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OPTOCOM, Optimización del utillaje para piezas de materiales compuestos

Actualidad Análisis y simulación de procesos

OPTOCOM, Optimización del utillaje para piezas de materiales compuestos


 

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Este proyecto estudia la optimización del proceso de fabricación de una parte compleja de material compuesto para tratar de reducir sus costes. Por un lado se ha tratado de simular el efecto ‘springback’ que se produce en los procesos de curado para prever soluciones y reducir retrabajados y correcciones en piezas finales y ensamblajes. Por otra parte se ha tratado de simular el comportamiento térmico del conjunto utillaje-pieza durante el ciclo de autoclave para poder optimizar la distribución de temperaturas y ahorrar en costes energéticos y ecológicos.

Todo el proceso se ha llevado a cabo junto al diseño y fabricación de una pieza representativa (panel curvado y rigidizado con larguerillos) así como un utillaje con un innovativo sistema que permite ligeros cambios en la geometría/curvatura, pudiendo así corregir de antemano defectos previstos. Las conclusiones obtenidas se refieren a ahorros en tiempos de fabricación, correcciones y montajes, así como reducción de los mismos en ciclos de autoclave con consiguientes ahorros energéticos y emisiones de CO2.

1. Introducción

Partiendo del análisis del modo actual de trabajo para la fabricación de piezas aeronáuticas, se busca mejorar aspectos relacionados sobre todo con el utillaje y proceso de curado de materiales de fibra de carbono.

Actualmente es habitual encontrar piezas con curvatura y rigidizadas fabricadas de materiales compuestos curándolas sobre un utillaje sometiendo el conjunto a un ciclo de curado en autoclave. El utillaje juega un papel importante al influir en valores de vacío, estanqueidad, comportamiento de la capa o material en contacto, diferencias de expansión térmica que hay que tener en cuenta durante todo el proceso y en la propia definición y diseño del útil.

La falta de consideración de estos parámetros tiene como consecuencias deformaciones en las piezas, zonas precargadas, roturas e incremento de costes en montajes finales.

1.1 Estado del arte

Independientemente de la complejidad de la pieza a fabricar, lo habitual para piezas de material compuesto son estos tipos de utillaje:

  • Útil hembra: bueno para secciones abiertas, da buen acabado superficial y tiene bajas tensiones en el curado.
  • Útil macho: peor acabado superficial (o necesidad de pisas) y necesita un cuidado diseño para tener en cuenta el desmoldeo de la pieza.

Con respecto a los materiales usados para construir el utillaje, además de su facilidad de uso, se busca sobre todo que sus coeficientes de expansión térmica sean lo más similares al de los compuestos de fibra de carbono. El Invar, a pesar de su alto coste, cumple con creces esos requerimientos, según Re-Steel [1].

A veces se recurre a utillaje en el que la parte en contacto con la pieza final (carbono) sea de Invar y la estructura que soporta esa parte esté fabricada en otro material más barato. Al ser así se requiere que debido a las distintas dilataciones, la parte soportante permita ciertos deslizamientos de la otra, con un importante aumento de la complejidad de diseño.

2. Diseño y fabricación del útil

Los requerimientos que se intentan cumplir para el utillaje en este proyecto son:

  • Que permita la fabricación de un panel rigidizado tipo fuselaje de 2x1m
  • Que sea lo suficientemente rígido y preciso
  • Que resista las condiciones típicas de ciclos de autoclave (180°C y 7 bares)
  • Coeficiente Térmico de Expansión (CTE) cercano al del material compuesto
  • Durabilidad garantizada para un gran número de ciclos
  • Ligero en masa para poder realizar un calentamiento rápido
  • Fácil de transportar y manejar
  • Fácil de modificar y reparar

Todo esto llevó a que se optase por un utillaje en el que tanto la placa principal como la estructura soportante son de Invar. Además para permitir cierto grado de libertad entre sendas partes y además permitir cierta variación en la geometría, la interfaz entre ambas se ideó a modo de tensores. Este sistema además minimiza las posibles influencias de una parte con respecto a la otra tanto en deformaciones por dilataciones como en transmisión de temperaturas.

Para controlar perfectamente la geometría de la placa principal, se ideó un sistema de plantillas removibles que además pueden ayudar al soporte de la misma en caso de que se necesite más rigidez (por ejemplo encintado automático sobre el propio útil). Además, estas sirven de guías y topes para mediante el accionado de los tensores llegar a la geometría definitiva y son fácilmente remecanizables o intercambiables en caso de necesitarlas como guía para pequeños cambios en la curvatura final.

