Tema8_Calidad_etsiae2015

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Tema 8: Calidad.
a) Certificación de una estructura aeronáutica de 
material compuesto: pirámide de certificación.
b) Certificación de materiales: Propiedades 
mecánicas. Admisibles y ensayos mecánicos 
normalizados.
c) Control de calidad. Ensayos físico químicos.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
 PROPORCIONAR LA MÁXIMA SEGURIDAD
 LOGRAR LA MAYOR EFICIENCIA ESTRUCTU-
RAL EN TÉRMINOS DE PESO Y DURACIÓN
 CONSEGUIR UNA ESTRUCTURA CON COSTES 
ASUMIBLES DE FABRICACIÓN Y OPERACIÓN.
encontrar la mejor 
solución
para:
RETO DEL DISEÑO DE AEROESTRUCTURAS
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
LAS ESTRUCTURAS DE INGENIOS 
AERONÁUTICOS SE CARACTERIZAN 
POR UNA ELEVADA EFICIENCIA 
ESTRUCTURAL DEBIENDO CUMPLIR 
EXIGENTES REQUISITOS DE
INTEGRIDAD ESTRUCTURAL QUE 
DEBEN VALIDARSE DE ACUERDO 
CON UNA ESTRICTA NORMATIVA DE
CERTIFICACIÓN
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Certificación: Pirámide de Ensayos
La certificación de estructuras aeronáuticas realizadas en materiales
compuestos, exige el cumplimiento de una serie de requisitos que dan
lugar a la necesidad de realizar ensayos a distintas escalas y
configuraciones, hasta llegar a escala 1:1 (“full scale”).
Los materiales compuestos, debido a su naturaleza inhomogénea y
anisótropa, presentan diferencias significativas con los materiales
isótropos, siendo las más relevantes:
 Propiedades diferentes según la dirección en que se midan, lo que
obliga a realizar ensayos en todas las condiciones posibles.
 Modos de fallo no intuitivos, presentándose múltiples modos
distintos en algunos ensayos, independientemente de la perfección
de ejecución del ensayo.
 Se fabrica el material a la vez que la pieza. Así, puede haber zonas
del material con diferentes características (por ejemplo: contenido
en resina, orientación de las fibras, etc.).
 Carencias en algunos aspectos de normalización.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
MATERIALPROCESO
solicitación
¿CÓMO?
(DISEÑO)
¿POR QUÉ?
(CIENTÍFICO)
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
DIMENSIONAD
O DE LA 
ESTRUCTURA
CARGAS
HERRAMIENTAS 
ANALÍTICAS
VALORES 
DE DISEÑO
Condiciones 
medioambientales
¿MARGEN DE 
SEGURIDAD 
“ADECUADO”
?
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
CERTIFICACION:
Validar el diseño 
estructural y garantizar 
la integridad estructural 
del sistema durante su 
vida en servicio
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Verificación y calificación de:
 Materiales
 Procesos
 Herramientas analíticas
¿CÓMO? 
(procedimiento)
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ANÁLISISENSAYOS
CERTIFICACIÓN ó CALIFICACIÓN:
“VALIDACIÓN de la INTEGRIDAD 
ESTRUCTURAL”
Datos
Confirmación
“MÉTODO MODULAR-PIRAMIDAL”
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Probetas básicas (U/D) y laminados
Elementos de desarrollo
Detalles estructurales
Sub-componentes
Elementos 
estructurales
ENSAYOS 
ESTÁTICOS
ENSAYOS 
FATIGA
“FULL SCALE”
Base de datos
Probetas genéricas
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos de constituyentes:
 Evaluación de las propiedades individuales de las fibras, formas de
las fibras, material de la matriz y características de la unión fibra-
matriz.
Ensayos de lámina (ejes lámina):
 Determinación de las propiedades de la fibra y matriz unidas en
forma de lámina de material compuesto (preimpregnado):
• Peso por unidad de área.
• Contenido de matriz.
• Espesor de capa curada.
• Contenido de huecos (microvacíos).
• Propiedades mecánicas: resistencia y rigidez a tracción, 
compresión y cortadura, relación de Poisson, etc..
