Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Ingeniería Aeroespacial Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Autor: Álvaro Salinas Hernández Tutores: Federico París Carballo Jesús Justo Estebaranz Dep. de Elasticidad y Resistencia de Materiales Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 Trabajo Fin de Grado Ingeniería Aeroespacial iii Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Autor: Álvaro Salinas Hernández Tutor: Federico Paris Carballo Jesús Justo Estebaranz Dep. de Elasticidad y Resistencia de Materiales Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 v Trabajo Fin de Grado: Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Autor: Álvaro Salinas Hernández Tutor: Federico París Carballo Jesús Justo Estebaranz El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal vii A mi ejemplo estos años, Mi abuelo Pepe ix Agradecimientos Antes de nada querría agradecer el apoyo recibido estos años sin el que esto habría sido imposible. En primer lugar a mis padres por haberme dado los medios y el amor necesarios desde pequeño para poder llegar hoy a esto, y a mi hermano por apoyarme estos años. A Rocío, por haber estado estos cuatro años a mi lado cada vez que las fuerzas flaqueaban, para arrimar el hombro y tirar juntos hacia delante, sin ella esto habría sido demasiado difícil. Agradecer a Jesús Justo haberme guiado y brindado su implicación desde el principio en este proyecto y a Federico París por despertarme el interés en los materiales compuestos y por todo el conocimiento transmitido. A todo el equipo del LERM, en especial a Antonio, José Ramón, Isabel y Miguel, por haberme ayudado en todas las tareas desarrolladas en el laboratorio. Gracias a esos compañeros de carrera que se convirtieron en amigos con los que este camino ha sido mucho más llevadero. Y en especial, a mi abuelo, la persona que despertó en mí el interés en la Ingeniería y fue mi referencia estos años de carrera. Me habría encantado que leyeras esto, espero que estés orgulloso de tu nieto Alvarito. 5 Resultados de los ensayos 49 5.1. Mediciones de las probetas de ensayo 49 5.1.1 Medidas de las probetas de tracción 49 5.1.2 Medidas de las probetas de compresión 50 5.1.3 Medidas de las probetas del ensayo a cortadura intralaminar 50 5.2. Ensayos a tracción 50 5.2.1 Resultados 51 5.2.2 Tipos de rotura 56 5.2.3 Resumen de resultados 58 5.3. Ensayos a compresión 59 5.3.1 Resultados 60 5.3.2 Tipos de rotura en las probetas 64 5.3.3 Resumen de resultados 66 5.4. Ensayo a cortadura intralaminar 66 5.4.1 Resultados 67 5.4.2 Tipos de rotura 71 5.4.3 Resumen de resultados 72 6 Conclusiones y desarrollos futuros 75 6.1. Conclusiones del apartado de fabricación 75 6.2. Conclusiones del apartado de ensayos 77 6.3. Desarrollos futuros 79 Referencias 81 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2–1. Propiedades mecánicas para las fibras más comunes [2] 7 Tabla 2–2. Propiedades mecánicas para varias resinas [2] 8 Tabla 3–1. Comparación de espesores entre TeXtream y AS4\8552 17 Tabla 3–2. Ciclos de curado para el tejido TeXtream [10] 25 Tabla 5–1. Espesores de las probetas del ensayo a tracción 49 Tabla 5–2. Espesores de las probetas del ensayo a compresión 50 Tabla 5–3. Espesores de las probetas del ensayo a cortadura intralaminar 50 Tabla 5–4. Resumen de los ensayos de tracción 59 Tabla 5–5. Resumen de los ensayos de compresión 66 Tabla 5–6. Resultados probeta 1 cortadura 67 Tabla 5–7. Resultados probeta 2 cortadura 68 Tabla 5–8. Resultados probeta 3 cortadura 69 Tabla 5–9. Resultados probeta 4 cortadura 70 Tabla 5–10. Resultados probeta 5 cortadura 70 Tabla 5–11. Resumen de los ensayos de cortadura intralaminar 73 Tabla 6–1. Recopilación de características de Rigidez y Resistencia del tejido TeXtream 77 Tabla 6–2. Recopilación de características de Rigidez y Resistencia el material AS4 [18] 78 Tabla 6–3. Recopilación de características de Rigidez y Resistencia de un tejido de fibra [19] 78 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Diagrama de bloques de la estructura global del proyecto. 3 Figura 2-1. Clasificación de los distintos materiales compuestos [2] 6 Figura 2-2. Diagramas tensión deformación para distintas fibras [2] 7 Figura 2-3. Diagramas tensión deformación para resinas termoestables [2] 8 Figura 2-4. Evolución en el uso de materiales compuestos en la Aeronáutica [6] 10 Figura 2-5. Partes de la estructura del avión en las que se emplean composites [7] 11 Figura 2-6. Desglose de materiales en B787 11 Figura 3-1. Proceso de disposición de la fibra de carbono en cintas 13 Figura 3-2. Comparación entre las láminas TeXtreme y las convencionales 14 Figura 3-3. Comparación entre el tejido ultradelgado y el convencional 14 Figura 3-4. Relación entre el espesor de la lámina y su resistencia a rotura [1] 14 Figura 3-5. Avión ligero fabricado con láminas ultradelgadas [1] 15 Figura 3-6. Rollo del tejido ultradelgado 16 Figura 3-7. Imagen del tejido 16 Figura 3-8. Condiciones para la sala limpia en humedad y temperatura [2] 17 Figura 3-9. Corte para el ensayo de tracción a 0º 19 Figura 3-10. Corte para el ensayo de cortadura a 45º 19 Figura 3-11. Corte para el ensayo de compresión 20 Figura 3-12. Proceso de corte del material 20 Figura 3-13. Secuencia de corte correcta 21 Figura 3-14. Apilado del material 21 Figura 3-15. Bolsa de vacío para la compactación de los laminados 22 Figura 3-16. Laminados a 0º y 45º 22 Figura 3-17. Laminado de compresión 22 Figura 3-18. Componentes de la bolsa de vacío [9] 23 Figura 3-19. Disposición del corcho separador entre laminados 23 Figura 3-20. Distribución de los laminados en la bolsa de vacío 24 Figura 3-21. Bolsa de vacío 24 Figura 3-22. Cámara climática Challenge 600 26 Figura 3-23. Ciclo de curado inicial 26 Figura 3-24. Autoclave en el LERM 27 Figura 3-25. Ciclo de postcurado, control en temperatura 27 Figura 3-26. Ciclo de postcurado, control en vacío 27 Figura 3-27. Proceso de resanar los bordes de un laminado 28 Figura 3-28. Probeta de tracción 29 Figura 3-29. Probeta de compresión 29 Figura 3-30. Laminado de fibra de vidrio 29 Figura 3-31. Listones de fibra de vidrio ya cortados 30 Figura 3-32. Proceso de lijado de los tacones de fibra de vidrio 30 Figura 3-33. Diferencia entre un tacón lijado y otro sin lijar 31 Figura 3-34. Lijado de tacones de fibra de carbono 31 Figura 3-35. Diferencia entre zona tratada y sin tratar 31 Figura 3-36. Mezcla de adhesivo y catalizador 32 Figura 3-37. Tacón con adhesivo aeronáutico 32 Figura 3-38. Tacón colocado sobre la pieza 32 Figura 3-39. Laminados limpios tras el pegado de los tacones 33 Figura 3-40. Distribución de pesos sobre los tacones 33 Figura 3-41. Laminados con los tacones en el horno 33 Figura 3-42. Probeta a 0º configuración I 34 Figura 3-43. Probeta a 0º Configuración II 34 Figura 3-44. Probeta de compresión configuración I 34 Figura 3-45. Probeta de compresión Configuración II 34 Figura 3-46. Probetas para el ensayo a compresión 34 Figura 3-47. Probetas para el ensayo a cortadura 35 Figura 3-48. Probetas para el ensayo a tracción 0º 35 Figura 3-49. Lijado de la zona central de la probeta 36 Figura 3-50. Marcado del centro de la probeta 36 Figura 3-51. Centrado de la banda extensométrica mediante con la ayuda de cinta adhesiva 37 Figura 3-52. Banda con bornes de estaño 37 Figura 3-53. Banda con bornes de estaño 38 Figura 4-1. INSTRON 4482 41 Figura 4-2. Mordaza para tracción 42 Figura 4-3. Útiles para compresión 42 Figura 4-4. Posición de las bandas extensométricas 42 Figura 4-5. Dispositivo para las probetas del ensayo a compresión según PrEN2850‐B [14] 44 Figura 4-6. Modos de fallo admisibles en las probetas de compresión [2] 45 Figura 4-7. Deformadas de la probeta para el ensayo Off-axis [2] 46 Figura 4-8. Deformadas de un laminado equiangular [2] 46 Figura 5-1. Calibre 49 Figura 5-2. Micrómetro de caras planas 49 Figura 5-3. Probeta de tracción a ensayo 50 xxi Figura 5-4. Gráfico de tracción probeta 6 51 Figura 5-5. Gráfico de tracción probeta 1 52 Figura 5-6. Gráfico de tracción probeta 4 52 Figura 5-7. Deformación transversal 53 Figura 5-8. Deformación longitudinal probeta 2 53 Figura 5-9. Deformación transversal 53 Figura 5-10. Deformación longitudinal probeta 5 53 Figura 5-11. Deformación transversal 54 Figura 5-12. Deformación longitudinal probeta 9 54 Figura 5-13. Deformación transversal 54 Figura 5-14. Deformación longitudinal probeta 3 54 Figura 5-15. Deformación transversal 55 Figura 5-16. Deformación longitudinal probeta 8 55 Figura 5-17. Deformación transversal 55 Figura 5-18. Deformación longitudinal probeta 10 55 Figura 5-19. Rotura de las probetas 1 a 5 56 Figura 5-20. Rotura de las probetas 6, 8 9 y 10 57 Figura 5-21. Defectos en la superficie de las probetas de tracción tras los ensayos 57 Figura 5-22. Imagen de los tacones de las probetas 2, 8 y 10 58 Figura 5-23. Gráfica de los ensayos de tracción con galgas 58 Figura 5-24. Dispositivo para el ensayo de compresión 59 Figura 5-25. Gráfico de compresión probeta 1 60 Figura 5-26. Gráfico de compresión probeta 2 60 Figura 5-27. Gráfico de compresión probeta 3 61 Figura 5-28. Gráfico de compresión probeta 4 61 Figura 5-29. Gráfico de compresión probeta 5 61 Figura 5-30. Gráfico de compresión probeta 6 62 Figura 5-31. Gráfico de compresión probeta 7 62 Figura 5-32. Gráfico de compresión probeta 8 62 Figura 5-33. Gráfico de compresión probeta 9 63 Figura 5-34. Gráfico de compresión probeta 10 63 Figura 5-35. Defecto en los tacones de las probetas 1 y 2 de compresión 64 Figura 5-36. Rotura de las probetas 1 a 5 de compresión 64 Figura 5-37. Vista frontal de la rotura en las probetas 4 y 5 65 Figura 5-38. Rotura de las probetas 6 a 10 de compresión 65 Figura 5-39. Ensayo de probeta a cortadura en INSTRON 4483 67 Figura 5-40. Deformación transversal 68 Figura 5-41. Deformación longitudinal probeta 1 68 Figura 5-42. Deformación transversal 68 Figura 5-43. Deformación longitudinal probeta 2 68 Figura 5-44. Deformación transversal 69 Figura 5-45. Deformación longitudinal probeta 3 69 Figura 5-46. Deformación transversal 70 Figura 5-47. Deformación longitudinal probeta 1 70 Figura 5-48. Deformación transversal 71 Figura 5-49. Deformación longitudinal probeta 1 71 Figura 5-50. Rotura de las probetas de cortadura tras el ensayo 71 Figura 5-51. Detalle de la rotura en las probetas de cortadura intralaminar. 