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Materiales Compuestos.
Exámenes
E.T.S.I.A.
27/05/2015 piLi
Índice
1. ENERO 2015 BOLONIA-PARCIAL 1
1.1. Versión A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Versión B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. SEPTIEMBRE 2014 5
2.1. Primera Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2. Segunda Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. MAYO 2014 11
3.1. PRIMERA PARTE - PARCIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2. SEGUNDA PARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1. Preguntas Largas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.2. Test - V1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.3. Test - V3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4. ABRIL 2014 - PARCIAL 29
4.1. Versión 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.2. Versión 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5. JULIO 2013 BOLONIA 33
5.1. Primera Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2. Segunda Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
6. MAYO 2013 41
6.2. Segunda Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7. MAYO 2012 45
7.2. Segunda Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8. ABRIL 2012 - PARCIAL 47
8.1. Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.2. Preguntas Cortas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.3. Preguntas Largas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
9. MAYO 2011 53
9.1. Primera Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
9.2. Segunda Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
9.3. Tercera Parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
I
II
1. ENERO 2015 BOLONIA-PARCIAL
1.1. Versión A
1. Ventajas. Ejemplo de aplicación. [10pt]
3 Altas propiedades mecánicas especı́ficas
3 Diseño a medida
3 Isotropı́a/anisotropı́a
3 Reducción del número de componentes/elementos de unión
3 Buen comportamiento a fatiga
3 No susceptibles a corrosión
3 Gran estabilidad dimensional
3 Ahorro en peso
Ejemplo: Elementos de estructura condicionados por rigidez (estabilizadores, superficies de
control, trampas de tren de aterrizaje). Estructura secundaria.
2. Funciones de la matriz en un MTC de matriz polimérica. [10pt]
1. Transfiere y redistribuye la carga hacia y entre las fibras de refuerzo
2. Mantiene las fibras en su lugar y con la orientación adecuada
3. Protege a las fibras, encapsulándolas y evitando que sufran daños de manejo, mecáni-
cos y/o medioambientales
4. Proporciona la morfologı́a final del elemento fabricado con material compuesto y con-
diciona en gran medida el proceso de fabricación
5. Proporciona al material compuesto su capacidad de resistencia a cortadura interlami-
nar, resistencia a compresión y resistencia transversal.
6. Controla en gran medida la resistencia a impacto y tolerancia al daño del material com-
puesto, ası́ como su resistencia al medio ambiente de servicio.
7. Determina la procesabilidad y la temperatura máxima de servicio del material com-
puesto.
1
3. Hipótesis de la teorı́a del laminado. Ecuación final, significado de los términos y por qué es
necesaria la simetrı́a. [10pt]
1. La mecánica de medios continuos es aplicable (los esfuerzos y las deformaciones tienen
carácter tensorial).
2. Estado de esfuerzos planos en cada lámina (no considera esfuerzos normales a la lámi-
na, ni los cortantes interlaminares).
3. Cada lámina es homogénea y ortótropa.
4. En ejes globales, las deformaciones totales (térmica más mecánica) son continuas, y
varı́an linealmente con el espesor.
tNuxy =
ż h
2
´ h2
tσuxydz tMuxy =
ż h
2
´ h2
tσuxyz dz
[e]xy = [e]
o
xy + z[κ]xy
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A11 A12 A16
... B11 B12 B16
A12 A22 A26
... B12 B22 B16
A16 A26 A66
... B16 B26 B66
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B11 B12 B16
... D11 D12 D16
B12 B22 B26
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B16 B26 B66
... D16 D26 D66
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-
La simetrı́a hace que B = 0, eliminando el acoplamiento placa-membrana
2
1.2. Versión B
1. Limitaciones. Piezas donde no esta aconsejado el uso de MtC. [10pt]
7 Costosos programas de evaluación, calificación y certificación de estructuras
7 Realización de costosas inversiones en instalaciones y equipos
7 Coste de los materiales elevados
7 Entrada de agua en estructura sandwich
7 Baja resistencia a impacto
7 Isotropı́a / anisotropı́a
7 Protecciones adicionales frente al rayo
Ejemplo donde no está recomendado (con los materiales actuales). Estructuras sometidas a
impacto, por la degradación de resistencia por BVID.
2. Criterios para la selección de la matriz (en el caso de MtC de matriz polimérica). [10pt]
Pueden responder de dos maneras distintas, según a la clase que haya ido
1. Adhesividad con la fibra (influye en la resistencia unidireccional a tracción)
2. Alto módulo elástico (influye en la resistencia unidireccional a compresión)
3. Alta energı́a de fractura (influye en la resistencia a delaminación)
4. Alta temperatura de transición vı́trea y baja absorción de humedad
5. Procesabilidad adecuada (vida en almacén y en taller, duración del ciclo, toxicidad)
1. Alargamiento a rotura mayor que el de las fibras de refuerzo (como mı́nimo el doble)
2. Elevada tenacidad
3. Coeficiente de expansión térmica bajo (estabilidad dimensional)
4. Buenas caracterı́sticas de flujo (buena interpenetración del refuerzo y fácil evacuación
de volátiles), baja contracción en curado
5. Buena resistencia quı́mica
6. Alta temperatura de transición vı́trea y absorción de humedad reducida.
3
3. Hipótesis de la teorı́a del laminado. Ecuación final, significado de los términos y por qué es
necesaria la simetrı́a. [10pt]
1. La mecánica de medios continuos es aplicable (los esfuerzos y las deformaciones tienen
carácter tensorial).
2. Estado de esfuerzos planos en cada lámina (no considera esfuerzos normales a la lámi-
na, ni los cortantes interlaminares).
3. Cada lámina es homogénea y ortótropa.
4. En ejes globales, las deformaciones totales (térmica más mecánica) son continuas, y
varı́an linealmente con el espesor.
tNuxy =
ż h
2
´ h2
tσuxydz tMuxy =
ż h
2
´ h2
tσuxyz dz
[e]xy = [e]
o
xy + z[κ]xy
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A11 A12 A16
... B11 B12 B16
A12 A22 A26
... B12 B22 B16
A16 A26 A66
... B16 B26 B66
¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨
... ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ ¨
B11 B12 B16
... D11 D12 D16
B12 B22 B26
... D12 D22 D26
B16 B26 B66
... D16 D26 D66
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La simetrı́a hace que B = 0, eliminando el acoplamiento placa-membrana
4
2. SEPTIEMBRE 2014
2.1. Primera Parte
1. Fibras de carbono, composición, estructura y propiedades
(a) Composición
Elemento quı́mico C en más del 90 %
(b) Estructura
Cristalina, estado grafito, con los planos alineados con el eje de la fibra (como un puerro).
A mayor temperatura de tratamiento, mayor grafitización y mayor módulo elástico (y
mucho mayor coste).
(c) Propiedades
Existen las siguientes variedades
E (GPa) ρ εrotura
HS Alta resistencia 200 a 270 1,8 1,5 % a 2 %
IM Módulo intermedio 270 a 340 1,85 1,5 % a 2 %
HM Alto módulo 340 a 400 1,9 1 % a 1,5 %
UHM Ultra alto módulo ą 400 « 2 ą 1 %
2. Función de la matriz en el material compuesto. Criterios de selección.
(a) Funciones
• Transmitir carga entre fibras Ý adhesividad
• Evitar micropandeo de fibra Ý alto E
• Resistencia a delaminaciones Ý alto G
• Impone temperatura de servicio Ý Tg
(b) Criterio de selección
• Procesabilidad (por eso se prefiere polimérica a metálica, cerámica. . . )
• Temperatura de servicio
• Propiedades mecánicas
• Coste
5
3. (. . . )
(a) (. . . ) - para evitar fallo bulón
• 2 mm espesor Ý 1t ă φ ă 2t, p.e. 3 mm
• Para evitar fallo tensión (. . . )
p
φ
ą 5 Ý p = 15 mm
• Distancia al borde 3φ, para evitar desparro
• Distancia entre filas 4φ, para evitar interferencia
Con eso se asegura fallo en compresión local P = 3 ¨ 2 ¨ 500 = 3000 en 200 mm, para max
resistencia 2 filas « 30 remaches
(b) Al unirlo al acero de 5 mm de espesor, mucho más rı́gido, toda la carga pasa por la
primera fila de remaches, la resistencia de la unión se reduce a la mitad.
4. Hipótesis de la teorı́a del laminado
• Cada lámina es homogénea ortotropa
• Las deformaciones totales (térmicas+mecánicas) en ejes globales, son cristalinas
ε = ε0 + zk
• Considere estado de esfuerzos plano en cada lámina (sólo existen σ1, σ2, τ12)
6
2.2. Segunda Parte
1. Se pretende fabricar el larguero en C de 4 m de longitud, formado por un
alma de 200 mm de altura en la raı́z y dos alas de 150 mm, cuyo espesor es
espesor variable.
(a) Hacer dos listas, una con los métodos de fabricación aplicables y otra con los no aplica-
bles y la razón para su discriminación atendiendo sólo al diseño de la pieza (Es decir, no
atendiendo a criterios económicos ni de peso) [1pt]
Por diseño se puede fabricar mediante cualquier procedimiento de aplicado de preim-
pregnados, manual o automático (ATL o FP, ambos con conformado en caliente poste-
rior) y cualquier procedimiento con fibra seca: RTM, RFI o RLI. Discutible el uso de fila-
ment winding únicamente por las limitaciones de este procedimiento a la aplicación de
refuerzos en determinadas direcciones (porque se podrı́an fabricar 2 largueros al mismo
tiempo formando una sección cerrada). Imposible la pultrusión (espesor no constante).
