.32 37.68
M4 63.45 36.55
138 Resultados
Tabla 48 Resultados contenido en volumen de fibra, resina y huecos en paneles complejos
PANEL MUESTRA CONTENIDO EN
FIBRA (%) CONTENIDO EN
RESINA (%) CONTENIDO EN
HUECOS (%)
I
M1 57.63 41.99 0.38
M2 58.06 41.21 0.74
M3 59.47 40.14 0.38
M4 58.61 40.78 0.61
II
M1 51.68 47.41 0.91
M2 53.96 45.42 0.62
M3 53.88 45.31 0.80
M4 55.82 43.34 0.84
III
M1 54.13 45.49 0.38
M2 54.92 44.47 0.61
M3 53.59 45.52 0.89
M4 54.78 44.34 0.88
6.2.2 Resultados de la inspección macro/micrográfica
Los resultados completos de la inspección macro/micrográfica realizada sobre todos
los paneles simples se presenta en el Anexo II.
Los correspondientes a la inspección macro/micrográfica realizada sobre todos los
paneles complejos se presenta en el Anexo III.
La evaluación de los meniscos efectuada sobre algunas de las macrografías
realizadas se presenta en el Anexo IV.
6.2.3 Resultados de la determinación de la temperatura de transición
vítrea
6.2.3.1 Transición vítrea en paneles simples
La Figura 110 representa las dos zonas dentro de los paneles simples de las que se
obtuvieron las muestras a ensayar. Dentro de cada región P1 y P2 se extrajeron tres
especímenes descartando la zona de laminado más próxima al borde del panel.
139 Resultados
Figura 110 Extracción muestras determinación temperatura de transición vítrea en paneles simples
Los resultados que se recopilan en la Tabla 49 son los valores medios obtenidos en
las muestras P1 y P2 para las temperaturas de transición vítrea que fueron definidas
en el Capítulo 5, sección 5.2.5.
Tabla 49 Resultados temperatura de transición vítrea en paneles simples
PANEL MUESTRA Tg ONSET (ºC) Tg LOSS (ºC) Tg PEAK (ºC)
I P1 204.34 212.71 216.31
P2 204.80 213.22 217.52
II P1 183.49 192.07 195.70
P2 183.00 191.65 195.37
III P1 173.94 182.81 189.77
P2 172.10 181.39 188.44
6.2.3.2 Transición vítrea en paneles complejos
La Figura 111 representa las dos zonas dentro de los paneles complejos de las que se
obtuvieron las muestras a ensayar. Dentro de cada región P1 y P2 se extrajeron tres
especímenes descartando la zona de laminado más próxima al borde del panel.
140 Resultados
Figura 111 Extracción muestras determinación temperatura de transición vítrea en paneles
complejos
Los resultados que se recopilan en la Tabla 50 son los valores medios obtenidos en
las muestras P1 y P2 para las temperaturas de transición vítrea que fueron definidas
en el Capítulo 5, sección 5.2.5.
Tabla 50 Resultados temperatura de transición vítrea en paneles complejos
PANEL MUESTRA Tg ONSET (ºC) Tg LOSS (ºC) Tg PEAK (ºC)
I P1 206.12 214.51 218.47
P2 205.64 213.48 217.36
II P1 185.33 192.88 196.85
P2 184.44 192.68 196.15
III P1 177.88 186.31 191.53
P2 169.93 179.18 186.82
6.2.4 Resultados del ensayo de pelado de tambor
6.2.4.1 Pelado en paneles simples
La Figura 112 representa la zona dentro de los paneles simples de la que se
obtuvieron las muestras a ensayar. Dentro de la región señalada se extrajeron dos
probetas DP1 y DP2 una para pelar por la cara bolsa y otra para pelar por la cara útil.
141 Resultados
Figura 112 Extracción muestras ensayo de pelado tambor en paneles simples
Los valores de resistencia al pelado obtenidos del ensayo realizado en las muestras
extraídas de los paneles simples se presentan en la Tabla 51 junto con los modos de
fallo observados.
Tabla 51 Resultados del ensayo de pelado de tambor en paneles simples
PANEL MUESTRA ALTURA DEL NÚCLEO (mm)
RESULTADOS
RESISTENCIA AL PELADO (N/cm)
MODO DE FALLO
I DP 1 15 19.45 1
DP 2 15 17.84 1
II DP 1 15 14.91 1
DP 2 15 15.05 1
III DP 1 15 11.58 1
DP 2 15 12.24 1
Nota: Modos de fallo: 1) 100% Delaminación 2) Delaminación con rotura parcial del núcleo (inferior al 20%) 3) Delaminación con rotura parcial del núcleo (superior al 20%)
El modo de fallo obtenido en los tres materiales fue el mismo: delaminación total de las
probetas, un tipo de rotura adhesiva la cual consiste en que toda la resina presente en
el preimpregnado autoadhesivo permanece en tan solo una de las caras de la unión,
en este caso en la piel de la estructura sándwich. Esto puede verse en la Figura 113.
142 Resultados
Figura 113 Ejemplo modo de fallo 1: 100% Delaminación
6.2.4.2 Pelado en paneles complejos
La Figura 114 representa las tres zonas dentro de los paneles complejos de las que se
obtuvieron las muestras a ensayar. Dentro de cada una de las tres regiones señaladas
se extrajeron dos probetas DP1 y DP2, DP3 y DP4 y por último DP5 y DP6 donde una
de ella fue para pelar por la cara bolsa y la otra para pelar por la cara útil.
Figura 114 Extracción muestras ensayo de pelado tambor en paneles complejos
Los valores de resistencia al pelado obtenidos del ensayo realizado en las muestras
extraídas de los paneles complejos se presentan en la Tabla 52 junto con los modos
de fallo observados.
143 Resultados
Tabla 52 Resultados del ensayo de pelado de tambor en paneles complejos
PANEL MUESTRA ALTURA DEL NÚCLEO (mm)
RESULTADOS
RESISTENCIA AL PELADO (N/cm)
MODO DE FALLO
I
DP 1 5
22.92 2
DP 2 21.44 2
DP 3 5
51.66 3
DP 4 23.17 2
DP 5 11
32.00 3
DP 6 25.96 3
II
DP 1 5
38.23 3
DP 2 45.39 3
DP 3 5
47.76 3
DP 4 48.54 3
DP 5 11
16.52 1
DP 6 17.85 1
III
DP 1 5
19.05 2
DP 2 46.78 3
DP 3 5
48.37 3
DP 4 17.05 2
DP 5 11
17.31 1
DP 6 16.92 1
Nota: Modos de fallo: 1) 100% Delaminación 2) Delaminación con rotura parcial del núcleo (inferior al 20%) 3) Delaminación con rotura parcial del núcleo (superior al 20%)
En este caso, las probetas extraídas mostraron una mayor variabilidad en cuanto a
modos de fallo se refiere, apareciendo tanto delaminaciones como delaminación en
combinación con rotura en mayor o menor medida. La Figura 115 presenta el modo de
fallo 2 y la Figura 116 el modo de fallo 3.
Figura 115 Ejemplo modo de fallo 2: Delaminación con rotura parcial de núcleo (<20%)
144 Resultados
Figura 116 Ejemplo modo de fallo 3: Delaminación con rotura parcial de núcleo (>20%)
6.3 Resultados de ensayos mecánicos en paneles de control de
procesos
6.3.1 Cortadura interlaminar
Se reportan en la Tabla 53 los resultados de carga última, resistencia a cortadura
interlaminar “aparente” y modos de fallo correspondientes a todos los especímenes de
cortadura interlaminar ensayados para los tres materiales.
Tabla 53 Resultados del ensayo de cortadura interlaminar
MATERIAL ESPÉCIMEN CARGA
ÚLTIMA PR
(N)
RESISTENCIA A CORTADURA
INTERLAMINAR ‘APARENTE’
(MPa)
MODO DE FALLO
I
1 1897.27 63.21 Cortadura múltiple y flexión
2 1977.30 66.10 Cortadura múltiple y flexión
3 1952.84 66.59 Cortadura múltiple y flexión
4 1954.68 66.57 Cortadura múltiple y flexión
5 2005.78 67.08 Cortadura múltiple y flexión
II
1 2130.78 67.94 Cortadura múltiple y flexión
2 2104.52 68.39 Cortadura múltiple y flexión
3 2081.85 67.76 Cortadura múltiple y flexión
4 2198.39 70.19 Cortadura múltiple y flexión
5 2026.67 66.43 Cortadura múltiple y flexión
III
1 1854.22 65.15 Cortadura múltiple y flexión
2 1924.69 65.37 Cortadura múltiple y flexión
3 1680.23 58.06 Cortadura múltiple y flexión
4 1799.70 61.61 Cortadura múltiple y flexión
5 1860.39 64.50 Cortadura múltiple y flexión
145 Resultados
6.3.2 Tracción plana
La Tabla 54 presenta los resultados correspondientes a todos los especímenes de
tracción plana fabricados con núcleo de papel de poliamida.