72 Figura 5-52. Gráfica de los ensayos de cortadura 72 Figura 6-1. Lámina ultradelgada tras curado 76 Figura 6-2. Ampliación de la lámina 76 xxiii 1 1 INTRODUCCIÓN l objetivo de este capítulo es poner en contexto los aspectos que han inducido la realización de este trabajo fin de grado para poder entender los objetivos de su ejecución e introducir algunos conceptos que se nombrarán a lo largo del mismo. Además, se explicarán los objetivos principales del trabajo que serán desarrollados en los capítulos posteriores y se expondrá cuál va a ser la estructura tanto del documento como del desarrollo del trabajo en general. 1.1. Antecedentes Los Materiales Compuestos constituyen una ciencia en continua evolución en una búsqueda de mejorar las prestaciones que ofrecen en sus distintas variantes. Dentro de esa evolución, se han venido produciendo mejoras en el proceso de fabricación de las láminas de preimpregnado, en concreto se ha logrado reducir el espesor de las láminas. Se ha experimentado que la reducción del espesor de la lámina aporta mejoras en el comportamiento de los laminados, generándose una mayor resistencia con respecto a los materiales fabricados con las láminas tradicionales. El espesor de las capas que se van apilando para conformar el material final ha venido limitado históricamente por las tecnologías empleadas en la fabricación de los preimpregnados. Con el estudio y desarrollo de nuevas tecnologías de fabricación se ha conseguido reducir considerablemente su espesor pasando de unas 100 micras de las convencionales a unas 40 micras de las nuevas. Dichas láminas son conocidas como láminas ultradelgadas 1 y serán el objetivo de estudio principal de este trabajo [1]. 1 En inglés, Ultra-thin plies E Nociones sobre materiales compuestos 8 2.3. Matrices Para conformar la matriz se emplean principalmente las resinas epoxy y poliéster, a las cuales se les hacen variar sus propiedades mecánicas y químicas para que se adapten a las necesidades requeridas por el producto final. El objetivo que cumple la matriz dentro del material compuesto es el de embeber las fibras y aunar las características de ambos componentes. Las fibras por sí solas no tienen capacidad de resistir compresión ni de protegerse contra daños superficiales. Es ahí donde surge la necesidad de recurrir a una matriz para poder aprovechar las propiedades que tienen las fibras. Se caracterizan por ser materiales dúctiles tal y como se aprecia en la figura 2-3. Se puede ver que en la tracción se produce una rotura prematura debido a la intensificación de tensiones por culpa de los defectos que de no existir seguirían una evolución similar a la compresión con una zona de deformación plástica previa a la rotura del material. Figura 2-3. Diagramas tensión deformación para resinas termoestables [2] Y al igual que con las fibras, se muestra una tabla con las propiedades principales para las dos resinas, Epoxy y Poliéster. Tabla 2–2. Propiedades mecánicas para varias resinas [2] Propiedades Epoxy Poliéster Módulo de Young (GPa) 3-6 2-4.5 Resistencia a tracción (MPa) 35-100 40-90 Resistencia a compresión (MPa) 100-200 90-250 Alargamiento de rotura (%) 1-6 2 9 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas 2.4. Métodos de fabricación En la fabricación de materiales compuestos de fibra se distinguen dos grandes fases: la configuración del laminado y el curado. En la primera fase se realizan aquellas acciones necesarias para que el material tenga la configuración final que se está buscando. Así, puede tratarse de disponer cada lámina en una dirección determinada siguiendo una secuencia preestablecida o ir colocando las fibras y la resina sobre un molde de modo que tras el curado se obtenga una pieza que adopta una forma determinada. La segunda fase, el curado, consiste en el proceso de polimerización responsable de generar enlaces entre los monómeros de la resina y enlaces permanentes entre la matriz y las fibras de una misma lámina y entre láminas adyacentes. De [3] se extraen los métodos de fabricación más empleados y una breve descripción de cada uno. El método principal en la fabricación de materiales compuestos es el curado en autoclave. Consiste en introducir el material en una cámara cerrada herméticamente con unas condiciones de temperatura y presión determinadas. El material es introducido en una bolsa de vacío de modo que se mejora su compactación. Dado que es uno de los métodos que empleamos en este proyecto, se hablará en más detalle en el capítulo correspondiente a la fabricación del material ultradelgado. Otro sistema de curado que se puede emplear es el curado en horno, en el cual tan solo se realiza control de temperatura. Este es otro de los sistemas empleados por lo que se detallará más adelante. La prensa de platos calientes consta de dos pistones enfrentados que son calefactables. Los pistones ejercen presión sobre el laminado para compactarlo mientras se realiza el curado. Se caracteriza por un coste bajo frente a la imposibilidad de fabricar piezas que no sean planas sin cambiar dos pistones. Otro procedimiento empleado es el Quickstep, el cual consta de un dispositivo con dos cajones que son cerrados uno sobre el otro con dos membranas, a través de las cuales se transmite presión y temperatura. Es un proceso con equipo más caro que el autoclave pero con materiales auxiliares más baratos. El método más tradicional es el Hand Lay-up que como su propio nombre indica consiste en ir colocando las fibras sobre el molde para posteriormente aplicar la resina con un cepillo y un rodillo. Se puede curar a temperatura ambiente o en la estufa en función de la resina empleada. El acabado del material dependerá de la habilidad del operario. Para fabricar piezas de revolución se suele emplear el método filament winding que consiste en ir enrollando las fibras en torno a un mandril giratorio. La fibra ya incorpora la resina previo paso por una cubeta antes de ser enrollado. Es útil para la fabricación de los depósitos de los motores cohetes por ejemplo. Uno de los métodos que está ganando gran aceptación en la actualidad es el Liquid Resin Infusion que consiste en introducir en un molde las fibras sin resina, realizar el vacío sobre éstas e impregnarlas de resina que es introducida en el molde. Esto permite una gran variedad de geometrías, aunque sólo es rentable para un número de piezas elevado. Es conocido por múltiples nombres (como el conocido RTM) debido a que cada empresa patenta su método particular de inyección de resina. Existe un método más moderno que consiste en el curado mediante el impacto de electrones, electron-beam. Puede ser de alta potencia de modo que cura todo el laminado o de baja potencia curando lámina a lámina y siendo necesario un sistema que vaya apilando cada lámina tras su curado. Al tratarse de un tipo de material en constante evolución y con numerosos avances tecnológicos van surgiendo nuevos métodos como la compactación con ultrasonidos para un posterior curado con cañones de plasma y microondas. Nociones sobre materiales compuestos 10 2.5. Los Materiales Compuestos en la Aeronáutica La historia de los materiales compuestos, si se excluyen los naturales y el hormigón, lejos del concepto de material compuesto que estudiamos en este proyecto, se remonta al siglo XX. En un primer momento, en el 1907, se obtuvo de forma pionera una resina termoestable, la bakelita. A partir de ésta, durante las tres primeras décadas del siglo se fueron desarrollando los distintos tipos de resinas que constituirían los primeros materiales compuestos. Las fibras ya eran conocidas con anterioridad a la aparición de los termoestables, teniéndose conocimiento de las limitaciones del uso de fibras de forma aislada. Es ahí donde surge la idea de combinar las nuevas resinas con las fibras para compaginar sus propiedades a partir de la tercera década del siglo XX. Así, los primeros materiales compuestos estaban conformados por fibras de vidrio embebidos en matrices fenólicas y poliésteres. Eran fabricados a mano y usados para aplicaciones que no tenían requerimientos muy elevados. [4] Es con la introducción de los composites en la industria aeronáutica cuando se busca la mejora de las prestaciones de los mismos dadas las necesidades que se tenían en las aeronaves con la aparición de los turborreactores y el aumento del número de aparatos embarcados en cabina que conllevaron un aumento del peso del avión. Para no perjudicar la envolvente de vuelo de las aeronaves por el aumento de peso se empezaron a buscar alternativas que redujeran el peso mediante el empleo de materiales compuestos con fibras avanzadas (carbono, boro o aramidas) en la aviación militar. En concreto, el gran salto se da en el 1964 en la Royal Aircraft Establishment en Reino Unido con la aplicación de composites en la aviación militar. [5] El principal escollo que tenían era la incertidumbre en torno a su fiabilidad una vez operativos. Pese a ello, su crecimiento desde entonces ha sido constante y fuerte, acaparando una cuota muy importante dentro del sector consiguiendo una reducción de peso en torno al 20% con respecto a las tradicionales aleaciones de aluminio. En la figura 2-4 se puede observar cómo ha ido evolucionando el porcentaje empleado de materiales compuestos en el global de toda la aeronave, con ejemplos de aeronaves conocidas. Con menos del 10 % en los extendidos A320 o B737 hasta el salto que se da en la actualidad con el A350 o el B787 Dreamliner por encima del 50% en el uso de composites. Se puede observar esa clara tendencia al alza en el empleo de los materiales compuestos en los innovadores diseños que van surgiendo en la actualidad. Figura 2-4. Evolución en el uso de materiales compuestos en la Aeronáutica [6] 11 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Es interesante también observar en la figura 2-5 cómo con los años se van desarrollando nuevas piezas de compuestos, en este caso en la compañía AIRBUS. Figura 2-5. Partes de la estructura del avión en las que se emplean composites [7] Se observa como de pequeñas secciones con los avances tecnológicos y en los estudios de los materiales compuestos se van produciendo aviones con secciones mayores hechas por completo de materiales compuestos, como grandes secciones del fuselaje o de las alas en el A350. Para acabar en la figura 2-6 se puede apreciar según qué zonas se utiliza un tipo de material compuesto u otro, en este caso del B787. Se constata como la mayor parte del material compuesto empleado es laminado de fibra de carbono, especialmente en secciones largas del fuselaje y las alas. Por otro lado se ve que aún quedan secciones en las Figura 2-6. Desglose de materiales en B787 Nociones sobre materiales compuestos 12 que los materiales compuestos no pueden sustituir a materiales convencionales como el aluminio en el borde de ataque de las alas. En cuanto al material que se va a estudiar, las láminas ultradelgadas van a permitir, si funciona como es esperado, una mayor resistencia para el mismo espesor de laminado, o visto de otra forma, para una solicitación concreta se necesitará menos material suponiendo una reducción de peso con las ventajas que eso conlleva. 