(b) Si el larguero se pretende fabricar para un avión civil (tipo A-320 o Boeing 737), ele-
gir razonadamente el procedimiento de fabricación que mejor se ajuste a este escenario
industrial y describir con detalle en que consiste, el utillaje y el material a emplear [1.25pt]
Debido a las elevadas cadencias de fabricación (más de 30 componentes al mes), y pues-
to que se requiere cinta UD de fibra de carbono para poder optimizar las estructuras
en peso con las altas prestaciones estructurales, será necesario emplear preimpregnados
con apilado automático seguido de un posterior conformado en caliente. El apilado se
hará en útil plano mediante una ATL y posteriormente se conformará mediante un útil
de conformado a 60 ˝C y se transferirá a un útil de curado en autoclave (curado estándar
a 7 bar (100 psi) de presión y a 180 ˝C durante 2 horas). Puesto que es un larguero (lo que
requiere una posterior integración a los revestimientos del ala), y puesto que es necesa-
rio que las tolerancias de fabricación sean elevadas para permitir el posterior montaje,
se requerirá bien un útil de INVAR macho + pisa o un útil de INVAR hembra (lo que
incrementará los costes y dificultará la fabricación). Para finalizar se desmoldeará y re-
canteará la pieza y se realizará una NDI.
(c) Si el mismo larguero se pretende emplear en una serie corta (20 aviones) para un UAV,
y además no se dispone de autoclave, elegir razonadamente el procedimiento de fa-
bricación que mejor se ajuste a este escenario industrial y describir con detalle en que
consiste, el utillaje y el material a emplear [1.25pt]
Al no disponer de un autoclave, se descartan los preimpregnados (podrı́an emplearse
preimpregnados para fuera de autoclave, pero debido a su reducido mercado y poca ex-
periencia aeronáutica, no se han explicado en la asignatura), ası́ que sólo estarı́an dispo-
nibles los procedimientos con fibra seca. La inversión en utillaje de RTM no es rentable
para una serie de 20 unidades. Para piezas de espesor variable, el RFI es complejo, y dis-
poniendo de autoclave, el RLI (empleando tejido y/o “non crimped fabric”) permitirı́a
un buen control de la proporción fibra/resina. Para el utillaje ahora se contempları́a la
realización con materiales compuestos y con aceros (menores costes el INVAR).
7
2. Realizar un diagrama de bloques de las etapas del proceso de fabricación de Resin Transfer
Moulding (RTM). Comparar esta técnica con las otras dos técnicas principales de infusión
mediante fibra seca: Resin Liquid Injection (RLI) y Resin Film Infusion (RFI). Caracterı́sti-
cas del molde y de la inyección de resina, ventajas e inconvenientes. Indicar ejemplos de
estructuras fabricadas con estos métodos. [2.5pt]
Acróni-
mo y
signifi-
cado
Caracterı́sticas fundamentales y mate-
riales auxiliares
Ventajas Desventajas
Caracterı́sticas comunes
- Uso de tejido seco+resina lı́quida o film sepa-
rados
- Capacidad de fabricación de piezas de geometrı́a compleja
- Almacenamiento de tejidos a R.T. - Alta flexibilidad en la utilización de refuerzos
RTM
(Resin
Transfer
Moul-
ding)
• Molde completamente cerrado
• Presión mecánica sobre preforma
• Resinas mono o multicomponentes
• Componentes estructurales de ta-
maño pequeño/medio: Costillas, re-
fuerzos, herrajes
3 Capacidad de fabricación de piezas
de geometrı́a compleja (tridimensio-
nales)
3 Buena repetitividad: control de Vf a
través del espesor del útil
3 Calidad superficial alta (cara de útil)
7 Inversión en equipo muy alta: fabrica-
ción de preformas, utillaje y prensas,
equipos de inyección.
7 Número de resinas limitado debido a
los requerimientos de baja viscosidad.
Consecuencia: baja tenacidad
7 Difı́cil automatización
RLI
(Resin
Liquid
Injec-
tion)
• Molde + frontera flexible (bolsa de
vacı́o)
• Presión de vacı́o o autoclave
• Técnicas particulares para distribuir
la resina en la preforma: tubo espiral,
lı́nea de flujo en omega
• Resinas mono o multicomponentes
• Grandes superficies de calidad in-
ferior a la aeronáutica comercial:
Conchas de aerogenerador
3 Capacidad de fabricación de piezas
de geometrı́a compleja (tridimensio-
nales)
3 Utillaje similar a prepreg
3 Inversiones en equipamiento simila-
res o menores que el prepreg
3 Facilidad de aplicación en piezas de
gran tamaño
7 Requiere resinas muy lı́quidas (baja
tenacidad)
7 Difı́cil simulación debido a frontera
flexible
7 Dificultad de fabricación de prefor-
mas en elementos de gran tamaño
7 Peor control del volumen fibra/resina
que con preimpregnados
RFI (Re-
sin Film
Infu-
sion)
• Molde más frontera flexible
• Presión de autoclave
• Mamparo de presión
3 Utillaje similar a prepreg
3 Resinas similares a las usadas en pre-
preg
3 Inversiones en equipamientos simila-
res o menores que en prepregs
7 Requiere film de resina con espesor
muy optimizado
7 Piezas de geometrı́a no muy compleja
7 Dificultad para automatizar la fabrica-
ción de las preformas en elementos de
gran tamaño
7 Coste de preformas muy alto
8
3. Indicar los requisitos básicospara el utillaje de materiales compuestos. Explicar la definición
de admisible, indicando su obtención y variables de las que depende. [2pt]
Requisitos básicos para el utillaje de material compuesto:
• Estabilidad dimensional: las tolerancias geométricas de la pieza final corresponderán
con las del útil durante el curado
• Mı́nima diferencia de dilatación entre el útil y la pieza, de lo contrario se inducirı́an
esfuerzos residuales y distorsiones geométricas
• Permitir la libre dilatación térmica de los elementos a curar: de no ser ası́, serı́a imposi-
ble el encolado de componentes
• Ligeros: han de ser transportados durante todo el proceso de fabricación
• Absorber la disminución de espesores: en el caso de moldes cerrados
• Reparto uniforme de presiones
• Acabado superficial del útil en aquellas zonas de contacto directo con el material com-
puesto: condición importante en el caso de superficies aerodinámicas
• Prolongado tiempo de servicio con mı́nimo mantenimiento
• Excelentes condiciones de estanqueidad
• Facilitar las tareas de laminado y desmoldeo
ADMISIBLE Mı́nimo valor de una determinada propiedad de un material. Se obtienen me-
diante ensayos normalizados bajo condiciones representativas de su vida en servicio.
Ligado a un nivel determinado de calidad del material, establecido mediante valores
concretos para:
a) Propiedades fı́sicas (Vf , Vv, etc)
b) Caracterı́sticas quı́micas (Tg, grado de curado, etc)
Si se utiliza la función normal, los valores permisibles de diseño base-A y base-B, se
calculan mediante la expresión:
Valor Admisible =X ´ Ks
donde X = valor medio de la muestra ensayada
s = desviación tı́pica
K = constante que depende del tamaño de muestra
9
4. Explicar brevemente la defectologı́a tı́pica en estructuras de C.F.R.P. Representar mediante
croquis los diferentes tipos de porosidad y hacer planos mediante A-Scan, B-Scan y C-Scan
de Amplitud, explicando las diferencias frente a la señal de referencia. [2pt]
1. Delaminación Separación entre telas contiguas. Simple, múltiple y a distintas profundi-
dades.
2. Inclusión Cualquier material auxiliar no especificado en la lista de partes como parte de
la pieza
3. Porosidad Acumulación de huecos en el interior del material. Puede ser:
a) Uniformemente distribuida en capa
b) Uniformemente distribuida en varias capas
4. Huecos planos Discontinuidades aisladas con geometrı́a de caras planas
5. Desencolado Falta de continuidad en uniones realizadas mediante adhesivo
6. Porosidad en lı́nea de adhesivo Huecos en la zona del adhesivo
Aparece una reflexión entre
los picos correspondientes
al inicio y al final del
espesor
Indicaciones de ecos
intermedios en un rango de
profundidades e inferiores
al 30 %, con atenuación del
eco de fondo superior a
18 dB (amplitud 10 %)
Aparecen reflexiones
múltiples y una atenuación
del eco de fondo
10
3. MAYO 2014
3.1. PRIMERA PARTE - PARCIAL
1. Procedimiento experimental (con ecuaciones) para determinar el volumen de fibra y poros
de un laminado de vidrio/epoxy. [2pt]
I) Pesar una muestra de laminado Ý Mc
II) Obtener la densidad del laminado Ý ρc
(pesada de la muestra sumergida, principio de Arquı́medes)
III) Eliminar la resina por calcinación, y pesar restos de fibra Ý M f
IV) Datos del fabricante: densidad de fibra y matriz Ý ρ f y ρm
V) Vf =
M f
ρ f Mcρc
VI) Vm =
Mc ´M f
ρmMcρc
VII) Vp = 1´Vf ´Vm
2. Efecto de la humedad y la temperatura en el comportamiento de los laminados carbono/e-
poxy.
(a) Efectos de la humedad
Se absorbe lentamente, según la ley de Darcy, en atmósfera con 50 % HR hay un in-
cremento del peso del 1 % aproximadamente. Disminuye la temperatura de servicio (la
Tg disminuye unos 50 ˝C). Provoca un hinchamiento de la matriz, y por tanto, genera
esfuerzos internos en el laminado.
(b) Efecto de la temperatura
El CET de fibra y matriz es distinto, se generan esfuerzos internos entre láminas con
distintas orientaciones. Cambian ligeramente los valores de resistencia mecánica.
11
3. Dar la ecuación final que se obtiene en la teorı́a del Laminado (no se pide su demostración).
A partir de ella, justificar, matemáticamente si es posible, porque un laminado no simétrico
se curva al enfriarse.
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N
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xy
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ε0
...
κ
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-
donde
[A] =
N
ÿ
k=1
[A]k
[B] =
N
ÿ
k=1
[B]k
[D] =
N
ÿ
k=1
[D]k
y
[A]k = (zk ´ zk´1)[Q]xy,k
[B]k =
1
2
(z2k ´ z
2
k´1)[Q]xy,k
[D]k =
1
3
(z3k ´ z
3
k´1)[Q]xy,k
Cuando el laminado es
simétrico B = 0 y Mt = 0,
por tanto K = 0
(curvatura).
