Optimización del proceso de compression resin transfer moulding (crtm) mediante técnicas experimentales y simulación

Abstract

La protección del medioambiente, con especial énfasis en la reducción de las emisiones de CO2, es una demanda creciente a la que tiene que responder la industria del transporte. Los polímeros reforzados de fibra de carbono (CFRP) son candidatos interesantes, ya que su uso puede permitir reducir el 70% del peso del vehículo y disipar cinco veces más energía de impacto que los metales. La industria del transporte ya se beneficia de los composites, sobre todo para aplicaciones de bajas prestaciones empleando composites reforzados con fibra discontinua. Sin embargo, su expansión a piezas más estructurales no es posible en parte por las limitaciones asociadas al proceso de fabricación. Resin Transfer Moulding (RTM) es un proceso bien establecido; sin embargo, presenta varias limitaciones, sobre todo cuando se pretenden fabricar piezas con elevados contenidos en fibra: El incremento del contenido en fibra disminuye la permeabilidad de la preforma, necesitando tiempos de llenado de molde más largos, generando problemas de impregnación y un elevado contenido de poros. Una de las alternativas más prometedoras es la combinación del RTM con la compresión, denominada CRTM (Compression Resin Transfer Moulding). En el CRTM, el molde se mantiene parcialmente abierto en la fase de inyección, generando un hueco no ocupado por las fibras que ejerce de camino preferente de flujo para la resina. Una vez inyectada la cantidad de resina requerida, se cierra el molde, forzando a la resina a impregnar la preforma hasta saturarla y obtener las dimensiones finales. Esto significa que el flujo de llenado en la preforma pasa de ser en el plano a ser a través del espesor, lo que supone una reducción de varios órdenes de magnitud en lo que a longitud de flujo se refiere. Este cambio de secuencia de impregnación es la razón de la disminución del tiempo de llenado asociado al CRTM. Visto el alto potencial del CRTM, el objetivo de esta tesis es generar el conocimiento necesario para comprender el comportamiento del flujo en todas las fases del proceso, y así poder obtener piezas finales con bajo contenido en poros y poder diseñar las instalaciones de prensas, reduciendo los tiempos de desarrollo y costes de puesta a punto. Para desarrollar este proceso, es necesario utilizar una estrategia holística que abarque tanto las fases de inyección y de compresión, como el diseño del molde, la configuración de la prensa; Además se requiere de técnicas experimentales avanzadas para la caracterización de materiales, el control de parámetros de proceso y la monitorización del mismo. La investigación básica se realiza utilizando una placa plana, y por último, el conocimiento obtenido se aplica a una pieza real de automoción. El trabajo realizado ha demostrado que la estrategia de inyección y compresión influyen en el comportamiento del flujo y en los requerimientos necesarios de la instalación. También se han determinado los parámetros más influyentes de la fase de inyección en el patrón de impregnación. Además, se propone un nuevo enfoque de estrategia de compresión, en el que se utilizan dos velocidades, que reduce los tiempos de ciclo y las fuerzas de cierre. Y por último, se propone un sistema de monitorizado de proceso mediante el que se ha demostrado que el coste de una pieza de automoción fabricada en CRTM es menor que en el RTM.