13 3 FABRICACIÓN DE PROBETAS CON LÁMINAS ULTRADELGADAS n el siguiente capítulo se va a detallar todo el proceso seguido para en primer lugar fabricar las placas de preimpregnado de fibra de carbono con láminas ultradelgadas para posteriormente obtener de dichas placas las probetas requeridas siguiendo la norma pertinente para realizar los ensayos de caracterización objeto de este Proyecto fin de grado. Antes de empezar a desarrollar todo el proceso de fabricación y las precauciones tomadas durante el mismo, se va a explicar cómo es el material estudiado y aspectos relacionados con su fabricación. 3.1. Sobre el material de estudio En un primer lugar se va resumir la información dada por la empresa que fabrica el material sobre su proceso de elaboración y sobre sus características, y en el segundo subapartado se comentarán las características observadas en el material tras su desembalaje en la sala limpia del laboratorio y las primeras manipulaciones con el mismo. 3.1.1 Información de la empresa El material ultradelgado que se ha comprado en el laboratorio para realizar su estudio pertenece a la compañía sueca Oxeon fundada en el 2003, denominándose el material en concreto TeXtreme. Se trata de láminas de material compuesto empleando distintos materiales, pero principalmente se tratan de fibras de carbono HS (high strength), IM (intermediate modulus) o HM (high modulus) [1]. La manera en la que la empresa consigue reducir el espesor de las láminas con este material reside en un proceso de extrusión de la fibra de carbono para disponerla en cintas. Figura 3-1. Proceso de disposición de la fibra de carbono en cintas Este material resultante se denomina “Spread Tow UD (Uni-direccional) tapes” y es en el proceso descrito denominado Spread Tow donde reside la clave para la obtención de láminas de fibra larga de carbono más finas que las convencionales, disponiendo en la misma área mayor volumen de fibras, lo cual puede conferir al material un mejor comportamiento mecánico. E Fabricación de probetas con láminas ultradelgadas 14 En la figura 3-2 se pueden comparar las diferencias comentadas entre las láminas convencionales y las TeXtreme donde se puede ver una reducción teórica del espesor a la mitad y una disposición de las fibras más regular y compacta que en las láminas fabricadas por los métodos convencionales. Según la empresa, además de las ventajas mecánicas desarrolladas, resulta más fácil de manipular y cortar que las convencionales, después se comentará la experiencia personal al respecto. La otra variante en la que se puede obtener el producto es en forma de tejido, que es el material que se tiene en el laboratorio y con el que se va a trabajar. La filosofía para obtener las láminas unidireccionales es la misma, variando el proceso de disposición de las cintas en forma de tejido tal y como se observa en la figura siguiente. Figura 3-3. Comparación entre el tejido ultradelgado y el convencional Esta disposición mediante el método Spread Tow permite obtener tejidos más delgados que los tradicionales, una mejor disposición de las fibras confiriendo mayor resistencia al evitar el ondulamiento de las mismas y reducir las zonas con exceso de resina por problemas de apilamiento del material durante el proceso. Esta reducción del espesor mejora la resistencia a la rotura del material, lo cual se puede ver en el siguiente gráfico. Figura 3-4. Relación entre el espesor de la lámina y su resistencia a rotura [1] Figura 3-2. Comparación entre las láminas TeXtreme y las convencionales 15 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Para finalizar, enmarcándolo en el sector aeronáutico que nos compete, cabe reseñar que ya se ha producido en Suecia un avión ligero con alas y fuselaje fabricados íntegramente con dicho material logrando una disminución en peso y mejoras en la resistencia de la aeronave. Figura 3-5. Avión ligero fabricado con láminas ultradelgadas [1] 3.1.2 Características del material recibido La información adjunta acerca del material recibido sobre su producción es la siguiente: Cliente: Stock Lote: 6439/FL Rollo Nº: 1 Material: CPV4-TEXTREME1000-100G-42%RW Cantidad: 22.3 𝑚2 Fecha de fabricación: 6 junio del 2016 El material se recibe debidamente embalado, termosellado y congelado para su correcta conservación el mayor tiempo posible. Según las especificaciones dadas por el fabricante adjunto al embalaje, estaría en óptimas condiciones 12 meses conservándose a -18º C o 21 días a una temperatura de trabajo de 20º C. En la figura 3-6 se ve el rollo del laminado ya desembalado de su plástico. Se observa cómo viene correctamente enrollado en un cilindro, obteniéndose un ancho de la lámina de 1 m y una longitud de 22.3 m. La lámina está separada doblemente, en primer lugar un plástico separador de color azul para preservar la cara delantera y otra capa de color marrón que permite que la cara posterior mantenga su capacidad adhesiva y facilite el apilamiento de las láminas para conformar el producto final. Fabricación de probetas con láminas ultradelgadas 16 Figura 3-6. Rollo del tejido ultradelgado Se aprecia también que el tejido proporciona una cuadrícula de 2x2 cm y que la disposición a simple vista es notablemente homogénea y recta, como se puede observar en la siguiente ilustración 3-7 donde también se aprecia la doble orientación de las fibras. Figura 3-7. Imagen del tejido En cuanto a su trato al corte, destacar que es correcto y fácil de ejecutar, proporcionando un corte sin irregularidades. A su vez, es fácil de despegar del plástico protector y se adhieren sin problemas unas láminas con otras durante el apilado. Para acabar con el análisis inicial del material se toman varias medidas del espesor con el micrómetro de caras planas y son comparadas con el material AS4\8552, que es el más empleado en los proyectos académicos del laboratorio y que está compuesto de fibra de carbono unidireccional. 17 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Tabla 3–1. Comparación de espesores entre TeXtream y AS4\8552 Material Unidades Media AS4\8552 µm 205 206 202 204 204.25 TeXtream µm 123 129 130 125 126.75 Se observa una disminución en torno al 40% con respecto al AS4\8552 aún siendo un tejido y por tanto doble capa. En cambio, con respecto a otros materiales que andan en torno a las 100 micras la reducción es patente si nos atenemos precisamente a que es un tejido y que, por tanto, el espesor si fuera una cinta unidireccional sería de la mitad, suponiendo una reducción del 40% también. Un aspecto a destacar después de la comparación con el AS4\8552 es una mayor dispersión es las medidas, es decir, la distribución de espesores a lo largo de la lámina ultradelgada es menos uniforme, variando notablemente entre zonas anexas de la lámina. 3.2. Condiciones de trabajo y elementos necesarios Hay una serie de requerimientos que se deben seguir con el objetivo de que todo el proceso esté bajo la norma correspondiente. La fabricación se va a realizar en el laboratorio del departamento (LERM) el cual está dispuesto siguiendo la norma I+D-P.233 [8]. En concreto, en esta fase del proyecto se va a hacer uso del congelador número 3 para preservar el rollo con el material obtenido y los laminados que se vayan apilando, de la sala limpia en la cual se va a realizar el corte y apilado del material, el autoclave y un horno para realizar el curado de la pieza y del taller de mecanizado donde se realizará la preparación de las probetas. Durante el corte y apilado de las láminas hay que verificar que en la sala limpia se cumplen las siguientes condiciones:  La sobrepresión mínima debe ser de 1 mm de 𝐻2𝑂.  Para partículas en suspensión de tamaño superior a 5 micras la concentración debe ser inferior a 50 partículas por litro de aire.  