Un nuevo procedimiento para evaluar la calidad de encolados composite-composite

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Un nuevo procedimiento para evaluar la calidad de encolados composite-composite Autora: Mª del Mar Castro Orta Tutor: José Cañas Delgado Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Un nuevo procedimiento para evaluar la calidad de encolados composite-composite Autora: Mª del Mar Castro Orta Tutor: José Cañas Delgado Catedrático de Universidad Grupo de Elasticidad y Resistencia de materiales Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 i El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal ii iii A mi abuela x xi ÍNDICE Agradecimientos v Resumen vii Abstract ix Índice xi Índice de Tablas xiii Índice de Figuras xv Índice de Gráficos xix Notación xxi 1 Introducción y antecedentes 1 2 Objetivos 5 3 Determinación de la Tenacidad a Fractura 7 4 Ensayo Horizontal Drum Peel 15 4.1 Trabajo previo 15 4.2 Desarrollo de HDP 2.0 18 Efecto de la desalineación de la muestra 23 Efecto de la dirección del ensayo 24 Importancia del modo de fallo 29 Desarrollo del nuevo software 31 4.3 Procedimiento HDP 31 5 Nueva propuesta de ensayo para evaluar GC 37 5.1 Cálculo de GC 37 5.2 Estudio análitico del ensayo HOD 38 5.3 Diseño del HOD 40 5.4 Procedimiento del ensayo HOD 44 6 Experimentación 48 6.1 Preparación de muestras 48 6.2 Caracterización de los materiales 52 6.2.1 Cinta 53 6.2.2 Tejido 54 6.2.3 Adhesivo 55 6.3 Aspectos prácticos asociados a los ensayos para hallar GC 56 7 Resultados 60 7.1 Resultados para muestras de cinta 60 7.1.1 Climbing Drum Peel 61 xii 7.1.2 Horizontal Drum Peel 63 7.1.3 Horizontal Open Displacement 64 7.2 Resultados para muestras de tejido 68 7.2.1 Climbing Drum Peel 68 7.2.2 Horizontal Drum Peel 70 7.2.3 Horizontal Open Displacement 72 8 Conclusiones 76 8.1 Trabajos futuros 79 Referencias 80 xiii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Valores de GIC obtenidos de la simulación numérica. 11 Tabla 2: Valores de GIC correguidos con el factor F. 11 Tabla 3: Comprobación del nuevo dispositivo HDP 2.0. – Ensayo CDP. 19 Tabla 4: Comprobación del nuevo dispositivo HDP 2.0. – Ensayo HDP 2.0. 19 Tabla 5: Efecto de la desalineación de la muestra en HDP. 23 Tabla 6: Influencia de la dirección del ensayo HDP 2.0. 25 Tabla 7: Características de cada modo de fallo. 30 Tabla 8: Resultados para muestras de cinta. 60 Tabla 9:Resultados para muestras de cinta con el CDP. 61 Tabla 10: Resultados obtenidos para cinta con el HDP. 63 Tabla 11: Resultados obtenidos para cinta con el HOD. 64 Tabla 12: Resultados para muestras de tejido. 68 Tabla 13: Resultados obtenidos de muestras de tejido con el CDP. 68 Tabla 14: Resultados obtenidos de muestras de tejido con HDP. 70 Tabla 15: Resultados obtenidos de muestras de tejido con HOD. 72 Tabla 16: Resumen de resultados para muestras de cinta. 76 Tabla 17: Resumen de resultados para muestras de tejido. 78 xiv xv ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Alternativas de preparación de probetas para evaluar la tenacidad a fractura. 2 Figura 2: Elemento aeronáutico con laminado similar a los de los larguerillos encolado a la piel en la zona de recanteo [Combinación 3]. 3 Figura 3: Unión co-encolada (Cañas J. et al.,2018 [16]). 3 Figura 4: Encolado secundario (Cañas J. et al.,2018 [16]). 4 Figura 5: Ensayo GIC. (Cañas J. et al.,2018 [16]) 7 Figura 6: Ensayo DCB. (Cañas J. et al.,2018 [16]). 8 Figura 7: Curva Fuerza-desplazamiento en el ensayo DCB. (Cañas J. et al.,2018 [16]). 8 Figura 8: Gráfica para correguir “a” y dimensiones del sistema de agarre. (Cañas J. et al.,2018 [16]). 10 Figura 9: Ensayo de pelado a tambor (CDP). 12 Figura 10: Gráfica tipo de un ensayo de pelado tambor (CDP). 12 Figura 11: Análisis mecánico del CDP. (Daghia, F. et al, 2015 [17]) 13 Figura 12: Evolución del equipo para pelado in-situ. 16 Figura 13: Esquema para al análisis mecánico del dispositivo de pelado horizontal. 17 Figura 14: Dispositivo HDP Patente P201730163. 17 Figura 15: Diseño nuevo de HDP. 18 Figura 16: Nuevo dispositivo HDP. 18 Figura 17: Configuración de muestras para validar HDP 2.0. 19 Figura 18: Posibles direcciones del ensayo HDP 2.0. 24 Figura 19: Definición de zonas de fallo. 30 Figura 20: Modos de fallo: Adhesión(3) o interfase fresco-fresco (1), Cohesión(2) y Delaminación(0/5) (de izq.a dcha.) 31 Figura 21: Conexión. 31 Figura 22: Caja de control ON. 32 Figura 23: interfaz del software HDP 2.0. 32 Figura 24: Parámetros de la muestra. 32 Figura 25: Añadir límites del material. 33 Figura 26: Seleccionar dirección del ensayo. 33 Figura 27: Agarre de las muestras al tambor. 33 Figura 28: Selección del tramo para hallar el momento medio de liado. 34 Figura 29: Imagen del modo de fallo. 34 Figura 30:Ventana emergente para exportar resultados. 34 Figura 31: Ensayo HOD. 35 xvi Figura 32: Idea del ensayo HOD. 37 Figura 33: Variables del ensayo HOD. 38 Figura 34: Estudio analítico del HOD. Variables. 38 Figura 35: Esfuerzos en el vértice de la grieta. 39 Figura 36:Diseño HOD. 40 Figura 37: Modelo del carrito de pelado. 41 Figura 38: Planta, alzado y perfil del carrito de pelado. 41 Figura 39: Plano del motor Kelvin. 41 Figura 40: Soporte del motor. 42 Figura 41: Soporte del motor explicativo. 42 Figura 42: Vistas del conjunto completo HOD. 43 Figura 43: Carrito de pelado. 43 Figura 44: Soporte con el motor. 43 Figura 45: Soporte con ruedas guías. 44 Figura 46: Segundo carrito de pelado. 44 Figura 47: Requerimiento de probetas para el ensayo HOD. 44 Figura 48: Preparación de la bolsa de vacío para el panel de adhesivo. 48 Figura 49: Bolsa de vacío del panel de adhesivo preparada para el proceso de curado. 49 Figura 50: Caras del panel de adhesivo. 49 Figura 51: Apilado del laminado rígido del panel de tejido. 50 Figura 52: Laminado prepeg de 8 capas de cinta. 50 Figura 53: Bolsa de vacío con los paneles de prepeg. 50 Figura 54: Esquema de bolsa de vacío. 51 Figura 55: Curado del panel de cinta. 51 Figura 56: Colocación del adhesivo y el teflón para el co-encolado. 51 Figura 57: Bolsa de vacío en el autoclave antes de proceder al segundo curado. 52 Figura 58: Galgas extensiométricas en las probetas para caracterizar los materiales. 53 Figura 59: Ensayo de tracción a la muestra de tejido. 54 Figura 60: Probeta de adhesivo. 55 Figura 61: Sujeción de la probeta al tambor. 56 Figura 62: Alineación de la muestra durante el ensayo. 57 Figura 63: Ensayo HDP. 57 Figura 64: Ensayo HOD. 58 Figura 65:Modo de fallo de las muestras de cinta tras el CDP. 62 Figura 66: Modo de fallo de las muestras de cinta tras el HDP. 64 Figura 67: Modo de fallo de las muestras de cinta tras el HOD. 66 Figura 68: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo CDP 1, 2 y 3. 67 xvii Figura 69: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo HDP 1, 2 y 3. 67 Figura 70: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo HOD 1, 2 y 3. 67 Figura 71: Modo de fallo de las muestras de tejido. 74 Figura 72: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo CDP 1, 2 y 3. 74 Figura 73: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo HDP 1, 2 y 3. 75 Figura 74: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo HOD 1, 2 y 3. 75 Figura 75: Modos de fallo muestras de cinta. 77 Figura 76: Modo de fallo de muestras de tejido. 78 xviii xix ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 1: Espécimen 1-CDP. 20 Gráfico 2: Espécimen 2-CDP. 20 Gráfico 3: Espécimen 3-CDP. 21 Gráfico 4: Espécimen 1-HDP 2.0. 21 Gráfico 5: Espécimen 2-HDP 2.0. 22 Gráfico 6: Espécimen 3-HDP 2.0. 