Ensayo del laminado (ejes laminado):
 Se caracteriza la respuesta del laminado construido con láminas
orientadas en una serie de direcciones fijadas por cálculo y diseño.
Se incluyen las propiedades del laminado realizadas para la lámina
unidireccional y su resistencia a fatiga.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos de tolerancia al daño
• En este nivel se evalúan las habilidades y aptitudes que
presenta el material para tolerar discontinuidades en el
laminado, así como la bondad y fiabilidad del método de
análisis utilizado para predecir estas respuestas del
material.
• Las propiedades a comprobar en general, son:
 Resistencia a compresión después de impacto.
 Resistencia a tracción y compresión con orificio (“Open-
Hole” and “Filled Hole”).
 Ensayo de aplastamiento en uniones remachadas
(“fastener bearing”).
 Ensayos de tensión en sentido normal sobre laminados
unidos por remaches (pull-out).
 Ensayos de crecimiento de grieta interlaminar.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos de detalles 
estructurales
 Aquellas discontinuidades más
complicadas que puedan aparecer
en la estructura son diseñadas
para ser ensayadas de forma que
pueda imitarse su función
posterior en la estructura.
 Su ensayo tiene como fin conocer
el comportamiento frente a
estados de esfuerzos tridimen-
sionales.
 Ninguno de estos ensayos está
normalizado.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos de subcomponentes
 En este nivel se pasa a la evaluación de la respuesta de la
estructura de forma general.
 El elemento a ensayar puede ser un conjunto real o un
conjunto diseñado especialmente que contenga las
características que quieren ser conocidas.
 Ninguno de estos ensayos está normalizado.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos “full-scale”
 Se comprueba y valora si la estructura cumple los requisitos que han sido
fijados como reglas fundamentales a cumplir para su certificación. Los
requerimientos se dividen en dos categorías:
 Funcionamiento de la estructura.
 Duración y Seguridad de los componentes de la estructura.
 En este ensayo se somete a la estructura al nivel de cargas que va a
tener que sufrir durante su vida en servicio, dividiéndose el ensayo en:
Ensayo estático.
 Se realizan una serie de ensayos simulando las cargas en las peores
situaciones. En general se escogen los casos críticos de la envolvente a
carga última. En el espécimen de ensayo se introducen los daños típicos
aceptables que se pueden originar durante la fabricación y durante la
vida en servicio del elemento, como el tipo de reparaciones que van a
formar parte del manual de mantenimiento.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayo de vida a fatiga.
 La estructura es sometida a un ciclo de ensayos, bajo las condiciones
ambientales apropiadas, que simulan un número de vuelos. El elemento
estructural incluirá desde el principio, el máximo de defectos admisibles
de fabricación, los impactos que producen daños escasamente visibles y
las reparaciones admisibles según el manual de mantenimiento.
 Se simulan un total de 48.000 vuelos (depende de los casos) o veinte
años de operaciones, aplicando un factor de 1,15 a las cargas de fatiga.
Ensayo de tolerancia al daño y resistencia residual.
 Para demostrar que una estructura es tolerante al daño, de acuerdo
con la definición dada, se realizará: introduciendo grandes daños
adicionales, aplicando un factor de 1,15 a las cargas de fatiga y
media vida y aplicando posteriormente a carga límite. El ensayo de
tolerancia al daño puede no requerir el ensayo de componente completo.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ESFUERZOS O 
DEFORMACIONES 
REALES EN LA 
ESTRUCTURA
(Factor Seguridad)
<
INTEGRIDAD ESTRUCTURAL
VALORES 
DE DISEÑO
DEL 
MATERIALX
ENSAYOS
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
VALOR DE DISEÑO:
“Mínimo valor de una determinada 
propiedad de un material”
Valor estadístico:
“base-A” (99/95) y “base-B” (90/95)
PROPIEDAD
MATERIAL
VARIABLE
ALEATORIA
Distribución
probabilidad
PROBLEMA: Conocer distribución probabilidad (POBLACION)
APROXIMACION: Estimación con muestras de tamaño “n”
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Valor “base-B”
90%
Valor “base-A”
99%
Propiedad
(95%)
P
ro
b
a
b
il
id
a
d
B = X - kBs
A = X - kAs
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
•Los valores de diseño del material compuesto se
obtienen mediante ensayos realizados de acuerdo con
métodos normalizados y bajo diversas condiciones de
ensayo, representativas de las que se espera encuentre
el material durante su vida operativa en servicio y que
pudieran modificar su respuesta mecánica.