En todo el proceso se debe vigilar que las condiciones de humedad y temperatura no se salgan de la región marcada en la siguiente figura. Figura 3-8. Condiciones para la sala limpia en humedad y temperatura [3] Fabricación de probetas con láminas ultradelgadas 24 Se retira uno de los papeles plastificados de cada laminado y los pegamos sobre el teflón. Ahora se retira el papel protector superior y se coloca con cuidado el desmoldeante restante y se pega sobre los laminados. En la esquina dispuesta para la colocación de las tomas de vacío se efectúa un corte de modo que sólo quede el laminado desmoldeante inferior. En la figura 3-20 se puede ver la disposición final de una de las placas. Figura 3-20. Distribución de los laminados en la bolsa de vacío A continuación se corta con las tijeras un trozo de Airweave® que abarque toda la placa, incluida la zona para las tomas de vacío. La finalidad del mismo es la de homogeneizar todo el vacío a lo largo de la bolsa evitando que queden zonas sin efectuarse el vacío. Sobre el tejido aireador y en la zona reservada a tal efecto se coloca la base de las tomas de vacío. Falta por colocar la bolsa de vacío. Para ello se cortará del rollo de la sala de laminación el aislante con un tamaño superior al de la placa con el objetivo de tener margen de seguridad durante la colocación del mismo para posteriormente recortar la bolsa sobrante. Para colocar la bolsa se puede pedir ayuda a un compañero o de forma individual ir pegando borde a borde sin ejercer presión sobre el cromato para evitar que quede pegado de forma indefinida e impidiendo correcciones. Una vez que está colocado el plástico aislante con la espátula se ejerce presión sobre los bordes evitando que queden huecos por los que pueda entrar el aire. Se debe tener especial cuidado con las esquinas donde el solapamiento de cromato es conflictivo. Finalmente se recortan los bordes sobrantes y se colocan las tomas de vacío, una vez para marcar los agujeros que son retirados con el cúter y otra vez ya de forma definitiva. En la siguiente fotografía se ve la bolsa lista para el curado. Figura 3-21. Bolsa de vacío 25 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Para finalizar sólo resta comprobar que el vacío no tiene pérdidas. Para ello, en primera instancia, se conecta una de las tomas de vacío a la salida del compresor que se tiene en la sala limpia y se realiza vacío sobre la bolsa. Se escucha si hay alguna pérdida apreciable en los bordes y se arregla con la espátula. Ahora para una verificación más precisa se vuelve a realizar vacío por una toma y por la otra se conecta un medidor de presión que servirá para comprobar que no hay pérdida en la bolsa. Esto es importante para el curado en autoclave, pero especialmente lo es para el curado en horno, como es la primera etapa de curado del material, puesto que ahí no se está comprobando en directo que no se pierde presión durante el curado. 3.3.4 Proceso de curado del material Los laminados de AS4\8552 tienen ciclos de curado en autoclave de tres a cuatro horas en los cuales se controla temperatura, presión y vacío en la bolsa. En cambio, para el material ultradelgado, según las especificaciones recibidas por parte del fabricante el ciclo de curado es distinto. En primer lugar, no es un sólo ciclo de curado si se quieren obtener las máximas prestaciones. En las especificaciones figura un primer ciclo de 16 horas de duración a una temperatura mantenida de 65º C y con una rampa desde temperatura ambiente de 2º C por minuto. Este ciclo da como temperatura de vitrificación del producto final 65º C. Si se quiere obtener una temperatura de vitrificación mayor, se debe recurrir a un ciclo de postcurado que, para obtener una 𝑇𝑔 de 107º, sería necesario mantenerlo durante 1 hora a 120º con una rampa máxima de 20º por hora. En la siguiente tabla se muestran los ciclos de curado alternativos. Tabla 3–2. Ciclos de curado para el tejido TeXtream [10] Temperatura de curado (º C) Tiempo de curado (horas) 𝑇𝑔 final (º C) 652 16 65 80 5 75 100 2 100 120 1 107 En las especificaciones no figuran condiciones de presión durante el curado, tan sólo se debe de mantener vacío en la bolsa durante el proceso, de ahí la importancia de que se mantenga el vacío constante en el tiempo sin ninguna pérdida apreciable. Teniendo en cuenta las posibilidades, se opta por la opción que da un material con mejores propiedades, el doble ciclo de curado con máxima temperatura. La principal dificultad en el proceso de curado de este material con estas especificaciones, reside en el primer ciclo de curado de duración 16 horas mas la rampa de ascenso y descenso. Si ese curado se realiza en autoclave implicaría tener durante un día la máquina inoperativa para otras necesidades del laboratorio. Por ello, y dado que no hay que realizar un control en presión, se opta por hacer uso de la cámara climática Challenge 600 situada en el taller, la cual realiza control en temperatura y humedad. En este caso, sólo se somete a control en temperatura. Este ciclo podría haberse realizado en un horno, pero el tamaño reducido del mismo implicaría fabricar en lotes, y dado que son más de 16 horas se estimó oportuno emplear la Challenge en la cual se podían curar los seis laminados a la vez y se le podía introducir una rampa. 2 Este ciclo es un ciclo de curado inicial, es decir, para realizar cualquiera de los tres siguientes es necesario haber realizado previamente el ciclo de 16 horas. Fabricación de probetas con láminas ultradelgadas 26 Figura 3-22. Cámara climática Challenge 600 El único inconveniente de dicha máquina es que no se puede programar para empezar y finalizar el proceso, siendo necesario una persona presente para realizar la operación. Es por ello que se empezó el ciclo a las 17.00 con el objetivo de poder estar a las 9.00 del día siguiente para finalizar el proceso debidamente. En base a todo ello, el ciclo de curado inicial seguido es el siguiente. Figura 3-23. Ciclo de curado inicial Después de realizar este primer ciclo se extraen las piezas de la bolsa y se comprueba por simple inspección visual y táctil que el curado ha sido satisfactorio. Puesto que es así y los laminados se ven que han curado de forma correcta, se vuelven a crear dos bolsas de vacío siguiendo el mismo proceso descrito anteriormente. Ahora se trata de un ciclo de duración 1 hora a 120º C para obtener una temperatura de vitrificación de 107º C. Este ciclo sí es factible realizarlo en el autoclave, y por las facilidades que ofrece se realiza ahí el curado. Un autoclave es un equipamiento que consta de un recipiente, generalmente cilíndrico, al cual se le aporta un sistema de temperatura y presión. Es empleado para unir, curar y consolidar materiales compuestos de dos o más elementos, como son los laminados. Su tamaño depende del uso que se le va a dar y es utilizado 0 10 20 30 40 50 60 70 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Temperatura ºC Horas 27 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas especialmente en el sector que nos atañe, el aeronáutico. Consta de una cámara presurizada que soporte las presiones de curado, un equipo calentador, un sistema de vacío, sistema de control que monitorice las condiciones de presión y temperatura y unos soportes que sirvan de apoyo para las placas. Figura 3-24. Autoclave en el LERM Antes de empezar con el ciclo de curado, se debe comprobar que no hay pérdida de vacío en la bolsa. Para ello se conectan las tomas de vacío del autoclave a las bolsas, se le aplica vacío y se cierra la toma, comprobando que se mantiene invariable durante un periodo de 30 segundos. Una vez comprobado ya se puede introducir la placa e iniciar el curado. En este caso, el ciclo programado en el autoclave es el siguiente. Figura 3-25. Ciclo de postcurado, control en temperatura Figura 3-26. Ciclo de postcurado, control en vacío 0 20 40 60 80 100 120 140 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperatura ºC Minutos -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 020 40 60 80 100 120 140 160 180 Presión (bar) Minutos Fabricación de probetas con láminas ultradelgadas 28 Una vez que finaliza el proceso se abre el autoclave y se retiran las placas, se abre la bolsa y se verifica que todo salió correctamente y que la computadora del autoclave no marcó ningún fallo. Para acabar con el proceso de curado, resta limpiar las placas de aluminio para que puedan ser reutilizadas. Esto se hace con acetona y papel, protegiéndose las manos con guantes de látex y cerca de una ventana debido al olor intenso de la acetona. 3.4. Fabricación y preparación de las probetas Una vez que ya se tienen las placas del material a estudiar fabricadas, se procede con la preparación de las probetas. Lo primero que se debe realizar es resanar las placas obtenidas para eliminar los bordes en los que la resina ha fluido y no es material con las propiedades deseadas. Para ello se acude al taller del departamento y se hace uso de la radial con disco de filo de diamante. Se trata de un elemento de corte por fricción, adecuado para el corte tanto de compuestos de fibra de carbono como de vidrio. Es preciso emplear bata y guantes de goma como medidas de seguridad durante el corte. Para ello es necesario activar el sistema extractor de partículas y abrir ligeramente la llave del agua conectada a la máquina para lubricar el corte y disipar el calor generado. La mesa de corte dispone de unos apoyos regulados por un calibre que permitirá hacer cortes precisos. Figura 3-27. Proceso de resanar los bordes de un laminado Ahora toda la placa es válida como material uniforme y homogéneo A continuación se mide y se marca en la lámina el largo de las probetas. En el caso de las probetas a tracción longitudinal y las de cortadura el largo a medir son 200 mm, Figura 3-18. 29 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Figura 3-28. Probeta de tracción El caso de las probetas destinadas a la compresión, figura 3-29, se va a seguir un proceso de medición distinto. Se va a cortar la placa principal a 90 mm y los tacones a 42.5 mm de largo. El objetivo de esto es resanar tras el pegado de los tacones a 80 mm. Este método da una mayor precisión en la fabricación de probetas a compresión, en las que el dispositivo en el que se introducen las probetas requiere mayor detalle. Figura 3-29. Probeta de compresión Con la misma máquina de corte descrita antes se efectúan los cortes pertinentes en las placas. Se podría ya cortar el ancho de las probetas, pero para pegar los tacones es considerablemente más práctico hacerlo sobre la placa completa. Por tanto, se procede con la preparación de los tacones que aún no se tienen dispuestos, es decir los de las probetas a tracción. Se van a fabricar de fibra de vidrio. En el laboratorio ya se dispone de laminados de fibra de vidrio fabricados por lo que no es necesario producirlos, sino sólo cortar y acondicionar para su pegado. Así pues se selecciona la siguiente placa de fibra de vidrio, figura 3-30. Figura 3-30. Laminado de fibra de vidrio Fabricación de probetas con láminas ultradelgadas 30 Ahora se cortan de ahí los tacones para las placas. En total son necesarios 8 listones, 4 por placa. Se ha estipulado que el ancho de cada tacón será de 45 mm. Algo que es importante reseñar, es la dirección de corte de los listones. Es crucial que la orientación