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ESTUDIO DEL FALLO EN UNIONES ADHESIVAS CON MATERIALES COMPUESTOS
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CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
En este capítulo se va a hablar de los aspectos principales que motivan la
realización de este proyecto, se introducirá el problema bajo estudio, ampliamente
descrito en [1], [2], [3] y [4] y se explicará la división de los capítulos del presente
documento.
1.1 Motivación
En los últimos años los materiales compuestos han adquirido una gran
importancia. Su desarrollo se ha visto impulsado fundamentalmente por los
sectores aeronáutico y aeroespacial, debido a la necesidad de obtener materiales
ligeros a la vez que resistentes, y ayudado por ser un sector con medios
económicos para su desarrollo. De un modo progresivo, los materiales compuestos
se han ido extendiendo a otros sectores gracias a la disminución cada vez más los
costes y al conocimiento del material.
Los materiales compuestos más habituales son los laminados, formados por
apilamiento de varias láminas de matriz polimérica reforzadas con fibras de alta
resistencia como es el caso de las fibras de carbono, vidrio, aramida o boro entre
otras.
La fibra de carbono se ha convertido en uno de los materiales más utilizados en la
industria aeronáutica, aeroespacial y automovilística. Esto se debe a su elevada
resistencia mecánica, alta rigidez, baja densidad, buena resistencia a la acción del
fuego y agentes externos. Sin embargo, el uso del material está no tanto
condicionado por sus propiedades mecánicas cuanto por su costo real de
fabricación y puesta en servicio [5]. Por lo que su uso en la industria aeronáutica
ha estado ligado a las mejoras en los materiales y en los procesos de fabricación.
Así, podemos ver en la figura 1.1 la evolución histórica de uso de materiales
compuestos en los distintos modelos de Airbus.
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Fig. 1.1: Evolución histórica de composites en modelos Airbus [6]
La presentación de la fibra de carbono no es estanca y fija dentro de una estructura
aeronáutica. Una de sus manifestaciones es el fuselaje del avión realizando y
soportando la estructura del mismo. Como es lógico no existe ni es viable una
estructura enteriza de una sola pieza del fuselaje o parte muy grande de éste
formado por fibra de carbono. Por lo que entra en juego la necesidad de unir las
distintas placas y piezas de determinado tamaño y tipo de material (composites,
aluminio, titanio, etc). Así, podemos ver en la figura 1.2, los distintos tipos de
material usados en los modelos A330, A380 y el futuro A350 XWB de Airbus.
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Fig. 1.2: Materiales en modelos Airbus [6]
De entre las muchas posibilidades de unión entre materiales de distinta naturaleza,
como son los materiales metálicos y compuestos, la unión adhesiva se destaca
como una atractiva alternativa frente a las tradicionales uniones mecánicas
(remachado), que exigen como paso previo, el taladro de los laminados con el
consiguiente daño a las fibras, incrementan el peso de la estructura, facilitan la
aparición de la corrosión por par galvánico, entre otros inconvenientes.
Actualmente existen en el mercado adhesivos con excelentes propiedades
mecánicas y en rangos de temperatura amplios, pensados para este tipo de
aplicaciones.
Aunque la tecnología asociada a los procesos de encolado metal-composite está
ampliamente desarrollada en el sector aeronáutico, es patente la desconfianza de
los fabricantes de componentes aeronáuticos a utilizar la unión adhesiva como
método exclusivo de unión en componentes de responsabilidad primaria, lo cual
por el momento restringe su uso mayoritario a uniones de estructuras secundarias.
La amplia variedad de formulaciones químicas de adhesivos, unida a la
complejidad de los mecanismos de fallo presentes en dichas uniones, sumada a la
complejidad de los mecanismos de fallo de los adherentes de material compuesto y
a la inexistencia de un criterio de fallo universalmente válido, como el de von Mises
para predecir la plastificación en componentes de materiales metálicos, dificultan
la utilización masiva de dicho método en uniones de responsabilidad.