Tabla 54 Resultados del ensayo de tracción plana en probetas con núcleo de papel
MATERIAL ESPÉCIMEN CARGA
ÚLTIMA F (N)
RESISTENCIA A TRACCIÓN
PLANA 𝛔𝐁 (MPa) MODO DE FALLO
I
1 8410.17 3.37 Rotura de núcleo
2 8214.89 3.28 Rotura de núcleo
3 8865.49 3.52 Rotura de núcleo
4 8630.88 3.44 Rotura de núcleo
5 8821.12 3.51 Rotura de núcleo
II
1 6948.98 2.78 Despegue piel/núcleo +
Rotura de núcleo
2 7146.05 2.85 Despegue piel/núcleo +
Rotura de núcleo
3 7501.08 2.99 Despegue piel/núcleo +
Rotura de núcleo
4 7264.07 2.90 Despegue piel/núcleo +
Rotura de núcleo
5 6467.10 2.59 Despegue piel/núcleo +
Rotura de núcleo
III
1 8552.37 3.41 Rotura de núcleo
2 8312.90 3.32 Rotura de núcleo
3 8218.32 3.27 Rotura de núcleo
4 8466.99 3.38 Rotura de núcleo
5 9065.15 3.60 Rotura de núcleo
Los modos de fallo obtenidos para los Materiales I, II y III se presentan en las Figura
117, Figura 118 y Figura 119.
Figura 117 Modo de fallo probetas Material I y núcleo de poliamida: rotura de núcleos
146 Resultados
Figura 118 Modo de fallo probetas Material II y núcleo de poliamida: Despegue piel/núcleo + Rotura
de núcleo
Figura 119 Modo de fallo probetas Material III y núcleo de poliamida: rotura de núcleos
En la Tabla 55 se muestran los mismos resultados pero para las probetas de tracción
plana que fueron fabricadas con núcleo de fibra de vidrio.
Tabla 55 Resultados del ensayo de tracción plana en probetas con núcleo de vidrio
MATERIAL ESPÉCIMEN CARGA
ÚLTIMA F (N)
RESISTENCIA A
TRACCIÓN PLANA 𝛔𝐁 (MPa)
MODO DE FALLO
I
1 9675.80 3.90 Despegue piel/núcleo
2 11103.63 4.48 Despegue piel/núcleo
3 13273.73 5.34 Despegue piel/núcleo
4 10311.66 4.16 Despegue piel/núcleo
5 12318.86 4.95 Despegue piel/núcleo
II
1 12387.09 5.00 Despegue piel/núcleo
2 12005.06 4.83 Despegue piel/núcleo
3 12532.31 5.03 Despegue piel/núcleo
4 12194.10 4.91 Despegue piel/núcleo
5 10418.65 4.18 Despegue piel/núcleo
III
1 11097.16 4.48 Despegue piel/núcleo
2 12187.83 4.90 Despegue piel/núcleo
3 9300.11 3.73 Despegue piel/núcleo
4 12080.99 4.85 Despegue piel/núcleo
5 12075.16 4.85 Despegue piel/núcleo
147 Resultados
Los modos de fallo obtenidos en este caso para los Materiales I, II y III se muestran en
la Figura 120, Figura 121 y Figura 122.
Figura 120 Modo de fallo probetas Material I y núcleo de vidrio: despegue piel/núcleo
Figura 121 Modo de fallo probetas Material II y núcleo de vidrio: despegue piel/núcleo
Figura 122 Modo de fallo probetas Material III y núcleo de vidrio: despegue piel/núcleo
6.3.3 Pelado de tambor
Los resultados del ensayo de pelado de tambor efectuados sobre los paneles de
control de procesos correspondientes se indican en la Tabla 56.
148 Resultados
Tabla 56 Resultados del ensayo de pelado de tambor
MATERIAL ESPECIMEN ALTURA DE
NÚCLEO (mm) RESISTENCIA AL PELADO (N/cm)
MODO DE FALLO
I 1
15 20.21 1
2 20.54 1
II 1
15 20.32 1
2 17.55 1
III 1
15 12.01 1
2 12.30 1
Nota: Modos de fallo: 1) 100% Delaminación 1) Delaminación con rotura parcial del núcleo (inferior al 20%) 2) Delaminación con rotura parcial del núcleo (superior al 20%)
El modo de fallo observado en todas las probetas es el mismo, 100% delaminación y
el aspecto presentado en la rotura se corresponde con el que ya fue presentado en la
Figura 113
6.3.4 Tracción simple
Los resultados correspondientes a este ensayo (resistencia a tracción y módulo de
elasticidad) obtenidos en las probetas de control de procesos se recopilan en la Tabla
57 para las tres alternativas de material autoadhesivo.
Tabla 57 Resultados del ensayo de tracción simple
MATERIAL ESPECIMEN RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (MPa)
MÓDULO DE ELASTICIDAD (GPa)
I
1 768.86 43.20
2 792.86 64.60
3 758.56 50.80
4 798.48 50.50
5 705.23 52.90
II
1 666.71 56.20
2 672.38 51.50
3 647.71 53.40
4 660.92 53.90
5 706.60 56.60
III
1 735.22 58.70
2 772.94 55.20
3 774.33 55.10
4 749.66 47.40
5 724.82 48.20
149 Resultados
6.3.5 Cuatro puntos de flexión
Se presentan a continuación tanto los resultados numéricos (Tabla 58) como las
imágenes con los modos de fallo observados en los paneles sándwich de control de
procesos sometidos al ensayo de cuatro puntos de flexión (Figura 123, Figura 124 y
Figura 125)
Tabla 58 Resultados del ensayo de cuatro puntos de flexión
MATERIAL ESPECIMEN CARGA
ÚLTIMA (N) DEFLEXIÓN
MÁXIMA (mm) MODO DE FALLO
I 1 702.52 42.06
Rotura a cortadura del núcleo y piel superior
2 851.25 41.43 Rotura a cortadura del núcleo y piel superior
II 1 858.14 43.84
Rotura a cortadura del núcleo y piel superior
2 784.59 42.57 Rotura a cortadura del núcleo y piel superior
III 1 936.38 49.89
Rotura a cortadura del núcleo y piel superior
2 979.19 49.21 Rotura a cortadura del núcleo y piel superior
Figura 123 Modos de fallo probetas Material I
Figura 124 Modos de fallo probetas Material II
Figura 125 Modos de fallo probetas Material III
150 Resultados
6.3.6 Compresión
Por último en la Tabla 59 aparecen los resultados del ensayo de compresión efectuado
en los laminados fabricados a partir de los tres materiales preimpregnados
autoadhesivos.
Tabla 59 Resultados del ensayo de compresión
MATERIAL ESPECIMEN CARGA ÚLTIMA (kN) RESISTENCIA A COMPRESIÓN (MPa)
I
1 22.275 674.26
2 21.686 658.60
3 20.708 637.98
4 21.281 640.77
5 22.340 674.76
II
1 17.844 620.87
2 19.123 659.31
3 17.955 631.91
4 19.068 679.00
5 18.484 669.18
III
1 18.131 682.91
2 19.272 737.93
3 17.185 644.82
4 17.505 656.62
5 17.965 661.73
151 Análisis y comparativa
7 Análisis y comparativa
El objetivo de este apartado es el determinar en base a toda la información recopilada,
cuál de los materiales preimpregnados autoadhesivos es más adecuado para adaptar
al proceso de fabricación de los paneles sándwich de alta temperatura. Para ello se
tienen en cuenta tanto características e incidencias observadas durante el proceso de
fabricación, como los resultados obtenidos de los ensayos no destructivos y
destructivos que fueron presentados en el Capítulo 6. Para cada uno de los aspectos
considerados se establece una ordenación de los tres materiales en base a su
comportamiento o calidad de mejor a peor.
7.1 Proceso de fabricación
La Tabla 60 es una compilación de los comentarios y observaciones realizados por los
especialistas durante el proceso de fabricación de los paneles. Para cada una de las
características consideradas en la evaluación clasificatoria se establece una
puntuación del 0 (menos adecuado) al 3 (más adecuado). Las tres alternativas se
ordenan del 1 al 3 según la suma de las puntuaciones obtenidas (1 para la máxima y 3
para la mínima).
