El presente capítulo lo vamos a dividir en tres secciones. Una primera sección presentará la geometría de la pieza, ayudándonos de bocetos bidimensionales, así como de figuras tridimensionales construidas a partir de dichos bocetos mediante el programa comercial Solid-Edge. La segunda parte del capítulo se empleará en describir los diferentes tipos de laminados que componen el elemento estructural y como son internamente. Por último, la tercera parte del capítulo consiste en una breve descripción del proceso de fabricación seguido para la construcción de dicha pieza.. Geometría del elemento estructural. La geometría del elemento estructural se compone de una placa simétrica más un rigidizador del que salen dos alas que descansan sobre la placa lo cual provocará una no simetría en un laminado de los que componen la pieza. Toda la pieza está constituida de láminas de Non-Crimp-Fabrics (NCF), láminas de pre-peg fabricadas con la misma resina y fibra que las anteriores y unos tabs de fibra de carbono, como se muestran en la Figura II., los cuales tienen la misión de servir de cogida con la máquina de ensayos. Tabs de fibra de carbono Rigidizador Placa Ancho Longitud Figura II.: Perspectiva Isométrica del panel Las láminas de NFC se agrupan formando dos tipos de laminados, uno denominado quasi-isótropo (QI) y otro denominado biaxial (B). El primero, quasi-isótropo, se constituye de ocho láminas de NCF tejidas con las orientaciones {-45,0,45,90} S ; y el segundo, biaxial, se forma 0
de dos láminas de NCF tejidas con las orientaciones {-45,45}. En la Figura II.2, podemos observar un esquema de fabricación de estos dos laminados: Dirección de Fabricación 0º Figura II.2: Detalle de fabricación de laminados, Ávila [2] Observando el croquis de la Figura II.3, se nos muestra la placa base, que está fabricada de un laminado de NCF quasi-isótropo {-45,0,45,90} s. La longitud de la placa base es de 300mm, posee una anchura de 60mm y un espesor de 2mm. El rigidizador, está constituido de láminas biaxiales de NCF con láminas de pre-peg de orientación 0º intercaladas entre ellas. La longitud de éste es de 300mm y tiene un espesor de 3mm. Las alas de la T también se componen de un laminado simétrico {-45,45,45,-45} construido a partir de dos laminados biaxiales de NCF, su longitud es de 300mm, una anchura de ala de 30mm y un espesor de mm. Los tabs de fibra de carbono tienen mm de espesor, sus longitud y espesor varían dependiendo de la zona donde se encuentren. Los tabs de la parte inferior de la placa base, tienen una longitud de 70mm y una anchura de 70mm, los que descansan en la parte superior de la placa base tienen una anchura de 50mm y una longitud de 70mm. Por último, los que se adaptan al ridigidizador poseen la misma anchura que las alas del rigidizador y una longitud es de 70mm.
30 300 70 70 Tabs mm GFRP-Tab mm thick espesor Detail Alas Rigidizador Stringer Rigidizador Stringer Flange Skin Piel Detalle Tabs GFRP-Tab 70 60 60 5 2 2 3 Figura II.3: Croquis con las dimensiones de la pieza, Baaran y Huffelen [] A partir del croquis de la Figura II.3, podemos realizar una visión tridimensional de la pieza, con el objeto de observar las zonas de discontinuidad geométrica que se producen, como son esquinas a noventa grados, escalones que se forman, etc. Conocer dichas zonas es importante porque en ellas se producirán concentraciones de tensiones cuando estemos aplicando la fuerza de tracción o compresión en los ensayos. Tal como nos muestra la Figura II.4, vemos como se forma una esquina a noventa grados entre la zona de la placa base y la zona donde existen tabs. Es importante tener en cuenta esta zona, en la que además se impondrán condiciones de contorno, en el momento que estemos construyendo la malla de elementos finitos y analizando los resultados obtenidos por las posibles variaciones que puedan darse. 2
Figura II.4: Detalle de la esquina Por otra parte en la Figura II.5, se visualiza el escalón que forma las alas del rigidizador sobre la placa base. Lo cual formará una no simetría del laminado equivalente en esa sección de la pieza, provocando curvaturas y esfuerzos fuera del plano. Entonces, a la hora de construir y refinar la malla de elementos finitos, también habrá que prestar una especial atención en esta zona. Figura II.5: Asiento del rigidizador 3
