Unions soldades i unions adhesives en materials compostos

Des de 1980 fins l'actualitat els materials compostos de matriu termoplàstica han suscitat un creixent interès en la indústria aeronàutica unit al desenvolupament de resines termoplàstiques de propietats mecàniques elevades, com ara la polieteretercetona (PEEK), el polisulfur de fenil (PPS) o la polieterimida ( PEI). Aquest interès respon tant al seu bon comportament mecànic-ambiental com a que permeten processos de fabricació senzills, extraordinàriament ràpids i fàcilment automatitzables.

Les matrius termoplàstiques es caracteritzen, en contraposició amb les termoestables, per una microestructura formada per cadenes polimèriques lineals no entrellaçades. A conseqüència d'això, els seus processos de fabricació no impliquen reaccions químiques de polimerització o curat, sinó només transformacions físiques, bàsicament reblaniment o fusió durant l'escalfament i solidificació durant el refredament.

A causa de l'especial naturalesa d'aquest tipus de resines, els materials compostos basats en elles plantegen la possibilitat de realitzar unions soldades, que consisteixen en el reblaniment de la matriu a la zona d'unió mitjançant escalfament local unit a l'aplicació d'una pressió de consolidació que promou la unió íntima entre els substrats. Hi ha diferents possibilitats pel que fa al mètode de soldadura de materials compostos termoplàstics que es classifiquen segons la forma d'escalfament de l'entrecara d'unió: placa calenta, vibració, ultrasons, inducció, resistència, etc.

La soldadura per resistència consisteix en l'escalfament del material mitjançant el pas de corrent elèctric per un implant conductor (efecte Joule) situat a l'entrecara de soldadura i que queda embegut en el material un cop realitzat el procés. Els principals avantatges d'aquest mètode de soldadura són la seva simplicitat, rapidesa (temps de procés de l'ordre de pocs minuts) i un equipament senzill i poc costós. El principal inconvenient enfront d'altres tècniques de soldadura és la permanència a la zona d'unió d'un insert que, en funció de la seva naturalesa, pot arribar a comprometre el comportament mecànic-ambiental del material.

Les unions mitjançant adhesius en materials compostos de matriu termoplàstica plantegen una sèrie de problemes derivats de la inèrcia química d'aquest tipus de resines, sobretot quan part de les seves cadenes polimèriques presenten una ordenació cristalina (matrius termoplàstiques de naturalesa semicristalinos com el PEEK i el PPS). A conseqüència d'això, la preparació superficial de les zones d'unió cobra un paper molt rellevant en aquest tipus de processos, no hi ha consens en la literatura de referència sobre el procediment més adequat ni de l'adhesiu idoni.

Aquest estudi analitza aquests dos tipus d'unions en laminats de PPS reforçats amb fibres de carboni per a unes condicions de contorn donades. La qualitat de les unions obtingudes es quantifica mitjançant assajos de cortadura amb solapament simple.

Per a la realització d'aquest tipus d'unions s'empren dos adhesius de diferent naturalesa: FM300 i polieterimida (PEI).

El FM300 és un adhesiu termostable (base epoxi) d'elevades característiques mecàniques i empleat profusament en unions adhesives de materials compostos avançats de matriu termostable. Té un cicle de curat a 180 º C i 3bar de pressió amb una durada aproximada de 150 min. En ser base epoxi, s'ha de conservar a -18 ° C fins a la seva utilització.

En les unions realitzades en aquest treball amb FM300 (sempre mitjançant bossa de buit en autoclau) es consideren dos tipus de preparació superficial dels substrats: abrasió mecànica i preparació mitjançant làmina de pelat (peel-ply).

En termes generals, la preparació superficial mitjançant peel-ply és una tècnica ràpida i senzilla que permet obtenir superfícies amb una rugositat superficial adequada. Consisteix a incorporar als substrats una làmina amb una determinada textura prèviament a la seva consolidació. Aquesta làmina, que es retira en el moment de realitzar la unió, ha de ser inert des del punt de vista químic, fàcil de retirar de la superfície sobre la qual s'aplica i resistent a les temperatures de fabricació dels substrats. En aquest treball s'empra una làmina de pelat la temperatura de servei es troba, segons fabricant, al voltant de 260 º C en ús continu i al voltant de 400 º C per a ús intermitent.

L'abrasió mecànica es realitza mitjançant raig de sorra, mètod'aplicat amb èxit per a la realització d'unions adherides en materials compostos de matriu termostable.

La polieterimida (PEI), segon material emprat com adhesiu en aquest treball, és una resina termoplàstica amorfa d'elevades propietats mecàniques que, igual que el PPS, s'empra com a matriu en materials compostos avançats de gran interès en la indústria aeronàutica. Presenta una temperatura de reblaniment al voltant de 215 ° C i, emprada com adhesiu, té com a avantatges la seva compatibilitat amb el PPS, temps de processament curts i que, en ser químicament estable com la resta de les resines termoplàstiques, es conserva a temperatura ambient.

Les unions realitzades mitjançant una pel·lícula de PEI es duen a terme en borsa de buit en autoclau a 260 ° C i 4bar amb un cicle de 90 minuts de durada. Per tal d'optimitzar la compatibilitat entre adhesiu i el material dels substrats, aquests es modifiquen prèviament a la seva consolidació mitjançant l'addició d'una capa de PEI sobre les superfícies d'unió.

No se sotmet a aquestes superfícies a cap preparació superficial prèviament a la realització de la unió.