• Dichos valores están ligados a un nivel determinado de
calidad del material, establecido mediante valores
definidos y concretos para:
– Propiedades físicas (Vf, Vv, etc.).
– Características químicas (Tg, grado de curado, etc.).
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
El análisis estadístico para la determinación de los valores
permisibles de diseño, depende del tipo de distribución (función
de distribución) de la propiedad medida experimentalmente. Si
se utiliza la función normal, los valores permisibles de diseño
base-A y base-B, se calculan mediante la expresión:
Valor Permisible = X – Ks
Donde:
X = valor medio de la muestra ensayada.
s = desviación típica.
K = constante que depende del tamaño de muestra.
El objetivo de los ensayos mecánicos es obtener los valores
de los admisibles del material, de cara a generar una base de
datos con las propiedades del material necesarias para el
diseño y certificación de un componente.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
MATERIALES COMPUESTOS:
Datos de “filtrado” o muestreo.
Datos de calificación
Datos de aceptación
Datos de equivalencia
Datos de diseño (“permisibles” de diseño)
PARTE INTEGRAL DEL PROCESO 
DE CERTIFICACION
ENSAYOS
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS:
DIFERENTE Y A MENUDO DIFÍCIL.
ANISOTROPÍA ( media; dispersión)
INHOMOGENEIDAD
SENSIBILIDAD AL MEDIO AMBIENTE
MODOS DE FALLO COMPLICADOS, NO INTUITIVOS
METODOLOGÍA DE ENSAYO EN EVOLUCIÓN
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ESPECIFICACIONES
DE MATERIALES:
Definen atributos del material
Definen ensayos de calificación
Son el PPT adquisición material
ESPECIFICACIONES
DE PROCESOS:
Definen y controlan procesos 
de conversión del material en 
elementos estructurales
Ensayos probetas
Lámina
Laminado CALIFICACIÓN
MATERIAL
ELEMENTO
CLAVE
“Building Block Approach”
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ESPECIFICACIONES 
DE MATERIAL
ESPECIFICACIONES 
DE PROCESO
1. Calificación de proveedor
2. Requisitos de fibra
3. Requisitos de preimpregnado
1. Volumen de fibra
2. Química de la resina 
Propiedades mecánicas
3. Morfología (tejido, cinta)
4. Ciclo de curado
5. Control de calidad
6. Características de fabricación
4. Ensayos 
recepción/aceptación
1. Almacenamiento y manejo
2. Ciclo de curado
3. Procedimientos de 
laminación y embolsado
4. Control de calidad durante el 
procesado
5. Control de calidad post-
procesado
6. Anomalías aceptables
7. Empalmes de telas
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
“Building Block Approach”
Probetas
Elementos
Uniones
Paneles pequeños Paneles grandes
Subcomponentes
Componentes
Estructura 
completa
(“Full scale”)
(cientos)
(miles)
(docenas)
Medio ambiente
Probetas y elementos
• Propiedades mecánicas
• Concentraciones de tensiones
• Duración
• Uniones
• Resistencia al daño
• Tolerancia al daño
• Variables medioambientales
MATERIALES
Efectos de temperatura y 
humedad se tienen en cuenta en 
valores de diseño y resistencias.
ANÁLISIS
Grandes paneles y Componentes
• Validación de conceptos de diseño
• Verificación métodos analíticos
• Justificación de valores de diseño
• Conformidad con criterios
• Capacidad de predicción de los 
modelos de elementos finitos
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
MATERIAL
PROCESO
Estable y
Consistente
PANELES
ENSAYOSEspecificación
Proceso
RESPUESTA
EN SERVICIO
ATRIBUTOS
I.N.D.
Espec.IND
Especif.
Material
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
CALIFICACIÓN DEL MATERIAL:
Proceso de evaluación del material, empleando una serie 
definida de ensayos y habiéndolo procesado de idéntica 
forma a como se vayan a fabricar los elementos 
estructurales, para establecer sus características y 
emplear los resultados de la evaluación para definir los 
requisitos de la especificación del material.