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Desde el sector aeronáutico se están haciendo esfuerzos en profundizar en el
conocimiento de los métodos de análisis y comportamiento mecánico de uniones
adhesivas, fruto del cual puede considerarse que surgieron las tesis doctorales de
Alberto Barroso [1] y Daniane Franciesca Vicentini [2] en las que se basa este
proyecto.
1.2 Problema de estudio
De forma muy resumida y simple, el problema que se trató de resolver en [1] y [2],
y fue resumido en los artículos [3] y [4], se puede esquematizar en la figura 1.3, en
la cual se muestra una unión adhesiva a doble solape entre una lámina de material
metálico y una de material compuesto solicitada a tracción.
Fig. 1.3: Esquema del problema bajo estudio [1]
Conocidos los parámetros geométricos (longitud y anchura del solape, espesores
de adherentes y adhesivo que pueden verse en la figura 1.4), los materiales, sus
propiedades mecánicas y las cargas externas, se trataría de determinar la carga
máxima que soporta la unión antes de alcanzar un determinado criterio límite de
diseño, que no necesariamente tendría por qué implicar la rotura catastrófica de la
unión.
Fig. 1.4: Geometría del problema [2]
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El trabajo de Barroso, [1] trató de determinar los parámetros del estado tensional
que controlan, o son los responsables del fallo de la unión. Una vez hecho ese
estudio, Vicentini en [2] se centró en el estado tensional del punto crítico de la
unión, por donde empieza la rotura, que es el punto donde se unen el material
compuesto con el adhesivo. Como veremos en profundidad en el capítulo 3, a partir
de dichos estudios y ensayos, se consiguió obtener la curva de la figura 1.5. para
predecir el fallo de la unión.
Fig. 1.5: Envolvente de fallo [2]
Este proyecto, se centrará en conseguir un mejor ajuste en el tercer cuadrante de
la curva de la figura 1.5, correspondiente a los ángulos reales en los que trabaja la
unión a doble solape del problema de la figura 1.3. Además, se tratará de describir
en detalle los pasos a seguir para la fabricación de las probetas con las que se
realizarán los ensayos.
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5
K2/K2C
K1/K1C
Experimental values Average experimental values Barroso (2007, 2009)
Fourth quadrant
Third quadrant
115º < a < 143º
Second quadrant
60º < a < 115º
First quadrant
13º < a < 60º
envelope for the average failure
a = 13º
a = 30º
a = 60º
a = 90º
a = 115º
a = 143º a = 150º
a = 120º
a = 0º = 180º
SAFE
UNSAFE
143º < a < 193º
)(C
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1.3 Contenido del proyecto
Este proyecto se ha dividido en siete capítulos, siendo la introducción, el primero
de ellos.
En el segundo capítulo se ha hecho una introducción a los materiales compuestos,
especialmente a los laminados y a los adhesivos. Seguidamente se ha tratado de
abordar las uniones adhesivas expresando sus características y aspectos más
relevantes de cara al proyecto.
En el tercer capítulo se ha abordado el material científico más directo utilizado
para el desarrollo del presente documento. Se ha tratado de sintetizar las tesis de
Alberto Barroso y Daniane Vicentini, como explicación y punto de partida de este
proyecto.
El cuarto capítulo aborda el detalle del proceso de fabricación y del programa de
ensayos.
En el quinto capítulo del proyecto se ha realizado el estudio del modelo numérico
empleado para la unión material compuesto – adhesivo.
El sexto capítulo se ha dedicado exclusivamente al análisis de los resultados de los
ensayos y la obtención de la envolvente de fallo deseada.
En el capítulo séptimo se han expuesto las conclusiones fundamentales y se han
propuesto posibles líneas de desarrollo para trabajos futuros.
En los anexos se puede encontrar la descripción y fundamentos teóricos del
Bralizilian Test y las curvas y fotografías obtenidas durante los ensayos.
Por último se ha expuesto la bibliografía consultada para la realización del
proyecto.