22 Gráfico 7.1: Muestras para comprobar el efecto de la desalineación de la muestra en el HDP. 23 Gráfico 7.2: Muestras para comprobar el efecto de la desalineación de la muestra en el HDP. 24 Gráfico 8: Espécimen 1. 25 Gráfico 9: Espéimen 2. 26 Gráfico 10: Espécimen 3. 26 Gráfico 11: Espécimen 4. 27 Gráfico 12: Espécimen 5. 27 Gráfico 13: Espécimen 6. 28 Gráfico 14: Espécimen 7. 28 Gráfico 15: Espécimen 8. 29 Gráfico 16: Ensayo a tracción de la muestra de cinta. 53 Gráfico 17: Ensayo a tracción de muestra de tejido. 54 Gráfico 18: Ensayo a tracción de la muestra de adhesivo. 55 Gráfico 19: Resultados de la muestra 1 de cinta con CDP. 61 Gráfico 20: Resultados de la muestra 2 de cinta con CDP. 61 Gráfico 21: Resultados de la muestra 3 de cinta con CDP. 62 Gráfico 22: Resultados de la muestra 1 de cinta con HDP. 63 Gráfico 23: Resultados de la muestra 2 de cinta con HDP. 63 Gráfico 24: Resultados de la muestra 3 de cinta con HDP. 64 Gráfico 25: Resultados de la muestra 1 de cinta con HOD. 65 Gráfico 26: Resultados de la muestra 2 de cinta con HOD. 65 Gráfico 27: Resultados de la muestra 3 de cinta con HOD. 66 Gráfico 28: Resultados de la muestra 1 de tejido con CDP. 69 Gráfico 29: Resultados de la muestra 2 de tejido con CDP. 69 Gráfico 30: Resultados de la muestra 3 de tejido con CDP. 70 Gráfico 31: Resultados de la muestra 1 de tejido con HDP. 71 Gráfico 32: Resultados de la muestra 2 de tejido con HDP. 71 4 Figura 4: Encolado secundario (Cañas J. et al.,2018 [16]). A raíz de esta problemática expuesta presentada en el sector aeronáutico para evaluar uniones encoladas, aparece el GERM 1 con una idea innovadora de ensayo capaz de evaluar uniones encoladas in-situ. Tras años de dedicación e investigación sobre el tema, se desarrolló y validó un nuevo ensayo de pelado, Horizontal Drum Peel[14][15][16][20]. El primer modelo presentado, fue aceptado con éxito en el sector siendo necesaria una evolución del mismo para reducir su peso y conseguir una mayor adaptabilidad del dispositivo a diferentes posiciones y lugares de ensayo. A su vez, el avance y evaluación del ensayo, junto a la gran aceptación del HDP favorece el diseño de un segundo dispositivo de pelado, Horizontal Open Displacement (HOD), con intención de mejorar el dispositivo existente a las necesidades requeridas. El nuevo ensayo debe cubrir una serie de objetivos requeridos por el sector. Al ser un ensayo que se desea introducir en la ya existente cadena de producción de la pieza en cuestión, debe ser un ensayo in-situ y debe requerir el menor tiempo posible, al igual que el HDP. Su ejecución debe ser sencilla para el operario y el postprocesado de los resultados debe ser mínimo. Se trata, en definitiva, que operarios poco cualificados puedan llevar a cabo el ensayo con éxito. El dispositivo debe ser de fácil manejo y el software necesario para dicho ensayo también debe ser lo más sencillo posible, de modo que tras su ejecución se determine la validez del encolado de la pieza. 1 Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales de la Universidad de Sevilla. 5 2 OBJETIVOS Este trabajo tiene dos objetivos principales. En primer lugar, realizar una campaña experimental para validar el funcionamiento de la nueva versión del Horizontal Drum Peel. Con este fin, se reciben muestras que representan la piel de una pieza de material compuesto, para comprobar el estado de la unión con el ensayo de referencia Climbing Drum Peel y con el HDP. A su vez, se exponen las mejoras respecto a la antigua versión del dispositivo y se investigan las nuevas dificultades que puedan surgir durante el procedimiento del ensayo para solventarlos y determinar en qué grado afectan en el resultado del mismo. En segundo lugar, diseñar una nueva propuesta de ensayo, Horizontal Open Displacement, que resulte más sencilla y adaptable que la anterior. Además, se pretende construir el diseño del HOD propuesto, fabricar muestras de diferentes materiales compuestos, cinta unidireccional y tejido a 45º, representando la piel de una pieza y realizar una segunda campaña experimental para validar el nuevo ensayo comparado nuevamente con el ensayo de referencia CDP y el dispositivo HDP 2.0. Una vez expuesta la introducción y antecedentes que motivan este trabajo en el punto 1, se desarrolla, en el capítulo 3, cómo medir experimentalmente la tenacidad a fractura y se exponen las dificultades que muestra el ensayo de referencia actual DCB. En el capítulo 4, se analizan las mejoras del nuevo dispositivo HDP y en el capítulo 5, se expone la nueva propuesta de ensayo detalladamente, HOD. Por último, en los tres últimos capítulos, se detallan el proceso experimental, los resultados y conclusiones respectivamente. En el desarrollo del trabajo, se ha profundizado en técnicas de fabricación para materiales compuestos con adhesivos, así como en el empleo de distintos materiales. Durante la experimentación, se han adquirido habilidades prácticas en el laboratorio, se llevan a cabo distintos ensayos normalizados y otros sin normalizar. Se han distinguido los riesgos al trabajar en un laboratorio y se ha aprendido a evitarlos. Finalmente, se expondrán los resultados experimentales y se discutirá sobre ellos concluyendo si el nuevo ensayo es válido para la finalidad propuesta. 6 7 3 DETERMINACIÓN DE LA TENACIDAD A FRACTURA En este capítulo se expone cómo medir experimentalmente la tenacidad a fractura por ser la propiedad que desea evaluar en los nuevos ensayos que se proponen en este trabajo. A su vez, se muestran las dificultades que muestra el ensayo de referencia actual DCB. La tenacidad a fractura es una propiedad que solo depende de la combinación adhesivo-sustrato, de la preparación superficial y del proceso de curado, por ello es la característica que se evalúa para conocer el estado de las uniones. Se determina mediante un ensayo de pelado en un espécimen que tiene una grieta previa. A partir de la carga de pelado y/o el desplazamiento y/o la longitud de grieta, se evalúa la energía que se libera por unidad de área al propagar la grieta (GC). 𝐺𝑐=1 𝐵(𝑑𝑊 𝑑𝑎−𝑑𝑈 𝑑𝑎) (1) Donde B es el ancho de la probeta, W es el trabajo de las cargas externas y U la energía interna de deformación. Figura 5: Ensayo GIC. (Cañas J. et al.,2018 [16]) Los ensayos que habitualmente se emplean son el ensayo DCB (Double Cantilever Beam) y el CDP (Climbing Drum Peel). El ensayo, denominado DCB (Figura 6), consiste en someter a una probeta “pre-agrietada” a una fuerza de pelado hasta conseguir la propagación de la grieta. Durante la propagación se registra la fuerza y el desplazamiento de la cruceta y se anota la longitud de grieta para diferentes niveles de carga. El ensayo normalizado (ASTM D5228, AITM1-0053, ISO 15024) [5][8][26] se realiza 8 sobre configuraciones simétricas (idénticos laminados a ambos lados de la grieta) y en ese caso el valor de GC calculado coincide con el modo I de fractura, GIC. Figura 6: Ensayo DCB. (Cañas J. et al.,2018 [16]). ▪ Cálculo de GIC según AITM1-0053 La probeta tiene un ancho de 25 mm y el espesor de los adherentes (h) es de 1,5 mm. Se considera que los desplazamientos son pequeños y a partir del registro de carga-desplazamiento (Figura 7) se evalua GIC como: 𝐺𝐼𝐶=𝐴 𝐵Δ𝑎 (2) Donde A es el área comprendida entre la curva carga-desplazamiento entre dos puntos y las rectas que unen dichos puntos con el origen (energía que se requiere para propagar la grieta), B es el ancho del espécimen y a es el aumento de la longitud de grieta entre los dos puntos antes comentados (la norma toma a=60 mm). En la Figura 7 se muestra una gráfica tipo de este ensayo. Figura 7: Curva Fuerza-desplazamiento en el ensayo DCB. (Cañas J. et al.,2018 [16]). Los principales inconvenientes de este procedimiento son dos: a) Se requiere medir la longitud de grieta y ello puede resultar complicado sobre todo cuando la curva no es suave y va a saltos (stick-slip [36]). b) Cuando no se cumple la hipótesis de pequeños desplazamientos (espesores de adherentes pequeños < 1mm) la descarga (línea recta entre el punto de la curva y el origen) no es lineal, por lo que no es fácil determinar el área A. