Análisis, evaluación y propuesta de mejora del rendimiento del mecanizado de estructuras híbridas cfrtp/aleación metálica

Resumen

Los materiales compuestos de matriz termoplástica reforzados con fibra de carbono (CFRTP, Carbon Fiber Reinforced Thermo-Plastics) son considerados como materiales estratégicos en diversos sectores como la aeronáutica, la automoción y el de material deportivo, debido principalmente a su excelente relación peso/propiedades mecánicas. No obstante, y con el fin de reducir costes de operación y optimizar tanto sus propiedades como sus costes de fabricación, estos materiales son empleados cada vez más en forma de estructuras híbridas en combinación con aleaciones metálicas. No obstante, la unión de estos materiales en una estructura híbrida es una etapa que dificulta el proceso de fabricación del material final. Además, una vez que ambos materiales son conformados en forma de apilado o stack, éste debe ser mecanizado para adaptar su geometría según los requisitos de diseño. Debido a esto, surge la necesidad de estudiar y comparar diferentes tecnologías capaces de mejorar la calidad final de la unión entre los materiales disímiles que componen la estructura híbrida, así como determinar la tecnología que presenta un mayor rendimiento en el mecanizado de las mismas, junto con los rangos de operación que minimizan los defectos inducidos por estas. El principal objetivo de esta Tesis Doctoral es la mejora del rendimiento de los procesos de fabricación y mecanizado de estructuras híbridas compuestas por aleaciones metálicas y materiales compuestos de matriz termoplástica, abordando dicho objetivo desde la investigación experimental y el modelizado paramétrico de los principales parámetros tecnológicos del proceso de corte con chorro de agua (AWJM, Abrasive WaterJet Machining) y su efecto sobre las variables de salida inherentes al proceso y al producto, como son la calidad superficial, las delaminaciones o las desviaciones angulares en el proceso de corte, criterios de calidad que forman parte de los requisitos de diseño de diversos tipos de componentes. Con el fin de generar una unión de calidad entre el material compuesto termoplástico y la aleación de acero en una estructura híbrida se ha desarrollado una metodología para determinar una tecnología que active la superficie de la aleación metálica. Una comparativa entre procesos de granallado, láser y chorro de agua como tecnologías de modificación superficial han permitido establecer una relación entre la rugosidad generada en el acero y su activación en términos de energía libre superficial. En paralelo, se ha realizado un estudio basado en una metodología de superficie de respuesta con el fin de establecer la influencia de los parámetros que gobiernan el mecanizado por chorro de agua con abrasivo de un material compuesto termoplástico. Se ha concluido la influencia directa que relaciona el flujo másico de abrasivo y la presión hidráulica con la calidad superficial obtenida en términos de Ra. Finalmente, el reto de mecanizar ambos materiales de forma simultánea ha sido apreciado en función al orden de apilamiento de ambos materiales, siendo este el parámetro más relevante del estudio. La diferente configuración, CFRTP/Acero o Acero/CFRTP, afecta en gran medida la estabilidad del chorro de agua durante el mecanizado debido a la absorción de la energía cinética del mismo durante el mecanizado de la aleación metálica. Así, la velocidad de desplazamiento juega un papel clave, donde velocidades cercanas a 50 mm/min, permiten minimiza el desfase generado entre los instantes iniciales del mecanizado y la salida del chorro de agua en el segundo material. Finalmente, las técnicas de modificación superficial realizadas en la aleación de acero han demostrado su eficacia al no apreciar ningún tipo de separación en la intercara en ningún ensayo de mecanizado.