Resumen de Análisis experimental y numérico del proceso de taladrado de materiales compuestos de fibra de carbono
El taladrado es un proceso fundamental previo al ensamblaje de componentes estructurales de material compuesto en diversas industrias como la aeroespacial. Los defectos inducidos durante el proceso de arranque de material pueden llevar al rechazo del componente con el consiguiente coste económico. Debido a la falta de homogeneidad y anisotropía de los laminados FRP (Fiber Reinforced Polymers), el proceso de perforación suele llevar asociados fenómenos de daño en el material (como la delaminación, el astillamiento del borde, la formación de grietas o el daño térmico) y el desgaste excesivo de la herramienta debido a la abrasividad de las fibras. Entre los daños mencionados, la delaminación ha sido identificada como el fenómeno de daño más perjudicial, ya que conlleva una pérdida significativa de la resistencia y la rigidez del laminado y, por consiguiente, afecta a su capacidad de carga. La identificación y prevención de éste fenómeno es, por lo tanto, particularmente importante para los componentes de material compuesto sometidos a cargas de compresión, cizalladura, cargas cíclicas y condiciones ambientales adversas durante períodos prolongados de tiempo. El daño en el material también depende de la geometría de la herramienta, del estado de desgaste de la broca y de los parámetros de corte. Por otro lado, es difícil encontrar en la bibliografía modelos numéricos 3D de taladrado que simulen el arranque de viruta incluyendo los movimientos de corte y avance de la broca. Sin embargo, el desarrollo de estos modelos puede ser un método efectivo para realizar estudios de optimización de la geometría de la herramienta y de los parámetros de corte, con el objetivo de mejorar la calidad de los agujeros y reducir el desgaste de la broca. Al mismo tiempo se consigue una reducción de recursos y tiempo en ensayos experimentales. Con el objetivo general de generar nuevo conocimiento sobre el campo del taladrado en materiales compuestos de fibra de carbono, se presenta esta tesis, con dos partes bien definidas. La primera parte, centrada en la experimentación, analiza la influencia de la geometría de la broca y el nivel de desgaste, considerando también la influencia de las variables de entrada (velocidad de avance, velocidad de corte y ángulo de punta) en las fuerzas de corte y el daño por delaminación. Estos ensayos también se utilizaron para la validación de los modelos numéricos desarrollados en la segunda parte, que consiste en la implementación de modelos numéricos 3D de taladrado basados en el método de los elementos finitos. Estos modelos validados son capaces de predecir el daño y la fuerza de avance para unos determinados parámetros de corte (velocidad de avance y velocidad de corte). Como complemento a ambos estudios, se han utilizado herramientas estadísticas para desarrollar modelos mecanisticos y ecuaciones predictivas útiles para evaluar las tendencias en el daño y apoyar a los modelos numéricos. Los conocimientos derivados de la presente tesis pueden servir de ayuda en la definición del fin de vida de la herramienta y constituyen una herramienta aplicable al diseño de nuevas geometrías de broca para este tipo de operaciones.