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5 10 15 20 25 Carga (N) (mm) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 5 10 15 20 25 Carga (N) d(mm) Grieta de longitud a Grieta de longitud a+Da 9 ▪ Cálculo de GIC según ASTM o ISO Aunque las norma ASTM[8] e ISO[26] son de aplicación para evaluar la energía liberada cuando progresa la grieta entre dos láminas de un laminado, el método que contemplan resulta también de aplicación para laminados encolados. El valor de GIC, despreciándose la deformación debida a axil y cortante viene dada por [40][41][42]: 𝐺I𝐶=𝑀2 𝐵 𝐸𝐼 (3) Siendo M el momento flector existente en cada laminado en el borde de la grieta en el instante en el que se produce el crecimiento, EI la rigidez a flexión de cada uno de los laminados. Usando la hipótesis de pequeños desplazamientos (válida para /a < 0,4 según ASTM, siendo  la apertura de los adherentes en la zona de agarre) y la solución elástica de la viga en voladizo se obtiene[21] [32]: 𝑀≅𝑃𝑎 ; 𝛿=2 3 𝑃𝑎3 𝐸𝐼 (4) Sustituyendo en la ecuación (2) se llega a: 𝐺I𝐶(𝑃,𝛿,𝑎)=3 2𝑃 𝐵𝛿 𝑎 (5) Nuevamente la evaluación de GIC requiere no solo conocer P y  sino también el valor de “a” para el  considerado. Sobre la ecuación anterior, la norma ASTM [8] establece una serie de correcciones: - Considerar que el borde de la grieta no esta empotrado: Se corrige el valor de “a” por un ajuste de resultados experimentales. (a+cor). Donde cor es obtenido de la intersección con el eje de ordenadas de la recta de mínimos cuadrados asociada a la gráfica longitud de grieta (a) frente a la raíz cubica de /P. (Figura 8) 𝐺I𝐶(𝑃,𝛿,𝑎)=3 2𝑃 𝐵𝛿 𝑎+Δ𝑐𝑜𝑟𝐹 𝑁 (6) - Efecto de grandes desplazamientos: Se multiplica el valor de GIC por un factor F que depende del cociente /a y de las dimensiones del sistema de agarre. 𝐹=1− 3 10(𝛿 𝑎)2−3 2(𝛿𝑡 𝑎2) (7) - Efecto del sistema de cogida: Se corrige el valor de GIC divdiéndolo por un factor N que depende de las dimensions del sistema de agarre, de “a” y de . 𝑁=1−(𝐿′ 𝑎)3−9 8[1−(𝐿′ 𝑎)2](𝛿𝑡 𝑎2)−9 35(𝛿 𝑎)2 (8) 10 Figura 8: Gráfica para correguir “a” y dimensiones del sistema de agarre. (Cañas J. et al.,2018 [16]). En cualquier caso, las expresiones desarrolladas requieren medir la longitud de grieta. Si se combinan de otra forma las ecuaciones (3) y (4) [11] obtenemos diferentes expresiones de GIC (Ecuaciones (9) a(12)), las expresiones (9), (10) y (12) dependen de “a” pero la expresión (11) no depende de “a” lo que supondría a un gran ventaja. La desventaja de usar la expresión (10), (11) y (12) frente a la (9) es que se requiere conocer las dimensiones del espécimen (I=Bh3/12) así como el módulo de elasticidad longitudinal (E). 𝐺I𝐶(𝑃,𝛿,𝑎)=3 2𝑃 𝐵𝛿 𝑎 (9) 𝐺I𝐶(𝑃,𝑎)=𝑃2𝑎2 𝐵 𝐸𝐼 (10) 𝐺I𝐶(𝑃,𝛿)=𝑃2 𝐵 𝐸𝐼√(3𝐸𝐼𝛿 2𝑃)2 3 (11) 𝐺I𝐶(𝛿,𝑎)=9 4𝐸𝐼 𝐵𝛿2 𝑎4 (12) Obviamente si se mide bien el valor de a y la hipótesis de pequeños desplazamientos se satisface, todas las expresiones anteriores conducen al mismo valor de GIC. Sin embargo, si los desplazamientos no son lo suficientemente pequeños, aunque la medida de a sea correcta, las expresiones (9) a (12) dan resultados diferentes y la aplicación del factor de corrección F a las expresiones anteriores conduce también a resultados muy dispares. Simulaciones numéricas mediante modelos cohesivos en grandes desplazamientos apuntan a que el factor de corrección (F) que propone la norma es el adecuado, pero si se calcula GIC con la expresión (10) y no con cualquiera de las otras, en particular con la que propone la norma (ec. (9)). Así, se han resuelto mediante el MEF casos cuya única diferencia entre ellos es el número de capas, y con ello su espesor, de los adherentes (2, 4, 8 y 16 capas). En todos ellos los adherentes son láminas unidireccionales de carbono-epoxi siendo el valor fijado de GIC de 600J/m2. De la resolución numérica se obtiene la curva carga-desplazamiento (P-) y también se puede conocer el valor de a para cada pareja P-. Los resultados medios de GIC en J/m2 obtenidos para un a de 60 mm después de aplicar las expresiones (9) a (12) se muestran en la Tabla 1. a (/P)1/3 cor 11 Tabla 1: Valores de GIC obtenidos de la simulación numérica. CAPAS GIC(P,,a,) EC 6 (F=N=1) GIC(P,,a) EC 9 GIC(P,a) EC 10 GIC(P,) EC 11 GIC(,a) EC 12 inicial final inicial final inicial final inicial final inicial final 16 605 596 623 760 597 613 603 602 613 580 8 575 561 595 696 660 696 602 603 502 451 4 605 604 647 702 624 631 611 613 587 578 2 605 612 623 658 832 841 673 681 440 445 En las ecuaciones (9), (10) y (12) se emplea a= a+  a para corregir el giro de la sección en el borde de grieta Se observa que cuando los desplazamientos son pequeños (rigidez alta de los adherentes) todas las expresiones obtienen un valor de GIC muy similar, sin embargo, cuando el espesor del adherente es pequeño, los resultados son muy diferentes entre ellos y alejados del valor esperado (600 J/m2). De hecho, no se cumple para todos los espesores la condición de ASTM (/a < 0,4): Nº Capas /a 16 0,057 8 0,140 4 0,419 2 0,917 Si se aplica la correción de grandes desplazamientos propuesta por la norma se obtienen los valores mostrados en la Tabla 2. Tabla 2: Valores de GIC correguidos con el factor F. Nº CAPAS GIC(P,,a,) EC 6 GIC(P,,a) EC 9 GIC(P,a) EC 10 GIC(P,) EC 11 GIC(,a) EC 12 inicial final inicial final inicial final inicial final inicial final 16 605 596 623 760 597 612 602 601 614 581 8 575 560 595 696 657 691 601 601 503 454 4 601 598 643 695 596 593 599 596 607 604 2 580 580 597 624 641 609 600 590 525 554 Como se puede observar, para espesores grandes el efecto de corrección es mínimo pero para espesores pequeños el cambio es importante. Solamente cuando el factor se aplica a la ec. (9) los resultados son satisfactorios. Por tanto, habría que indicar el factor de corrección que la norma propone no es de aplicación en todos los casos, solo si se evalúa GIC con la ec (10), (y no como la norma propone (Ecs. (5) o (8))) si sería de aplicación. Para el caso de espesores pequeños resulta más conveniente evaluar GIC a partir de la solución elástica en grandes desplazamiento [32][40][42]. Una alternativa al ensayo DCB es el ensayo de pelado en tambor (CDP)[17]. Esta prueba se creó originalmente para evaluar las uniones encoladas entre un adherente flexible y un adherente rígido o entre la piel (laminado) y el núcleo en un panel sándwich [7]. El ensayo consiste en enrollar un laminado flexible (que pela al mismo tiempo que se enrolla) usando un tambor con dos radios diferentes (r2 > r1). La probeta utilizada incluye dos laminados encolados, que pueden tener diferentes espesores siendo al menos uno de ellos un laminado delgado, y una zona preagrietada. El laminado delgado (laminado flexible) está fijado al tambor en su parte central que 12 tiene el radio más pequeño (r1). Las partes externas (bordes) del tambor (con mayor radio, r2) incluyen dos flejes de carga que aplicarán el torsor requerido para la progresión del tambor a lo largo de la probeta. Los extremos de los flejes de carga están fijados en la parte inferior de una máquina universal