Modelling the compaction of composite materials with ultrasonic vibrations

Resumen

Los sistemas usuales de fabricación de materiales compuestos, especialmente aquellos empleados en la industria aeronáutica, conllevan un gran número de procesos secundarios, la mayoría de ellos no automatizados. Por esta razón, unido a los largos tiempos necesarios para el curado de las resinas, el tiempo total de estos procesos resulta muy elevado, así como el coste final de las piezas fabricadas. De este modo, la industria busca nuevos sistemas que resuelvan estos inconvenientes. Una opción es la integración de los sistemas de apilado, compactación y curado en un solo equipo, consiguiendo, de este modo, una automatización completa del proceso, reduciendo sus costes y tiempos de operación. Con el fin de integrar un sistema de compactación que consiga eliminar el aire ocluido entre las láminas de material compuesto a medida que éstas se van depositando, se ha desarrollado el sistema de compactación por ultrasonidos. En este sistema, se hace vibrar a frecuencias ultrasónicas un cilindro de presión sobre el laminado, haciendo que el movimiento se transmita a cada una de las láminas que forman dicho laminado. Debido a la viscosidad interna de la resina, el movimiento oscilatorio consigue que se genere calor, elevando de este modo la temperatura del material compuesto. Dicho incremento de temperatura disminuye la viscosidad de la resina, ayudando de este modo a que las burbujas de aire atrapadas entre las capas salgan hacia afuera del laminado. El objetivo de esta Tesis es el modelado de la generación y distribución del calor dentro de la resina en laminados de material compuesto sometidos a vibraciones ultrasónicas. Para ello, inicialmente se ha hecho un estudio en profundidad sobre el funcionamiento del proceso de compactación y se han mostrado algunos resultados experimentales relevantes. A continuación, se han hecho estudios preliminares sobre la distribución del calor y la posibilidad de que se produzca el curado de la resina durante la compactación. Estos estudios han permitido desarrollar un modelo termo-mecánico que ha dado lugar a la obtención de las ecuaciones que gobiernan la generación de calor en la resina cuando se somete a un laminado a vibraciones ultrasónicas. Con el fin de estudiar el campo de temperaturas en el laminado, se han desarrollado varios modelos en los que se han llevado a cabo diferentes aproximaciones a la ecuación del calor. Inicialmente se ha planteado un modelo semi-analítico que, a pesar de que recoge cualitativamente bien el comportamiento de la evolución de la temperatura durante el proceso de compactación, debido a las aproximaciones que conlleva, no es capaz de dar valores exactos de la solución. A continuación, se ha optado por un modelo de elementos finitos implementado en un software comercial. En este caso, dada la complejidad del problema en estudio, los resultados son prometedores pero muy costosos computacionalmente hablando. Finalmente, se ha optado por un nuevo enfoque de la solución, resolviendo el problema con la técnica de la descomposición generalizada en modos propios (PGD). Mediante el uso de la PGD, a través de la descomposición del campo térmico en sumas de productos de funciones de las variables de las que depende, se ha conseguido resolver el problema de forma satisfactoria en tiempos de computación pequeños. El resultado obtenido se ha comparado con resultados experimentales, obteniéndose que el modelo es capaz de predecir con exactitud la evolución real de la temperatura. Finalmente, se ha desarrollado un modelo que permite obtener la evolución de la temperatura cuando el compactador ultrasónico se mueve a lo largo del laminado. Con el fin de analizar el proceso, se ha realizado un estudio paramétrico con las principales variables del problema (velocidad de desplazamiento horizontal del compactador ultrasónico, amplitud y frecuencia de la vibración y ángulo del sonotrodo), comprobándose que la sensibilidad del proceso a dichos parámetros es baja.