2. Configuración de los Laminados. Una vez analizada la geometría de las diferentes partes que forman el conjunto, vamos a profundizar en como se modelarán los diferentes laminados que componen la pieza para poder introducir dicho modelo en el programa de elementos finitos MSC.Nastran/Patran. La idea consiste en dividir la pieza en seis laminados equivalentes, los cuales los obtenemos de hacer cortes transversales sobre el conjunto y ver el número de láminas que lo forman, la situación espacial de cada laminado podemos visualizarla en la Figura II.6. Laminado Laminado 5 Laminado 4 Laminado 6 Laminado 2 Laminado 3 Figura II.6: Disposición de laminados A continuación se realiza un esbozo del perfil de cada laminado equivalente con el cual se modelará la pieza. En cada uno de los laminados se mostrará el número de láminas que posee, el espesor de cada lámina, el material con el cual se han fabricado dichas láminas, la orientación de cada lámina, el orden de las láminas y el plano de referencia a partir del cual se calcularán las matrices de rigidez de los laminados. 4
Por tanto, tendremos dos formas de modelar el material de la pieza, mediante laminados que contienen cada una de las láminas que lo componen ó modelando los laminados biaxiales y quasi-isótropos como láminas ortótropas equivalentes para luego construir el laminado correspondiente. La diferencia de utilizar estas dos formas de modelar el material del laminado será que el primer modo permite ver la solución del problema lámina a lámina y el segundo modo no da ese grado de detalle. Se hace un especial énfasis en la correcta definición de cada laminado, pues influye de manera directa en la solución del problema. De la configuración de los laminados depende la matriz de rigidez global que creará el programa de elementos finitos y con la que resolverá el problema independientemente del tipo de análisis (lineal, no lineal) y del algoritmo que empleamos para resolver. El laminado, que se representa en la Figura.7, es simétrico y consta de diez láminas, ochos de ellas son de NCF que corresponde al laminado quasi-isótropo y dos son los tabs de fibra de carbono. Como se observa en la figura, todas las láminas de NCF tienen el mismo espesor, cuyo valor es de 0.25 mm, y los tabs de fibra de carbono tienen un espesor de mm cada uno. es: La orientación de las láminas, tomando como primera la que se indica en la Figura II.7, {0 T,-45,0,45,90,90,45,0,-45,0 T } TABS NCF 0 Figura II.7: Secuencia de apilado del Laminado El subíndice T indica las capas correspondientes a los tabs y las láminas sin subíndice corresponden a las láminas de NCF. 5
El laminado 2 reflejado en la Figura II.8, también es simétrico ya que es continuación del anterior en la pieza, sólo que no contiene los tabs de fibra de carbono. Dicho laminado formaría la placa de la pieza. Consta de ocho láminas de un cuarto de milímetro de espesor, el laminado quasi-isótropo de NCF. La orientación de cada lámina, tomando como primera lámina la que se indica en la figura: {-45,0,45,90,90,45,0,-45} Figura II.8: Secuencia de apilado del laminado dos El laminado 3 se forma de añadirle a la placa las alas que salen de rigidizador, las cuales equivalen a cuatro láminas que se asientan sobre la parte superior de la placa dándole una configuración de no simetría al laminado. Dichas láminas corresponden a dos laminados biaxiales de NFC. El laminado consta en su totalidad de doce láminas cada una de ellas con un espesor de 0.25mm. La orientación de las láminas teniendo en cuenta el mismo criterio de ordenamiento es: {-45,45,45,-45,-45,0,45,90,90,45,0,-45} Figura II.9: Secuencia de apilado del laminado tres En este laminado hay que tener en cuenta a la hora de definir sus propiedades, que su centro de gravedad está desplazado 0.5mm en sentido positivo de la coordenada z, es decir 0.5mm respecto al plano sobre el cual estamos refiriendo todos los laminados, como se muestra en la Figura II.9. 6