4. Es una unión adhesiva, indicar los modos de fallo, y razonar porque es necesario cambiar la
geometrı́a en función del espesor del laminado a unir. [3pt]
(a) MODOS DE FALLO
• Adhesivo: interfacial, en caso de deficiente preparación superficial
• Cohesivo: dentro de la pelı́cula de adhesivo, superficie irregular
• Delaminación de capas adyacentes
(b) Geometrı́a de unión
• En espesores muy pequeños (ă 1 mm) y no estructurales, Solape simple, fallo por
excentricidad de la lı́nea de carga.
• En espesores pequeños (hasta 2 mm), solape doble, falla por pelado en los extre-
mos. Si se biselan los extremos, se disminuyen los esfuerzos normales, y falla por
cortante, aunque siempre iniciado en los extremos, donde se produce el máximo
cortante.
• Para mayores espesores, unión escalonada o biselada. Se prefiere en general unión
escalonada, más fácil de mecanizar.
12
3.2. SEGUNDA PARTE
3.2.1. Preguntas Largas
1. Se pretende fabricar una estructura sustentadora casi plana de grandes dimensiones (20 m de
envergadura y 5 m de cuerda) con varios larguerillos de sección en “T” integrados 100 mm
de alma y 100 mm de pie y de 15 m de largo.
(a) Explicar el significado de preforma y rowing. Dibujar las preformas necesarias para
realizar los larguerillos de sección en “T” [0,5pt]
Preforma Refuerzo de fibra seca o material preimpregnado del mismo contorno y es-
pesor de la pieza final previamente a la inyección de resina o al curado, respecti-
vamente.
Rowing Haz de fibras unidireccional que se utiliza para rellenar los huecos en las pre-
formas debidos a los radios de acuerdo.
(b) Seleccionar razonadamente el método de laminación y fabricación del revestimiento y
de los larguerillos. [0,5pt]
El revestimiento se realizará mediante un laminado automático por ATL, al igual que
las preformas planas de los rigidizadores en T, que posteriormente se someterán a un
proceso de conformado en caliente. El rigidizador en T lo forman dos preformas en L.
13
(c) Explicar cómo se realizarı́a la integración para el caso de rigidizadores coencolados al
revestimiento precurado (etapas utillaje, materiales) [1,5pt]
Los rigidizadores se realizarán por medio de un proceso de conformado en caliente a
60 ˝C partiendo de preformas planas, en las cuales se integrará el rowing en la zona de
los radios de acuerdo entre las dos L que forman la T. Puesto que es un proceso de coen-
colado de rigidizadores monolı́ticos, los rigidizadores serán de cinta UD y se requerirá
una lámina de adhesivo en la unión. En el revestimiento se situará una capa de pelable
en la zona de unión con los rigidizadores para obtener una unión óptima. Puesto que el
revestimiento estará precurado, se montarán los rigidizadores directamente sobre él, y
se emplearán útiles con el contorno exterior del larguerillo para asegurar las tolerancias
de los mismos durante el curado. El montaje de los rigidizadores sobre el revestimiento
se realizará con ayuda de volteadores para asegurar la posición relativa de los rigidiza-
dores en el revestimiento después del curado. Debido a las geometrı́as y al tamaño de
la pieza, los útiles serán de INVAR. Posteriormente se montará una bolsa de vacı́o y se
realizará el curado del conjunto. Después del desmoldeo se realizaránlas operaciones
de mecanizado y de inspección no destructiva para verificar la unión.
(d) Explicar cómo se realizarı́a la integración para el caso de rigidizadores cocurados al
revestimiento. [1,5pt]
En el caso del revestimiento cocurado el problema de
emplear útiles metálicos sobre el revestimiento es el
peso que introducen, ya que estos provocarán arru-
gas en el mismo, por lo que se valoran diferentes
soluciones que eviten daños en la integración, que
en este caso no requerirá pelı́cula de adhesivo. Por
ello habrı́a que añadir un sobreespesor para tener en
cuenta la aparición de esas arrugas.
Para evitar este problema se puede utilizar útiles que compacten los rigidizadores por
el método modular, situándose el revestimiento en la cara superior de la bolsa y ası́ no
verse afectado por el peso del utillaje.
14
2. Fabricación de materiales compuestos mediante autoclave: principales razones para su uso
en la industria aeronáutica. Indicar las ventajas e inconvenientes y las principales caracterı́sti-
cas de su uso en fabricación (tolerancias, parámetros del proceso tipo, factores de costes). [2pt]
Las principales razones para el uso de un autoclave son:
• Imposibilidad de manejar moldes cerrados de grandes dimensiones: Tamaño.
• Facilitar la extracción de volátiles: piezas de alta calidad.
• Contracción de la resina durante el curado (shrinkage): geometrı́a y espesor variables
• Capacidad de mantener temperatura uniforme y controlada
Ventajas
3 Capacidad de fabricar geometrı́as complejas
3 Baja porosidad
3 Alto porcentaje de fibra
3 Curado controlado
3 Posibilidad tanto de fabricar con tejido, cinta
unidireccional y núcleos.
Desventajas
7 Procesos lentos
7 Gran inversión de capital
7 Mano de obra cualificada
y numerosa
í Tolerancias
- Tolerancia general: 0,5 mm a 1,0 mm
- Tolerancia en espesor: 0,1 mm a 0,5 mm
í Parámetros de un proceso “tipo”
- Volumen de fibra: 35 % a 70 %
- Presión: 10 bar
- Temperatura: 180 ˝C
í Factores de coste
- Coste de producción: Elevado
- Coste de material: Elevado
- Coste de utillaje: Moderado
- Coste de equipamiento: Elevado
15
3. Dibujar el A-Scan y el B-Scan de una delaminación y de porosidad distribuida, explicando
las diferencias respecto a la señal de referencia. [2pt]
Solución:
Aparece una reflexión entre
los picos correspondientes
al inicio y al final del
espesor, a la vez que el eco
del final del espesor se
atenúa
Indicaciones de ecos
intermedios en un rango de
profundidades e inferiores
al 30 %, con atenuación del
eco de fondo superior a
18 dB (amplitud 10 %)
16
4. Dibujar y explicar los problemas debidos a las distorsiones geométricas asociadas al utilla-
je. Comparar los útiles de material compuesto con los de INVAR, explicando sus ventajas,
desventajas y aplicaciones. [2pt]
Las distorsiones geométricas pueden originar
tres tipos de problemas:
• Alargamiento: El factor de corrección
debido a la expansión térmica multipli-
ca a la dimensión nominal de la pieza a
Temperatura ambiente.
• Recuperación elástica (spring-back): En
el caso de la recuperación elástica, los
factores de corrección están basados en
la experiencia.
• Abarquillamiento: El alabeo está rela-
cionado con el material del utillaje. Es-
caso conocimiento de la naturaleza del
fenómeno debido a los múltiples facto-
res implicados.
Útiles de INVAR Útiles de material compuesto
Ventajas
3 Muy alta estabilidad dimensional
3 Bajo coeficiente térmico de expansión
3 Alta conductividad térmica
3 Alta durabilidad
3 Buena estabilidad dimensional
3 Buena velocidad de subida de temperatu-
ra
3 Ligeros
3 Buena resistencia quı́mica
3 Posibilidad de seleccionar la orientación
de las capas para evitar problemas de di-
latación
Desventajas
7 Muy alto coste del material
7 Muy alto coste de fabricación
7 Escasa disponibilidad
7 Peso
7 Vida de utilización limitada a elevadas
temperaturas
7 Requiere estrictos procesos de control du-
rante su fabricación
7 Toxicidad
7 Necesidad de un modelo para su fabrica-
ción
Aplicación
Fabricación de piezas estructurales de gran
tamaño en series medias-grandes
Fabricación de prototipos o series cortas de
gran tamaño
17
3.2.2. Test - V1
Esta parte del examen eran 40 preguntas tipo test.