de ensayos, mientras que la parte final de la probeta está anclada a las mandíbulas superiores de la máquina. Una vez que el espécimen está colocado, la parte superior de la máquina, esta zona se mueve hacia arriba provocando que laminado flexible entre en contacto con la parte interior del tambor. Entonces, el tambor avanza a lo largo del espécimen y propaga la zona inicial previamente agrietada mientras que la lámina flexible se enrolla en el tambor. Una fotografía y esquema de la prueba se muestra en la Figura 9. Figura 9: Ensayo de pelado a tambor (CDP). En los gráficos de carga-desplazamiento (Figura 10) obtenidos durante las pruebas, dos cargas de niveles constantes se pueden observar claramente. Uno asociado a la carga de liado del adherente flexible (Fw) y el otro asociado al proceso de liado + pelado (Fd). Por lo general, Fw es calculado en una segunda etapa de la prueba una vez que una gran zona agrietada es obtenida. Figura 10: Gráfica tipo de un ensayo de pelado tambor (CDP). Partiendo de la definición de la tenacidad a fractura interlaminar: Gc=∆U b∆a , se necesita definir la energía en el proceso de pelado: 13 ∆U=(Fd−Fw)·∆u (13) Donde ∆u es el desplazamiento de cruceta expresado como ∆u=(R2−R1)·∆θ. Figura 11: Análisis mecánico del CDP. (Daghia, F. et al, 2015 [17]) Adicionalmente, la longitud de grieta coincide con la zona que se despega alrededor del tambor, tal y como se aprecia en la Figura 11: ∆a=∆ud=R1·∆θ (14) Se obtiene finalmente GC como: Gc=(Fd−Fw)·(R2−R1) b·R1 (15) Siendo Fd y Fw las fuerzas de Pelado y Liado, R2 y R1 los radios del tambor y b el ancho del espécimen. Aunque no se requiera formalmente obtener la expresión de la fuerza de liado, la misma puede ser usada bien para evaluar EI o bien para comprobar el resultado experimental. La fuerza de liado puede obtenerse a partir del momento de pelado: Mw EI =1 R1+t2 (16) Mw=F1w·(R2−R1)−W·x·R1 (17) Por lo tanto, despejando Fw, se obtiene: Fw=EI+W·(R2+e 2)·(R1+t2) (R2−R1+e−t 2)·(R1+t2) (18) 20 Los resultados numéricos de la tenacidad a fractura son totalmente comparables en ambos ensayos. Las gráficas obtenidas para cada espécimen se muestran a continuación: Gráfico 1: Espécimen 1-CDP. Gráfico 2: Espécimen 2-CDP. 21 Gráfico 3: Espécimen 3-CDP. Gráfico 4: Espécimen 1-HDP 2.0. 22 Gráfico 5: Espécimen 2-HDP 2.0. Gráfico 6: Espécimen 3-HDP 2.0. El nuevo dispositivo HDP 2.0 proporciona valores de tenacidad a fractura comparables con los que se obtienen con el CDP, con un coeficiente de varianza de 5,5%. Es un valor suficientemente bajo que permite asegurar que el nuevo modelo es adecuado tanto como el dispositivo HDP 1.0. Aunque la tenacidad a fractura esperada de las muestras era algo mayor [600 J/m2], no supone una alarma ya que ambos ensayos proporcionan un valor del mismo orden, y se toma el resultado hallado con el CDP como referencia. La disminución en GC puede ocurrir por problemas de fabricación. Al tener información limitada sobre las muestras, es razonable comparar los resultados de ambos ensayos, por lo que se puede asegurar un correcto funcionamiento del dispositivo. 23 Efecto de la desalineación de la muestra Un factor a tener en cuenta es el posible efecto en el ensayo que pueden provocar colocar las muestras desalineadas con el tambor, ya que es un error fácil de cometer al realizar el ensayo fuera de un laboratorio. Un ensayo que tiene como objeto ser repetido numerosas veces por operarios no cualificados debe ser normalizado para definir el procedimiento detalladamente. Ello requiere una definición del set-up y estudiar todos los posibles problemas que pueden aparecer para prevenirlos. Con este pretexto, se decide realizar unas pruebas básicas para ver la influencia del desalineamiento entre el tambor y la probeta ensayada. Se realizan dos ensayos de referencia con la muestra bien alineada, a 0º respecto al tambor, otro con la muestra a 10º y, por último, a 40º. Se emplean el mismo lote de muestras recibido por AIRBUS para estudiar este efecto. Para asegurar el ángulo entre la probeta y el tambor se emplea un inclinómetro. El resto del ensayo se realiza como se ha explicado anteriormente. Tabla 5: Efecto de la desalineación de la muestra en HDP. ESPÉCIMEN ÁNGULO ANCHO (mm) ESPESOR DE LA PIEL (mm) MOMENTO (Nm) GC (J/m2) PELADO + LIADO LIADO SPEC. 1 0 26,10 0,65 1,59 0,21 557,08 SPEC. 2 0 25,36 0,56 1,66 0,18 615,65 SPEC. 3 10 25,24 0,52 1,86 0,55 545,20 SPEC. 4 40 25,24 0,52 1,84 0,51 556,33 Promedio 568,56 Desv. 31,86 CV (%) 5,60 Gráfico 7.1: Muestras para comprobar el efecto de la desalineación de la muestra en el HDP. Espécimen 1 (Referencia) Espécimen 2 (Referencia) Longitud de pelado (mm) Momento (Nm) 24 Gráfico 8.2: Muestras para comprobar el efecto de la desalineación de la muestra en el HDP. Observando los resultados numéricos en la Tabla 5 se puede concluir que el efecto de posicionar la muestra desalineada no afecta de manera relevante al resultado final de tenacidad a fractura, sin embargo, observando el Gráfico 8, sí se aprecian irregularidades en el ensayo. Aparecen picos en el momento indeseados en el trascurso del ensayo. El más pronunciado se ve en el momento de liado del espécimen 4 que supera el momento de pelado + liado posterior. Estas subidas aparecen porque la muestra se comienza a liar de forma abrupta e irregular al avanzar el tambor, perdiendo la estabilidad del movimiento del tambor y apareciendo estas anomalías. Para evitar el desalineamiento entre muestra y tambor se decide instalar un láser en el dispositivo que muestre la posición de la muestra en el momento de realizar el set-up, de modo que el operario tenga perfectamente visible el lugar donde debe estar la muestra. Efecto de la dirección del ensayo Una importante mejora de este dispositivo es la posible elección de la dirección del ensayo. El tambor puede girar tanto en sentido horario, lo cual supondría que la dirección del ensayo fuera a la derecha, como en sentido anti horario, donde el tambor avanzaría hacia la izquierda de la Figura 18. Figura 18: Posibles direcciones del ensayo HDP 2.0. Al ser un nuevo aspecto del dispositivo, se requiere una comprobación experimental que demuestre que el sentido de pelado no influye en el trascurso del ensayo. Aunque teóricamente no debería influir, siempre pueden aparecer inconvenientes en el montaje o problemas electrónicos imprevistos. Se procede a realizar una campaña experimental con tal objetivo. Se fabrican 8 muestras de cinta a 0º de M21E/34%/UD194/IMA-12K [25] y adhesivo film Cytek FM300K.05 [24]. Todas las Espécimen 3 (10º) Espécimen 4 (40º) Longitud de pelado (mm) Momento (Nm) 25 muestras son asimétricas [8+2] y con las dimensiones nominales que se muestran en la Figura 17. Tabla 6: Influencia de la dirección del ensayo HDP 2.0. Los ensayos realizados se muestran a continuación: Gráfico 9: Espécimen 1. ESPÉCIMEN DIRECCIÓN DE ENSAYO ANCHO (mm) ESPESOR DE LA PIEL (mm) MOMENTO (Nm) APARENT GC (J/M2) PELADO+ LIADO LIADO SPEC. 1 Izquierda 25,00 0,50 2,23 0,18 861,45 SPEC. 2 25,00 0,50 2,22 0,21 841,46 SPEC. 3 25,00 0,50 2,18 0,23 817,20 SPEC. 4 25,00 0,50 2,04 0,11 812,08 SPEC. 5 Derecha 25,00 0,50 2,40 0,26 896,04 SPEC. 6 25,00 0,50 2,40 0,25 905,10 SPEC. 7 25,00 0,50 2,29 0,09 921,31 SPEC. 8 25,00 0,50 2,24 0,10 895,28 PROMEDIO 868,74 DESV. 41,75 CV (%) 4,81 26 Gráfico 10: Espéimen 2. Gráfico 11: Espécimen 3. 27 Gráfico 12: Espécimen 4. Gráfico 13: Espécimen 5. 28 Gráfico 14: Espécimen 6. Gráfico 15: Espécimen 7. 