El laminado 4 tiene la misma configuración que el laminado 3, sólo que se le añaden los tabs de fibra de carbono, para que pueda ser cogido por la máquina de ensayos. Consta de catorce láminas, doce de ellas de NCF y dos de fibra de carbono de mm de espesor. Al igual que el laminado anterior a la hora de definir las propiedades del laminado habrá que tener en cuenta que el centro de gravedad de la sección está desplazado 0.5mm respecto el plano de referencia que se muestra en la Figura II.0. La orientación de cada una de las láminas es: {0 T,-45,45,45,-45,-45,0,45,90,90,45,0,-45,0 T } Figura II.0: Secuencia de apilado del laminado 4 El laminado 5 corresponde a la zona del rigidizador que está en contacto con las mordazas, de ahí que tenga dos tabs de fibra de carbono, cómo se desprende de la Figura II.. El laminado es simétrico y está formado por trece láminas, dos de fibra de carbono la primera y la última con una orientación de 0º. Otras ocho de NCF, que corresponden a cuatro laminados biaxiales, los cuales tienen intercalados pre-pegs con orientación de fibra de 0º. El espesor de los tabs es de mm, las láminas de NCF son de 0.25mm de espesor y los pre-pegs también tienen un espesor de 0.25mm, exceptuando la lámina correspondiente al plano medio que tiene el doble de espesor. La orientación de dichas láminas es: {0 T,-45,45,0 U,-45,45,0 U,45,-45,0 U,45,-45,0 T } 7
Figura II.: Secuencia de apilado del laminado 5 El subíndice U indica las láminas correspondientes a los pre-pregs. El laminado 6 que se refleja en la Figura II.2, se forma de ocho láminas de NCF cuyo espesor de lámina es de 0.25mm. Al igual que el laminado 5 se le intercalan unas láminas de pre-pegs con 0º de orientación de la fibra. Este laminado es también simétrico, la orientación de las láminas, fijándonos en la figura es: {-45,45,0 U,-45,45,0 U,45,-45,0 U,45,-45} NCF Figura II.2: Secuencia de apilado del laminado 6 8
3. Fabricación del Elemento Estructural. En este apartado del capítulo se pretende hacer un pequeño resumen de cómo ha sido el proceso de fabricación de la pieza de la cual se va a realizar un análisis mecánico. La pieza ha sido fabricada por Invent GmbH company, ver Baaran y Huffelen []. Para su fabricación se dispone de un molde, cuyo croquis puede observarse en la figura II.3, que está formado por cinco piezas. Las piezas número uno y dos (Pos.- y Pos.-2 que refleja el croquis) son dos mitades de molde que contienen la forma de la pieza, la pieza tres (Pos.-3) sirve para cerrar el molde y tiene unos agujeros para el venteo, la pieza cuatro (Pos.-4) es la base del molde y la pieza cinco (Pos.-5) sirve para sujetar el molde. VISTA LATERAL Punto de Inyección VISTA DE PLANTA DE POS. 3 Puntos de Venteo Figura II.3: Molde empleado para la fabricación, Baaran y Huffelen [] 9
Sobre el molde se colocan los mazos de fibras correspondientes a cada zona de la pieza con sus distintas configuraciones (quasi-isótropo, biaxial y pre-pegs). Posteriormente se le hace el vacío y se introduce en el autoclave donde se producirán tres etapas, que podemos visualizar en la Figura II.4 y II.5. La primera etapa consiste en llevar el autoclave a una presión de 6 bares y una temperatura de 20 ºC a una velocidad de 2 ºC/min; mientras la resina la precalentamos hasta una temperatura de 80 ºC. En la segunda etapa inyectamos la resina durante un tiempo de veinte minutos y mantenemos la pieza a los 6 bares de presión y 20 ºC durante 40min más, después de haber inyectado la resina. La tercera y última etapa, denominada etapa de curado, se mantiene el autoclave a la misma presión de 6 bares y se aumenta la temperatura hasta los 80 ºC a una velocidad de 2 ºC/min. Una vez que el autoclave se encuentran a 80 ºC se mantiene durante 20 min, pasado éste tiempo se comenzará a bajar al temperatura del autoclave a una velocidad de 2 ºC/min como su despresurización. Temperatura ºC Enfriamiento: 2-3 ºC/min 20 Tiempo (min) Figura II.4: Ciclo de inyección y Curado 20
Presión (bar) Tiempo (min) Figura II.5: Presión del autoclave. Como puede observarse de lo descrito anteriormente, el proceso de curado del componente es similar al curado de un elemento formado por láminas de fibras y resina, lo único que lo diferencia a grosso modo es la disposición de las fibras, que en nuestro componente están formando mazos, y el tipo de resina empleada. 2