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13 / ene. / 2016

Tesis de Modelización de termoplásticos. Isabel Martin Hernando


Tesis de Modelización de termoplásticos. Isabel Martin Hernando


Analizando la evolución de la industria aeronáutica en lo que a empleo de materiales se refiere, es posible detectar una clara tendencia centralizada en la reducción de pesos. El empleo de material compuesto termoestable reforzado ha sido una de las claves para la consecución de dicho objetivo. Estos materiales se caracterizan fundamentalmente por su estabilidad con la temperatura una vez que son completadas las operaciones de curado, para las cuales es usualmente empleado su ciclado en autoclave. Los consumos implicados en el procesado de estos materiales, tanto en tiempo como energéticos, han llevado a los investigadores a centrar múltiples esfuerzos en el análisis de procesos y materiales que consigan mantener o incrementar las propiedades de las partes reduciendo costes y tiempos. Los procesos de laminación y consolidación in-situ con materiales termoplásticos reforzados son una clara respuesta a dichos esfuerzos y focalizan los desarrollos de esta tesis doctoral, ejecutada en colaboración con la Escuela de Aeronáuticos de la Universidad Politécnica de Madrid.

Para la ejecución de los estudios, FIDAMC cuenta en sus instalaciones con una máquina de laminación automática y consolidación in-situ resultado del desarrollo en colaboración entre la Fundación, el Grupo Airbus y el grupo industrial MTorres (centro especializado en el desarrollo de tecnología para automatización de procesos).  La operativa fundamental del dispositivo se basa en la puesta en contacto de dos láminas de material termoplástico reforzado (PEEK/FC) mediante el precalentamiento sobre la temperatura de fusión de la matriz constituyente y el posterior efecto de compactación mediante un rodillo. La fuente de calentamiento empleada consiste en un láser de diodos de óptica variable que permite modificar la superficie de calentamiento. Por su parte, el rodillo de compactación se constituye de un material deformable que permite la puesta en contacto de las partes de material justo después de su fusión.

A pesar de la simplicidad aparente del proceso, existen muchos elementos implicados que requieren de un estudio pormenorizado para posibilitar ejercer un control sobre la pieza final resultado de la laminación.  Entre ellos se citan: perfiles térmicos desarrollados por el conjunto, contacto íntimo entre las partes, inter-difusión de cadenas en la línea de unión, cristalización del material, una posible degradación experimentada por picos excesivos de calentamiento y los estados tensionales en la pieza resultado inherente de la metodología de fabricación.

Con el desarrollo de esta tesis doctoral se pretende profundizar en cada uno de los fenómenos enumerados con anterioridad, con el fin de comprenderlos, ejercer las modificaciones pertinentes para la mejora de resultados en las piezas fabricadas y proporcionar un sistema de control del dispositivo a través de la presentación de modelos que describan de modo aproximado las físicas que intervienen en él.

El elemento clave a estudio y que además realimenta el resto de teorías es el análisis de los perfiles térmicos desarrollados en el material. Para predecir el comportamiento del laminado durante el calentamiento bajo acción del láser, se han ejecutado simulaciones con el software Comsol Multiphysics®, que han permitido extraer valores de temperatura en cada uno de los puntos del laminado en función del instante del proceso en el que se encuentre.

La validación experimental de los resultados obtenidos con el software se ha ejecutado mediante el posicionado de termopares y sensores de fibra óptica en el conjunto en posiciones aleatorias distribuidas en espesor y longitud.

Una vez conocidos los perfiles de temperaturas en el material es posible alimentar el resto de los modelos desarrollados fuertemente dependientes de la temperatura. En lo relativo a los modelos de contacto íntimo, se han empleado teorías ya publicadas por otros autores que describen la superficie del material como un perfil rugoso irregular compuesto por elementos rectangulares. Matemáticamente, la ecuación que formula el grado de contacto obtenido entre las partes requiere conocer las presiones aplicadas sobre el conjunto, la viscosidad del material como una función de la temperatura y su estado geométrico inicial. Referido a la interdifusión de cadenas entre las partes, la teoría de reptación De Gennes permite explicar el movimiento de las cadenas poliméricas, los tiempos de reptación implicados establecerán un umbral límite en velocidades para el proceso de fabricación.

Asimismo, durante el calentamiento, el material puede ser objeto de picos de calentamiento elevados que supongan un efecto de degradación. Modelizar la degradación como una función matemática dependiente de la temperatura y del tiempo permite localizar posibles defectologías desarrolladas en pieza y prevención frente a su generación.

El análisis de la bondad en todo proceso de fabricación suele ejecutarse mediante la valoración de las propiedades mecánicas obtenidas en el conjunto. La obtención de buenas propiedades en un proceso automatizado como el objeto de este estudio, es el resultado de un buen grado de contacto y difusión entre partes, un limitado o nulo efecto de degradación y la intervención del grado de cristalinidad desarrollado por el conjunto. El termoplástico mayoritariamente empleado por la industria en la actualidad es el material semicristalino PEEK, que destaca entre los demás por sus elevadas prestaciones, por dicho motivo será el material ejemplo de estudio para los cálculos de la tesis. En estos materiales, el perfil de enfriamiento al que se someten es  condicionante, pues modifica el estado cristalino del mismo tanto en porcentaje como en morfología. El efecto de un calentamiento elevado y rápido unido a grandes rampas de enfriamiento hace que la pieza final extraída de estas ejecuciones plantee claras disimilitudes respecto a las habitualmente fabricadas con otras metodologías (estufa, autoclave, prensa, etc). Valorar las causas de las diferencias en el comportamiento mecánico del material, permitirá establecer modificaciones en los procesos y ejecutar la determinación de valores admisibles.

Como etapa final del estudio, se incluirá el análisis del efecto de las tensiones residuales almacenadas en el material como causa de las contracciones del enfriamiento, las diferencias entre coeficientes de expansión térmica y los calentamientos no homogéneos inherentes al proceso de fabricación. La solución o control de su presencia posibilitará  la consecución de geometrías proyectadas.

Isabel Martin Hernando

Wedge Peeling test.png  Process description.jpg  COMSOL Multiphysics thermal modelling.png  ISC Machine.JPG