Modelización del proceso de laminación automática y consolidación in-situ con materiales compuestos termoplásticos apc2/as4
- Autores: María Isabel Martín Hernando
- Directores de la Tesis: Alfredo Güemes Gordo (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alejandro Ureña (presid.), José Antonio Fernández López (secret.), Antonio Perejón Pazo (voc.), José Sánchez Gómez (voc.), Juan Pedro Fernández Blázquez (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Aeroespacial por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
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- Resumen
Este trabajo doctoral, se focaliza en el análisis del proceso de encintado en automático y consolidación in-situ con material reforzado termoplástico tipo APC2/AS4. Dadas las limitaciones encontradas para combinar resultados de calidad y capacidades productivas en este proceso de fabricación, ejecutar un estudio detallado de cada uno de los elementos que interaccionan en el proceso, se presenta como la clave para introducir mejoras.
En el proceso, el material debe calentarse para permitir la adhesión entre el elemento aportado y el sustrato. Tratando de analizar ese proceso de calentamiento, se presenta en este trabajo un modelo numérico que permite extraer información de la evolución de los perfiles temperatura-tiempo en el material durante su calentamiento y durante la etapa de enfriamiento posterior. Sus resultados han sido correlados con medidas experimentales sobre paneles laminados.
Tratando de evitar efectos de degradación por calentamiento sobre el material, se estudia en este trabajo la cinética de degradación del polímero PEEK. El análisis permitirá proponer una representación matemática a la evolución de la degradación bajo unos valores de temperatura-tiempo cualesquiera, fundamentándose en degradaciones monitorizadas a través de pérdida de masa en el material o variaciones ocasionadas sobre su viscosidad por efecto de la temperatura. Asimismo, se emplearán diferentes técnicas de análisis para determinar la existencia de indicios de degradación sobre el material encintado.
Una vez calentado el material, el sistema de encintado pone en contacto las superficies de material bajo la acción de un rodillo de compactación. Buscando modelar esa etapa, se analizará el porcentaje de unión alcanzado entre las capas de material encintado en base a la evolución del grado de contacto íntimo (entendido como la eliminación de la rugosidad superficial del material) y a la difusión de las cadenas poliméricas. Para ello, el estudio elaborado tratará de describir las heterogeneidades de la superficie del material, modelizando la evolución de su destrucción como función de su estado irregular inicial, de la presión aplicada y del perfil tiempo-temperatura aplicado.
El movimiento de las cadenas poliméricas, asociado con la difusión, se estudiará mediante ensayos de reología que permiten extraer una ecuación matemática relacionando el tiempo de relajación frente a la temperatura.
En el momento en que el rodillo pone en contacto las superficies de los materiales aporte y sustrato, punto justo tras el cese del calentamiento, tiene lugar una brusca caída de la temperatura. La caída de temperatura, inicia el proceso cinético de cristalización en el material. En este trabajo se han ejecutado diversos análisis para conocer con más detalle cómo tiene lugar la cristalización en un polímero como el PEEK y cómo esta se ve afectada en las condiciones de procesado de la laminación automática y consolidación in-situ. Se propondrá, tal como se hiciera con los anteriores mecanismos, un modelo matemático representativo de la evolución de la cristalización en el proceso, de modo que, considerando un perfil temperatura-tiempo pueda valorarse el grado de cristalización obtenido.
Los análisis de grado de unión y cristalización, son ejecutados bajo la consideración de una única etapa de encintado (es decir, en el encintado de capa 2 sobre capa 1, sin considerar las sucesivas etapas en el encintado del resto de capas). En varios puntos del trabajo se efectuarán aclaraciones sobre cómo debería continuarse dicho análisis para estimar su impacto en la laminación de un panel completo.
En la parte final del trabajo, se han incluido los resultados de diferentes ensayos mecánicos sobre paneles fabricados por la tecnología de encintado automático y consolidación in-situ, siendo comparados con una referencia obtenida en prensa de platos calientes. Se analizarán las diferencias fundamentales entre ellos, no sólo respecto a los valores numéricos reportados por los ensayos, sino también mediante la aplicación de microscopia electrónica de barrido en algunas de las entrecaras de fractura, buscado obtener información de los distintos modos de fallo.