Tabla 60 Comparativa de los parámetros de fabricación
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Acción Paneles de
ensayo Puntos
Paneles de ensayo
Puntos Paneles de
ensayo Puntos
Corte de telas + Bueno 3 - Ligero deshilachado
de telas 0 + Bueno 3
Pegajosidad + Buena 3 - Aspecto muy seco
- Baja pegajosidad
0 + Bueno 3
Moldeabilidad + Buena 3 + Buena 3
+ Buena
+ Baja flexibilidad pero
buena adaptabilidad
3
Posicionamiento de telas + Bueno 3
- El protector de las
telas debido a la baja pegajosidad dificulta la operación de apilado
1
+ Bueno
- El protector de telas
se separa con parte de la resina superficial
2
Posicionamiento de núcleo
+ Buena
adherencia. No es necesario el uso de secador
3
- Se requiere el uso de
secador
- El núcleo se desplaza
localmente durante la compactación
0 + Baja adherencia
pero no se requiere el uso de secador
2
Deformación de las telas
No observada1) - - Deformación de las
telas durante el apilado 0 No observada
1) -
Arrugas No observadas1) -
-El protector de telas se
cae durante el apilado produciendo arrugas. Relacionado con las arrugas encontradas en las macros
0 No observadas1) -
152 Análisis y comparativa
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Acción Paneles de
ensayo Puntos
Paneles de ensayo
Puntos Paneles de
ensayo Puntos
Adaptabilidad radios
+ Buena durante
el apilado
-Puenteo de los
radios (panel complejo)
1 - Baja pegajosidad 0
+ Buena durante el
apilado
- Riesgo potencial
debido a la baja flexibilidad
- Puenteo de radios
(panel complejo)
1
Desmoldeo
- Ligero springback
en la dirección opuesta a la esperada
2)
- Delaminaciones en el
radio No observado
1)
Aspecto superficial
- Pequeñas
manchas oscuras en cara útil de ambos paneles relacionadas con los malos resultados en el ensayo de estanqueidad
1
- Abundantes
manchas oscuras en cara útil correlacionadas con los malos resultados en el ensayo de estanqueidad en ambos paneles
0
- Pequeñas manchas
oscuras en la cara útil del panel complejo relacionadas con los malos resultados de estanqueidad
+ Buenos resultados
estanqueidad panel simple
2
Recanteado No realizado - No realizado - No realizado -
1) No observado/a implica que no se recibieron comentarios al respecto por parte de la planta durante el proceso de fabricación y por tanto no se dispone de evidencias durante los ensayos
2) No se disponen de medidas acerca del springback
EVALUACIÓN 1 3 2
7.2 Estanqueidad
Los tres materiales presentaron una baja resistencia a la penetración de los fluidos.
Una explicación estaría en una posible incompatibilidad entre los materiales
superficiales (adhesivo y malla de bronce) con el material estructural (prepreg de
carbono y resina epoxy).
La Tabla 61 resume los resultados de las pruebas de estanqueidad en los paneles y
clasifica las tres alternativas en función de su comportamiento en dichas pruebas. Al
igual que la sección anterior, la primera posición se otorga a la opción que presenta
mejores resultados globales.
Tabla 61 Resistencia a la estanqueidad de los fluidos
PANELES MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
SIMPLE Aceptable No aceptable Aceptable
COMPLEJO No aceptable
Fuga generalizada No aceptable
Fuga generalizada
Aceptable Fugas detectadas pero dentro de los límites permisibles
EVALUACIÓN 2 3 1
153 Análisis y comparativa
7.3 Inspección ultrasónica
Los resultados de la inspección por ultrasonidos que fueron presentados en el Capítulo
6 se encuentran íntimamente relacionados con el comportamiento en estanqueidad de
los paneles y el aspecto interno que presentan las micrografías. Esta relación se
recoge en la Tabla 62.
Tabla 62 Correlación UT con estanqueidad y micrografías
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Inspección UT.
Paneles Simples Resultado aceptable Resultado aceptable Resultado aceptable
Inspección UT.
Paneles
Complejos
Resultado aceptable
No aceptable
(Atenuación inaceptable
detectada en el radio)
Resultado aceptable
(aceptable a pesar de las
atenuaciones detectadas en
el laminado de la piel y del
radio)
Correlación de
la inspección
por ultrasonidos
con la
inspección
micrográfica
Laminado
(no presenta porosidad)
Porosidad en el laminado
(no detectada por
ultrasonidos)
Porosidad en el laminado
(detectada por ultrasonidos)
Porosidad en radio (no
detectada por ultrasonidos)
Porosidad /delaminación en
radio (detectada por
ultrasonidos)
Porosidad en radio
(detectada por ultrasonidos)
Porosidad en zona de rampa
(zona no inspeccionada por
ultrasonidos)
Porosidad en zona de rampa
(zona no inspeccionada por
ultrasonidos)
Porosidad en zona de rampa
(zona no inspeccionada por
ultrasonidos)
Correlación de
la inspección
por ultrasonidos
con el ensayo
de estanqueidad
Panel simple : aceptable Panel simple : no aceptable Panel simple : aceptable
Panel complejo: No aceptable.
Fuga generalizada
Panel complejo: No
aceptable. Fuga generalizada
Panel complejo: aceptable.
Fugas dentro de lo admisible
Porosidad
No detectada por ultrasonidos
Porosidad / Delaminación
Detectada por ultrasonidos
Porosidad
Detectada por ultrasonidos
pero aceptable
EVALUACIÓN 1 3 2
154 Análisis y comparativa
Con toda esa información se establece una clasificación de los materiales en base a
su calidad interna reflejada en los resultados de las inspecciones y sustentada por las
imágenes micrográficas.
7.4 Pesos
En la Tabla 63 se muestra el valor de peso teórico original para los dos paneles. Dicho
peso es el del panel con la configuración de telas definida en la fabricación de serie
actual, recanteado, taladrado, con sellado de cantos y primer. La configuración de
telas en la producción en serie actual se presentó en la Tabla 4 (paneles simples) y la
Tabla 5 (paneles complejos) del Capítulo 3.
Este valor de peso teórico original se actualiza con la nueva configuración de
fabricación (eliminando las capas de adhesivo que rodean el núcleo e introduciendo
las densidades de los nuevos materiales preimpregnados) pero manteniendo el resto
de condiciones (recanteado, taladrado,etc)
Comparando ambos valores de peso es posible ver cuál sería teóricamente la
alternativa que supondría una mejora de peso mayor.
Tabla 63 Mejoras teóricas de peso
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
PANEL SIMPLE COMPLEJO SIMPLE COMPLEJO SIMPLE COMPLEJO
Valor teórico original (kg)
1.813 7.420 1.813 7.420 1.813 7.420
Valor teórico con nuevos materiales (kg)
1.593 6.345 1.536 6.108 1.609 6.415
Ahorro de peso teórico
kg -0.22 -1.075 -0.277 -1.312 -0.204 -1.005
% -12.134 -14.488 -15.278 -17.682 -11.252 -13.544
EVALUACIÓN 2 1 3
A continuación se trata de ver en la práctica cuál de las tres alternativas supuso un
mayor ahorro de peso real. La Tabla 64 compara los valores de la pesada real
obtenidos en cada panel con el peso teórico esperado en los mismos. Dicho peso
teórico considera una configuración de pieza idéntica a la fabricada (sin recantear ni
taladrar, sin sellado de cantos ni primer) e introduce para cada material el valor de
densidad correspondiente. Para estimar las creces existentes como consecuencia del
no recanteo de los paneles se consideró un exceso de 15 mm de material a lo largo de
todo el contorno de las piezas.
La desviación existente entre ambos valores (teórico y real) es negativa en todos los
casos, es decir, las pesadas reales mejoran el peso teórico estimado. Sin embargo, los
requerimientos de fabricación establecen una tolerancia del ± 7% para el peso de los
155 Análisis y comparativa
paneles lo que dejaría a los Materiales I y III fuera del intervalo admisible y haría del
Material II la alternativa más adecuada.
Tabla 64 Registro de peso
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
PANEL SIMPLE COMPLEJO SIMPLE COMPLEJO SIMPLE COMPLEJO
Peso (kg) 1.66 6.6 1.62 6.3 1.68 6.6
Valor peso estimado (kg)
1.788 6.699 1.722 6.443 1.807 6.774
Desviación kg -0.128 -0.099 -0.102 -0.143 -0.127 -0,174
% -7.159 -1.478 -5.923 -2.219 -7.028 -2.568
EVALUACIÓN 3 1 2
7.5 Dimensional
Las mediciones de espesores y su desviación frente al valor teórico esperado fueron
presentadas en el Anexo I para paneles simples y complejos. Previamente a analizar
cuál sería la alternativa de material más aceptable en base a la magnitud de dichas
desviaciones hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones.