de las fibras de vidrio y las de carbono tengan una orientación relativa de 45º. Es por ello que los listones se cortarán paralelos al borde del triángulo que está a 45º. Para mayor facilidad con el lijado no se cortan los listones de 200 mm de largo sino de unos 500 mm de modo que de cada uno se extraen después dos tacones. Figura 3-31. Listones de fibra de vidrio ya cortados Como se ha comentado, es necesario acondicionarlos para que se pegue correctamente a la probeta. Es por ello que se debe lijar. La herramienta empleada para ello es una taladradora a la cual se le coloca una lija de 240 mm que es la que va a dar el acabado superficial requerido. El lijado se realiza sujetando mediante pesos los listones a la mesa de trabajo de modo que no se muevan al pasar la lija. La fibra de vidrio puede ser perjudicial para la salud si no se toman las precauciones necesarias, por lo que el proceso se debe realizar con mascarilla, gafas de protección y guantes. Al finalizar el lijado, se debe limpiar de polvo de vidrio cualquier parte que quedara desprotegida. Figura 3-32. Proceso de lijado de los tacones de fibra de vidrio Sólo es necesario lijar una de las caras de cada listón, la que va pegada al material. El objetivo es eliminar las impurezas, irregularidades y restos de resina que pudieran impedir que la adhesión sea óptima. La manera de comprobar que se ha efectuado bien el lijado, no es sólo al tacto verificando que desaparecen las rugosidades sino también visual. La pátina brillante que tienen al principio los tacones se debe eliminar hasta pasar a un acabado mate. 31 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas En la figura 3-33 se puede apreciar la diferencia entre un tacón lijado y otro sin lijar. Figura 3-33. Diferencia entre un tacón lijado y otro sin lijar Una vez que se han acondicionado las piezas para los tacones se cortan con el tamaño de las placas. El mismo proceso de lijado seguido en la fibra de vidrio se debe realizar en las zonas del tejido de fibra de carbono donde irán adheridos los tacones. Este proceso en teoría sólo es necesario cuando se aplica un líquido desmoldeador en la placa mientras que aquí es una lámina la que realiza dicha función. Pero por precaución se realiza dicho proceso sobre las placas y sobre una de las caras de los tacones para las probetas de compresión. Figura 3-34. Lijado de tacones de fibra de carbono Figura 3-35. Diferencia entre zona tratada y sin tratar Finalizado todo el proceso de lijado del material se limpia la superficie de las placas y los tacones con acetona y papel para eliminar los restos que pudieran haber quedado. Para acabar, de nuevo en el laboratorio se procede a pegar los tacones a las placas. Con el material AS4\8552 se recurre a un adhesivo Z-15429 que actúa a 120º C, introduciéndose por tanto durante una hora en autoclave o haciendo uso de la prensa de platos calientes. En el caso del material ultradelgado, la temperatura máxima que se puede alcanzar es de 107º C por lo que no se puede recurrir a este ágil método. El pegado se ha de realizar con adhesivo aeronáutico EA-9394, el cual puede ser efectivo en frío tras una semana de exposición al ambiente o en 1 hora y media si se introduce en el horno a 66º. Dado que el material admite esa temperatura, se acelerará el proceso en el horno. Fabricación de probetas con láminas ultradelgadas 32 En primer lugar se necesita un trozo de cartón que quepa en el peso, sobre el cuál se va a añadir el adhesivo y el catalizador en la proporcion 100/17. Las mediciones se irán haciendo en el peso. Se realiza la mezcla con una espátula de aluminio y se va notando cómo se vuelve más fluido el adhesivo conforme el catalizador ejerce su efecto. Cuando se tenga una mezcla homogénea y relativamente fluida se tiene el adhesivo listo. Para proteger la mesa de trabajo se cubre con un film protector. A su vez, se debe trabajar con guantes de látex y bata. El adhesivo se esparce sobre la cara lijada del tacón de tal forma que quede lo más uniforme posible sobre el mismo. Posteriormente se coloca sobre el material y se ejerce presión al mismo tiempo que se desplaza el tacón en círculos para que el adhesivo sobrante salga. Finalmente, utilizando un elemento plano se colocan a ras tacón y laminado. Figura 3-37. Tacón con adhesivo aeronáutico Figura 3-38. Tacón colocado sobre la pieza Se realiza este proceso con los tacones restantes. A continuación se deja entre 15 y 20 minutos en reposo mientras se fija levemente el conjunto pero sin que aún haya dejado de estar en estado fluido. Pasado ese tiempo, con acetona se limpia el adhesivo sobrante en la placa y se corrige la posición a ras de los tacones por si se desplazaron. Ahora es necesario colocar placas metálicas y pesos para distribuir presión sobre los conjuntos y se deja hasta el Figura 3-36. Mezcla de adhesivo y catalizador 33 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas día siguiente en dicha posición. Figura 3-39. Laminados limpios tras el pegado de los tacones Figura 3-40. Distribución de pesos sobre los tacones Al día siguiente se introducen las placas en el horno a 66º C y se dejan en el mismo durante hora y media. Pasada hora y media ya están las placas listas para cortar las probetas. Se cortarán del tamaño indicado en las figuras 3-28 y 3-29, pero para las placas de 0º y de compresión se extraerán probetas de dos configuraciones distintas. En un principio se pensó en configuraciones en las que variara el número de cuadrados oscuros y claros (orientación de la fibra distinta) pero se concluyó que ambas situaciones serían lo mismo, puesto que el cuadrado que es de un color en una cara de la probeta lo es del contrario en el reverso. Por ello se optó por una configuración (I) en la que en la probeta sólo haya una línea de tejido y otra (II) en la que la probeta se sitúe en la mitad de la línea divisoria entre cuadrados. Véanse las figuras 3-42 a 3-45 para mayor claridad. Figura 3-41. Laminados con los tacones en el horno Introducción a los ensayos de caracterización mecánica 40 Esas variables de las que depende el problema son:  𝑬𝟏𝟏: Módulo elástico en la dirección longitudinal.  𝑬𝟐𝟐: Módulo elástico en la dirección transversal.  𝑮𝟏𝟐: Módulo de cizalladura intralaminar.  𝝂𝟏𝟐: Coeficiente de Poisson intralaminar. Eso es en referencia a la rigidez del material. Además se debe caracterizar la resistencia del material mediante las siguientes constantes:  𝑿𝒕: Resistencia a la tracción en la dirección longitudinal.  𝒀𝒕: Resistencia a la tracción en la dirección transversal.  S: Resistencia a cortadura intralaminar.  𝑿𝒄: Resistencia a la compresión en la dirección transversal  𝒀𝒄: Resistencia a la compresión en la dirección transversal. En el caso de este material al tratarse de un tejido, sólo es preciso medir las propiedades en la dirección longitudinal puesto que la transversal arrojará los mismos resultados por el carácter ortótropo de las láminas [2]. 4.1. Condiciones de ensayo según la norma En base a la norma ASTM D3039 [11] las condiciones que deben verificarse durante la realización de los ensayos son las siguientes:  Alineación de la carga: es importante que la carga que actúa sobre las probetas no origine flexión sobre las mismas puesto que esto puede alterar los resultados extraídos. Con tal objeto, se pueden colocar dos bandas extensométricas en los bordes de la probeta para comprobar el alineamiento de la carga.  En cuando a las condiciones standard la temperatura debe ser de 23 +/- 1 ºC y la humedad relativa de 50 +/- 10 % . La velocidad de carga debe ser inferior a 2 mm por minuto. Por otro lado, dicha norma hace referencia a la toma de datos. Se deben de tener al menos 5 probetas de cada tipo para que el ensayo sea considerado válido, y de cada serie se deben extraer las siguientes magnitudes mediante las expresiones 4.3-4-5.  Valor medio 𝑋 = ∑𝑋𝑖 𝑛 𝑖=1 𝑛 (4.3) 41 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas  Desviación típica 𝑠=√∑𝑋𝑖2−𝑛𝑋 2 𝑛 𝑖=1 𝑛−1 (4.4)  Coeficiente de variación 𝜂=100𝑠 𝑋  (4.5) donde n es el número de muestras y X el valor obtenido en el ensayo. 4.2. Ensayo de tracción El objetivo del ensayo de tracción sobre laminados tiene el objetivo de extraer las propiedades de rigidez y resistencia del laminado. Si el laminado fuera unidireccional sería necesario realizar el ensayo para la configuración 0º y 90º refiriéndose a la orientación de las fibras. Sin embargo, al tratarse de un tejido tan sólo será necesario analizar para las dos configuraciones expuestas en el capítulo anterior. Para dicho ensayo se hace empleo de la máquina universal de ensayos INSTRON 4482. Es una máquina electromecánica que funciona mediante un tornillo sin fin, Fig. 4-1. Para la misma es necesario seleccionar unas mordazas adecuadas a las probetas que se van a ensayar. Por ello se recurre a unas con el margen 0-6 mm de apertura. El objetivo del ensayo de tracción es obtener 𝐸11 𝑦 𝜈12 además de la resistencia a tracción. Figura 4-1. INSTRON 4482 Introducción a los ensayos de caracterización mecánica 42 Figura 4-2. Mordaza para tracción Figura 4-3. Útiles para compresión 4.2.1 Determinación de 𝑬𝟏𝟏 𝒚 𝝂𝟏𝟐 Para determinar dichas constantes relacionadas con la rigidez del material es necesario colocar dos bandas extensométricas en las probetas. En concreto se deben colocar en la zona central, una en la dirección del eje x y otra del eje y tal y como se muestra en la figura, 4-4. A partir de estas bandas se medirán las deformaciones transversal y longitudinal (𝜀𝑦 𝑦 𝜀𝑥). Cuando la probeta es sometida a una carga de tracción F, el tensor de tensiones solución del problema en la zona regularizada vendrá dado por la expresión 4.6. 𝜎𝑥=𝐹 𝐴 (4.6) donde A es la sección transversal de la probeta, de ahí la importancia de tomar medidas con el calibre del ancho de cada probeta y con el micrómetro de caras planas del espesor de las mismas. En base a esto, se obtienen los valores del módulo de la elasticidad en la dirección x y el coeficiente de Poisson Figura 4-4. Posición de las bandas extensométricas X Y 43 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas 𝐸11 =Δ𝐹 𝐴 Δ𝜀𝑥 (4.7) 𝜈12 =−Δ𝜀𝑦 Δ𝜀𝑥 (4.8) El módulo de la elasticidad longitudinal representa la constante de proporcionalidad entre una tensión normal aplicada y la deformación asociada a la misma, o dicho de otra forma, tensión normal que se ha de aplicar para que la deformación normal alcance el valor unidad. En cuanto al coeficiente de Poisson, es la relación entre la contracción lateral unitaria y el alargamiento longitudinal unitario al aplicar una tensión longitudinal [2]. 