Respuesta correcta +1, respuesta incorrecta ´0,5, respuesta en blanco 0
1. El incremento del uso de los materiales compuestos en la fabricación de estructuras ae-
ronáuticas:
(a) Es debido a la imposibilidad de realizar de forma económica las geometrı́as de la
estructura con materiales metálicos. l
(b) No hubiera sido posible si no se hubieran automatizado los procesos de fabricación
con materiales compuestos 4
(c) Se debe a la reducción del coste del material de partida l
(d) Se debe principalmente a los menores costes de operación y reparación de estas
estructuras l
2. Las estructuras monolı́ticas de material compuesto comparadas con las estructuras tipo sand-
wich
(a) Tienen mejores propiedades especı́ficas l
(b) Tienen mejores propiedades mecánicas y por eso son las más ampliamente
utilizadas l
(c) Tienen un mejor comportamiento a impacto 4
(d) Son preferidas para las secciones presurizadas por su mejor aislamiento térmico y
acústico l
3. De los tres tipos de integración de estructuras monolı́ticas
(a) Se prefiere el cocurado por sus menores costes y simplicidad de fabricación l
(b) Se prefiere el coencolado por su mayor optimización estructural 4
(c) Se prefiere el encolado secundario por su mayor rigidez debida a los remaches
de la unión l
(d) Se selecciona entre ellos según las reglas de diseño el más óptimo para cada
estructura l
4. La fabricación mediante materiales preimpregnados termoestables
(a) Requiere que el material posea pegajosidad (“tacking”) para realizar la laminación 4
(b) Es la más común debido al menor precio del conjunto fibra-resina l
(c) No permite fabricar estructuras de tamaño mayor a 6 m2 debido a la caducidad
del material l
(d) Permite reciclar el material no utilizado durante la fabricación l
5. El material termoestable preimpregnado
(a) No presenta defectos hasta la etapa de laminación l
(b) Sólo puede ser unidireccional, nunca tejido l
(c) Requiere almacenamiento en cámaras frigorı́ficas 4
(d) Tiene una fecha de caducidad única independientemente de su uso l
18
6. Un rollo de material preimpregnado de matriz ;
(a) Puede permanecer indefinidamente en la nevera (´18 ˝C) y puede llegar a estar
hasta 1 año fuera de esta nevera antes de realizar el curado l
(b) A pesar de que conserva la pegajosidad durante unos 21 dı́as, ha de realizarse su
curado antes de 10 dı́as l
(c) No caduca dentro de la nevera (´18 ˝C) y sólo se tienen en cuenta su caducidad
para el tiempo fuera de ésta. l
(d) Han de considerarse los tiempos dentro y fuera de su almacenamiento 4
7. Los palpadores de ultrasonidos empleados en NDI de estructuras monolı́ticas de material
compuesto:
(a) Deberán tener un ancho de banda muy estrecho (menor de xmm) para
disminuir el ruido l
(b) No deberán ser de diámetro mayor a 17 mm para una ma . . . de la señal 4
(c) Serán de la mayor frecuencia posible (tı́picamente 5 MHz) l
(d) Son iguales para la transmisión en sandwich l
8. La detección de defectos mediante la técnica de Tap-Coin
(a) Esta en desuso en la actualidad l
(b) Se emplea con estructuras no uniformes de diferentes materiales 4
(c) Tiene mayor definición que los ultrasonidos l
(d) Se emplea siempre en fabricación para un análisis preliminar l
9. indefinida
(a) La inyección y el desmoldeo, debido a que son las operaciones más delicadas l
(b) La inspección no destructiva y la limpieza, debido a que tı́picamente . . . geometrı́as
completas l
(c) El corte de las preformas y el montaje, debido a los problemas al manipular
material seco l
(d) La limpieza del molde y el montaje, debido a que son manuales l
10. Las tolerancias y las referencias del montaje de las estructuras de materialcompuesto . . .
(a) Vendrán dadas por las máquinas empleadas en su fabricación l
(b) Vendrán impuestas por los útiles de curado 4
(c) Vendrán dadas por las máquinas empleadas en el mecanizado l
(d) Son flexibles, ya que se eliminarán las creces l
19
11. El mecanizado de las estructuras de material compuesto
(a) Se realiza de forma similar al mecanizado de estructuras metálicas l
(b) Predomina el corte por láser para la obtención de las tolerancias requeridas l
(c) Requiere proteger la máquina herramienta con material abrasivo 4
(d) Requiere siempre el corte con lı́quido abrasivo a alta presión para evitar
calentamientos l
12. La detección de defectos en la estructura con técnicas de ensayos no destructivos
(a) Se utiliza únicamente en servicio para detectar impactos l
(b) Es un criterio de diseño para las aeroestructuras con refuerzos integrados l
(c) Se utiliza en la etapa de fabricación para detectar no conformidades l
(d) Está limitada a la detección de delaminaciones l
13. La presentación de resultados de una inspección por ultrasonidos
(a) Será siempre un A-Scan, ya que proporciona información completa de
integridad estructural a través del espesor l
(b) Será siempre un B-Scan cuando la técnica elegida es transmisión l
(c) Está limitada a un C-Scan para la transmisión por placa reflectante 4
(d) Ninguna de las anteriores l
14. En el RTM, la viscosidad de la resina durante la desgasificación y la inyección en el molde
(a) Es del mismo orden de magnitud que durante la extracción de volátiles de
preimpregnados en autoclave l
(b) Es mayor que durante la extracción de volátiles de preimpregnados en autoclave l
(c) Es menor que durante la extracción de volátiles de preimpregnados en autoclave 4
(d) No varı́a durante las dos operaciones, siendo la mı́nima posible en todo momento
del proceso de fabricación l
15. La fabricación de preformas mediante las técnicas de stitching y braiding:
(a) Dificulta el posterior proceso de montaje de las mismas, aunque mejora sus
propiedades mecánicas l
(b) Mejora el montaje de las preformas debido a las geometrı́as que permite integrar 4
(c) Únicamente mejora los tiempos de fabricación de preformas frente a las
operaciones manuales l
(d) Empeora las propiedades mecánicas a lo largo del espesor l
16. Las estrategias de inyección de más lenta a más rápidas son:
(a) Convergente, uniaxial, radial l
(b) Uniaxial, radial, convergente 4
(c) Radial, convergente, uniaxial l
(d) Uniaxial, convergente, radial l
20
17. La evolución del curado en el RTM, dependiendo de la forma del calentamiento
(a) Es fundamental por su influencia en los esfuerzos residuales 4
(b) Es fundamental por su influencia en el nivel de porosidad l
(c) Es fundamental por su influencia en el llenado l
(d) Carece de influencia mientras se alcance la temperatura óptima de curado l
3.2.3. Test - V3
1. El incremento del uso de los materiales compuestos en la fabricación de estructuras ae-
ronáuticas
(a) Es debido a la imposibilidad de realizar de forma económica las geometrı́as de la
estructura con materiales metálicos l
(b) No hubiese sido posible si no se hubieran automatizado los procesos de fabricación
con materiales compuestos 4
(c) Se debe a la reducción del coste del material de partida l
(d) Se debe principalmente a los menores coste de operación y reparación de estas
estructuras l
2. Las estructuras monolı́ticas de material compuesto comparadas con las estructuras tipo sand-
wich
(a) Tienen mejores propiedades especı́ficas l
(b) Tienen mejores propiedades mecánicas y por eso son las más ampliamente
utilizadas l
(c) Tienen un mejor comportamiento a impacto 4
(d) Son preferidas para las secciones presurizadas por su mejor aislamiento térmico
y acústico l
3. De los tres tipo de integración de estructuras monolı́ticas
(a) Se prefiere el cocurado por sus menores costes y simplicidad de fabricación l
(b) Se prefiere el coencolado por su mayor optimización estructural 4
(c) Se prefiere el encolado secundario por su mayor rigidez debida a los remaches
de la unión l
(d) Se selecciona entre ellos según las reglas de diseño el más óptimo para cada
estructura l
4. La fabricación mediante preimpregnados termoestables
(a) Requiere que el material posea pegajosidad (“tacking”) para realizar la laminación 4
(b) Es la más común debido al menor precio del conjunto fibra-resina l
(c) No permite fabricar estructuras de tamaño mayor a 6 m2 debido a la caducidad
del material l
(d) Permite reciclar el material no utilizado durante la fabricación l
5. El material termoestable preimpregnado
21
(a) No presenta defectos hasta la etapa de laminación l
(b) Solo puede ser unidireccional, nunca tejido l
(c) Requiere almacenamiento en cámaras frigorı́ficas 4
(d) Tiene una fecha de caducidad única independientemente de su uso l
6. Un rollo de material preimpregnado de matriz epoxı́dica
(a) Puede permanecer indefinidamente en la nevera (´18 ˝C) y puede llegar a estar
hasta 1 año fuera de esta nevera antes de realizar el curado l
(b) A pesar de que conserva la pegajosidad durante unos 21 dı́as, ha de realizarse su
curado antes de 10 dı́as l
(c) No caduca dentro de la nevera (´18 ˝C) y sólo se tiene en cuenta su caducidad
para el tiempo fuera de ésta l
(d) Han de considerarse los tiempos dentro y fuera de su almacenamiento 4
7. Dentro de la sala limpia para la fabricación con materiales compuestos
(a) Se requiere el uso de trajes de buzo para evitar la contaminación l
(b) Se requiere un control solo de la temperatura y de la humedad l
(c) Se requiere solo un control del nivel de partı́culas en el ambiente l
(d) Se requiere una mayor presión del aire que en el exterior l
8. Con el laminado automático (ATL)
(a) Se consiguen mejores tolerancias que en el laminado manual l
(b) Se fabrican piezas de gran tamaño, pero desaprovechando mayor cantidad de
material que en el laminado manual l
(c) Se pueden fabricar las mismas geometrı́as que con el laminado manual . . . solo es
rentable para las piezas de gran tamaño l
(d) Ninguna de las anteriores l
9. El laminado automático (ATL)
(a) Aunque el cabezal puede realizar la operación de corte, es posible . . . patrones más
rápidamente si se introducen los patrones previamente l
(b) Apila el material preimpregnado de forma continua, lo que im. . . geometrı́as con
cambios de espesor l
(c) El ancho del rollo de material preimpregnado suele ser 300 mm . . . también pueden ser
150 mm y 75 mm l
(d) Es un método de fabricación más barato que el laminado manual . . . permite
prescindir de los operaciones l
10. La fabricación con Fiber Placement (FP)
(a) Se usa más que el ATL porque no tiene limitaciones en las geometrı́as l
(b) Tiene el mismo principio de funcionamiento que el ATL, pero . . . material más
estrecho l
22
(c) No es posible realizar estructuras de las mismas dimensiones . . . fabrican con ATL
debido al menor tamaño del material de p. . . l
(d) Permite fabricar todas las geometrı́as que se fabricaban . . . mejores tolerancias l
11. Las bolsas de compactación
(a) Se requieren solo para laminados manuales l
(b) Son necesarias tanto para el ATL como para la FP l
(c) Se realizan cada 6 capas para extraer volátiles l
(d) Son opcionales si el curado se realiza en autoclave l
12. El corte de kits de patrones preimpregnados
(a) Solo se realiza en caso de que el apilado sea manual l
(b) Se realiza tanto para apilados manuales como automáticos (ATL y FP) l
(c) Tiene la ventaja del escaso material desaprovechado l
(d) Tı́picamente se realiza simultáneamente al proceso de apilado l
13. El apilado de preimpregnado automatizado, ATL y FP
(a) Es imprescindible por conseguir mejores tolerancias que el manual l
(b) Se utiliza por su alta velocidad de laminación a pesar del poco aprovechamiento