Los paneles simples se fabricaron disponiendo banda rugosa retenedora a lo largo de
todo su contorno y las desviaciones respecto a los espesores nominales registradas
son prácticamente uniformes en todos los puntos donde se efectuó la comprobación
dimensional. En los paneles complejos, tan sólo se dispuso banda rugosa en algunas
zonas determinadas del contorno. La colocación de estas bandas cambia del panel
complejo I a los paneles complejos II y III en los que sí es la misma. Esto se debe a
que este elemento de utillaje auxiliar se empleó en base al criterio y la experiencia de
la persona responsable del apilado de las telas del panel en cuestión.
Observando las desviaciones detectadas en los espesores medidos en los paneles
complejos, se extrae que en aquellas zonas en las que sí se utilizó banda rugosa, las
desviaciones obtenidas son del mismo orden que las obtenidas para el panel simple
del mismo material, mientras que las obtenidas fuera de la zona de banda rugosa son
inferiores.
Para poder obtener unas desviaciones máximas y mínimas de espesores en los
paneles complejos significativas a la hora de comparar con las de los paneles simples,
se consideran por tanto únicamente en el cálculo los puntos correspondientes a zonas
donde se dispuso banda rugosa retenedora. El resultado de todo este análisis se
presenta en la Tabla 65.
156 Análisis y comparativa
Tabla 65 Evaluación dimensional
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo
Desviaciones paneles simples (%)
-24.3 -28.6 -2.2 -9.9 -17.2 -19.2
Desviaciones paneles complejos (%)
-21.0 -28.1 -3.8 -9.7 -17.0 -22.3
Desviación media observada
-25.5 -6.4 -18.9
EVALUACIÓN 3 1 2
En la fabricación en serie de estos paneles (tanto los simples como los complejos), las
máximas desviaciones de espesor admisibles son de un ± 7%. Por lo tanto ninguno de
los materiales preimpregnados permite obtener unas desviaciones de espesores
admisibles en las zonas de pista de los paneles.
Las desviaciones obtenidas en las zonas donde no se situó la banda rugosa y que no
se consideraron en el cálculo son inferiores pero tampoco se encuentran dentro del
intervalo de tolerancia permitido.
A fin de obtener mayor información, se realiza un segundo análisis usando los
espesores de los paneles de control de procesos monolíticos o laminados (cortadura
interlaminar, tracción simple y compresión) en orden de evaluar la influencia de la
tipología de la pieza (monolítica o sándwich) cuando el resto de circunstancias de
fabricación son las mismas (mismo ciclo, mismos materiales auxiliares empleados,
etc.)
Para ello se toman los valores de espesores medios de estos paneles y se comparan
con los espesores teóricos que les corresponderían en base al material y el número de
capas con las que se fabricaron (indicados en el Capítulo 3 Tabla 3). Estos datos se
resumen en la Tabla 66.
Tabla 66 Espesores paneles monolíticos de control de procesos
MATERIAL
I MATERIAL
II MATERIAL
III
Espesores teóricos paneles cortadura interlaminar
2.142 2.110 2.133
Espesores reales paneles cortadura interlaminar 2.214 2.314 2.168
Espesores teóricos paneles tracción simple 2.380 2.110 2.133
Espesores reales paneles tracción simple 2.564 2.338 2.210
Espesores teóricos paneles compresión 2.380 2.110 2.133
Espesores reales paneles compresión 2.618 2.276 2.126
157 Análisis y comparativa
Analizando los espesores de los paneles de control de procesos se observan
diferencias significativas entre los espesores reales obtenidos en los paneles de
tracción simple y compresión fabricados a partir del Material I con los fabricados con
los Materiales II y III. Tras revisar las órdenes de producción de dichos paneles se
detectó el problema; fueron fabricados con una configuración de 10 telas de prepreg
en lugar de 9 tal y como se hizo en el panel de cortadura, de ahí el gran salto de
espesor existente de unos paneles a otros.
La Tabla 67 muestra las desviaciones frente al espesor teórico para cada uno de los
laminados y materiales. En todos los casos son desviaciones positivas es decir sobre-
espesores. Se tiene pues, el caso contrario al observado en las zonas de laminado de
los paneles sándwich donde se observaba una pérdida de espesor generalizada en la
zona.
Tabla 67 Evaluación dimensional paneles laminado sólido
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Desviaciones paneles cortadura interlaminar (%) +3.36 +9.67 +1.64
Desviaciones paneles tracción simple (%) +7.73 +10.80 +3.61
Desviaciones paneles compresión (%) +10.0 +7.87 -0.33
Desviación media (%) +7.03 +9.45 +1.64
EVALUACIÓN 2 3 1
En la Tabla 68 se calcula cuál fue la desviación media de espesor encontrada por
proceso y qué intervalo de desviación frente al valor nominal se obtuvo para cada
material considerándose tanto menos adecuado cuanto mayor sea dicho intervalo.
Tabla 68 Evaluación dimensional por proceso (monolítico/sándwich)
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Panel laminado
Individual (%)
+3.36 +7.73 +10.0 +9.67 +10.80 +7.87 +1.64 +3.61 -0.33
Media (%) +7.03 +9.45 +1.64
Panel sándwich simple
Mínima (%)
-24.3 -2.2 -17.2
Máxima (%)
-28.6 -9.9 -19.2
Panel sándwich complejo
Mínima (%)
-21.0 -3.8 -17.0
Máxima (%)
-28.1 -9.7 -22.3
Panel sándwich
Media (%) -25.5 -6.4 -18.9
Amplitud intervalo de desviación (de laminado a sándwich) (%)
32.53 15.85 20.54
EVALUACIÓN 3 1 2
158 Análisis y comparativa
Tras todas las evaluaciones realizadas la clasificación final de los materiales
autoadhesivos en función de su calidad dimensional se resume en la Tabla 69.
Tabla 69 Evaluación calidad dimensional
MATERIAL
I MATERIAL
II MATERIAL
III
Dispersión en las medidas 3 1 2
Desviación respecto al espesor nominal
Laminado 2 3 1
Sándwich 3 1 2
EVALUACIÓN 3 1 2
7.6 Contenido en fibra, resina y huecos
Resulta necesario a la hora de evaluar la calidad interna de los paneles analizar el
porcentaje de resina en peso obtenido en las muestras extraídas ya que se dispone de
un requerimiento para este valor que fue suministrado por cada uno de los
proveedores de material preimpregnado.
De este modo, en la Tabla 70 se estudia cuáles fueron las desviaciones registradas
frente a cada valor nominal proporcionado. Junto a estos valores se presenta también
un importante indicador de calidad interna como es el porcentaje en volumen de
huecos obtenido.
Tabla 70 Análisis resultados ensayo según UNE EN 2564
MATERIAL PROPIEDAD Contenido en
peso de resina1)
Contenido en volumen de
huecos
I
Panel simple Valor medio 29.93 0.87
Desviación -33.5 +0.87
Panel complejo Valor medio 32.19 0.53
Desviación -28.5 +0.53
II
Panel simple Valor medio 38.35 0.89
Desviación -10.8 +0.89
Panel complejo Valor medio 38.46 0.79
Desviación -10.6 +0.79
III
Panel simple Valor medio 37.06 0.73
Desviación -15.8 +0.73
Panel complejo Valor medio 37.06 0.69
Desviación -15.8 +0.69
1) Los valores de referencia para el contenido de resina suministrados por los fabricantes son:
Material I: 45% Material II: 43% Material III:44%
159 Análisis y comparativa
Todas las desviaciones respecto al porcentaje en peso nominal de resina son
negativas en todos los paneles lo cual está estrechamente relacionado con los bajos
espesores registrados en la zona de pistas. A mayor desviación del porcentaje de
resina en peso, menores espesores. Por este motivo la clasificación de los materiales
en cuanto a calidad dimensional y en cuanto a contenido en resina es coincidente.
El contenido en huecos es similar en los tres materiales y se encuentra por debajo del
2% que es el máximo porcentaje de porosidad que se considera admisible en un
laminado sólido de material compuesto.
Tabla 71 Evaluación de los contenidos en resina y huecos
PROPIEDAD MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Contenido en peso de resina (%) 31.06 38.41 37.06
Desviación del contenido teórico de resina (%)
-31 -10.7 -15.8
Contenido en huecos (%) 0.70 0.84 0.71
EVALUACIÓN 3 1 2
7.7 Temperatura de transición vítrea
Como se indica en la Tabla 72 se comprueba que se cumple el requerimiento existente
para los materiales preimpregnados de curado a alta temperatura que implica que la Tg
ONSET debe ser como mínimo 160ºC en las tres alternativas de material. Por cumplirse
en los tres casos, las tres alternativas se consideran idénticamente válidas en lo
referente a este parámetro.