29 Gráfico 16: Espécimen 8. Tras estos ensayos, se puede concluir que la dirección del tambor no influye en el procedimiento lo cual proporciona una versatilidad al dispositivo muy importante a la hora de definir el lugar y momento del ensayo en la cadena de producción. El lugar y disposición del ensayo está aún por decidir, por lo que la posible elección del sentido del ensayo facilita significativamente la futura decisión según otros factores, como por ejemplo, el momento donde se pierda menos tiempo en la cadena de producción y/o en un lugar de la planta adaptado para realizar el ensayo sin interferencia. Factores que no dependen del dispositivo en sí, por ello se desea que el HDP se adapte lo máximo posible al mayor número de circunstancias posibles para que no suponga un impedimento en la decisión de dónde y cuándo realizar el ensayo. Importancia del modo de fallo Uno de los aspectos más importantes para desarrollar completamente un nuevo ensayo es poder determinar el modo de fallo tras la rotura. La idea es que este ensayo sea realizado por personal no cualificado por lo que categorizar el modo de fallo supone un problema primordial para todo el desarrollo. Para poder evaluar el modo de fallo se plantean dos opciones; el operario realizará una foto de las superficies de rotura y se guardará en el fichero de recogida de datos y posteriormente, un personal cualificado debe cerciorar que el modo de fallo está dentro de lo esperado. La segunda opción es realizar una plantilla exhaustiva de modos de fallos posible que el operario tendrá disponible para comparar cada muestra y reportarlo en el fichero de datos. Cualquiera de ambas opciones obliga a incluir una cámara en el desarrollo del nuevo software para el procesamiento de datos, ya que la imagen debe estar almacenada para cada ensayo, independientemente de quién evalúe el modo de fallo. Al ser un nuevo ensayo, no está definida aún una norma con su procedimiento y la validez de los diferentes modos posibles de fallo. Aun así, parece razonable que se tome como referencia la norma desarrollada por AIRBUS "Classification of failure modes of composite bonded joints opened under mode 1 loading” [6] la cual expone los posibles modos de fallo en uniones encoladas de composite en modo I. Aunque el HDP 2.0 no presenta un modo I puro, las simulaciones numéricas realizadas aseguran que el valor de GC que se obtiene es muy cercano a GIC, como ya se ha dicho [15][16][20]. Primero, se definen las distintas zonas donde se puede producir el fallo en la muestra y posteriormente, se analiza la validez de cada opción. La definición de las distintas zonas se muestra a continuación: 36 37 5 NUEVA PROPUESTA DE ENSAYO PARA EVALUAR GC El objetivo de este nuevo ensayo es facilitar el procedimiento para calcular la tenacidad a fractura lo máximo posible, simplificando y mejorando el ensayo HDP. Para ello, se desea obtener la fuerza de pelado neta directamente del ensayo. Como ya se ha explicado, el ensayo se diseña para realizarse in-situ directamente sobre la pieza real en la que se pela la piel con un rodillo que se mueve entre los dos adherentes, registrándose la fuerza necesaria para mover el rodillo, la cual corresponde a la fuerza de pelado. El procesamiento de datos será aún más sencillo de realizar que con el HDP. Figura 32: Idea del ensayo HOD. En primer lugar, se desarrolla un modelo numérico del nuevo modelo que se propone [14]. Posteriormente, se diseña el dispositivo y se realiza una campaña experimental que compruebe los resultados que se obtienen, comparándolos con el ensayo de referencia CDP y el dispositivo ya verificado HDP 2.0. 5.1 Cálculo de GC La energía de pelado se halla a raíz de la fuerza que el rodillo requiere para avanzar: ∆𝑈=𝐹·∆𝑢 (22) F 38 Figura 33: Variables del ensayo HOD. En la Figura 33, se aprecia que: ∆𝑢=∆𝑎 (23) Ya que, una vez que se comienza el pelado,  (Figura 33) permanece constante 2 . Sabiendo la definición de tenacidad a fractura, GC=∆U b∆a, siendo U la energía almacenada en la probeta para una carga dada, se tiene: 𝑮𝑪=𝑭 𝒃 (24) Como se observa, GC solo depende de la fuerza necesaria para hacer avanzar el rodillo y del ancho de la probeta, por tanto, GC es independiente del útil de arrastre (Diámetro del rodillo y separación del rodillo respecto al adherente rígido, etc). 5.2 Estudio análitico del ensayo HOD La resolución se hace según la teoría de grandes desplazamientos despreciándose las deformaciones axil y cortante. Figura 34: Estudio analítico del HOD. Variables. Partiendo de la definición de curvatura elástica de una viga: 1 𝑅=𝑀 𝐸𝐼 (25) 2 Ensayos numéricos realizados en el GERM y contrastados experimentalmente aseguran un ángulo  constante durante el ensayo. 39 Dado que: 𝑅=𝑑𝑠 𝑑𝜙 ; 𝑑𝑠 𝑑𝑥=1 𝑐𝑜𝑠𝜙 ; 𝑑𝑣 𝑑𝑥=𝑡𝑎𝑛𝜙 ; 𝑀=𝑃𝑥 (26) Siendo  es el ánglo girado por la sección que dista s del empotramiento y M(s) el momento de dicha sección. Sustituyendo las expresiones (26) en la (25): 𝑅=𝑑𝑥 𝑑𝜙·1 𝑐𝑜𝑠𝜙=𝐸𝐼 𝑃·1 𝑥 ⟹ ∫𝑥𝑑𝑥 𝑥 0=𝐸𝐼 𝑃∫ 𝑐𝑜𝑠𝜙𝑑𝜙 𝜙 0 (27) Integrando la ecuación anterior y teniendo en cuenta que para x=0, =0, se obtiene: 𝑥=√2𝐸𝐼 𝑃√𝑠𝑖𝑛𝜙 𝑌 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜: 𝑅=√𝐸𝐼 2𝑃·1 √𝑠𝑖𝑛𝜙 (28) El desplazamiento vertical () viene dado por: 𝛿=∫ 𝑑𝑣 𝛼 0=∫𝑅 𝑠𝑖𝑛𝜙 𝑑𝜙 𝛼 0 ; 𝑙=𝑥(𝛼)=√2𝐸𝐼 𝑃√𝑠𝑖𝑛𝛼 (29) 𝛿=√𝐸𝐼 2𝑃∫√𝑠𝑖𝑛𝜙𝑑𝜙 𝛼 0 ; 𝛿𝑙=∫ √𝑠𝑖𝑛𝜙𝑑𝜙 2√𝑠𝑖𝑛𝛼 𝛼 0 (30) Conocida F se pueden conocer los esfuerzos en el vértice de la grieta: Figura 35: Esfuerzos en el vértice de la grieta. Así, la tenacidad a fractura: 40 𝐺𝐶=𝑀2 2𝐵𝐸𝐼=𝑃2𝑙2 2𝐵𝐸𝐼=𝑃𝑠𝑖𝑛𝛼 𝐵=𝐹 𝐵 (31) El valor de M calculado coincide con el momento crítico, que es el cual produce el despegue de la piel por rotura del adhesivo.  se calcula al resolver la ecuación (33) teniendo en cuenta que H, R, t y F son datos y calculando I y h de las ecuaciones (32). 𝐼𝛿=∫√𝑠𝑖𝑛𝜙𝑑𝜙 𝛼 0 ; ℎ=𝐻+ (𝑅+𝑡2)𝑐𝑜𝑠√𝐸𝐼 2𝑃−𝑡2 (32) ℎ−√2𝐸𝐼 𝐹𝑠𝑖𝑛2𝛼−√𝐸𝐼 2𝐹𝐼𝛿√𝑠𝑖𝑛𝛼 𝑐𝑜𝑠𝛼=0 (33) 5.3 Diseño del HOD Analítica y numéricamente, el ensayo ha sido comprobado satisfactoriamente. Por lo tanto, se procede al diseño del dispositivo. Figura 36:Diseño HOD. 41 Por un lado, se tiene el soporte del rodillo encargado de avanzar y pelar la piel a su paso. Se construye de aluminio y se agarra al motor a través de un dispositivo de ruedas que garantiza una trayectoria lisa y uniforme. Figura 37: Modelo del carrito de pelado. Figura 38: Planta, alzado y perfil del carrito de pelado. El motor seleccionado para el rango de fuerzas que se estiman de pelado fue Reductor + Motor K80-GR53.30 de Kelvin. 42 Figura 39: Plano del motor Kelvin. Es un reductor de gran resistencia mecánica para trabajo duro e intensivo en cualquier posición, a temperatura ambiente de -15 a 50°C, con par de utilización hasta 8 Nm, con carga uniforme. El soporte diseñado para el motor y la conexión entre el mismo y el carrito de pelado se muestra a continuación: Figura 40: Soporte del motor. A continuación, se muestra cada parte del mismo: 43 Figura 41: Soporte del motor explicativo. El motor puede girar a ambos lados, uno de ellos supondrá enrollar la cuerda y en consecuencia tirar del carrito, y en sentido contrario supondrá lo contrario. Al activar el motor (en sentido de pelado), la rueda gira solidaria a él y se comienza a enrollar la cuerda a su alrededor de forma uniforme gracias al sistema de ruedas que guían su trayecto. La cuerda empleada es de metal para evitar la deformación de la misma. El bloque de sujeción magnética en la parte inferior del soporte es intercambiable con uno provisto de ventosas. Sin embargo, suele ser más útil la opción imantada porque se prevé que el ensayo se realice en superficies metálicas. Para la campaña experimental se instala el dispositivo sobre una plancha metálica provisional para hacer los ensayos. Figura 42: Vistas del conjunto completo HOD. Con este diseño, se procede a la construcción del dispositivo para realizar los ensayos experimentales. Motor Rueda giratoria solidaria al motor Unión magnética Célula de carga Soporte metálico Ruedas guías 44 Figura 43: Carrito de pelado. Figura 44: Soporte con el motor. Figura 45: Soporte con ruedas guías. Con este dispositivo se realizan los ensayos de la campaña. Posteriormente, se construye un segundo carrito de pelado muy similar para mejorar el rodamiento del mismo y disminuir aún más la fricción durante su desplazamiento: 45 Figura 46: Segundo carrito de pelado. 