del material (mucho scrap) l
(c) Requiere que la operación de corte de patrones se realice en elca. . . l
(d) No tiene limitaciones l
14. El devanado de filamentos
(a) Sólo se puede realizar mediante mechas de fibra seca l
(b) Permite fabricar cualquier geometrı́a curva de forma similar al . . . l
(c) Sólo puede enrollar mechas en sentido radial l
(d) Está limitado a geometrı́as cilı́ndricas convexas l
15. La fabricación de estructuras de material compuesto para aplicación . . .
(a) Requiere un menor número de partı́culas en la sala limpia l
(b) Requiere un alto control de coste por las dimensiones y geometrı́a de los lanzadores l
(c) Se caracteriza por el empleo de materiales de muy alto módulo l
(d) Se caracteriza por su fabricación manual debido al bajo número . . . l
16. Las estructuras eólicas de material compuesto
(a) Están principalmente reforzadas con núcleos (estructuras sandwich) l
(b) Tienen un alto porcentaje en peso de uniones adhesivas l
(c) Son principalmente de fibra de vidrio, aunque tienen elementos de fibra de carbono l
(d) Todas las anteriores 4
17. La función de los tejidos sangradores en la bolsa de vacı́o
23
(a) Es facilitar la extracción del aire ocluido l
(b) Es preparar y proteger la superficie del material l
(c) Está obsoleta para las resinas de flujo controlado (Net-resi. . . ) l
(d) Es separar los materiales dentro de la bolsa l
18. Las razones para emplear el autclave en la fabricación de es. . . material compuesto es
(a) Solamente el aporte de presión para la extracción de volátiles l
(b) El tamaño de las aeroestructuras que deben ser sometidas a un curado con
calentamiento uniforme l
(c) La alta calidad superficial y las tolerancias que únicamente . . . este instrumento l
(d) La aplicación de presión uniforme y el intercambio de . . . régimen turbulento l
19. La realización de escalones o mesetas durante el ciclo de curado de un termoestable a tem-
peraturas inferiores a la de curado de debe a
(a) Conseguir menor viscosidad durante mayor tiempo y poder extraer los volátiles l
(b) Mejorar el curado del material l
(c) Conseguir una aplicación de la presión más uniforme l
(d) Reducir los tiempos de curado del material l
20. La velocidad de calentamiento de un ciclo de autoclave está acotada superiormente
(a) Para disminuir la viscosidad y poder extraer los volátiles l
(b) Para conseguir un curado homogéneo en el interior del laminado l
(c) Para acotar los tiempos de fabricación l
(d) Para disminuir el contenido en poros del material l
21. La temperatura y la presión tı́picas del autoclave para ciclos de material compuesto con
matriz epoxı́dica
(a) 180 ˝C y 7 bar l
(b) 120 ˝C y 3,2 bar l
(c) 120 ˝C y 7 bar l
(d) 400 ˝C y 10 bar l
22. En RTM, la viscosidad de la resina durante la degasificación y la inyección en el molde
(a) Es del mismo orden de magnitud que durante la extracción de volátiles de
preimpregnados en autoclave l
(b) Es mayor que durante la extracción de volátiles de preimpregnados en autoclave l
(c) Es menor que durante la extracción de volátiles de preimpregnados en autoclave 4
(d) No varı́a durante las dos operaciones, siendo la mı́nima posible en todo momento
del proceso de fabricación l
23. La fabricación de preformas mediante las técnicas de stitching y braiding
(a) Dificulta el posterior proceso de montaje de las mismas, aunque mejora sus
propiedades mecánicas l
24
(b) Mejora el montaje de las preformas debido a las geometrı́as que permite integrar 4
(c) Únicamente mejora los tiempos de fabricación de preformas frente a las
operaciones manuales l
(d) Empeora las propiedades mecánicas a lo largo del espesor l
24. Las estrategias de inyección de más lenta a más rápidas son:
(a) Convergente, uniaxial, radial l
(b) Uniaxial, radial, convergente 4
(c) Radial, convergente, uniaxial l
(d) Uniaxial, convergente, radial l
25. La evolución del curado en el RTM, dependiendo de la forma del calentamiento
(a) Es fundamental por su influencia en los esfuerzos residuales 4
(b) Es fundamental por su influencia en el nivel de porosidad l
(c) Es fundamental por su influencia en el llenado l
(d) Carece de influencia mientras se alcance la temperatura óptima de curado l
26. La técnica de infusión de resina (RFI)
(a) Está limitada a geometrı́as sencillas y planas l
(b) Utiliza los mismos materiales (fibra y resina) que el RTM y el RLI l
(c) Utiliza materiales preimpregnados l
(d) Ninguna de las anteriores l
27. El INVAR está recomendado como material de utillaje de estructuras de MtC Carbono/E-
poxy
(a) Si las piezas de MtC tienen geometrı́as complejas l
(b) Si las piezas de MtC tienen grandes dimensiones l
(c) Si las piezas de MtC tienen gran espesor l
(d) Siempre l
28. El acero como material de utillaje para la fabricación de estructuras de material compuesto
(a) Está descartado por su alto coste l
(b) Se puede utilizar siempre que el tamaño sea pequeño l
(c) Está descartado por sus problemas para la realización de soldaduras estancas l
(d) Se puede usar para todas las estructuras siempre que los curados sean de baja
temperatura 120 ˝C
29. Los útiles de silicona o teflón
(a) Se usan para series muy cortas (inferiores a los 10 ciclos) l
(b) Se usan para reducir los costes l
(c) Se usan para compactar interiores l
(d) Sólo se usan para estructuras sandwich l
25
30. El objetivo de la pirámide de ensayos
(a) Es determinar las propiedades en probetas “coupon” y validar soluciones de
diseño cada vez más complejas hasta el ensayo “full scale” l
(b) Es la realización de diseños iterativos cada vez más eficientes l
(c) Es la disminución de costes basada en el diseño concurrente l
(d) Es la realización del ensayo de certificación de una forma segura l
31. Los ensayos mecánicos de materiales compuestos
(a) Son semejantes a los metálicos, en geometrı́as y realización l
(b) Están orientados a la obtención de las propiedades de rigidez (módulo elástico) . . . l
(c) Tienen una gran variedad de modos de fallo, principalmente en compresión . . . l
(d) Son siempre explosivos debido a la fragilidad de las probetas l
32. Los palpadores de ultrasonidos empleados en NDI de estructuras monolı́ticas de material
compuesto
(a) Deberán tener un ancho de banda muy estrecho (menor que 65 . . . ) para
disminuir el ruido l
(b) No deberán ser de diámetro mayor a 17 mm para una mayor amplitud de la señal 4
(c) Serán de la mayor frecuencia posible (tı́picamente 5 MHz) l
(d) Son iguales para transmisión en sandwich l
33. La detección de defectos mediante la técnica de Tap-Coin
(a) Esta en desuso en la actualidad l
(b) Se emplea con estructuras no uniformes de diferentes materiales 4
(c) Tiene mayor definición que los ultrasonidos l
(d) Se emplea siempre en fabricación para un análisis preliminar l
34. Las operaciones de mayor carga de trabajo en la fabricación de una pieza por inyección de
resina en molde cerrado son:
(a) La inyección y el desmoldeo, debido a que son las operaciones más delicadas l
(b) La inspección no destructiva y la limpieza, debido a que tı́picamente tienen
geometrı́as complejas l
(c) El corte de las preformas y el montaje, debido a los problemas al manipular el
material seco. l
(d) La limpieza del molde y el montaje, debido a que son manuales. l
35. Las tolerancias y las referencias de montaje de las estructuras de material compuesto:
(a) Vendrán dadas por las máquinas empleadas en su fabricación l
(b) Vendrán impuestas por los útiles de curado 4
(c) Vendrán dadas por las máquinas empleadas en el mecanizado l
(d) Son flexibles, ya que se eliminarán las creces l
36. El mecanizado de estructuras de material compuesto
26
(a) Se realiza de forma similar al mecanizado de estructuras metálicas l
(b) Predomina el corte por láser para la obtención de las tolerancias requeridas l
(c) Requiere proteger la máquina herramienta con material abrasivo 4
(d) Requiere siempre el corte con lı́quido abrasivo a alta presión para evitar
calentamientos l
37.La detección de defectos en la estructura con técnicas de ensayos no destructivos
(a) Se utiliza únicamente en servicio para detectar impactos l
(b) Es un criterio de diseño para las aeroestructuras con refuerzos integrales l
(c) Se utiliza en la etapa de fabricación para detectar no conformidades l
(d) Está limitada a la detección de delaminaciones l
38. La presentación de resultados de una inspección por ultrasonidos
(a) Será siempre un A-Scan, ya que proporciona información completa de
integridad estructural a través del espesor. l
(b) Será siempre un B-Scan cuando la técnica elegida es transmisión l
(c) Está limitada a un C-Scan para la inspección por placa reflectante 4
(d) Ninguna de las anteriores l
27
28
4. ABRIL 2014 - PARCIAL
4.1. Versión 1
1. Explique las razones por las que se emplean pregimpregnados en la industria aeronáutica,
comparado con la impregnación in-situ, o vı́a húmeda
• Volumen de fibra óptimo (58 % en cinta y 50 % en tejido), y muy uniforme Ý menor
dispersión de propiedades mecánicas.
• Permite empleo de resinas semisólidas a temperatura ambiente que incorporan micro-
partı́culas de termoplástico para mejorar la tenacidad.
• Inconvenientes:
7 Require curado a alta temperatura (120 ˝C a 180 ˝C)
7 Vida limitada a temperatura ambiente
7 Debe almacenarse en frı́o a T ă ´20 ˝C
2. Haga una tabla con los tipo de fibras continuas utilizadas como refuerzo de matrices po-
liméricas, incluyendo sus caracterı́sticas fundamentales.