Tabla 72 Temperaturas de transición vítrea
PROPIEDAD MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Temperatura de transición vítrea Tg ONSET (ºC)
205.03 184.07 173.46
EVALUACIÓN 1 1 1
7.8 Imágenes macro/micrográficas
La inspección macro/micrográfica de los paneles se realizó de cara a comprobar la
existencia de toda una serie de posibles defectos que afectan a la calidad interna de
las piezas. La Tabla 73 considera los defectos más significativos y si fueron
detectados o no durante la inspección a la vez que establece una clasificación de los
materiales en función de su calidad interna.
160 Análisis y comparativa
Tabla 73 Evaluación de la calidad interna
CARACTERÍSTICA MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Porosidad
Laminado (no presenta porosidad)
Porosidad en radio
Porosidad en zona de rampa
Ligera porosidad en laminado
Porosidad en radio
Porosidad en zona de rampa
Porosidad en laminado
Porosidad en radio
Porosidad en zona de rampa
Delaminación No observada Observada en el radio del
panel complejo No observada
Ondulación de fibras, arrugas
No observadas excepto: - Cerca de los límites del
núcleo y las áreas de chaflán
- Radio (panel complejo)
No observadas excepto: - Cerca de los límites del
núcleo y las áreas de chaflán
- Radio (panel complejo)
No observadas
Orientación de las fibras
Correcta Correcta Correcta
Telegraphing Observado en todos los
paneles Observado en todos los
paneles Observado en todos los
paneles
Rotura de celdillas
No observada. (Solo colapso de núcleo en
el panel complejo en la zona donde no se dispuso
banda rugosa)
No observada. Solo alguna rotura/
separación de las paredes de las celdillas en el panel
complejo
No observada
Acumulaciones de resina
Observada entre el laminado y el núcleo (inicio
de la zona de rampa)
No observada (ligera presencia entre el laminado y el núcleo al
inicio de la zona de rampa)
Observada entre el laminado y el núcleo (inicio de la zona de
rampa)
EVALUACIÓN 1 3 2
Cabe destacar que la porosidad en los laminados de la zona de pistas no se considera
relevante puesto que no fue detectada por ultrasonidos y que el contenido en volumen
de poros se halla por debajo del máximo valor admisible para este parámetro. La
porosidad más relevante fue aquella detectada por ultrasonidos en el radio del Panel
Complejo II.
161 Análisis y comparativa
En cuanto a las acumulaciones de resina detectadas en la zona de rampa están
relacionadas con la desviación del valor nominal en peso de resina detectado en el
laminado y la pérdida de espesor.
Una característica muy importante en la evaluación de las propiedades adhesivas del
preimpregnado es la formación de menisco por parte de la resina del prepreg en la
interfase de unión piel/núcleo. La calidad de dicha unión es altamente dependiente de
la forma y el tamaño del menisco creado.
Figura 126 Formación de meniscos en paneles sándwich
Una curva de resina se forma en la interfase entre el laminado y las paredes de las
celdillas del núcleo honeycomb a medida que la viscosidad desciende con el aumento
de la temperatura que tiene lugar durante el proceso de curado. La resina experimenta
un fenómeno de capilaridad formándose un menisco entre la piel y la celdilla del
núcleo “honeycomb”. La resina cura en esta forma originándose un arco o curva.
Figura 127 Detalle menisco resina
Por tanto, adicionalmente a la obtención de las imágenes macro/micrográficas se
efectuó una medición de los meniscos formados en caras bolsa y útil para cada uno de
los materiales en estudio. La Tabla 74 analiza las características que son
determinantes en la calidad de la unión.
162 Análisis y comparativa
Tabla 74 Evaluación de la calidad de la interfase piel/núcleo
MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Panel simple Panel
complejo Panel simple
Panel
complejo Panel simple
Panel
complejo
Cara bolsa
Cara útil
Formación
menisco
resina
+ Buena
formación (caras bolsa & útil)
+ Misma altura
en meniscos izquierdo y derecho
+ Formación de
menisco (caras bolsa & útil)
- Diferente altura
en meniscos izquierdo y derecho
- Pobre
formación de meniscos (caras bolsa & útil)
- Diferente altura
en meniscos izquierdo y derecho
- Pobre
formación de meniscos (caras bolsa & útil)
- Diferente altura
en meniscos izquierdo y derecho
- Pobre
formación de meniscos (caras bolsa & útil)
+ Misma altura
en meniscos izquierdo y derecho
+ Inconsistente
formación de meniscos
- Diferente altura
en meniscos izquierdo y derecho
Distorsión de las celdillas
+ Sin distorsión
en las celdillas
- Distorsión
global y telegraphing
+ Sin distorsión
en las celdillas
- Distorsión
global y telegraphing
+ Sin distorsión
en las celdillas
- Distorsión
global y telegraphing
Sangrado de resina
- Elevado
sangrado de resina de cara bolsa a cara útil
- Elevado
sangrado de resina de cara bolsa a cara útil
- No existe flujo
de resina (pobre formación de menisco)
- No existe flujo
de resina (pobre formación de menisco)
- No existe flujo
de resina (pobre formación de menisco)
- Elevado
sangrado de resina de cara bolsa a cara útil
EVALUACIÓN 1 3 2
7.9 Pelado de tambor
El ensayo de pelado de tambor se efectuó tanto en paneles simples y complejos como
en los paneles de control de procesos con el fin de evaluar las propiedades adhesivas
de los materiales preimpregnados en base a los resultados obtenidos de resistencia al
pelado y a los modos de fallo observados.
Para las probetas obtenidas de los paneles simples y complejos, si se tiene en cuenta
el modo de fallo reportado en el Capítulo 6, sección 6.2.4 en relación a la altura del
núcleo de la probeta ensayada, se observa que para los especímenes con alturas de
núcleo inferiores a la recomendada en la normativa empleada UNE EN 2243-3 (>12
mm) los resultados obtenidos no resultan representativos ya que el modo de fallo
presenta una rotura parcial del núcleo. En los resultados de resistencia obtenidos para
esos modos de fallo es más significativo el aporte de resistencia del núcleo en lugar de
la adhesividad aportada por la unión laminado/ núcleo.
163 Análisis y comparativa
Para realizar una valoración de las propiedades adhesivas a partir de los resultados
obtenidos en el ensayo, en el caso de los paneles complejos se obviaron los
resultados obtenidos en los especímenes con una altura de núcleo baja (5 mm) y tan
sólo se mantuvieron los resultados correspondientes a los núcleos de altura de 11 mm
siempre y cuando el modo de fallo no implicase rotura del núcleo. Debido a esta
condición no pudieron considerarse los valores del panel complejo para el caso del
Material I ya que el modo de fallo en el núcleo de 11 mm supuso una rotura parcial de
este.
Tabla 75 Evaluación de la resistencia al pelado
PANEL ALTURA (mm) MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
SIMPLE 15 18.7 15.0 11.9
COMPLEJO 11 - 17.2 17.1
CONTROL 12,7 20.4 18.9 12.2
EVALUACIÓN 1 2 3
No se dispone de unos requerimientos de resistencia al pelado para estos materiales
sin embargo, un valor de referencia para materiales autoadhesivos de curado a alta
temperatura son 27 N/cm. Por lo tanto todas las alternativas estarían por debajo de
dicho requerimiento como se muestra en la Figura 128.
Figura 128 Resistencia al pelado frente al requerimiento
164 Análisis y comparativa
7.10 Cortadura interlaminar
El objetivo de este ensayo mecánico era determinar la resistencia a la delaminación
bajo fuerzas de cortadura paralelas en los laminados sólidos fabricados a partir de las
tres alternativas de material preimpregnado autoadhesivo.
Puesto que no se dispone de requerimientos de resistencia a cortadura interlaminar
“aparente” para los materiales autoadhesivos, se opta por comparar los valores
mínimos y medios contra el criterio de aceptación actualmente empleado en los
controles de procesos para paneles de cortadura de alta temperatura (55 MPa
requerimiento mínimo individual y 60 MPa requerimiento mínimo en media). Todos los
valores cumplirían con los requerimientos exigidos como puede verse en la Figura
129.
Figura 129 Resistencias a cortadura interlaminar “aparente” individual y media frente a
requerimientos
Las tres alternativas de material preimpregnado autoadhesivo resultan igual de
aceptables ya que todas ellas cumplen los requerimientos.
Tabla 76 Evaluación del ensayo de cortadura interlaminar
PROPIEDAD UNIDAD MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Mínimo Medio Mínimo Medio Mínimo Medio
Carga última N 1897.27 1957.57 2026.67 2108.44 1680.23 1823.85
Resistencia a cortadura interlaminar “aparente”
MPa 63.21 65.91 66.43 68.14 58.06 62.94
Modo de fallo Conforme
Cortadura múltiple /flexión
Conforme Cortadura múltiple
/flexión
Conforme Cortadura múltiple
/flexión
EVALUACIÓN 1 1 1
165 Análisis y comparativa
7.11 Tracción plana
Este ensayo mecánico permite evaluar el nivel de autoadhesión de los materiales
preimpregnados bajo estudio al núcleo por medio de la resistencia a la tracción sobre
el lado plano desarrollada en la unión piel/ núcleo.