5.4 Procedimiento del ensayo HOD El ensayo está diseñado de modo que se ahorre la mayor cantidad de material posible. Se puede ensayar la muestra completa, sin tener desperdicio. Así, se requiere que la muestra tenga una zona encolada suficientemente extensa para tener los resultados necesarios, esto supone la fabricación de muestras según la Figura 47. Figura 47: Requerimiento de probetas para el ensayo HOD. Metodología 1. Limpiar con acetona la superficie de contacto con la plancha de la muestra. 2. Pegar en la plancha con cinta de doble cara en la posición indicada en la plancha, la cual asegura la alineación de la muestra con la dirección del ensayo. 3. Abrir el software Catman Easy en el portátil correspondiente al ensayo. 4. Start a new DAQ project. 5. Comprobar que el modulo HBM es reconocido por el software y pulsar “connect”. 52 Finalmente, se cierra la bolsa con PTFE grueso pegándolo con el cromato empleado al principio del proceso de hacer la bolsa de vacío. Para terminar, se colocan las tomas de vacío por fuera, teniendo cuidado al hacer el agujero necesario para enroscarlas con la parte ya colocada después del airwave. Hasta este punto, todo el procedimiento se lleva a cabo en la sala limpia, ya que se requiere un el mínimo grado de contaminación durante la fabricación. Una vez tenemos la bolsa de vacío, los paneles están protegidos del exterior. Una vez finalizada la bolsa, se debe comprobar que no tiene pérdidas al hacer vacío en el autoclave. Figura 54: Esquema de bolsa de vacío. El proceso de curado se lleva a cabo en el autoclave, según las especificaciones de los materiales se realiza un ciclo de 180º con las características que se muestran a continuación: Figura 55: Curado del panel de cinta. Una vez se tengan los paneles de cinta y tejido de 9 y 8 capas respectivamente, se vuelve a la sala limpia para continuar con la fabricación. Lo primero es retirar el Peel Ply, solo por la cara del panel donde se va a colocar el adhesivo, el cual mejora la superficie de contacto entre el sustrato y adhesivo para facilitar la unión. Una vez esté al descubierto, se sitúa el adhesivo sin que sobresalga del panel, ya que en el proceso de curado el adhesivo fluye, y una lámina de teflón en la zona donde se desea que no haya adhesivo tal y como se muestra en la Figura 56. El contacto entre el adhesivo y el teflón será el inicio de grieta para los ensayos, por lo que es importante que sea perpendicular a la fibra de carbono del panel de cinta y a 45º del tejido. Encima del adhesivo se debe apilar de nuevo el número de capas necesarias, en ambos paneles 2 capas. Figura 56: Colocación del adhesivo y el teflón para el co-encolado. 53 Cuando los paneles estén listos, con el laminado grueso curado y el adhesivo y el laminado delgado de prepeg frescos, se vuelve a poner una lámina de pelable en la capa fresca para mantener la simetría con este material y se realiza la bolsa de vacío para el segundo curado. El ciclo necesario se muestra a continuación: Al terminar el proceso, los paneles están listos para ser recanteados y cortar las muestras necesarias con el disco de corte. De cada panel se obtienen 12 muestras. 6.2 Caracterización de los materiales La cinta empleada es HEXPLY UD/M21/35%/268/T700GC-12K [23], el tejido es 985LV37-6K [9] y el adhesivo FM300K.05 [24]. Se desea conocer el módulo de elasticidad de los materiales, además del coeficiente de Poisson para el adhesivo. Estos datos son necesarios para el modelo numérico que se realizan de los ensayos [16]. Para obtener resultados lo más exactos posibles, se instrumentan las muestras. Se realiza el ensayo de tracción registrando los resultados medidos con galgas. Las galgas extensiométricas son un elemento de medición muy útil ya que nos proporcionan los datos sobre las deformaciones de la probeta. Para los ensayos de cinta y tejido se necesita una galga longitudinal, ya que solo se necesita obtener la deformación en esta dirección; mientras que para el caso del adhesivo se requiere una galga que mida la deformación trasversal también. Su colocación es muy minuciosa y debe hacerse correctamente para conseguir una medición apropiada. Primero, se prepara la superficie de la muestra donde se va a pegar la galga, limándola y limpiándola. Luego, se prepara la galga por la zona de pegado. Es importante la orientación de la galga para obtener los resultados que se necesitan, la galga debe estar paralela a la dirección de aplicación de la carga, es decir, paralela a la fibra en el caso de la cinta y a 45º en el caso del tejido. Una vez la galga esté pegada y el pegamento esté seco, se deben soldar los cables que conectaremos al programa que registrará el ensayo. El resultado se aprecia en la Figura 58, donde se puede ver la muestra de cinta, a la izquierda, y la de tejido, a la derecha, listas para el ensayo de tracción. Figura 57: Bolsa de vacío en el autoclave antes de proceder al segundo curado. 54 Figura 58: Galgas extensiométricas en las probetas para caracterizar los materiales. 6.2.1 Cinta En el ensayo de tracción, se obtienen como resultados la carga (N) empleada y el desplazamiento de cruceta (mm). La galga nos proporciona la evolución de la deformación longitudinal (µe). Para obtener el módulo de Young del ensayo, se necesitan saber los siguientes datos de la muestra: Ancho (mm) 25,00 Espesor (mm) 2,53 Sabiendo la sección trasversal de la muestra, 63.25 mm2, y con ella la tensión aplicada (MPa), se obtienen los siguientes resultados: Gráfico 17: Ensayo a tracción de la muestra de cinta. La pendiente de esta tendencia da como resultado el módulo de Young, que en las correctas unidades es: E (GPa) 112,3 55 El valor mínimo esperado según la especificación del material [23] es de 130 GPa, el módulo obtenido es inferior. Sin embargo, en la especificación se calcula el módulo de Young con el espesor teórico de una capa curada, el cual es 0.25mm y el material empleado es un poco más grueso, cada capa tiene un espesor de 0.281mm. Si se calcula E con el espesor teórico, se obtiene un módulo de 126 GPa, disminuyendo el error considerablemente. 6.2.2 Tejido La orientación de las fibras del tejido respecto al eje de orientación de la carga es  45º. Procediéndose de forma similar a como se ha explicado con la cinta, se realiza el ensayo de tracción como se ve en la Figura 59. Para el procesamiento de los datos se requieren las medidas de la muestra que se exponen a continuación: Ancho (mm) 25,02 Espesor (mm) 3,14 Con estos datos se puede hallar la sección trasversal, en este caso 78,56 mm2. Los resultados obtenidos del ensayo se muestran en el Gráfico 18. Gráfico 18: Ensayo a tracción de muestra de tejido. Figura 59: Ensayo de tracción a la muestra de tejido. 56 Haciendo el cambio de unidades correspondiente, se halla un módulo de Young del material: E (GPa) 16,0 El resultado obtenido no se puede comparar con los datos que aporta la especificación del material [25] debido a que los datos se refieren al tejido 0º/90º y las muestras ensayadas son a 45º. Sin embargo, debido a la orientación se espera un E menor y así se ha hallado. 