Material
ρ
(kg/dm3) E (GPa) Alargamiento
rotura
Caracterı́sticas
Vidrio E 2,5 70 5 % Amorfo, bajo costeVidrio S 2,5 82 5 %
Carbono/grafito
1,8 a 2
Cristalino, si los planos de
grafeno están paralelos al eje
da mayor cristalinidad,
mayor E
HS 200 a 240 1,5 % a 2 %IM 240 a 300
HM 300 a 450 ă 1 %
UHM 450 a 800 ă 0, 5 %
P-aramida Parcial cristalina, mal a
compresión, degradación por
UV
Kevlar 29 1,4 70 2 % a 3 %Kevlar 49 1,4 120
Spectra (UHM
WPE) 0,98 120 2 % a 3 %
Funde a 140 ˝C, apta para
blindaje
29
3. Se tiene un material compuesto carbono epoxy, con volumen de fibra del 60 %. Las pro-
piedades de la fibra son: E = 300 GPa, S = 6000 MPa. Las propiedades de la matriz son:
E = 4 GPa, S = 60 MPa. Estimar las propiedades que se puedan de la lámina unidireccio-
nal, en particular, las que necesite para aplicar el criterio de máxima deformación (suponer
igual comportamiento a tracción y compresión). Explicar cómo se aplica el criterio de fallo
por máxima deformación a un laminado [0/90]S, sometido a cargas de tracción en dirección
x (0°), señalando que lamina falla primero.
EL = E f Vf = 300 ¨ 0,6 = 180 GPa
ET =
Em
Vm
=
4
0,4
= 10 GPa
SL = ε f ibra =
6000
300
= 2 %
ST = εm =
60
4
= 1,5 %
Rompe cuando
εx ą 1,5 %
εy ą 1,5 %
4. Se quiere unir un laminado de fibra de carbono quasiisotropo, de espesor 10 mm y dimensio-
nes 500 mmˆ 500 mm, con otro laminado similar. Dimensionar la unión remachada, y hacer
una estimación de su resistencia (B = 800 MPa).
1t ă φ ă 2t
d
p
ď 0, 2
p.e. φ = 15 mm
espaciado = 5φ = 75 mm
distancia al borde = 3φ = 45 mm
distancia entre filas = 4φ = 60 mm
Carga por remache con fallo en bearing:
P =800 ¨ φ ¨ t = 800 ¨ 10 ¨ 15 = 120 kN
MPa mm2 Ñ N
30
4.2. Versión 2
1. Explique las razones para la selección de la matriz en los materiales compuestos de la indus-
tria aeronáutica.
• Temperatura de servicio, facilidad de procesado, no reactividad entre fibra y matriz Ý
Estos criterios van a seleccionar entre matrices poliméricas, metálicas, cerámicas.
• Entre matrices poliméricas, escoger entre:
- Termoplásticas
˝ Mayor tenacidad y reprocesabilidad
˝ Alta Tg Ý Alta Tfusión Ý Difı́cil procesado
- Termoestables
˝ Epoxy
˛ Alta rigidez Ý Resistencia compresión baja
˛ Alta tenacidad Ý Resistencia a impacto
˛ Alta Tg y baja absorción de humedad
˛ Adhesividad fibra/matriz
˝ Poliéster
˝ Fenólica
˛ Sólo para interiores, resistencia a fuego
2. Haga una tabla con los tipo de fibras continuas utilizadas como refuerzo de matrices po-
liméricas, incluyendo sus caracterı́sticas fundamentales.
Material
ρ
(kg/dm3) E (GPa) Alargamiento
rotura
Caracterı́sticas
Vidrio E 2,5 70 5 % Amorfo, bajo costeVidrio S 2,5 82 5 %
Carbono/grafito
1,8 a 2
Cristalino, si los planos de
grafeno están paralelos al eje
da mayor cristalinidad,
mayor E
HS 200 a 240 1,5 % a 2 %IM 240 a 300
HM 300 a 450 ă 1 %
UHM 450 a 800 ă 0, 5 %
P-aramida Parcial cristalina, mal a
compresión, degradación por
UV
Kevlar 29 1,4 70 2 % a 3 %Kevlar 49 1,4 120
Spectra (UHM
WPE) 0,98 120 2 % a 3 %
Funde a 140 ˝C, apta para
blindaje
31
3. Se tiene un material compuesto carbono epoxy, con volumen de fibra del 60 %. Las pro-
piedades de la fibra son: E = 250 GPa, S = 5000 MPa. Las propiedades de la matriz son:
E = 6 GPa, S = 60 MPa. Estimar las propiedades que se puedan de la lámina unidireccio-
nal, en particular, las que necesite para aplicar el criterio de máxima deformación (suponer
igual comportamiento a tracción y compresión). Explicar cómo se aplica el criterio de fallo
por máxima deformación a un laminado [0/90]S, sometido a cargas de tracción en dirección
x (0°), señalando que lamina falla primero.
EL = E f Vf = 250 ¨ 0,6 = 150 GPa
ET =
Em
Vm
=
6
0,4
= 15 GPa
εL = ε f =
5000
250
= 2 %
εT = εm =
60
6
= 1 %
Rompe al 1 % tanto
en εx como en εy
4. Se quiere unir un laminado de fibra de carbono quasiisotropo, de espesor 2 mm y dimensio-
nes 500 mmˆ 500 mm, con otro laminado similar. Dimensionar la unión remachada y hacer
una estimación de su resistencia (B = 500 MPa).
1t ă φ ă 2t
d
p
ď 0,2
p.e. φ = 3 mm
espaciado entre centros = 5φ = 15 mm
distancia al borde = 3φ = 9 mm
distancia entre filas = 4φ = 12 mm
Carga por remache con fallo en bearing:
P =B ¨ φ ¨ t = 500 ¨ 3 ¨ 2 = 3000 N
MPa mm2 Ñ N
32
5. JULIO 2013 BOLONIA
5.1. Primera Parte
1. Para un material compuesto carbono/epoxy con Vf = 60 %, constituido por fibra de car-
bono de propiedades: E (Módulo elástico) = 240 GPa, S (resistencia) = 3,6 GPa, ρ (densidad)
= 1800
kg
m3
y resina epoxy de propiedades E = 5 GPa, S = 200 MPa, ρ = 1200
kg
m3
. Calcular
mediante las expresiones de micromecánica el valor aproximado de las siguiente propieda-
des: [10pt]
(a) Módulo elástico longitudinal y transversal de la cinta unidireccional
(b) Resistencia y alargamiento a rotura longitudinal y transversal de la cinta unidireccional
(c) Calcular la densidad del laminado anterior
EL « E f Vf + EmVm « E f Vf = 240 ¨ 0,6 + 5 ¨ 0,4 = 144 + 2 = 146 GPa
ET «
Em
Vm
=
5
0,4
= 12,5 GPa
1
ET
=
Vm
Em
+
Vf
E f
Alargamiento a rotura de la fibra
36
240
= 0,015 = 15 %
Alargamiento a rotura de la matriz
0,1
5
= 0,02 = 2 %
El material compuesto UD rompe cuando rompe la fibra Ñ 1,5 % Ñ SL = 1,5 ¨ 145 « 2250 MPa
En . . . dad transversal εT ď εm Ñ ST ď Sm
ρc = ρ f Vf + ρmVm = 1800 ¨ 0,6 + 1200 ¨ 0,4 = 1080 + 480 = 1560
kg
m3
2. Se . . . placa de 500 mmˆ 500 mm, de un laminado quasi-isótropo, carbono/epoxi, formado
por 16 láminas unidireccionales 0,2 mm de espesor. Se pide: [10pt]
(a) . . . de las posibles secuencias de apilamiento de este laminado
(b) Si se hace una unión mecánica a solape doble de esta placa con otra idéntica, dar los
parámetros que definen la unión, y una estimación de la resistencia global bearing
strength = 500 MPa
(a) (45 , ´45 , 0 , 90)2S
(b) Espesor t = 16 ¨ 0,2 = 3,2 mm
foto
• φ entre t y 2t Ý φ = 5 mm
• Espaciado entre centros p = 4 ¨ a ¨ 5 ¨ φ Ý p = 25 mm
• Distancia al borde ě 3φ = 15 mm
Si se hacen 2 filas, la distancia entre filas es ą 4φ = 20 mm . . .
33
3. Temperatura de servicio de un material compuesto de matriz polimérica (como se determina,
influencia de la matriz, etc.) [8pt]
Se determina midiendo la Tg en húmedo. Es la temperatura de transición vı́trea, porque al
aumentar Tg el módulo elástico de la resina disminuye y por tanto la resistencia a compresión
longitudinal.
En termoestables, Tg en seco es aproximadamente la temperaturade curado (o ligeramente
superior) pero por la absorción de humedad disminuye unos 100 ˝C. Por tanto, una epoxy
curada a 180 ˝C tiene una Tservicio = 110 ˝C.
En termoplásticos Tg ”
Tf usion
2
en K.
4. Proceso de fabricación, estructura y variedades de fibras de carbono [10pt]
Las fibras de carbono están formadas por el elemento quı́mico C, en estado cristalino (gra-
fito), con los planos orientados según el eje de la fibra (como un puerro). A mayor T de
tratamiento, mayor % de grafitización, mayor módulo elástico y densidad.
34
5.2. Segunda Parte
1. Se pretende fabricar una costilla de un cajón de torsión de cinta unidireccional preimpregna-
da de 5 m de cuerda y de 2 m de altura de perfil para una serie grande de aeronaves comer-
ciales formada por una piel plana, un rigidizador horizontal en una cara y un rigidizador
vertical en la capa opuesta, con secciones en T y en omega respectivamente.