Se situa l'agent calefactor entre els dos substrats, netejar prèviament amb acetona, aïllant-lo elèctricament dels mateixos mitjançant dues capes de preimpregnat de PPS / fibra de vidre segons l'esquema mostrat en la figura 2. Es fa passar corrent elèctric per la malla metàl lica fins a arribar a la temperatura de soldadura (dins del rang de temperatures de procés del PPS) i, després d'un temps de permanència a aquesta (pocs minuts), s'inicia el refredament mitjançant la retirada de la corrent. Durant tot aquest procés s'aplica pressió a la zona de soldadura mitjançant borsa de buit i sense sobrepressió exterior (és, a dir, fora de l'autoclau). S'empra aquest tipus de configuració pel fet que els estudis realitzats a l'Àrea de Materials Compostos de l'INTA sobre soldadura de materials compostos termoplàstics s'emmarquen en l'àmbit de la reparació de danys en estructures avançades.

La qualitat dels diferents tipus d'unions realitzades es quantifica en aquest estudi, amb assaigs de tall amb solapament simple segons la norma ASTM D 1002. És ben conegut que la desviació de la línia de càrrega que fa a la línia d'unió que té lloc en aquest assaig condueix a una combinació entre esforços de tall i de pelat a la zona de solapament. Aquest estat de càrrega és més desfavorable que un cortadura pur però té com avantatge un alt grau de similitud amb solicitacions reals.

Tots els assaigs es realitzen en condicions normals, és a dir, 23 º C i 30% d'humitat relativa. S'assagen almenys 8 provetes per cada panell que s'obtenen mitjançant tall amb discos de diamant.

Les unions amb el mateix adhesiu i preparació superficial mitjançant peel-ply presenten valors de resistència molt baixos (22% de la resistència de referència) i amb un grau de dispersió elevat. S'observa en elles que el FM300 no s'adhereix a la superfície dels substrats, i queda simplement compactat entre ambdós. Després d'una anàlisi de les superfícies, es troba que el motiu de la manca d'adherència és la presència de tefló en aquestes. Aquesta substància antiadherent procedeix del peel-ply, descompost parcialment durant el cicle de fabricació dels substrats. En vista d'aquests resultats, es conclou que el peel-ply empleat no és el més convenient per a aquest tipus d'aplicacions, i ha potser recórrer a solucions basades en teixits de fibra de vidre.

Les unions amb adhesiu termoplàstic (PEI) també ofereixen valors baixos de resistència (31% de la resistència de referència). Entre les possibles causes d'aquests resultats estan una hipotètica transferència d'agents desemmotllants a les superfícies d'unió durant la fabricació dels substrats (no retirats mitjançant cap tipus de preparació superficial) o la necessitat d'un reajustament en els paràmetres del cicle d'adhesió.

Les unions soldades, que condueixen a un valor mitjà de resistència a tall amb solapament simple del 50% del valor de referència, es van realitzar amb una pressió de consolidació de la soldadura de l'ordre de 0.8bar (bossa de buit), que respon a condicions reals per a la reparació de danys en camp. Aquest valor per a la pressió de consolidació, paràmetre d'influència directa en la qualitat de la unió, és un valor relativament baix comparat amb els empleats en la bibliografia consultada en materials i processos similars per a l'obtenció de resistències superiors al 75% del valor de referència [SIE02].

El millor valor de resistència en unions adhesives amb FM300 és similar al proporcionat per les unions soldades, però s'ha de tenir en compte que s'ha obtingut aplicant el cicle de curat recomanat pel fabricant de l'adhesiu. Cal esperar, per tant, un millor comportament de les unions soldades davant

En aquest treball s'han dut a terme unions soldades per resistència i unions adhesives entre substrats de PPS reforçat amb teixit de fibra de carboni. Per a les primeres s'han emprat dos tipus d'adhesius, FM300 i PEI, i dos tipus de preparació superficial, peelply i abrasió mecànica. Per a les segones es va emprar com a agent d'escalfament una malla d'acer inoxidable aïllada elèctricament dels substrats, amb capes de PPS reforçat amb teixit de fibra de vidre.

S'han obtingut valors de resistència a tall amb solapament simple del 54% de la resistència de referència en unions adhesives amb FM300 i abrasió mecànica. El peel-ply emprat per l'altra variant de preparació superficial ha resultat no ser inert químicament a les temperatures de fabricació dels substrats. Així mateix, es considera necessària una optimització del procés corresponent a la unió amb PEI.

S'han obtingut valors de resistència del 50% del valor de referència per a les unions soldades, similars als millors resultats obtinguts en unions adhesives. S'ha de tenir en compte, però, que mentre que aquests últims corresponen a cicles òptims de curat, els primers corresponen a condicions de procés desfavorables que reprodueixen processos reals de reparació de danys en estructures aeronàutiques

[FEN03]

Fernández I., Blas F., Frövel M., "Autoclau forming of thermoplastic composite Parts", Journal of Materials Processing Technology ", n º 143-144, pàg. 266-269, 2003

[OFF01]

Offringa A., Myers D., Buitenhuis A., "redesignado A340-500/600 fixed wing leading edge (Jnose) in thermoplastics", Proceedings of the 22nd SAMPER Europe Conference, pp. 331-343, 2001

[SIE02]

Sierksma D., Resistance welding of carbon fibre reinforced thermoplastic composites, Thesis Report, Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, 2002