6.2.3 Adhesivo Paralelamente a este trabajo experimental, se realiza un estudio numérico de los ensayos DCB, CDP, HDP y HOD [14][20]. El objetivo de caracterizar mecánicamente el adhesivo es porque el modelo virtual (cuyo desarrollo no forma parte de este proyecto) lo requiere. El adhesivo es un material al que se le solicita una correcta unión, no se requiere de él un buen comportamiento a tracción ya que no se emplea para este tipo de solicitaciones. Por lo tanto, las propiedades mecánicas que se tienen del material son de su comportamiento en uniones y no se han encontrado datos referentes a su módulo de Young en los que basar el cálculo numérico. Por ello, es útil hallar también el coeficiente de Poisson en su caracterización. La muestra de adhesivo es de 20 capas, al ser un material delicado, se ponen tacos de vidrio en los extremos de la muestra para no dañar la zona de agarre en las mordazas durante el ensayo a tracción. Para el pegado de los tacos se emplea el adhesivo Z70. Figura 60: Probeta de adhesivo. Gráfico 19: Ensayo a tracción de la muestra de adhesivo. 57 Los datos de la muestra de adhesivo son: Ancho (mm) 25,20 Espesor (mm) 3,70 Para hallar el coeficiente de Poisson, se calcula para registro de datos que se obtienen de las galgas (𝜈=−𝜀2 𝜀1) y se hace el promedio de ellas. De este modo, las propiedades del adhesivo son: E (MPa) 2,93 𝝂 0,412 6.3 Aspectos prácticos asociados a los ensayos para hallar GC El ensayo normalizado de referencia para hallar la tenacidad a fractura de las distintas muestras es el Climbing Drum Peel [7]. El ensayo es rápido y sencillo de realizar, aun así hay varios aspectos que se deben tener en cuenta para no encontrar problemas. En primer lugar, el rodillo para agarrar la probeta, donde se introduce el lamina de 2 capas, puede que no sujete bien la muestra debido a su pequeño espesor y rugosidad. Para evitar este posible problema, se coloca una lámina de lija junto a la muestra para que el contacto del rodillo sea con una superficie rugosa y no se abra, tal y como se observa en Figura 61. En la imagen también se puede ver cómo la probeta se enrolla alrededor del tambor durante el ensayo. En segundo lugar, es necesario que la muestra esté vertical y el tambor bien alineado con la máquina de tracción. Para ello es útil el uso de escuadras y un nivel para la preparación del ensayo. Figura 61: Sujeción de la probeta al tambor. 58 Figura 62: Alineación de la muestra durante el ensayo. Otro aspecto a tener en cuenta es que el tambor va subiendo por encima del frente de grieta, esto requiere especial atención al final del ensayo, donde el tambor puede tocar el útil de sujeción superior de la muestra, ya que se podría dañar la máquina y el tambor. Por esta razón, al acabar el ensayo, una gran parte de la muestra no habrá sido ensayada lo cual supone un desperdicio de material considerable. En segundo lugar, se emplea el HDP como ensayo de comparación ya que se demostró en trabajos previos que los resultados obtenidos con esta técnica son totalmente comparables a los que se hallan con el CDP. Por ello, se ensayan 3 probetas de cada tipo mediante este ensayo. Figura 63: Ensayo HDP. El procedimiento se realiza en un solo test, obteniendo el momento toros frente al desplazamiento en todo momento. Se consigue el momento de liado en el primer tramo de probeta y en el segundo, donde se encuentra el adhesivo, se halla el momento de pelado+liado. El HDP impone un giro y tiene un desplazamiento libre. Se realiza el ensayo a una velocidad de 60 mm/min de liado de la probeta en el tambor, por lo tanto, la velocidad de giro del tambor es de = 0.1 rpm. La preparación del ensayo para las pruebas es sencilla. Se mide el ancho y el espesor de la probeta previamente. Se comienza pegando la probeta por la cara de rígida (mayor número de capas) a la mesa de ensayo, anteriormente limpiada con acetona adecuadamente, con una cinta de doble cara y asegurando los extremos con sargentos. El dispositivo es totalmente autónomo ya que la idea es emplearlo en diferentes superficies por lo que consta de unas ventosas que permiten su adaptabilidad. 59 Tras preparar el ensayo, se emplea el software de control de Lab-View para el procesamiento de datos en el ordenador que se vaya utilizar. Para comenzar, se introducen en el ordenador la velocidad del ensayo, ancho y espesor de la muestra, así como el diámetro del tambor. El propio software calcula el valor de GC para un rango de valores que se eligen manualmente. Por último, se emplea el HOD que es el dispositivo que se desea verificar. Al igual que en el resto de ensayos, se emplean 3 muestras de cada tipo y se procede según se explicó en el apartado 4.3. Figura 64: Ensayo HOD. 60 61 7 RESULTADOS La exposición de resultados se dividirá según el material de las muestras y, a su vez, según el ensayo empleado para el cálculo de la tenacidad a fractura de la unión. 7.1 Resultados para muestras de cinta Se muestra a continuación todos los resultados para muestras de cinta permitiendo una visualización global de resultados: Tabla 8: Resultados para muestras de cinta. Espécimen Ancho (mm) Espesor de la piel (mm) Pelado + Liado Liado GC (J/m2) GC Promedio (J/m2) CV (%) CDP Cinta 1 24,64 0,60 208,49 N 127,94 N 809,58 828,50 1,99 CDP Cinta 2 25,18 0,60 223,62 N 138,25 N 839,59 CDP Cinta 3 25,10 0,60 231,52 N 146,76 N 836,33 HDP Cinta 1 24,64 0,60 2,03 Nm 0,30 Nm 736,45 717,21 3,05 HDP Cinta 2 25,18 0,60 1,92 Nm 0,19 Nm 721,76 HDP Cinta 3 25,12 0,60 2,11 Nm 0,46 Nm 693,43 HOD Cinta 1 25,10 0,60 23,40 N - 932,22 953,36 2,00 HOD Cinta 2 23,98 0,60 22,99 N - 958,56 HOD Cinta 3 25,08 0,60 24,31 N - 969,31 Con una visión general de todos los datos obtenidos y procesados, se continúa analizando por ensayos para mostrar las gráficas obtenidas de cada muestra ensayada. 68 Figura 68: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo CDP 1, 2 y 3. Se observa que los saltos máximos presentados en la zona elegida aleatoriamente de cada muestra del CDP son de 16 N, 11 N y 9 N, respectivamente. Figura 69: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo HDP 1, 2 y 3. En el caso del HDP, los saltos corresponden a 0.27 Nm, 0.2 Nm y 0.25 Nm. Teniendo en cuenta que el diámetro del tambor es de 189.7 mm y tomando el espesor nominal de la piel de 0.6 mm, en fuerza se tendrían saltos de 2.84 N, 2.10 N y 2.63 N. Finalmente, para HOD se tiene: Figura 70: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo HOD 1, 2 y 3. Los saltos son de 8 N, 8 N y 7 N. Comparando los saltos en cada ensayo, se observa que el CDP presenta las diferencias mayores, por lo tanto, no deben ser una alarma los saltos en el HDP y el HOD, ya que el ensayo CDP está ya normalizado y adaptado en los procesos de calidad aeronáutica. 