PLAN DE 
ENSAYOS Propiedades 
a evaluar
Métodos de 
ensayo
Condiciones 
Medioamb.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
COMO “REGLA GENERAL”:
“Valores Diseño” módulos
“Valores Diseño” resistencias
Propiedades dominadas fibra
Propiedades dominadas matriz
Valor medio
Valor base
Normalizadas
No-normalizadas
Normalizar: convertir o ajustar a un contenido volumétrico en fibra dado (de 
referencia para diseño), usualmente el 60%.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
VALIDACIÓN DE EFECTOS 
MEDIOAMBIENTALES
1. BAJA TEMPERATURA / SECO (-55ºC/0% HR)
2. TEMPERATURA AMBIENTE / SECO (23ºC/0% HR)
3. (TEMPERATURA AMBIENTE / SATURADO)
4. ALTA TEMPERATURA / SECO (90ºC/0% HR)
5. ALTA TEMPERATURA / SATURADO
Otros efectos: radiación UV, combustible, hidraúlico, 
niebla salina, anticongelante, etc.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ESPECIFICACIÓN 
DE MATERIAL
MATRIZ
FIBRAS
PREIMPREGNADO
PROPIEDADES
FÍSICAS
LAMINADO
PROPIEDADES
MECÁNICAS
LAMINA PROPIEDADES
MECÁNICAS
LAMINADO
TOLERANCIA
AL DAÑO
“SANDWICH”
DURACIÓN
FATIGA
RESISTENCIA
RESIDUAL
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
MATRIZ
 Densidad
 Viscosidad
 Tiempo de gelificación
 IR (“huella”)
 HPLC (relaciones ingredientes)
 Cinética de curado
 Reología
FIBRA
 Densidad
 Forma
 Torsión mecha
 Contenido en ensimaje
 Módulo elástico
 Resistencia
PREIMPREGNADO
 Peso unitario fibra
 Contenido en resina
 Contenido volátiles
 Flujo
 Tiempo de gelificación
 HPLC (relaciones ingredientes)
 IR (“huella”)
 Grado de avance (DSC)
 Tg
 Pegajosidad
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
PROPIEDADES
FÍSICAS
LÁMINA/LAMINAD
O
Espesor por capa
% fibra en volumen
% vacíos en volumen
Densidad
Tª transición vítrea
Contenido humedad equilibrio
Absorción humedad
Coef. Exp. T.
ASTM D 3171
ASTM D 792
ASTM D 2734
DSC, TMA, DMA
ASTM D 5229
ASTM D 696
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
PROPIEDADES MECÁNICAS
BÁSICAS DE LA LÁMINA
 Módulo, resist. y rel. Poisson en tracción 0º
 Módulo y resistencia en tracción 90º
 Módulo y resistencia en compresión 0º
 Módulo y resistencia en compresión 90º
 Módulo y resistencia a cortadura en el plano
 Resistencia aparente a cortadura interlaminar
ASTM D 3039
ASTM D 6641
ASTM D 3518
ASTM D 2344
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Sin defecto
Orificio abierto
Tracción
Compresión
Tracción
Compresión
Orificio relleno
Transfer. carga
Tracción
Compresión
Tracción
Compresión
LAMINADO
Familia [0/±45/90]
Resistencia
Ángulo 0 º ± 45 º 90 º
QI 2 5 5 0 2 5
Rígido 5 0 4 0 1 0
"Blando" 1 0 8 0 1 0
% lám inas
ASTM D 5961
ASTM D 6742
ASTM D 5766 y 6484
ASTM D 3039 y 6641
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos a tracción
• El modo de fallo de un laminado cuasi-unidireccional es 
frágil.
• La forma de fallo es explosiva.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos a compresión
• Grandes dificultades para ensayar la probeta debido a 
las dificultades para generar las condiciones de 
contorno precisas de forma repetitiva.
• Gran dispersión de valores dependiendo de la norma y 
del laboratorio que la ejecute.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ASTM D 3410
ASTM D 695
ASTM D 6641
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos de compresión
Modos de fallo:
– Cortadura en el plano
– Acumulado/Complejo
– Cortadura sobre el 
espesor
– Compresión pura
– Delaminación
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos de cortadura interlaminar
 Indican únicamente comportamiento de matriz y de la unión 
fibra-matriz. Control de proceso e influencia de variables 
medioambientales.