Tabla 77 Evaluación del ensayo de tracción plana
PROPIEDAD UNIDAD MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Mínimo Medio Mínimo Medio Mínimo Medio
Resistencia a tracción plana (núcleo de papel)
MPa 3.28 3.42 2.59 2.82 3.27 3.40
Modo de fallo (núcleo de papel) Rotura de núcleo Despegue
piel/núcleo + rotura de núcleo
Rotura de núcleo
EVALUACIÓN 1 3 1
Los modos de fallo presentados por los Materiales I y III son válidos ya que consisten
en una rotura del núcleo de papel de poliamida lo que implica que el valor de
resistencia a tracción plana registrado es debido tan solo a la resistencia ejercida por
el núcleo mientras que la resistencia de la unión piel/núcleo tendría un valor superior
Para el caso del Material II, la rotura mixta presentada se considera no válida ya que
no permite evaluar cuál fue la influencia de la rotura del núcleo en el valor de
resistencia registrado.
Puesto que el papel de poliamida es el material empleado en la fabricación de los
paneles de serie, es la adhesividad de los materiales preimpregnados a este tipo de
núcleos la que se evalúa y tiene en cuenta en la clasificación global de las tres
alternativas. No obstante, a fin de obtener más información sobre el valor de la
resistencia a tracción plana de las tres posibles uniones, se fabricaron unos paneles
de control de proceso adicionales empleando un núcleo de vidrio en lugar de uno de
papel. En este caso, dado que el núcleo empleado presenta una mayor resistencia, el
fallo de las probetas tiene lugar por despegue de la unión piel/núcleo y es posible
evaluar la resistencia a la tracción plana de la misma.
Tabla 78 Evaluación paneles de control adicionales
PROPIEDAD UNIDAD MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Mínimo Medio Mínimo Medio Mínimo Medio
Resistencia a tracción plana (núcleo de vidrio)
MPa 3.90 4.57 4.18 4.79 4.48 4.67
Modo de fallo Despegue piel/núcleo
Despegue piel/núcleo
Despegue piel/núcleo (*)
(*) Sólo en 2/5 probetas, en las 3 restantes parte del núcleo se fracturó
166 Análisis y comparativa
Para el Material III se descartaron las probetas en las que parte del núcleo se fracturó.
Como medida de referencia para comprobar si la resistencia a la tracción plana de la
unión obtenida resulta aceptable se utilizan los requerimientos mínimo y medio
actualmente utilizados para dar conformidad al control de procesos de tracción plana
del material autoadhesivo de curado a baja temperatura. (4.0 MPa requerimiento
mínimo individual y 4.5 MPa requerimiento mínimo en media).
En la Figura 130 puede verse como la combinación del Material II con el núcleo de
vidrio sería la que permite obtener unos mejores resultados de resistencia, sin
embargo en el panel de control de proceso del Material II con el núcleo de papel de
poliamida esta fue la peor opción implicando un despegue de la unión a resistencias
muy bajas.
Figura 130 Resistencias a tracción plana individual y media frente a requerimientos
7.12 Tracción simple
El ensayo mecánico de tracción plana efectuado proporciona información acerca de
las propiedades de resistencia a la tracción simple y del módulo de elasticidad de los
laminados fabricados a partir de los tres materiales autoadhesivos objeto de estudio
del presente Proyecto.
Para evaluar si el comportamiento en tracción de los laminados es o no satisfactorio se
comprueba que todos ellos cumplan los requerimientos de resistencia a tracción
actualmente exigidos a los materiales preimpregnados de alta temperatura (475 MPa
requerimiento mínimo individual y 500 MPa requerimiento mínimo en media) así como
los requerimientos para el módulo de elasticidad a tracción (que debe estar
comprendido entre 47 y 63 GPa).
167 Análisis y comparativa
Figura 131 Resistencias a tracción simple individual y media frente a requerimientos
Figura 132 Módulo de elasticidad frente a requerimientos
Las tres alternativas de material preimpregnado autoadhesivo resultan igual de
aceptables ya que todas ellas cumplen los requerimientos.
Tabla 79 Evaluación del ensayo de tracción simple
PROPIEDAD UNIDAD MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Mínimo Medio Mínimo Medio Mínimo Medio
Resistencia a tracción simple
MPa 705.23 764.80 660.92 670.86 724.82 751.39
Módulo de elasticidad GPa 43.20 52.4 51.50 54.32 47.40 52.92
EVALUACIÓN 1 1 1
168 Análisis y comparativa
7.13 Cuatro puntos de flexión
Al igual que los ensayos mecánicos de pelado de tambor y de tracción plana, este
ensayo permite evaluar las propiedades de adhesividad del material preimpregnado
autoadhesivo al núcleo a través de los resultados obtenidos de carga última soportada
por el panel sándwich así como la máxima deflexión que es capaz de experimentar
hasta rotura.
Para efectuar la evaluación se comprueba si el requerimiento de carga última a flexión
exigido en paneles sándwich de alta temperatura (valor mínimo de 1300 N) se cumple.
Tal y como se deduce de la Figura 133 ninguno de los materiales alcanza los valores
de carga última requeridos.
Figura 133 Carga última frente a requerimiento
A la luz de los resultados obtenidos las tres opciones de material autoadhesivo
presentan un comportamiento similar e igualmente inadecuado en lo que a
comportamiento a flexión se refiere.
Tabla 80 Evaluación del ensayo de cuatro puntos de flexión
PROPIEDAD UNIDAD MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Mínimo Medio Mínimo Medio Mínimo Medio
Carga última N 702.52 776.88 784.59 821.37 936.38 957.79
Deflexión mm 41.43 41.75 42.57 43.21 49.21 49.55
Modo de fallo
Rotura a cortadura del núcleo y piel
superior
Rotura a cortadura del núcleo y piel
superior
Rotura a cortadura del núcleo y piel
superior
EVALUACIÓN 3 3 3
169 Análisis y comparativa
7.14 Compresión
Con este ensayo mecánico se verifican las propiedades a compresión de un laminado
unidireccional fabricado a partir de cada una de las alternativas de material
preimpregnado autoadhesivo.
Como valores de referencia frente a los que comparar la resistencia a compresión
obtenida se toman los requerimientos de resistencia a compresión actualmente
exigidos para los laminados de preimpregnado carbono/epoxy de alta temperatura
(requerimiento mínimo individual 500 MPa; requerimiento mínimo en media 550 MPa).
Todos los valores obtenidos en los laminados de los tres materiales autoadhesivos se
encuentran por encima de los requerimientos (ver Figura 134) lo que convierte a las
tres alternativas en igualmente adecuadas en el comportamiento a compresión.
Figura 134 Resistencia a compresión individual y media frente a requerimientos
Tabla 81 Evaluación del ensayo de compresión
PROPIEDAD UNIDAD MATERIAL I MATERIAL II MATERIAL III
Mínimo Medio Mínimo Medio Mínimo Medio
Resistencia a compresión
MPa 637.98 657.27 620.87 652.05 644.82 676.80
EVALUACIÓN 1 1 1
170 Análisis y comparativa
171 Conclusiones
8 Conclusiones
A la vista de todos los resultados obtenidos es posible concluir que no se alcanzarían
los niveles de calidad actualmente exigidos para los paneles de serie fabricándolos
con ninguna de las tres alternativas de material autoadhesivo introduciéndolos dentro
del proceso de fabricación actualmente definido en la planta para los paneles de alta
temperatura (manteniendo el resto de materiales tanto estructurales como auxiliares,
utillaje, ciclo de curado, etc). Las discrepancias obtenidas frente a los valores
nominales definidos según plano tanto para espesores como para peso resultan
intolerables de cara a la producción en serie de estos paneles ya que implican
reducciones de la capacidad portante de carga de los mismos
Sin embargo resulta conveniente concluir de las tres alternativas cuál fue la que
obtuvo mejores resultados considerando el proceso global de cara a analizar qué tipo
de problemas presenta y cuáles aspectos habrían de ser modificados para conseguir
mejoras en la calidad final de las piezas fabricadas. La clasificación final para los tres
preimpregnados autoadhesivos se resume en la Tabla 82.