190 195 200 205 210 215 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 Fuerza(N) Extensión(mm) 210 212 214 216 218 220 222 224 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 Fuerza(N) Extension(mm) 220 222 224 226 228 230 232 234 236 238 240 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 Fuerza(N) Extension(mm) 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1 2,15 200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 Momento(N·m) LongituddePelado(mm) 1,8 1,85 1,9 1,95 2 2,05 2,1 200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 Momento(N·m) LongituddePelado(mm) 2 2,05 2,1 2,15 2,2 2,25 2,3 190 192 194 196 198 200 202 204 206 208 210 Momento(N·m) LongituddePelado(mm) 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 20 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25 Fuerza(N) Tiempo 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 20 21 21 22 22 23 23 24 24 25 25 Fuerza(N) Tiempo 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 30 31 31 32 32 33 33 34 34 35 35 Fuerza(N) Tiempo Extensión (mm) Fuerza (N) Longitud de Pelado (mm) Momento (Nm) Fuerza (N) Tiempo (s) 69 7.2 Resultados para muestras de tejido Una vez finalizados los resultados para las muestras de cinta, se exponen los obtenidos para el tejido: Tabla 12: Resultados para muestras de tejido. Espécimen Ancho (mm) Espesor de la piel (mm) Pelado + Liado Liado GC (J/m2) GC Promedio (J/m2) CV (%) CDP Tejido 1 25,03 0,80 247,69 N 81,02 N 1637,94 1627,78 0,95 CDP Tejido 2 25,22 0,80 274,08 N 109,03 N 1609,98 CDP Tejido 3 25,14 0,80 306,54 N 139,44 N 1635,41 HDP Tejido 1 25,03 0,80 3,03 Nm 0,30 Nm 1144,47 1239,90 6,75 HDP Tejido 2 25,22 0,80 3,48 Nm 0,36 Nm 1300,93 HDP Tejido 3 25,14 0,80 3,36 Nm 0,30 Nm 1274,30 HOD Tejido 1 25,03 0,80 34,41 N 0,00 1374,61 1326,71 3,40 HOD Tejido 2 25,22 0,80 32,40 N 0,00 1284,89 HOD Tejido 3 25,14 0,80 33,20 N 0,00 1320,63 7.2.1 Climbing Drum Peel A continuación, se muestran los resultados del tejido con el CDP: Tabla 13: Resultados obtenidos de muestras de tejido con el CDP. Espécimen Ancho (mm) Espesor de la piel (mm) Fuerza Pelado + Liado (N) Fuerza Liado (N) GC (J/m2) GC Promedio (J/m2) CV (%) CDP Tejido 1 25,03 0,80 247,69 81,02 1637,94 1627,78 0,95 CDP Tejido 2 25,22 0,80 274,08 109,03 1609,98 CDP Tejido 3 25,14 0,80 306,54 139,44 1635,41 70 Gráfico 29: Resultados de la muestra 1 de tejido con CDP. Gráfico 30: Resultados de la muestra 2 de tejido con CDP. 71 Gráfico 31: Resultados de la muestra 3 de tejido con CDP. 7.2.2 Horizontal Drum Peel Para el tejido se decidió realizar los 3 ensayos en las 3 mismas muestras puesto que tras realizar el CDP las probetas disponían de una zona encolada suficientemente larga para volver a ser ensayadas. Esto asegura una comparación aún más adecuada entre ensayos ya que se tiene la certeza de que la fabricación de las muestras es idéntica. A continuación, se muestran los resultados con HDP de las muestras de tejido: Tabla 14: Resultados obtenidos de muestras de tejido con HDP. Espécimen Ancho (mm) Espesor de la piel (mm) Momento Pelado + Liado (N·m) Momento Liado (N·m) GC (J/m2 ) GC Promedio (J/m2) CV (%) HDP Tejido 1 25,03 0,80 3,03 0,30 1144, 47 1239,90 6,75 HDP Tejido 2 25,22 0,80 3,48 0,36 1300, 93 HDP Tejido 3 25,14 0,80 3,36 0,30 1274, 30 72 Gráfico 32: Resultados de la muestra 1 de tejido con HDP. Gráfico 33: Resultados de la muestra 2 de tejido con HDP. 73 Gráfico 34: Resultados de la muestra 3 de tejido con HDP. 7.2.3 Horizontal Open Displacement A continuación, se procede a analizar los resultados obtenidos con el HOD: Tabla 15: Resultados obtenidos de muestras de tejido con HOD. Espécimen Ancho (mm) Espesor de la piel (mm) Fuerza Pelado + Liado (N) GC (J/m2) GC Promedio (J/m2) CV (%) HOD Tejido 1 25,03 0,80 34,41 1374,61 1326,71 3,40 HOD Tejido 2 25,22 0,80 32,40 1284,89 HOD Tejido 3 25,14 0,80 33,20 1320,63 74 Gráfico 35: Resultados de la muestra 1 de tejido con HOD. Gráfico 36: Resultados de la muestra 2 de tejido con HOD. 75 Gráfico 37: Resultados de la muestra 3 de tejido con HOD. Figura 71: Modo de fallo de las muestras de tejido. El modo de fallo, al igual que el obtenido en la cinta, es interfase fresco-fresco en todos los ensayos. El tejido presenta aún más discontinuidades en el pelado que la cinta debido al carbono entrelazado que hace un contacto más heterogéneo. De igual modo, se comparan los ensayos. Figura 72: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo CDP 1, 2 y 3. Los saltos mostrados máximos en el CDP respectivamente son de 115 N, 100 N y 100 N. En el HDP: 190 210 230 250 270 290 310 120 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140 Fuerza(N) Extension(mm) 210 230 250 270 290 310 330 90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110 Fuerza(N) Extension(mm) 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 140 142 144 146 148 150 152 154 156 158 160 Fuerza(N) Extension(mm) Extensión (mm) Fuerza (N) 76 Figura 73: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo HDP 1, 2 y 3. Los saltos en este caso son de 1.95 Nm, 1.9 Nm y 2.1 Nm, que teniendo en cuenta el diámetro del tambor 189.7 mm y el espesor nominal de la piel de 0.8 mm, se obtienen 19 N, 18.54 N y 20.49 N. Para el HOD: Figura 74: Ampliación de la magnitud de saltos del ensayo HOD 1, 2 y 3. En este caso los saltos son 35 N, 26 N y 29 N. En el caso del tejido, los saltos son significativamente mayores que con la cita, sin embargo, esta observación era de esperar debido a las características tan diferentes que presenta el tejido respecto de la cinta. El tejido es un material notablemente más irregular que, unido a la particular rejilla del adhesivo film que aumenta la heterogeneidad, suponen una interfaz de la unión no uniforme provocando estos saltos. De igual modo que se ha expuesto con la cinta, los saltos más importantes se producen en el CDP, lo cual supone una tranquilidad para el resto de ensayos ya que el CDP es el ensayo de diferencia para esta comparación por ser el procedimiento validado en el sector. 2,05 2,55 3,05 3,55 4,05 200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220 Momento(N·m) LongituddePelado(mm) 2,3 2,8 3,3 3,8 4,3 210 212 214 216 218 220 222 224 226 228 230 Momento(N·m) LongituddePelado(mm) 2,1 2,6 3,1 3,6 4,1 210 212 214 216 218 220 222 224 226 228 230 Momento(N·m) LongituddePelado(mm) 15 20 25 30 35 40 45 50 55 16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 Fuerza(N) Tiempo 10 15 20 25 30 35 40 15 16 16 17 17 18 18 19 19 20 20 Fuerza(N) Tiempo 10 15 20 25 30 35 40 45 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 Fuerza(N) Tiempo Longitud de Pelado (mm) Momento (Nm) Tiempo (s) Fuerza (N) 77 8 CONCLUSIONES Los resultados de esta investigación demuestran que el nuevo dispositivo HDP 2.0 proporciona resultados tan válidos como el ensayo de referencia CDP. Las mejoras presentadas optimizan la ejecución del ensayo, principalmente por la bajada de peso del dispositivo. La mayor adaptabilidad del equipo facilita la planificación del ensayo para su futura implantación en la cadena de producción. A su vez, respecto al estudio de las posibles dificultades que puede presentar el dispositivo: - La desalineación de la probeta no afecta significativamente el valor de tenacidad a fractura que se obtiene del ensayo, sin embargo, sí afecta a la uniformidad del avance del ensayo. Por ello, se debe evitar la desalineación de la muestra respecto al tambor. - Se asegura un correcto funcionamiento del ensayo en cualquiera de las dos direcciones posibles de giro del tambor. - La determinación del modo de fallo de las muestras es un punto crítico a determinar, por lo que se ha modificado el software del ensayo para guardar un archivo con una imagen de las superficies de fallo. Respecto al HOD se puede concluir que los resultados obtenidos con este equipo son comparables con los resultados obtenidos empleando el CDP y el HDP 2.0. A continuación se expone una síntesis de los resultados obtenidos con los 3 ensayos llevados a cabo para los dos tipos de material compuesto. En primer lugar, los ensayos realizados a muestras de cinta unidireccional: Tabla 16: Resumen de resultados para muestras de cinta. Ensayo GC Promedio (J/m2) CV (%) CDP 828,50 1,99 HDP 717,21 3,05 HOD 953,36 2,00