3. Simulaciones

Las simulaciones reseñadas se han realizado mediante el software PAN-Distortion 2013 y SYSPLY. La primera de ellas trató de someter al útil aislado a un ciclo de autoclave típico (esto es alcanzar temperaturas de unos 180 °C y un vacío de unos 600 mm Hg y presión de 90 psig). Esta reveló que el máximo desplazamiento de un punto del útil rondaría los 0,35 mm (0,3 mm en dirección longitudinal; 0,2 mm en transversal y 0,1 en vertical). Más importante en la simulación térmica, dado que el curado del material compuesto ocurre a una cierta temperatura, fue comprobar que esta a lo largo del ciclo tiene una distribución muy uniforme en el tiempo, con diferencias de apenas 0,5°C en todo el útil en un momento determinado. Además se realizó una comprobación empírica de esto sometiendo al útil a un ciclo real y registrando temperaturas con 14 termopares distribuidos en su superficie.

Con respecto a la pieza, para la simulación del ‘springback’ (deformación de la pieza de carbono) primero hubo que seleccionar y caracterizar perfectamente el material con el que se iba a trabajar: HEXPLY M21/34%/194/T800S-24K según Hexcel [2]. Después, se recurrió a piezas de dimensiones menores a la definitiva para poder realizar ajustes y comparar resultados fabricando especímenes reales. Se fabricaron varios de unas dimensiones aproximadas de 500x500mm y en algunos se diseñó un laminado con distribución no simétrica de capas forzando así artificialmente una deformación en la pieza.

Tras comprobar paralelismos de comportamiento entre las simulaciones y los diferentes especímenes simétricos y no simétricos, se procedió a la simulación de la pieza final. Un panel de 2x1 m de catorce capas (+/-/0/90/0/90/-/+)S rigidizado con dos larguerillos en ‘T’ y tres con sección de omega. Estos últimos a partir de laminados de 11 capas (+/-/0/0/90/0/90/0/0/-/+), al igual que las ‘Ls’ con las que se forman las ‘Ts’.

A pesar de que cuantitativamente los resultados teóricos obtenidos no son muy precisos (en torno al doble que los reales), cualitativamente si describen con bastante exactitud el comportamiento de la pieza y nos dan una idea aproximada de cómo se deformará.

Tras la fabricación real de la pieza se comprueba que el comportamiento es el esperado, aunque habría que seguir haciendo algunos ajustes en la simulación. No obstante, dado que las características del utillaje lo permiten, se podría jugar con los ajustes para conseguir la pieza perfecta en una o dos ejecuciones más.

4. Conclusiones

El tener en cuenta y buscar un bajo coeficiente de expansión térmica del útil ahorra problemas al evitar tensiones en las capas en contacto con él durante el ciclo de curado. También el que la placa que hace de molde esté un tanto aislada del resto del útil evita influencias de la inercia térmica permitiendo calentamiento y enfriamiento mucho más uniforme y rápido reduciendo tiempos de estabilización. La normativa suele admitir rampas de subida de temperatura de 0,5 a 3 ºC por minuto. Para llegar a 180 ºC la optimización de esta puede reducirse de unas cinco horas a menos de una.

A pesar de que este tipo de utillaje puede necesitar algo más de tiempo de desarrollado y fabricación, normalmente su masa será un 15-30% menor al de un utillaje más convencional, por lo que su precio no debe diferenciarse mucho.

Además, esta filosofía de trabajo reduce tiempos de retrabajado en partes finales y ensamblaje de conjuntos, así como ciclos de autoclave más cortos, aunque los ahorros serán siempre dependientes de cómo sean las series a fabricar.

También a tener en cuenta y como consecuencia de la reducción de tiempos de uso de autoclaves (muy costosos energéticamente) y de tiempos de retrabajado en general, se pueden llegar a conseguir importantes ahorros energéticos y de emisiones de CO2.

 

 Alberto Mazarro.

Aquilino Garcia.

 

Referencias

  1. RE-STEEL [en linea]. Actualizada: 2013. Disponible en: http://www.re-steel.com/invar/invar-36
  2. HEXCEL [en línea]. Actualizada: marzo 2010. Disponible en: http://www.hexcel.com/Resources/DataSheets/Prepreg-Data-Sheets/M21_global.pdf
 

European Union

Este Proyecto ha recibido financiación del programa de investigación, desarrollo tecnológico y  demostración 7th Framework Programme de la Unión Europea bajo el Grant Agreement No: 323384.


 



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