4.2.2 Determinación de la resistencia Para finalizar con el ensayo de tracción se extrae el valor de la resistencia a la tracción en la dirección longitudinal del material, puesto que es equivalente en la transversal. La resistencia se calcula dividiendo el valor de la carga antes de la rotura entre el área de la sección transversal. 𝑋𝑡=𝑃𝑢𝑙𝑡 𝐴 (4.9) 4.2.3 Tipos de rotura La rotura puede venir originada por fallos internos en el material como la rotura de fibras, la microfisuración de la matriz, la separación de la interfase fibra-matriz o la separación entre láminas (delaminación). A partir del 50% de la carga de rotura se empiezan a romper las primeras fibras, originando concentraciones de tensiones que pueden derivar en un despegue de la fibra. Otra posibilidad es que grietas en secciones transversales coalezcan dando lugar a un despegue generalizado de fibras y/o fallo por cortadura de la matriz. Así, se pueden agrupar los fallos en:  Rotura frágil en una sección: originado principalmente por la rotura de fibras en dicha sección. Da lugar a una superficie de rotura limpia sin que se diferencien dos componentes distintos.  Rotura frágil en una sección irregular: en este caso no se trata de una rotura limpia puesto que se ha producido un arranque y/o despegue de fibras. Aparecen extremos de fibra en la superficie de rotura.  Rotura frágil en distintas secciones irregulares: se produce por despegue y rotura de fibras y/o fallo por cortadura de la matriz. 4.3. Ensayo de compresión Este ensayo es realizado para obtener las propiedades a compresión de laminados. La carga se puede aplicar en la probeta por cortadura, en los extremos o por una combinación de éstas, generalmente por cizalladura. Dependerá de la norma en la que se base el ensayo, la cual dictamina el tipo de probeta y el útil necesario. Introducción a los ensayos de caracterización mecánica 44 En el caso de este proyecto estará basado en las normas EN 2850 [12] y ASTM D695 [13]. Para obtener los valores de resistencia, como es este caso, es necesario emplear probetas con tacones siendo crucial el paralelismo y perpendicularidad de las caras. Se va a introducir la carga de compresión por los extremos incorporando un dispositivo a la máquina INSTRON 4482 al igual que para la tracción con la diferencia del sentido de la carga. El útil según la norma PrEN2850‐B [12] es el mostrado en la figura 4-5: La probeta, que ha sido diseñada según la geometría comentada en apartados anteriores, es introducirá entre los dos soportes antipandeo los cuales son apretados entre sí y con el soporte principal mediante tornillos y palometas. Además hay otro elemento que no figura en el plano anterior que ejerce de nexo entre la probeta y el brazo superior de la máquina y que es colocado en el extremo que sobresale de la probeta. A su vez, es necesario seleccionar en vez de mordazas un útil plano sobre el que situar el dispositivo comentado. Se muestra en la figura 4-3. 4.3.1 Determinación de la resistencia a compresión La resistencia del material a la compresión se calcula a partir de la carga última hasta rotura de la probeta y del área de la sección transversal de la probeta, medida que ha de efectuarse mediante el micrómetro de caras planas. 𝑋𝑐=𝑃𝑢𝑙𝑡 𝐴 (4.10) 4.3.2 Tipos de rotura La figura 4-6 resume los distintos tipos de rotura admisibles que se pueden observar en las probetas de compresión. Figura 4-5. Dispositivo para las probetas del ensayo a compresión según PrEN2850‐B [14] 45 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas 4.4. Ensayo de cortadura intralaminar sobre laminados +/- 45º Finalmente, falta por calcular la rigidez a cortadura 𝐺12 la cual es más complicada de obtener que las constantes anteriores. Existen para ello distintos métodos los cuales se pueden agrupar en dos bloques:  Métodos indirectos: se determina la constante a partir de un ensayo a tracción sobre un laminado con las fibras orientadas en un cierto ángulo con respecto a la aplicación de las cargas. Son los métodos OffAxis y el ensayo sobre laminados equiangulares +/- 45º.  Métodos directos: Se somete la probeta a un estado de deformación tangencial pura y uniforme. Son los métodos Rail Shear Test, Iosipescu, Compact y el ensayo de torsión sobre tubos. En este caso, se estudió la posibilidad de realizar el ensayo Off-Axis y el de la orientación a +/- 45º. El primer método tiene la dificultad que acarrea el acoplamiento entre tensiones normales y deformaciones tangenciales, puesto que si la probeta se somete a tracción al no actuar la carga en las direcciones de ortotropía se da lugar a una deformación tangencial como se observa en la primera imagen de la figura 4-7. Para eliminar dicha deformación tangencial se diseña un dispositivo de tracción como el de la imagen segunda, pero eso provoca una deformada que da lugar a un complejo estado tensional no uniforme de solución no conocida. La solución analítica obtenía por Pagano y Halpin para el problema simplificado de la figura tercera, permite establecer un sistema de correcciones de los resultados para eliminar las dificultades comentadas. Figura 4-6. Modos de fallo admisibles en las probetas de compresión [2] Introducción a los ensayos de caracterización mecánica 46 Por todas estas dificultades se opta por el método de los ensayos sobre laminados equiangulares a +/- 45º, que para el caso del tejido en estudio conduce a colocar las láminas en una orientación de 45º, que según la norma se debe ejecutar con un margen de +/- 2.5º. Esta disposición provoca que los efectos derivados de la deformación angular se cancelen entre sí. Para la realización del ensayo se recurre nuevamente a la máquina de tracción INSTRON 4482 y las probetas serán acondicionadas como en el ensayo a tracción longitudinal con bandas extensométricas en las dos direcciones. 4.4.1 Determinación de 𝑮𝟏𝟐 Para obtener el módulo a cortadura intralaminar se someten a tracción las probetas con las bandas extensométricas que van a medir las deformaciones en la dirección de la carga y en la dirección transversal a la carga. A partir de estas dos medidas se puede hallar la deformación angular. 𝛾12 =𝜀1−𝜀2 (4.11) Figura 4-7. Deformadas de la probeta para el ensayo Off-axis [2] Figura 4-8. Deformadas de un laminado equiangular [2] 47 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Por otro lado el paso del tensor originado por la tracción a un tensor en el sistema de ortotropía permite obtener el valor de 𝜎12. 𝜎12 =𝐹 2𝐴 (4.12) Siendo A el área de la sección transversal. Finalmente 𝐺12 puede ser determinado mediante la siguiente expresión. 𝐺12 =𝜎12 𝛾12 (4.13) Por norma general la ley 𝜎12−𝛾12 no es lineal, de modo que en función de la zona de la curva que se elija para hallar el módulo de cortadura resultará una constante u otra. Las normas I+D-E 293 [15], EN 6031 [16] y AITM 1.002 establecen el punto en la zona de deformación longitudinal, la AITM y la EN entre 500 y 2500 µε y la ISO entre 1000 y 5000 µε. En cambio la ASTM 3518 [17] y la UNE-EN ISO están referidas a una zona de deformación angular, la ASTM establece un punto entre 1500 y 2500 µε y otro 4000 µε por encima del punto primero y la ISO lo establece entre 1000 y 5000 µε. 4.4.2 Determinación de la resistencia a cortadura Finalmente, la resistencia a cortadura intralaminar viene dada a partir de la carga de rotura de la probeta al someterla a tracción. Se determina mediante la expresión 4.14. 𝑆12 =𝑃𝑢𝑙𝑡 2𝐴 (4.14) Introducción a los ensayos de caracterización mecánica 48 49 5 RESULTADOS DE LOS ENSAYOS l objeto de este capítulo es recoger los resultados que se extraen de los ensayos de caracterización mecánica expuestos en el apartado anterior. Se muestran tanto los resultados numéricos como los gráficos tensión-deformación cuando correspondan. Así mismo, se mostrará una imagen con el tipo de rotura generada. 5.1. Mediciones de las probetas de ensayo Es preciso tomar nota de los espesores en las probetas previamente a la realización de sus ensayos pertinentes. Las medidas de la anchura de las probetas se tomarán con un calibre o pie de rey, Fig. 5-1, con una precisión de 0.01 mm. Las correspondientes a espesores se medirán con el micrómetro de caras planas, Fig 5-2. Figura 5-1. Calibre Figura 5-2. Micrómetro de caras planas Se tomarán tres medidas de cada tipo en zona inferior, superior y central y se realizará una media de las mismas. 5.1.1 Medidas de las probetas de tracción Tabla 5–1. Espesores de las probetas del ensayo a tracción Configuración I II Probetas 2 5 6 7 9 1 3 4 8 10 Ancho (mm) 19.3 19.6 19.67 19.68 19.64 19.23 19.46 19.74 19.72 19.73 Espesor (µm) 527 526 561 530 502 527 540 531 535 505 E Resultados de los ensayos 56 En los gráficos 5-15 y 5-17 se observa cómo la banda que mide la deformación transversal ha fallado. En el primer caso, se produce el defecto a mediados del ensayo, mientras que en el segundo al principio se desconectó un cable del puente lográndose recuperar la medida más adelante. En el gráfico 5.17 se ha ajustado la gráfica a la zona válida para los cálculos. 