Comprensió i millora dels processos d'injecció de resina

Donar resposta als desafiaments mediambientals s'ha convertit en els últims anys en una prioritat per al sector aeronàutic, especialment reduir les emissions de CO₂. Els compòsits consistents en polímers reforçats amb fibres contínues (FRP) són candidats interessants, ja que el seu ús pot permetre un estalvi de pes entre el 4% i 8% en avions comercials de grans dimensions. La indústria aeronàutica ja es beneficia dels compòsits i, cada vegada més estan irrompent en el disseny d'estructures complexes i de grans dimensions. El procés d'autoclau és la tecnologia de fabricació per excel·lència, per l'elevada repetibilitat de procés i les elevades propietats mecàniques en la peça final. No obstant això, el seu reemplaçament per processos més sostenibles, com ara els processos d'injecció de resina (LCM), és desitjable i va succeint gradualment. L'autoclau empra temperatures i pressions elevades, la qual cosa provoca un elevat consum energètic, a més de la necessitat d'emmagatzemar en fred la matèria primera i l'elevat cost d'aquesta. El moldeig per transferència de resina (RTM) i la infusió per buit són les tecnologies d'injecció de major maduresa disponibles actualment en el mercat. Per contra, els paràmetres de qualitat d'aquests processos són lleugerament inferiors als requerits pel sector aeronàutic. La fracció volumètrica de fibra en infusió és d'un 45 - 55% i en RTM d'un 55 - 60%, sent el valor requerit igual o major a un 60%. Una cosa similar ocorre amb la porositat, el requisit de la qual és igual o inferior al 2%. A més, la baixa drapabilitat del teixit sec dificulta la seva adaptació a la geometria de la peça, especialment en les zones corbes. És en aquestes on es forma el denominat ply bridging o "ponteig de làmines"; una regió de baixa pressió procliu a la formació de cúmuls de resina, que afebleixen mecànicament l'estructura.
Donat l'interès del sector per processos més sostenibles, la present recerca s'enfoca en el desenvolupament del procés RTM i del procés d'infusió per buit per a fabricar estructures primàries del fuselatge que compleixin els requisits de qualitat establerts.
En el cas del procés d'infusió, en contenir un contramotlle flexible, els efectes que propicien els defectes en la zona corba es magnifiquen. És a dir, a aquest efecte "punteig de làmines" se li suma l'efecte "punteig en la bossa de buit" o vacuum bag brigding. Aquests impliquen la disminució considerable de la pressió de compactació en aquesta zona, provocant cúmuls de resina, atrapament d'aire i un increment del gruix en radi i de la porositat. A més, per a aconseguir els requisits aeronàutics, la fracció volumètrica de fibra ha d'augmentar-se considerablement. Donat això, el treball realitzat descriu la modificació del procés d'infusió per buit basada en l'aplicació d'una pressió externa sobre la bossa de buit. La pressió externa s'aplica a través d'un contramotlle sòlid incompressible, el qual pot o no incorporar acoblis fabricats amb materials més rígids o més flexibles que el propi contramotlle. L'aplicació de la pressió externa sobre el contramotlle incompressible ha demostrat un increment de la compactació del laminat, especialment en les zones d'elevada curvatura i la desaparició de l'efecte punteig. També hem observat un significant increment de la fracció volumètrica de fibra en la zona corba del 48% al 62% i, una disminució de la porositat del 0,7% al 0,2% i del factor d'engruiximent de 1,5 a 0,9. Aquest nou procés, el qual hem patentat sota el nom d'Infusió amb Contramotlle Sòlid Incompressible o Incompressible Solid Countermold Infusion (ISCI) , permet la fabricació de peces amb una fracció volumètrica de fibra superior al 60%. Així mateix, hem demostrat que el disseny del contramotlle és més eficient quan el material incompressible és més rígid o a l'integrar una cambra d'aire en les zones corbes del contramotlle que augmenta localment la pressió de compactació de la zona.
Un altre efecte característic dels processos d'injecció de resina és l'aparició de vies ràpides o race tracking en les zones corbes durant l'etapa d'ompliment. Aquesta recerca també ha demostrat que l'efecte via ràpida té poc impacte sobre la qualitat del laminatge en la zona corba en comparació a aquest efecte punteig de làmines o punteig de la bossa de buit.
En el cas de RTM, aportem una metodologia de treball que permet concebre el procés a escala industrial per a fabricar peces aeronàutiques d'alta qualitat. Per a això, utilitzem una estratègia holística que engloba tant les fases d'injecció i de post-omplert, com el disseny del motlle, la selecció de la matèria primera i dels paràmetres de procés. Hem demostrat que el disseny de motlle ha de combinar diferents materials metàl·lics entre la part còncava i en la convexa per a facilitar el desmoldeig de la peça d'acord la seva dilatació tèrmica. A més, també hem comprovat que el desmoldeig ha de ser en calent, a la temperatura de curat. Apliquem una pressió d'injecció d'1 bar i una pressió d'empaquetatge de 8 bar. Hem demostrat que l'aplicació d'una segona pressió dona com a resultat una bona compactació del laminat, amb una fracció volumètrica del 57% en les zones corbes i del 64% en les planes. Hem observat que la compactació no va ser uniforme perquè en el disseny de peça es va considerar un gruix major en la zona corba que en la plana. També hem observat que la pressió d'empaquetatge influeix en la distribució dels porus. L'elevada velocitat del front de flux concentra la porositat en les proximitats del punt de buit. Finalment, també hem demostrat que el contingut en porus és elevat (2,5%) a causa del disseny del sistema d'injecció. D'avaluació que permeten l'obtenció d'aquests paràmetres.
El model conceptual s'ha implementat a un prototipus de programa informàtic. El prototipus permet definir el disseny i les execucions de les activitats educatives. També permet gestionar les avaluacions i els càlculs de diversos paràmetres. Per definir la versió final del prototipus i el model conceptual, es van efectuar diverses proves de funcionament consistents en analitzar el comportament del prototipus davant de casos reals. El model conceptual i el prototipus es van anar adaptant segons els resultats d'aquestes proves. El resultat final és un model conceptual que permet gestionar el disseny i l'avaluació d'activitats educatives de manera sistemàtica, i així, ser útil per a l'anàlisi d'activitats educatives.