Tabla 82 Clasificación global materiales preimpregnados
CARACTERÍSTICA MATERIAL
I MATERIAL
II MATERIAL
III
PROCESO DE FABRICACIÓN 1 3 2
PRUEBA DE ESTANQUEIDAD 2 3 1
INSPECCIÓN POR ULTRASONIDOS 1 3 2
PESOS 3 1 2
ESPESORES 3 1 2
%RESINA, %HUECOS 3 1 2
TEMPERATURA DE TRANSICIÓN VÍTREA 1 1 1
ASPECTO MICROGRÁFICO 1 3 2
FORMACIÓN MENISCOS 1 3 2
COMPORTAMIENTO A PELADO 1 2 3
COMPORTAMIENTO A CORTADURA INTERLAMINAR
1 1 1
COMPORTAMIENTO A TRACCIÓN PLANA 1 3 1
COMPORTAMIENTO A TRACCIÓN SIMPLE 1 1 1
COMPORTAMIENTO A FLEXIÓN 3 3 3
COMPORTAMIENTO A COMPRESIÓN 1 1 1
TOTAL 24 30 26
CLASIFICACIÓN GLOBAL 1 3 2
172 Conclusiones
En base a las puntuaciones obtenidas, el Material I fue el que obtuvo unos mejores
resultados seguido de los Materiales III y II.
Desde el punto de vista de fabricación, el Material I presenta algunas características
superiores a las del material actualmente empleado en la fabricación en serie, entre
otras la moldeabilidad, la capacidad de posicionamiento (levantamiento de capas y
reposicionamiento de las mismas) y la mejor adaptación de telas conseguida en las
zonas de radio.
Sin embargo, en lo que a calidad interna final de las piezas se refiere, a pesar de
liderar la clasificación se trata del Material que mayores desviaciones de espesores /
peso presentó. Estas divergencias se encuentran en consonancia con la notable
desviación obtenida en las zonas de laminado del porcentaje de resina en peso
respecto al porcentaje teórico de la que partía el material.
Una de las principales razones para esta desviación podría hallarse en las
discrepancias existentes entre el ciclo de curado teórico definido para este Material por
su proveedor, y el ciclo que fue empleado en la fabricación de los paneles (el definido
en la planta para los paneles de curado a alta temperatura). La diferencia fundamental
entre ambos consiste en el número de etapas en las que se realiza el curado de la
resina. En la propuesta teórica, el curado se realiza en dos etapas, un primer escalón
de residencia y un segundo de curado propiamente dicho, mientras que en el ciclo de
planta utilizado, el curado se efectúa en una sola etapa a la máxima temperatura de
curado posible.
En los ciclos de doble escalón, durante el primer escalón de “dwell” o residencia se
mantiene la resina epoxy a una temperatura por debajo de su temperatura de curado
por un periodo especifico de tiempo con el fin de producir un determinado grado de
activación. El principal motivo para definir este tipo de intervalo es el de controlar el
flujo de la resina del material preimpregnado. Esto explicaría que el someter el Material
I a un ciclo de curado que elimina esta etapa y que somete el material directamente a
la máxima temperatura de curado, traiga consigo consecuencias negativas en cuanto
al comportamiento de la misma. Además para el caso que nos ocupa, el escalón de
“dwell” propuesto se haría sin aplicación de presión, mientras que en el ciclo de curado
realizado, el Material I se sometió a la máxima presión de curado (45 psig)
prácticamente desde el inicio del ciclo.
Como consecuencia, se observa un flujo significativo de la resina de las telas de
preimpregnado de las telas que conforman el laminado hacia las zonas de rampa de
los paneles sándwich originándose acumulaciones en las primeras celdillas de la zona
de transición. Esto se traduce en una disminución del espesor en las zonas de
laminado sólido.
Cabe destacar que dicha disminución de encuentra influenciada por el uso de bandas
rugosas. La utilización de este tipo de elemento de utillaje auxiliar colocado en las
inmediaciones del borde de las piezas, a pesar de resultar generalmente beneficioso a
la hora de minimizar defectos como el recogimiento de los núcleos y también contribuir
positivamente a la hora de conseguir los espesores requeridos, en este caso sin
173 Conclusiones
embargo hace que se tengan reducciones de espesor aún mayores lo que constituye
un efecto no deseado.
La explicación se haya en que su presencia minimiza el flujo de resina desde los
bordes de la pieza hacia las zonas de rampa por lo que la resina que se acumula en
estas zonas ha fluido no desde el borde sino desde una zona situada más al interior
del laminado, que además es coincidente con la zona donde se realiza la inspección
dimensional que es la que vería más reducido su espesor. En ausencia de banda
rugosa, el flujo de resina hacia las zonas de rampa tiene lugar desde los bordes de la
pieza hacia dentro hasta la transición con el núcleo, lo que hace que la disminución de
espesor experimentada en la zona donde se inspecciona dimensionalmente la pieza
sea menor.
En efecto, del análisis de resultados de la inspección dimensional, se observa que la
disminución de espesor experimentada es mayor en aquellas zonas del Panel
Complejo I donde se introdujo banda rugosa en el contorno y resultan del mismo orden
que las existentes en el Panel Simple I donde la banda se dispuso en todo el perímetro
de las piezas. Esas pérdidas de espesor no son aceptables ya que supondrían una
drástica disminución de los admisibles de carga que se requieren en estos paneles.
El pobre comportamiento a estanqueidad de los fluidos presentado por los paneles
fabricados con este Material también se halla relacionado con las fugas de resina.
Una posible causa del aumento de las mismas podría estar en la incompatibilidad
entre los materiales superficiales (adhesivo y malla de bronce) con el preimpregnado
autoadhesivo. No obstante, esta hipótesis habría de ser demostrada.
En cuanto a los niveles de porosidad presentados, otro de los factores clave en cuanto
a calidad interna de una pieza, la observada en todos los paneles durante la
inspección micrográfica no resulta significativa puesto que no es detectable por
ultrasonidos y no comprometería el comportamiento estructural de las piezas.
Asimismo los resultados para el volumen de huecos en las zonas laminadas resultan
aceptables.
Otro de los problemas encontrados en las piezas fabricadas en este Material,
concretamente en el Panel Complejo I fue el recogimiento de núcleos. Este defecto se
dio en una de las zonas donde fue omitido el uso de banda rugosa lo que unido al
hecho de que el ciclo de curado empleado implica aplicar unos niveles de presión muy
superiores y en un estado del curado del Material anterior al teóricamente
recomendado favoreció la aparición de este fenómeno. El también presente
“telegraphing” podría ser otra consecuencia negativa de la aplicación excesiva de
presión durante las primeras etapas del curado.
A la hora de certificar las propiedades autoadhesivas, la observación de los meniscos
originados por la resina del preimpregnado en la interfase núcleo/ revestimientos
resulta un parámetro de relevancia significativa. En el caso del Material I, la formación
de meniscos resultó satisfactoria tanto en lo que a morfología como tamaño de los
mismos se refiere por lo que es posible garantizar una correcta adhesión entre ambos
componentes. Los resultados de resistencia de la unión al pelado que se obtuvieron en
174 Conclusiones
las pruebas de pelado tambor en paneles simples y complejos, no resultan del todo
significativos debido a las diferencias existentes con la configuración de probeta de
pelado definida en la normativa en cuanto a materiales y dimensiones (espesor de
núcleo). Los requerimientos de resistencia al pelado generalmente definidos en las
especificaciones de los materiales preimpregnados se refieren a probetas que
respetan exactamente esa configuración (núcleos metálicos y espesor de 12.7 mm).
Los valores obtenidos en paneles de control de procesos que resultan los más
similares a los paneles estándar de la normativa se encuentran más próximos a dicho
requerimiento.
Los resultados de la resistencia de la unión a tracción plana obtenidos permiten
demostrar que para el caso de los núcleos generalmente empleados en los paneles
(papel de poliamida), la resistencia generada en la unión es mayor que ofrecida por el
núcleo por lo que el fallo de producirse lo haría por este y no por la interfase tal y como
se desea.
Finalmente para el resto de ensayos mecánicos efectuados los resultados fueron
globalmente aceptables a excepción de los del ensayo de cuatro puntos de flexión.
Hay que destacar sin embargo que no se disponía de admisibles o requerimientos
específicos para materiales preimpregnados de alta temperatura por tratarse de
materiales en fase aún experimental.
En resumen, se deduce que las diferencias existentes entre el ciclo de curado teórico
propuesto por el fabricante para este material y el ciclo de curado disponible en la
planta, tienen una influencia significativa en el aspecto y la calidad finales de la pieza
fabricada.
En caso de que se decidiese apostar por implantar esta alternativa y continuar con la
calificación del Material para su uso en la planta, resultaría fundamental ahondar en el
estudio de varios factores:
Influencia de la presencia del escalón de residencia o “dwell” en las
propiedades del Material I prestando especial atención a la fluidez observada
en la resina.
Influencia de los niveles de presión a los que se somete el material durante el
curado en su comportamiento durante el mismo prestando especial atención a
sus efectos en la fluidez de la resina.
Influencia de la utilización de banda rugosa retenedora en los espesores
obtenidos en las pistas así como en el recogimiento de los núcleos de los
paneles.