5.2.2 Tipos de rotura En las figuras 5-19 y 5-20 se observan las roturas en las distintas probetas. Es posible constatar la forma de la rotura. Se tiene en un extremo una rotura que da lugar a una superficie lisa y otra en la que se produce arranque de fibras originando una sección irregular. Durante los ensayos se pudo comprobar el motivo de esa doble rotura. Primero se rompe la probeta por una sección produciendo un corte liso, y en segundo lugar el efecto rebote producido por la rotura primera genera una segunda rotura que en la mayoría de los casos es de tipo irregular. Figura 5-19. Rotura de las probetas 1 a 5 57 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Además se observan en las superficies de las probetas otras roturas que no han derivado en separación de la sección completa. Se puede contemplar en la figura 5-21. Cabe destacar que las zonas de rotura se producen en la mayoría de los casos en las líneas de separación entre las orientaciones de 0º y 90º del tejido. En lo que respecta a la representatividad de las roturas se observa en la figura 5-22 cómo han roto las probetas 2, 8 y 10 por los tacones, de modo que esos resultados no pueden ser empleados para el cálculo de la resistencia a tracción. Figura 5-20. Rotura de las probetas 6, 8 9 y 10 Figura 5-21. Defectos en la superficie de las probetas de tracción tras los ensayos Resultados de los ensayos 58 5.2.3 Resumen de resultados En la figura 5-23 se muestra un gráfico con los resultados de las deformaciones arrojadas por las galgas dispuestas en seis de las probetas. Además se grafica la media resultante obtenida de dichos ensayos. Para dicho gráfico se han modificado aquellas curvas que contenían errores de lectura de las galgas de modo que sólo aparece la sección de la curva empleada en el cálculo de la media. Se puede constatar una mayor dispersión en los resultados de la galga que mide las deformaciones transversales frente a la que mide las longitudinales. En la tabla 5-4 están recogidos los datos obtenidos de cada probeta y las medias resultantes en las propiedades calculadas. Observando los resultados de las probetas, se constata la independencia en los mismos con el tipo de configuración, por lo que se agrupan en la tabla. También figuran los valores de la desviación típica (s) y coeficiente de variación (𝜂) para cada una de las constantes halladas. Figura 5-22. Imagen de los tacones de las probetas 2, 8 y 10 Figura 5-23. Gráfica de los ensayos de tracción con galgas 59 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Tabla 5–4. Resumen de los ensayos de tracción Probetas ¿Rotura válida? 𝑿𝒕 (𝑴𝑷𝒂) 𝑬𝟏𝟏 (𝑮𝑷𝒂) 𝝂𝟏𝟐 Media 1 Si 665.97 - - 𝑿𝒕    721.08 MPa 𝑬𝟏𝟏      51.72 GPa 𝝂𝟏𝟐      0.0498 2 No 837.37 58.43 0.043 3 Si 719.8 47.70 0.076 4 Si 717.27 - - 5 Si 776.9 54.5 0.12 𝐬 22.89 𝐬 1.68 𝐬 0.018 6 Si 664.44 - - 7 - - - - 8 No 635.36 49.91 0.029 9 Sí 782.08 50.32 0.014 𝛈 0.53 % 𝛈 3.44 % 𝛈 36.8 % 10 Sí 728.54 49.48 0.017 Las probetas 2 y 8 no han sido tenidas en cuenta para los cálculos. A su vez, las casillas marcadas con un guion son debido a que son sin banda. De los resultados, el coeficiente de Poisson destaca por su bajo valor, pues en un tejido convencional es de 0.1. De la tabla destaca el bajo coeficiente de variación en las medidas de la resistencia y del módulo de elasticidad, lo cual es un buen indicativo. En cambio, el coeficiente de Poisson es considerablemente alto, algo típico en este tipo de estudios. 5.3. Ensayos a compresión Una vez marcadas y medidas las probetas, se introducen en el útil de compresión y son situadas sobre los platos colocados en los brazos de la máquina de ensayos tal y como se muestra en la figura 5-24. La velocidad del ensayo es de 1 mm/min. Figura 5-24. Dispositivo para el ensayo de compresión Resultados de los ensayos 60 5.3.1 Resultados Se recopilan los resultados de las probetas 1 a 10 y se calcula la resistencia a compresión extraída de los ensayos. A su vez se adjunta un gráfico que muestra la tensión de la probeta frente la distancia de la cruceta. Con respecto a los datos originales, se han pasado a valores positivos los desplazamientos de cruceta. Es importante observar cómo hay una zona inicial en la que se produce el ajuste entre la probeta y el dispositivo hasta que empieza a aplicarse carga útil. Dicha zona se podría haber eliminado pues no es característica del ensayo pero se conserva para observar los ajustes. Después se observa un tramo aproximadamente lineal, aunque al igual que en el caso anterior no es válido para realizar cálculos pues no tiene la precisión de una banda extensométrica. Probeta 1 Ancho: 12.3 mm Espesor: 0.53 mm Área: 6.519 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: I Carga última: 2601.612 N Resistencia a compresión: 399.08 MPa Probeta 2 Ancho: 12.28 mm Espesor: 0.52 mm Área: 6.776 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: II Carga última: 2370.016 N Resistencia a compresión: 349.778 MPa Figura 5-25. Gráfico de compresión probeta 1 Figura 5-26. Gráfico de compresión probeta 2 0 100 200 300 400 500 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) 61 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Probeta 3 Ancho: 12.28 mm Espesor: 0.53 mm Área: 6.5084 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: I Carga última: 1999.278 N Resistencia a compresión: 307.18 MPa Probeta 4 Ancho: 12.32 mm Espesor: 0.5 mm Área: 6.16 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: II Carga última: 1680.453 N Resistencia a compresión: 272.8 MPa Probeta 5 Ancho: 12.36 mm Espesor: 0.50 mm Área: 6.18 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: I Carga última: 1643.175 N Resistencia a compresión: 265.89 MPa Figura 5-27. Gráfico de compresión probeta 3 Figura 5-28. Gráfico de compresión probeta 4 Figura 5-29. Gráfico de compresión probeta 5 0 50 100 150 200 250 300 350 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) 0 50 100 150 200 250 300 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) 0 50 100 150 200 250 300 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) Resultados de los ensayos 62 Probeta 6 Ancho: 12.32 mm Espesor: 0.5 mm Área: 6.16 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: I Carga última: 1706.94N Resistencia a compresión: 277.1 MPa Probeta 7 Ancho: 12.27 mm Espesor: 0.48 mm Área: 5.88 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: II Carga última: 1693.21 N Resistencia a compresión: 287.96 MPa Probeta 8 Ancho: 12.25 mm Espesor: 0.48 mm Área: 5.88 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: II Carga última: 1722.636 N Resistencia a compresión: 292.97 MPa Figura 5-30. Gráfico de compresión probeta 6 Figura 5-31. Gráfico de compresión probeta 7 Figura 5-32. Gráfico de compresión probeta 8 0 50 100 150 200 250 300 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) 0 50 100 150 200 250 300 350 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) 63 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Probeta 9 Ancho: 12.05 mm Espesor: 0.47 mm Área: 5.66 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: I Carga última: 1699.096 N Resistencia a compresión: 300 MPa Probeta 10 Ancho: 12.22 mm Espesor: 0.44 mm Área: 5.37 𝒎𝒎𝟐 Tipo de configuración: II Carga última: 1433.24 N Resistencia a compresión: 266.56 MPa Las diferencias en la distancia a la cruceta vienen dadas principalmente en el inicio, que hay una zonas en la cual la carga no se está aplicando sobre la probeta debido a que no está situada a ras con el dispositivo y necesita acoplarse. En cuanto a las diferencias entre las probetas 1 y 2 con el resto, observando las probetas se ve que uno de los tacos se mete dentro de la zona de ensayo, motivo por el que da mayor resistencia que en el resto de las probetas. En la figura 5-35 se observan los defectos comentados. Figura 5-33. Gráfico de compresión probeta 9 Figura 5-34. Gráfico de compresión probeta 10 0 50 100 150 200 250 300 350 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) 0 50 100 150 200 250 300 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Tensión (MPa) Distancia a la cruceta (mm) Resultados de los ensayos 64 5.3.2 Tipos de rotura en las probetas En las figuras 5-36 a 5-38 se muestran fotografías de la rotura en las probetas. Figura 5-35. Defecto en los tacones de las probetas 1 y 2 de compresión Figura 5-36. Rotura de las probetas 1 a 5 de compresión 65 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Todas las probetas tuvieron una rotura aceptable, puesto que ésta se produjo fuera de los tacones. En las probetas 1, 6, 7, 8 y 10 hubo rotura por cizallamiento a través del espesor. En las probetas 2, 3 y 4 se tiene una rotura por separación. En las probetas 5 y 9 se ha producido rotura por delaminación. Figura 5-37. Vista frontal de la rotura en las probetas 4 y 5 Figura 5-38. Rotura de las probetas 6 a 10 de compresión Resultados de los ensayos 72 Además, se ve cómo la probeta 3 ha roto de forma indebida pues la rotura se produce en el interior del tacón. En la figura 5.41 se puede observar con más detalle el tipo de rotura producido. 5.4.3 Resumen de resultados Se puede observar en la figura 5-42 en el trazo de línea continua las deformaciones dadas por las galgas de las probetas, mientras que en las líneas discontinuas se muestra la deformación angular que ha sido empleada para el cálculo del módulo de cortadura. Se observa una gran dispersión a partir de las 10.000 µε que es cuando las curvas experimentan un cambio de pendiente, previsiblemente por el cambio en la orientación de las fibras durante el ensayo, aspecto que provoca una mayor dispersión en la medida de las galgas. Sin embargo, los cálculos se efectúan por debajo de dicho cambio por lo que la dispersión no afecta al cálculo de 𝐺12. En la tabla 5-11 se recogen los resultados obtenidos y las medias para la resistencia y el módulo a cortadura, junto a la desviación típica y el coeficiente de variación. Del cálculo de la resistencia a cortadura se excluye la probeta 3 por haber roto por uno de los tacones de fibra de vidrio. Figura 5-51. Detalle de la rotura en las probetas de cortadura intralaminar. Figura 5-52. Gráfica de los ensayos de cortadura 73 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Tabla 5–11. Resumen de los ensayos de cortadura intralaminar Probetas ¿Rotura válida? 𝑺𝒄 (𝑴𝑷𝒂) 𝑮𝟏𝟐 (𝑮𝑷𝒂) 1 Si 99.54 4.2 𝑺𝒄    94.96 MPa 𝑮𝟏𝟐      3.59 GPa 2 Si 99.42 3.42 3 No 99.8 3.77 s 3.3 s 0.21 4 Si 90.68 3.13 5 Si 88.7 3.43 𝛈 3.49% 𝛈 5.7 % La probeta 3 no se tiene en cuenta para los cálculos por su fallo en la rotura. Nuevamente, se observa un coeficiente de variación relativamente bajo, por lo que se considera una buena dispersión de los resultados obtenidos. 