Procesado láser uv como tratamiento superficial previo a la unión encolada estructural de material compuesto aeronáutico

Resumen

En el sector aeronáutico el empleo de materiales compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRPs) se ha incrementado de forma exponencial en los últimos años. Estos materiales se caracterizan por presentar buenas propiedades mecánicas y mejorar la resistencia y el módulo específico de otros materiales empleados en el sector. Por otra parte, su empleo permite aligerar el peso de las aeronaves y, además, disminuir el precio de fabricación de algunos elementos. En la actualidad, la unión de las piezas fabricadas con CFRPs se lleva a cabo utilizando uniones mecánicas, aunque cada vez están siendo más empleadas las uniones adhesivas, las cuales suelen ser reforzadas puntualmente con uniones mecánicas. El empleo de uniones adhesivas de CFRPs requiere de una etapa previa de preparación superficial para dotar a las superficies de las características necesarias para obtener uniones de buena calidad. En la actualidad, los tratamientos superficiales utilizados en el sector aeronáutico son el lijado manual, el granallado y la aplicación de tejidos pelables. Todos estos tratamientos presentan el inconveniente de ser difíciles de automatizar y poseer una baja reproducibilidad ya que, en algunos de ellos, el resultado condicionado por la experiencia del operario de los que aplica. La presente Tesis Doctoral se enmarca en el ámbito de la búsqueda de alternativas automatizables a los procesos descritos anteriormente. Concretamente, se propone el empleo de tecnología láser UV para llevar a cabo tratamientos de activación superficial previo a la fabricación de uniones encoladas de materiales utilizados en la fabricación de aeronaves de última generación. El trabajo ha consistido en poner a punto una metodología para definir las condiciones de tratamiento láser que permiten eliminar contaminantes superficiales, modificar la rugosidad y crear grupos funcionales que mejoran la mojabilidad y, por tanto, la adhesividad de las superficies procesadas. El trabajo se ha basado en la utilización de un amplio número de técnicas experimentales entre las que se encuentran la determinación de la energía libre superficial, medida de rugosidad, microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía de dispersión de energía (EDS), espectroscopía de fotoelectrones (XPS) y perfilometría óptica 3D confocal. Tanto los paneles de CFRPs como las uniones adhesivas se han preparado utilizando materiales certificados y siguiendo los procedimientos aprobados por la industria aeronáutica. La calidad de las uniones adhesivas se ha determinado mediante ensayos de determinación de la tenacidad de fractura interlaminar en modo I (G1C) a temperatura ambiente, a -55ºC y a temperatura ambiente después de acondicionamiento en condiciones higrotérmicas. Los resultados obtenidos indican que ha sido posible definir unos parámetros de procesado que permiten modificar la morfología y aumentar la energía libre superficial sin producir daño sobre el material. Adicionalmente se ha comprobado que el tratamiento utilizado permite eliminar contaminantes e introducir grupos polares en las superficies procesadas que mejoran su adhesividad. Por último, mediante la realización de ensayos de G1C se ha comprobado que las uniones adhesivas en las que la activación se realiza mediante procesado láser UV presenta mejores resultados que aquellas en las que la activación superficial se realiza utilizando un tejido pelable, en cualquiera de las condiciones empleadas. En resumen, el conjunto de los resultados obtenidos indica que mediante el procesado con un láser UV es posible activar la superficie de CFRPs, de manera que se obtienen uniones adhesivas con propiedades mecánicas semejantes a las que presentan las uniones preparadas aplicando pretratamientos aprobados por el sector. La metodología de caracterización puesta a punto ha permitido realizar una caracterización detallada de los modos de fallo después de la realización de los ensayos mecánicos. Esta metodología ha permitido detectar la existencia de modos de fallo no descritos hasta el momento y determinar nuevos parámetros de procesado láser que permitirían preparar muestras libres de este modo de fallo.