Compatibilidad del material preimpregnado autoadhesivo (Material I) con el
adhesivo superficial y malla de bronce actualmente utilizados.
175 Conclusiones
Solicitación de valores admisibles para los ensayos mecánicos a modo de
poder verificar si los resultados obtenidos resultan aceptables.
Todo apunta a que la mejor solución posible para conseguir un mejor comportamiento
del Material I sea realizar modificaciones sobre el ciclo de curado de alta temperatura
dividiendo la etapa de polimerización o curado en dos escalones. La suma de los
máximos tiempos de estabilización de los dos escalones en el ciclo teórico del Material
I es del orden del máximo tiempo de estabilizacion definido en el ciclo de alta de la
planta. Por otra parte, la suma de los dos máximos de tiempo de calentamiento en dos
escalones es inferior al máximo permitido en el de un escalón por lo que sustituir un
ciclo por otro no supondría incrementar los tiempos de curado en autoclave necesarios
ya que prácticamente coincidirían con los actualmente existentes en la producción en
serie.
Para descartar cualquier posible incompatibilidad entre los materiales superficiales
(adhesivo y malla de bronce) y el Material I resultaría interesante consultar cuáles son
las recomendaciones del proveedor en cuanto a estos y efectuar pruebas para
determinar si el comportamiento en estanqueidad se ve comprometido en ese caso.
Finalmente, para conseguir mejores espesores una posible alternativa sería introducir
refuerzos de material preimpregnado en las zonas de pista de los paneles. No se trata
de la solución más deseable ya que introducir nuevas telas supondría aumentar el
peso y ese es el factor que se buscaba reducir desde un principio. Sin embargo, sería
interesante comprobar si el incremento de peso experimentado al añadir prepreg en la
zona de pistas seguiría siendo inferior al que supondría mantener el adhesivo en las
interfases núcleo/piel. Esta solución debería ser consensuada con Oficina Técnica e ir
respaldada por un análisis desde el punto de vista de Cálculo ya que modificaría los
admisibles de resistencia de los paneles.
176 Conclusiones
177 Referencias bibliográficas
Referencias bibliográficas
1. Jim Kindinger, Hexcel Composites (2001). Chapter: Lightweight structural
cores. ASM Handbook.Volume 21. Composites. (página 458). The Materials
Information Company.
2. (Febrero 2014). “Opportunities for Composites in the Global Aerospace Market
2014-2033” Research and Markets Magazine.
3. (Enero 2013) Hexply® Prepreg Technology. Publicación Nº FGU 017c.
©Hexcel Corporation.
4. Department of Defense Handbook. (2002). Chapter 2.7.8 Adhesive bonding.
MIL Handbook 17 Volume 3. Polymer Matrix Composites: Materials: usage,
design and analysis. (página 104).
5. Sanjay K. Mazumdar, Ph.D. (2002). Chapter 6.8. Manufacturing Processes for
Thermoset Composites. Composites Manufacturing. Materials, products and
process engineering. (página 33). CRC Press.
6. Accesorios para laminar con bolsas de vacío. JCM. Suministros industriales
para la manufactura del vidrio. http://jcm.es/productos/eva/sellado-de-vidrio-
laminado-bajo-vacio/
7. Department of Defense Handbook. (2002). Chapter 2.10 Process Control. MIL
Handbook 17 Volume 3. Polymer Matrix Composites Materials: usage, design
and analysis. (página 59).
8. Figueras, Jordi. El composite como material a mecanizar. (08/06/2012). IK4-
Ideko.http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/80996-El-
composite-como-material-a-mecanizar.html
9. Ensayo no destructivo. http://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_no_destructivo
10. C. Ibarra-Castanedo, F. Marcotte, M. Genest, L. Brault, V. Farley and X. P. V.
Maldague. (2012). Detection and characterization of water ingress in
honeycomb structures by passive and active infrared thermography using a
high resolution camera. 11th International Conference on Quantitative InfraRed
Thermography.
11. García Navarro, Josué. Inspección por ultrasonidos.
http://www.monografias.com/trabajos60/inspeccion-ultrasonido-
materiales/inspeccion-ultrasonido-materiales2.shtml
12. Leslie A. Hoeckelman, The Boeing Company, St. Louis. Environmental
Protection ans Sealing. ASM Handbook.Volume 21. Composites. (página
1549). The Materials Information Company.
178 Referencias bibliográficas
13. Black, Sara (05/01/2013). Lightning strike protection strategies for composite
aircraft. Composites World.
14. Hexply® 8552. Epoxy Matrix. Product Data. Hexcel. Source:
http://www.hexcel.com/
15. Hysol® EA 9695. Epoxy film adhesive. Henkel. Source:
www.aerospace.henkel.com.
16. Eurocomposites. ECK-Honeycomb Properties. Source: http://www.euro-
composites.com/en/kevlar-wabe/
17. Definitions. ASM Handbook.Volume 21. Composites. (página 2579). The
Materials Information Company.
18. DuPont™ Tedlar® Polyvinyl Fluoride (PVF) Films. General Properties. Source:
www.tedlar.com
19. HexWeb® HRP. Fibreglass/Phenolic Honeycomb. Product Data. Source:
http://www.hexcel.com/
20. Department of Defense Handbook. (2002). Chapter 4.5.2 Thermal Analysis.
MIL Handbook 17 Volume 1. Polymer Matrix Composites. Guidelines for
characterization of structural materials (página 205)
21. Department of Defense Handbook. (2002). Chapter 5.5.4. Procedure for
differential scanning calorimetry (DSC). MIL Handbook 17 Volume 1. Polymer
Matrix Composites. Guidelines for characterization of structural materials
(página 231)
22. Department of Defense Handbook. (2002). Chapter 3.3.3 Destructive tests. MIL
Handbook 17 Volume 3. Polymer Matrix Composites
Materials: usage, design and analysis. (página 130).
23. “Ultrasonic Testing of Aerospace Materials” NASA Preferred Reliability
Practices. PRACTICE NO. PT-TE-1422
24. http://www.tecnatom.es/es/inicio/areas-de-actividad/diseno-y-desarrollo-de-
productos/sistemas-mecanicos-de-inspeccion/aeronautico-sistema-de-
inspeccion-ultrasonica-por-transmision-y-pulso-eco-de-componentes-
aeronauticos-tipo-portico-composite
25. UNE EN2564 Revisión 99. (Fecha de edición: 1999-04-22) Material
aeroespacial. Laminados de fibra de carbono. Determinación del contenido en
fibra, resina y tasa de porosidad.
179 Referencias bibliográficas
26. UNE EN 2743 Procedimiento B. Material aeroespacial. Plásticos reforzados
con fibra. Procedimientos normalizados para su acondicionamiento antes de
ensayar materiales no envejecidos. (Ratificada por AENOR en febrero de 2002)
27. UNE EN ISO 1183. Plásticos. Métodos para determinar la densidad de
plásticos no celulares. Parte 1: Método de inmersión, método del picnómetro
líquido y método de valoración (ISO 1183-1:2004)
28. ASTM E3 – 11. Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens.
29. ASTM E7. Standard Terminology Relating to Metallography.
30. ASTM E175. Standard Terminology of Microscopy.
31. ISO 2818:1994 Plastics -- Preparation of test specimens by machining
32. Department of Defense Handbook. (2002). Chapter 5.5.5. Procedure for
dynamic mechanical analysis (DMA). MIL Handbook 17 Volume 1. Polymer
Matrix Composites. Guidelines for characterization of structural materials
(página 232)
33. John Moylan, Delsen Testing Laboratories. Chapter: Lamina and Laminate
Nonmechanical Testing. ASM Handbook.Volume 21. Composites. (página
1757). The Materials Information Company.
34. UNE EN 2243-3. Material aeroespacial. Adhesivos estructurales. Métodos de
ensayo. Parte 3: ensayo de pelado metal-núcleo de nido de abeja. (Versión
oficial EN 2243-3:1991).
35. UNE EN 2563 Material aeroespacial. Plásticos reforzados de fibras de carbono.
Estraficados unidireccionales. Determinación de la resistencia aparente al
cizallamiento interlaminar. (1997)
36. AITM1-0025. Fiber reinforced plastics. Flatwise tensile test of composite
sandwich panel. (1994)
37. UNE EN 2597. Material aeroespacial. Plásticos reforzados de fibra de carbono.
Laminados unidireccionales. Ensayo de tracción perpendicular a la dirección de
las fibras. (1999)
38. AITM1-0018 Airbus Test Method. Fibre reinforced Plastic. Sandwich flexural
test 4-point bending (2004)
39. UNE EN 2850 Tipo B. Aerospace series. Carbon fibre thermosetting resin
unidirectional laminates- Compression test parallel to fibre direction.