(a) Indicar el tipo de integración y el número de ciclos de autoclave [0.25pt]
Cocurado 1
Cocurado de piel y rigidizador + coencolado de rigidizador 2
Cocurado de piel y rigidizador + encolado secundario del rigidizador 2˚ - 3
Coencolado de piel y rigidizadores 2 a 3
Coencolado de piel y rigidizador + encolado secundario de rigidizador 3 a 4
Encolado secundario de piel y rigidizador + coencolado de rigidizador 3 a 4
Encolado secundario de piel y rigidizadores 2 a 5
(*) Valor menor en caso de que varios subcomponentes compartan un ciclo
(b) Listar y dibujar las preformas a emplear en el proceso de fabricación (exclusivamente
los materiales que formarán parte de una pieza final). Enumerar los procesos diferentes
implicados en el proceso de fabricación y los útiles y máquinas empleados [0.75pt]
Habrá 1 laminado plano (piel), dos laminados en L y tres rowing (1 para el rigidizador
en T y 2 para el rigidizador en omega)
Procesos:
1. ATL y posible corte para la piel
2. ATL y corte para los laminados de los rigidizadores
3. Corte de material para el rowing y enrollado manual
4. Conformado en caliente de laminados de rigidizadores y rowing (o pultrusión
para el rowing)
5. Montaje de rigidizadores y piel
6. Encolados
35
(c) Hacer un esquema en sección de bolsa/bolsas de vacı́o empleadas con los materiales,
materiales auxiliares y útiles incluidos [1pt]
Se ha escogido para la fabricación de la costilla un proceso de cocurado + encolado
secundario (tercer caso, con el rigidizador horizontal en T precurado). Se representan las
bolsas de curado del rigidizador horizontal, la bolsa de cocurado de piel y rigidizador
vertical y la bolsa de encolado secundario final.
Para el cocurado se ha escogido un esquema bolsa interior (que se selları́a con masilla
de vacı́o al útil en su cara interior y a la bolsa es su cara superior), y una carcasa que
darı́a forma a la cara exterior del rigidizador en omega. Para el encolado secundario se
ha escogido un útil marco con doble bolsa para permitir salvar el rigidizador en omega
ya integrado (uno de los rigidizadores aparece girado para simplificar la vista).
36
(d) Hacer un diagrama de flujo del proceso completo incluyendo en cada caja el proceso
realizado [1.5pt]
Diagrama de flujo de un proceso de cocurado + encolado secundario. se ha supuesto
la fabricación del rigidizador en T en un subcontratista por lo que incluye el proceso
completo de fabricación, verificación y aceptación.
(e) Incluir un croquis de detalle de cada unión encolada e indicar las zonas crı́ticas asocia-
das a posibles defectos, listar estos, y las razones de su aparición [1.5pt]
37
2. Completar una tabla resumen con los 3 principales procesos de fabricación de materiales
compuestos mediante fibra seca [2.75pt]
Acróni-
mo y
signifi-
cado
Caracterı́sticas fundamentales y mate-
riales auxiliares
Ventajas Desventajas
Caracterı́sticas comunes
- Uso de tejido seco+resina lı́quida o film sepa-
rados
- Capacidad de fabricación de piezas de geometrı́a compleja
- Almacenamiento de tejidos a R.T. - Alta flexibilidad en la utilización de refuerzos
RTM
(Resin
Transfer
Moul-
ding)
• Molde completamente cerrado
• Presión mecánica sobre preforma
• Resinas mono o multicomponentes
3 Capacidad de fabricación de piezas
de geometrı́a compleja (tridimensio-
nales)
3 Buena repetitividad: control de Vf a
través del espesor del útil
3 Calidad superficial alta (cara de útil)
7 Inversión en equipo muy alta: fabrica-
ción de preformas, utillaje y prensas,
equipos de inyección.
7 Número de resinas limitado debido a
los requerimientos de baja viscosidad.
Consecuencia: baja tenacidad
7 Difı́cil automatización
RLI
(Resin
Liquid
Injec-
tion)
• Molde + frontera flexible (bolsa de
vacı́o)
• Presión de vacı́o o autoclave
• Técnicas particulares para distribuir
la resina en la preforma: tubo espiral,
lı́nea de flujo en omega
• Resinas mono o multicomponentes
3 Capacidad de fabricación de piezas
de geometrı́a compleja (tridimensio-
nales)
3 Utillaje similar a prepreg
3 Inversiones en equipamiento simila-
res o menores que el prepreg
3 Facilidad de aplicación en piezas de
gran tamaño
7 Requiere resinas muy lı́quidas (baja
tenacidad)
7 Difı́cil simulación debido a frontera
flexible
7 Dificultad de fabricación de prefor-
mas en elementos de gran tamaño
7 Peor control del volumen fibra/resina
que con preimpregnados
RFI (Re-
sin Film
Infu-
sion)
• Molde más frontera flexible
• Presión de autoclave
3 Utillaje similar a prepreg
3 Resinas similares a las usadas en pre-
preg
3 Inversiones en equipamientos simila-
res o menores que en prepregs
7 Requiere film de resina con espesor
muy optimizado
7 Piezas de geometrı́a no muy compleja
7 Dificultad para automatizar la fabrica-
ción de las preformas en elementos de
gran tamaño
7 Coste de preformas muy alto
38
3. Enumerar la defectologı́a más común de los materiales compuestos. Enumerar las diferentes
técnicas de inspección ultrasónica (incluyendo una breve explicación y un pequeño croquis
de los mismos) y los diferentes sistemas de representación de las señales (incluyendo tam-
bién una breve explicación). Dibujar el A-Scan de una delaminación y de porosidad distri-
buida con la técnica del pulso eco. [2.5pt]
Defectologı́a Delaminación, inclusiones, porosidad (uniformemente distribuida, en capa,
en varias capas), huecos planos, desencolado, porosidad en lı́nea de adhesivo, arrugas
Pulso-eco Único palpador emite y recibe los ecos reflejados de las discontinuidades que
encuentra la señal ultrasónica y la atenuación del eco de fondo
Transmisión Dos palpadores, uno emite y otro situado al otro lado de la pieza recibe. Sólo
detecta atenuación de la señal transmitida debida a discontinuidades
Doble transmisión (Placa reflectante) Un único palpador que emite y recibe la atenuación
de la señal ultrasónica reflejada en una placa situada tras la pieza a inspeccionar
39
40
6. MAYO 2013
6.2. Segunda Parte
1. Se pretende fabricar una estructura sustentadora casi plana de grandes dimensiones (20 m
de envergadura y 5 m de cuerda) con varios larguerillos de sección en “J” coencolados de
100 mm de alma y 100 mm de pie y de 15 m de largo mediante cinta unidireccional
(a) Dibujar las preformas necesarias para realizar los larguerillos de sección en J. Explicar
el significado de preforma y rowing [1pt]
Preforma Es el material compuesto lamina-
do y sin curar en el caso de preimpreg-
nados o sin inyectar la resina para las
técnicas de infusión, con la geometrı́a
previa al curado.
Rowing Es un mazo de fibras unidireccio-
nales, preimpregnado o seco. Al ro-
wing se le da forma para adaptarse al
hueco dejado por las preformas en el
interior de los radios para permitir la
fabricación de elementos rigidizados.
(b) Seleccionar razonadamente el método de laminación y fabricación del revestimiento y
de los larguerillos [0.5pt]
Por temas de calidad se requiere la fabricación con preimpregnados. Para la fabricación
del revestimiento se empleará un laminado automático(ATL). Para los rigidizadores se
realizará laminado automático (ATL) seguido de un conformado en caliente, ya que no
se puede emplear un laminado manual debido a los enormes tiempos de fabricación.
(c) Comparar entre el caso en que los larguerillos sean precurados y revestimiento en fresco
y viceversa (revestimiento precurado y larguerillos en fresco). Indicar como se realizarı́a
la integración, el utillaje empleado y la defectologı́a asociada a este tipo de integración
[1.5pt]
Larguerillos precurados + Revestimiento en fresco
Los larguerillo se realizarán a priori, y se podrán curar mediante útiles que permitan
unas mejores tolerancias dimensionales. Se colocará además pelable en las superficies
de unión. Una vez curados, y por tanto ya sólidos, se prepara la superficie de unión
retirando el pelable y se sitúan sobre el revestimiento sin curar. Para asegurar la posición
de los larguerillos, se utilizará el utillaje necesario (peines, posicionadores) para que no
se muevan en la bolsa de vacı́o.
Puesto que los larguerillos están en estado sóli-
do pueden provocar arrugas en la superficie,
con la correspondiente pérdida de propiedades
y los cambios en el diseño que estos representan.
41
Revestimiento precurado + larguerillos en fresco
Estando el revestimiento previamente curado no sólo no se inducirán defectos en él, sino
que además podrá utilizarse para apoyar útiles. Ası́, los rigidizadores bien podrán (. . . )
(bolsas de vacı́o adaptadas a la geometrı́a de la pieza) o
bien mediante el sistema modular, si bien la complica-
da geometrı́a puede distorsionarse. En este caso se ne-
cesitarán volteadores, ya que los rigidizadores no tienen
consistencia al no estar curados.
(d) Para el caso en que el revestimiento sea precurado y los larguerillos estén en fresco,
representar la secuencia completa de operaciones de fabricación sobre un diagrama de
una factorı́a indicando donde se realiza cada operación [2pt]
Los pasos en la fabricación son los siguientes:
1. Material
Compra y almacenamiento. Se comprarán los prepregs y se almacenarán en cáma-
ras frigorı́ficas. Aprovisionamiento y preparación del utillaje. Se preparará el uti-
llaje necesario para laminar, conformar y curar, eliminando los residuos de pre-
vios curados, desengrasando la superficie con un disolvente (butanona/acetona)
y aplicando desmoldeante en toda la superficie. Los útiles serán de INVAR debido
al enorme tamaño de la estructura.
2. Laminado del revestimiento
Se realizará en ATL ya que es el medio más rápido y la geometrı́a no tiene apenas
curvatura
3. Realización dela bolsa de vacı́o (en sala limpia), curado del revestimiento y NDI
del mismo.