 Difícil de correlacionar con valores de propiedades 
mecánicas del laminado.
 Del ensayo se obtiene la resistencia aparente a cortadura 
interlaminar,valor NO utilizado en diseño.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ASTM D 7078
ASTM D 5379
Ensayos de cortadura
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
RESISTENCIA AL DAÑO: Medida de la relación
entre parámetros que definen un evento o
envolvente de eventos (p. ej.: impactos obtenidos
empleando un impactador e intervalos de energías
de impacto o fuerzas concretos) y el tipo y tamaño
del daño resultante.
TOLERANCIA AL DAÑO: Capacidad de una
estructura para cumplir su función (soportar
cargas de diseño) en presencia de daño causado
por condiciones operativas o de fabricación, hasta
que dicho daño sea detectado, mediante
inspecciones o disfunciones y reparado.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Resistencia residual: define el máximo daño
que la estructura puede soportar.
Propagación del daño: define el periodo de
tiempo en que un daño específico crece desde
un tamaño detectable definido hasta una
dimensión admisible determinada por
requisitos de resistencia residual.
Detección del daño: define métodos e
intervalos de inspección.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Compresión Después de Impacto (Compression After 
Impact: CAI)
– Ensayo para obtener propiedades de tolerancia al
daño de un laminado, impactado de forma concreta y
controlada según norma.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ASTM D 7136 y 
ASTM D 7137
Ensayo 
de 
“CAI”
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Energía del impacto (ft - lb)
R
e
si
st
e
n
c
ia
 a
 c
o
m
p
re
si
ó
n
 (
k
si
)
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ASTM D 6484
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ASTM D 5528
ASTM D 6671
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ENSAYOS FÍSICO-QUÍMICOS
El objetivo de este tipo de ensayos es el de ajustar (desarrollo) y
verificar (producción) el proceso de curado de la resina durante la
fabricación, controlar las características del material determinadas por
el proceso de fabricación y que influyen en el comportamiento en
servicio del material y controlar la calidad de materia prima y producto
curado. Características a determinar son:
 Contenido en resina.
 Peso de la resina.
 Flujo de la resina.
 Temperatura de transición 
vítrea.
 RDS (Rheology Dynamic 
Spectroscopy).
 Tiempo de gel.
 Contenido en volátiles.
 Densidad de la fibra.
 Masa de la fibra por unidad de 
longitud.
 Contenido en fibra.
 Pegajosidad del prepreg 
(Tacking).
 Espesor del laminado.
 Contenido en huecos del 
laminado.
 Densidad del laminado.
 Volumen de fibra del laminado.
 Inflamabilidad del laminado.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Ensayos sobre resinas/preimpregnados curados
 Grado de curado, entalpía residual de curado. Se realiza mediante
Calorimetría Diferencial de Barrido (“DSC”, Differential Scanning
Calorimetry).
 Temperatura de transición vítrea Tg. Se determina por Análisis
Termomecánico (“TMA”, Thermomechanical Analysis), Análisis Dinámico-
mecánico (“DMA”, Dynamic Mechanical Analysis), Análisis Térmico
Diferencial (“DTA”, Differential Thermal Analysis) o Análisis Dieléctrico
(“DEA”, Dielectric Analysis).
 En los termoplásticos es conveniente examinar la distribución del peso
molecular, la estructura y la morfología del polímero.
 El peso molecular puede determinarse por Cromatografía de Permeación de
Gel (“GPC”, Gel Permation Chromatography) y la morfología por Resonancia
Nuclear Magnética (“NMR”, Nuclear Magnetic Resonance).
 El nivel de cristalinidad se puede medir por difracción de rayos X la adhesión
fibra-matriz mediante un microscopio electrónico de transmisión o un
microscopio de fuerzas atómicas.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
Reducción de la resistencia en 
materiales compuestos avanzados.
MATERIALES COMPUESTOS. TEMA 8: CALIDAD
ESTRUCTURA 
“DAÑADA”
MEDIO 
AMBIENTEFATIGA
I.N.D.