Modelización del proceso de laminación automática y consolidación in-situ con materiales compuestos termoplásticos APC2/AS4

Martín Hernando, María Isabel (2019). Modelización del proceso de laminación automática y consolidación in-situ con materiales compuestos termoplásticos APC2/AS4. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.56804.

Description

Title: Modelización del proceso de laminación automática y consolidación in-situ con materiales compuestos termoplásticos APC2/AS4
Author/s:
  • Martín Hernando, María Isabel
Contributor/s:
  • Güemes Gordo, Jesús Alfredo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM)
Department: Materiales y Producción Aeroespacial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

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. ----------ABSTRACT---------- This work is focused on the analysis of one manufacturing process: Automatic Lamination and In-Situ Consolidation with Thermoplastic Composite Materials, with APC2/AS4 being the material considered for the experiments and models. Due to the limitations associated with obtaining good quality and high productivity simultaneously, a detailed analysis of the process is evidenced as a requirement. This analysis needs to take into account each of the individual elements that interact, being its knowledge the only way to improve the process. During the process, the material is heated to generate the adhesion between the incoming element and the substrate. In order to analyze the previously mentioned heating, a numerical model is presented in this work. The model permits to extract the information of the time-temperature evolution whilst heating the material and in the later stage of cooling. Trying to avoid degradation effects derived from heating, a control of the temperature thresholds is required. This document includes a kinetic analysis of the thermal degradation of the polymer (PEEK), which has allowed to obtain a mathematical equation that represents the evolution of thermal degradation and its dependence on temperature-time profiles. The evolution of thermal degradation is presented by considering two parameters: the mass loss and viscosity variations. Moreover, different techniques of analysis have been used to determine the existence of thermal degradation in the material after being laminated. After heating, the incoming material makes contact with the substrate by the interaction of a compaction roller. With the goal of modeling this stage, the percentage of bonding between the layers was analyzed. The evolution of the degree “intimate contact” and the degree of “healing” has been considered to develop this analysis. The heterogeneous material surface has been measured, modelling the evolution during the process as a mathematical function of the initial roughness state, the applied pressure and the temperature-time profiles. The polymer chains movement, associated with healing, has been followed by rheological testing. For both cases, equations are proposed. When the compaction roller contacts with the material, a sharp temperature drop appears. During cooling, the polymer develops crystallization. In this work, several studies were done in order to determine how the crystal structure is created and the impact on crystallization of this manufacturing process conditions in comparison with other processes as oven or press. As with the other elements under analysis, a mathematical equation is proposed to predict the evolution of crystallization whilst lamination. Adhesion and crystallization were studied by considering the first lamination stage, laminating the second layer over the first. These analyses should be continued taking into account the deposition of multiple layers in a real structure. At the end of the work, the results of several mechanical tests are included, with the subject being samples coming from automatic lamination and in-situ consolidation and press, trying to compare their differences. Scanning electron microscopy was applied to obtain visual information of the fracture mode.

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Item ID: 56804
DC Identifier: http://oa.upm.es/56804/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:56804
DOI: 10.20868/UPM.thesis.56804
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 10 Oct 2019 07:05
Last Modified: 10 Oct 2019 07:05
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