74 75 6 CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS ara finalizar se recopilan los resultados obtenidos y aquellos aspectos destacados que han sido extraídos de esta primera experiencia con láminas ultradelgadas. A modo de recapitulación, se recuerdan los procesos principales seguidos a lo largo del proyecto. En primer lugar se han fabricado unos laminados de 4 capas de las láminas del tejido ultradelgado TeXtream. Dichos laminados se han fabricado con las dimensiones adecuadas para obtener las probetas de los ensayos de caracterización, segundo objetivo del Proyecto. Con las probetas debidamente fabricadas según la norma pertinente, se realizan los ensayos. En concreto, se realizan tres: ensayo a tracción en la dirección 0º, ensayo de compresión y ensayo de cortadura intralaminar. A partir de dichos ensayos se extraen las propiedades de rigidez y resistencia del material de estudio. 6.1. Conclusiones del apartado de fabricación Se resumen desde el principio los aspectos que diferencian la fabricación con este material y con las láminas convencionales. En primer lugar, para abrir la bolsa termosellada se requiere más tiempo en atemperarse el material por completo. Desde que es extraída del congelador y depositada en la sala limpia, la bolsa condensa entre 3 y 4 horas, frente a la hora y media del AS4\8552. Esto se debe al formato en el que vienen enrollados uno y otro material. En lo que respecta al corte y al apilado, destacar que se cortan las láminas a la primera con relativa facilidad y al despegarse del papel plastificado el tejido mantiene bien su estructura de diseño. En cuanto al apilado, las láminas se adhieren unas a otras sin problemas. Una peculiaridad que hubo que tener en cuenta para los ensayos de caracterización es que el tejido no es perfectamente recto, por lo cual hay que afinar el corte en la forma comentada en el apartado 3 para que coincidan unos cuadrados sobre otros. Para un producto que no requiera de esta necesidad, no plantea ningún problema. Pero el aspecto más diferenciador del proceso de fabricación es el curado. Por un lado, el tiempo de ciclo de curado es muy superior al del AS4\8552. El tejido TeXtream necesita 16 horas en un curado inicial, frente a las 3-4 horas que implica el curado del convencional. Esto en el caso del LERM obliga a buscar alternativas al autoclave para evitar paralizar todo el proceso de fabricación durante un día. Además, este ciclo inicial da una temperatura de vitrificación de tan solo 65 °C, siendo necesario un ciclo de postcurado para obtener una 𝑇𝑔 como máximo de 107 °C, considerablemente inferior al AS4\8552. La otra característica destacada en relación al curado del laminado es que se realiza sin presión de curado, siendo tan sólo empleado vacío sobre la bolsa de curado. Este aspecto da origen a que la cara del material que no está en contacto con la placa sea considerablemente irregular. Para constatar este hecho se ha curado una única lámina para observar el resultado, Fig. 6-1. P Conclusiones y desarrollos futuros 76 En la figura 6-2 se observa lo comentado, importante irregularidad superficial originada por resina que no ha sido debidamente compactada durante el curado. Esto origina no sólo que el espesor sea irregular a lo largo de toda la lámina sino un aumento considerable en el espesor de la lámina. Si en el capítulo 3 se medía un espesor de la lámina sin curar de 126.25 micras, una vez curada la lámina el espesor asciende a 179 micras lo cual supone un aumento notable del 42%, perdiéndose en gran medida la ventaja del espesor ultra-delgado. Aun así, sigue siendo inferior al AS4\8552. Este efecto se ve reducido en los laminados de varias capas, siendo la última lámina la única que aporta un espesor añadido al de fábrica, como se observa en el material de 4 capas obtenido. Figura 6-1. Lámina ultradelgada tras curado Figura 6-2. Ampliación de la lámina 77 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas Otro aspecto que se debe tener en cuenta es la imposibilidad de pegar los tacones con adhesivo que actúa a 120 °C puesto que la temperatura máxima soportada por el material son 107 °C en el caso del doble ciclo de curado. Es por ello que hay que recurrir al pegado en frío, un proceso más laborioso como ya se comentó en el apartado de preparación de las probetas. 6.2. Conclusiones del apartado de ensayos Sobre todo el proceso de ensayo no hay ninguna tarea ni precaución adicional con respecto a los ensayos de caracterización con materiales tradicionales. Sobre las dos configuraciones de probetas extraídas no se distinguen diferencias en los resultados, salvo la dispersión previsible entre probetas, pero sin una marcada diferencia entre una tipología y otra. Esto induce a la conclusión de que para un laminado concreto el resultado final es independiente de la zona de donde se corten las láminas. Las características finales del material tejido TeXtream son las de la tabla 6-1. Tabla 6–1. Recopilación de características de Rigidez y Resistencia del tejido TeXtream Módulo de Elasticidad longitudinal 𝐸11 51.72 GPa Módulo de Elasticidad transversal 𝐸225 51.72 GPa Coeficiente de Poisson 𝜈12 0.0498 Módulo de cortadura intralaminar 𝐺12 3.59 GPa Resistencia a tracción longitudinal 𝑋𝑡 721.08 MPa Resistencia a tracción transversal 𝑌𝑡 721.08 MPa Resistencia a compresión longitudinal 𝑋𝑐 283.84 MPa Resistencia a compresión transversal 𝑌𝑐 283.84 MPa Resistencia a cortadura S 94.96 MPa 5 Al tratarse de un tejido de un solo material, los módulos longitudinal y transversal coinciden. Conclusiones y desarrollos futuros 78 Para compararlo con otros materiales se adjuntan dos tablas con los datos para el material AS4 y para un tejido. Tabla 6–2. Recopilación de características de Rigidez y Resistencia el material AS4 [18] Módulo de Elasticidad longitudinal 𝐸11 131.53 GPa Módulo de Elasticidad transversal 𝐸22 9.2326 GPa Coeficiente de Poisson 𝜈12 0.302 Módulo de cortadura intralaminar 𝐺12 4.823 GPa Resistencia a tracción longitudinal 𝑋𝑡 2061.63 MPa Resistencia a tracción transversal 𝑌𝑡 63.87 MPa Resistencia a compresión longitudinal 𝑋𝑐 1483.35 MPa Resistencia a compresión transversal 𝑌𝑐 267.68 MPa Resistencia a cortadura S 55.12 MPa En la tabla 6-3 se muestran las propiedades de un tejido de fibra de carbono de módulo estándar. Tabla 6–3. Recopilación de características de Rigidez y Resistencia de un tejido de fibra [19] Módulo de Elasticidad longitudinal 𝐸11 70 GPa Módulo de Elasticidad transversal 𝐸22 70 GPa Coeficiente de Poisson 𝜈12 0.1 Módulo de cortadura intralaminar 𝐺12 5 GPa Resistencia a tracción longitudinal 𝑋𝑡 600 MPa Resistencia a tracción transversal 𝑌𝑡 600 MPa Resistencia a compresión longitudinal 𝑋𝑐 570 MPa Resistencia a compresión transversal 𝑌𝑐 570 MPa Resistencia a cortadura S 90 MPa Si comparamos los dos tejidos se observa una mejora importante en la resistencia a tracción en el tejido TeXtream, con un aumento de más de 100 MPa. También mejora levemente la resistencia a cortadura, unos 5 MPa. Por contra la resistencia a compresión disminuye de forma muy importante, en torno a 300 MPa. Si se compara con el material AS4, en definitiva se produce una disminución sustancial de las resistencias en la dirección longitudinal, como era de esperar al ser un tejido. Pero precisamente al ser un tejido, mejoran las propiedades en la dirección transversal. 79 Fabricación y caracterización de laminados de material compuesto a partir de láminas ultradelgadas 6.3. Desarrollos futuros Una vez que se disponen de las propiedades de resistencia y rigidez, se comentan posibles líneas de continuación de la investigación sobre el material ultradelgado. Se pueden fabricar piezas de tipo aeronáutico con el fin de comparar el comportamiento real con respecto a las mismas piezas fabricadas con las láminas tradicionales. Así, se puede comprobar si para resistir una determinada solicitación se produce una disminución en peso. Por otro lado, se puede implementar el tejido en un modelo numérico y comprobar si las mejoras en resistencia son las que deberían ser según la teoría. Un aspecto que se podría estudiar, es cambiar los ciclos de curado introduciéndole distintas presiones al proceso y comprobar si mejora la resistencia con respecto al curado sin presión que se ha realizado en este proyecto. A su vez se estudiaría si se producen mejoras en el acabado superficial, dando lugar a un material con menos espesor. Cabe destacar nuevamente la sorprendente diferencia entre la resistencia a tracción y compresión, por lo cual sería conveniente analizar en un futuro cuál es el motivo de dicha diferencia. 80 81 REFERENCIAS [1] Oxeon, «Página oficial de TeXtream, "www.textreme.com",» Consultado el 16/07/2016. [2] F. París, J. Cañas, J. C. Marín y A. Barroso, Introducción al análisis y diseño con materiales compuestos. [3] J. Justo, J. C. Marín y J. Cañas, Prácticas de materiales compuestos, 2014. [4] A. Miravete y L. Castejón, «Materiales Compuestos,» Descriptiva de materiales. Materiales en el proceso de diseño, 2002. [5] C. Soutis, «Fibre reinforced composites in aircraft construction,» Progress in Aerospace Sciences, vol. 41, 2005. [6] C. Red, «Composites Forecasts and Consulting, "compositesforecasts.com",» Consultado el 17/07/2016. [7] T. Mcmahon, «A350 Materials and Manufacturing Process Manager, "www.airbus.com",» Consultado el 18/07/2016. [8] I+D-P.233, «Fabricación de estructuras con materiales compuestos de fibra de carbono (Laminados y “sandwich”),» Revisión del 10/12/2012. [9] J. P. d. Lama, «FABACADEMY». [10] OXEON, «Documento adjunto al material con las especificaciones técnicas». [11] ASTM D3039, «Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials,» 2014. [12] DIN EN 2850, «Carbon fibre thermosetting resin unidirectional laminates - Compression test parallel to fibre direction,» 1998. [13] ASTM D695, «Standard Test Method for Compressive Properties of Rigid Plastics,» 2015. [14] INSTRON, «www.instron.us,» Consultado el 21/07/2016. [15] UNE-EN ISO 293:2006, «Plásticos. Moldeo por compresión de probetas de materiales termoplásticos (ISO 293:2004)». [16] EN 6031, «Fibre reinforced plastics - Test method - Determination of in-plane shear properties (± 45° tensile test)». [17] A. 3518, «Standard Test Method for In-Plane Shear Response of Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ±45° Laminate,» 2013.