4. Fabricación de los rigidizadores
Consta de dos etapas:
• Laminado de preformas planas con ATL
• Transferencia del laminado al útil de conformado
• Conformado en caliente
Aplicando presión de vacı́o a una temperatura de unos 60 ˝C (por encima de
Tg del material en ese momento), para adaptarlo a la forma de los elementales
para formar la T Ý dos laminados en L
• Fabricación del Rowing
Fabricación de un rowing que se adapte al hueco dejado en la base del rigidi-
zador en T por los dos elementales en L
• Montaje de los rigidizadores
Montaje de los elementos del rigidizador, en un volteador que permita situar-
los con precisión en el revestimiento
5. Volteo de los rigidizadores sobre el revestimiento
Por medio de un volteador se colocan los rigidizadores sobre el revestimiento en
el sitio adecuado.Además, se montarán los útiles necesarios para mantener la geo-
metrı́a de los rigidizadores (ver apartado anterior). Montaje de la bolsa de vacı́o,
teniendo en cuenta las pinzas para adaptar la bolsa a la geometrı́a de la pieza pero
sin generar arrugas.
42
6. Curado
Curado en autoclave con ciclo estándar a 7 bar (100 psi) de presión y a 180 ˝C du-
rante 2 horas
7. Desmoldeo y recanteado
Desmoldeo de la pieza y mecanizado de los bordes de acuerdo a la geometrı́a
nominal
8. NDI
Ultrasonidos, normalmente por transmisión, automatizados en la medida de lo
posible (revestimiento siempre y si es posible rigidizadores)
2. (. . . )
3. Explicar las caracterı́sticas de las resinas utilizadas para la infusión, su manipulación y sus
diferencias con las resinas utilizadas en prepregs. Ventajas e inconvenientes de la infusión de
resina (RLI) frente al (RTM). [2.5pt]
La mayor diferencia de las resinas empleadas en infusión es la baja viscosidad de las resinas,
necesaria para la inyección completa de piezas de geometrı́a complicada y con alto porcen-
taje de fibra. Esta caracterı́stica esta asociada a una baja tenacidad de fractura de las resinas.
Ası́, las resinas se someten a un proceso de desgasificado durante el que se realizará el vacı́o a
la resina caliente (normalmente unos 80 ˝C). Durante ese instante la resina tendrá su mı́nima
viscosidad (menor a 10 poises). A continuación, se procederá a su inyección en el molde nor-
malmente precalentado a unos 110 ˝C a 120 ˝C. Las resinas tı́picas empleadas en autoclave
tienen siempre una viscosidad superior a 100 poises.
Las ventajas del RLI son la capacidad de fabricar elementos de gran tamaño debido a que
no utilizamos un molde cerrado, sino que una de las caras es una bolsa de vacı́o. Además,
utilizando una tecnologı́a similar a los preimpregnados, se consiguen piezas semejantes pero
con un menor coste de materiales y componentes (materiales auxiliares y equipos).
Por otro requiere resinas de muy baja viscosidad (con la penalización de las propiedades
mecánicas antes mencionadas), presenta un peor control del volumen fibra/resina (debido
a la frontera móvil), además de una dificultad para automatizar la fabricación de las prefor-
mas, siendo este tema mucho más crucial en el RTM debido al gran tamaño de las mismas.
La frontera móvil también dificulta la simulación del proceso de llenado.
43
4. Enumerar la defectologı́a común de los materiales compuestos. Dibujar el A-Scan de una
delaminación y de porosidad distribuida con la técnica de la doble transmisión (placa reflec-
tante). Indicar las diferencias entre ambos defectos en la representación C-Scan. [2.5pt]
Defectologı́a Delaminación, inclusiones, porosidad (uniformemente distribuida, en capa,
en varias capas), huecos planos, desencolado, porosidad en la lı́nea de adhesivo
Fig. 6.1: Placar reflectante
con delaminación
Fig. 6.2: Placar reflectante con poro-
sidad
Por placa reflectante se atenúa la intensidad
del eco de fondo correspondiente a una su-
perficie fuera de la pieza, tanto para una dela-
minación como para porosidad. La represen-
tación C-Scan no distingue entre los dos tipo
de defectos.
44
7. MAYO 2012
7.2. Segunda Parte
1. Fabricación de sección de fuselaje circular de diámetro 5 m y 5 m de largo con material com-
puesto y dos cuadernas Z de material compuesto. Explicar como fabricar ambas partes, cómo
unirlas con coencolado, hacer enumeración de los pasos de fabricación y esquema de la plan-
ta de fabricación. [4pt]
2. Comparar RLI y RTM ¿Qué partes del proceso de inyección llevan más tiempo? [0.75pt]
3. Definir stitching y braiding [0.75pt]
4. Útiles de INVAR. Ventajas, inconvenientes y por qué se usan. [0.75pt]
5. Explicar formas de evitar fallos en uniones remachadas. Enumerar dichos fallos. [0.75pt]
6. Se realiza inspección ultrasónica con placa reflectante a:
(a) Placa con delaminaciones.
(b) Placa con porosidad repartida
Explicar y dibujar diagramas A-Scan y C-Scan para cada caso. [0.75pt]
7. Enumerar en orden de importancia criterios a tener en cuenta al fabricar útiles para RTM.
[0.75pt]
8. Método de Volkorsen para uniones metálicas: hipótesis y resultado. Influencia de la ductili-
dad del adhesivo. [0.75pt]
9. Pirámide de ensayos para certificación. Explicar los ensayos que se realizan (estructurales. . . )
[0.75pt]
45
46
8. ABRIL 2012 - PARCIAL
8.1. Test
1. ¿Cuál de los siguientes laminados no es ni simétrico ni equilibrado?(a) (0, 90) l
(b) (0,˘45) 4
(c) (0, 90)S l
(d) Ninguna de las anteriores l
2. Las fibras de carbono son:
(a) Amorfas l
(b) Monocristalinas l
(c) Policristalinas 4
(d) Ninguna de las anteriores l
3. La fibra de mayor densidad es
(a) Kevlar l
(b) Carbono de alto módulo 4
(c) Carbono de alta resistencia l
(d) Polietileno l
8.2. Preguntas Cortas
1. Criterios de selección de la matriz
• Alargamiento a rotura mayor que el de las fibras de refuerzo (como mı́nimo el doble)
• Elevada tenacidad, energı́a de fractura Ý resistencia a delaminación
• Absorción de humedad reducida
• Baja contracción en curado
• Coeficiente de expansión térmica bajo (estabilidad dimensional)
• Buenas caracterı́sticas de flujo (buena interpenetración del refuerzo y fácil evacuación
de volátiles)
• Buena resistencia quı́mica
• Alta temperatura de transición vı́trea Tg Ý temperatura máxima de servicio
• Alto módulo elástico E Ý resistencia a compresión L
• Adhesividad (enlaces secundarios fuertes) Ý resistencia a tracción L
47
2. Importancia de la resistencia de la matriz en su selección
No es importante. Se utilizarán resinas con alto módulo elástico, pues del orden de éste será
la resistencia longitudinal a compresión.
3. Justificar porqué un laminado no simétrico se curva al enfriarse
Las fibras de carbono tienen un CTE casi nulo, incluso negativo, mientras que las matrices
poliméricas tienen un alto CTE. La fibra de carbono se contrae al calentarla mientras que la
resina se hincha. Por tanto al enfriar el material compuesto no simétrico este se comba, pues
en un sentido se expande y en el otro se contrae.
Fig. 8.1: Útil plano 180 ˝C Fig. 8.2: Al enfriar, tiende a curvarse,
por no ser simétrico
4. Función de la matriz en el material compuesto
• Transfiere y redistribuye la carga hacia y entre las fibras de refuerzo (adhesividad)
• Estabilizar la fibra a micropandeo (alto módulo elástico)
• Mantiene las fibras en su lugar y con la orientación adecuada
• Protege a las fibras, encapsulándolas y evitando que sufran daños de manejo, mecáni-
cos y/o medioambientales
• Proporciona la morfologı́a final del elemento fabricado con material compuesto y con-
diciona el proceso de fabricación
• Proporciona al material compuesto su capacidad de resistencia a cortadura interlami-
nar y en el plano, resistencia a compresión y resistencia transversal
• Proporciona la resistencia a delaminación (Tenacidad)
• Controla en gran medida la resistencia a impacto y tolerancia al daño del material com-
puesto, ası́ como su resistencia al medio de servicio
• Determina la procesabilidad y la temperatura máxima a servicio del material compues-
to (temperatura vı́trea con/sin humedad)
48
8.3. Preguntas Largas
1. Justificación matemática de esfuerzos residuales de curado en laminados UD y laminados
generales
En la lámina UD, hay deformaciones térmicas, pero no se generan esfuerzos.
$
&
%
εL
εT
γLT
,
.
-
=
$
&
%
αL
αT
0
,
.
-
∆T donde
αL „ ´0,4ˆ 10´6
αT „ 30ˆ 10´6 en CFRP
En laminados generales:
"
N
M
*
=
"
A B
B D
* "
ε0
k
*
´
"
Nt
Mt
*
donde
"
N
M
*
son cargas externas.
La deformación de cada lámina en ejes generales es:
$
&
%
εx
εy
γxy
,
.
-
= tε0u+ ztku
Las componentes de la otra matriz serán:
A =
ÿ
Qiti
B =
ÿ
Qitizi
D =
ÿ
Qitiz2i
donde la matriz B es nula en laminados
simétricos
Y por último:
Nt =
ÿ
T(θi)
$
&
%
αL
αT
0
,
.
-
ti∆T
Mt =
ÿ
T(θi)
$
&
%
αL
αT
0
,
.
-
tizi∆T
donde la matriz Mt es nula en laminados
simétricos
En un laminado general, aunque
"
N
M
*
= 0, como Nt ‰ 0 va a haber ε0 (alargamiento del
plano medio), y también habrá curvatura k si el laminado es no simétrico.
Fı́sicamente, lo que ocurre es que las láminas se quieren dilatar más en la dirección transver-
sal que longitudinal pero por ser laminado las deformaciones deben ser continuas.
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2. Fibras para materiales compuestos. Comparar caracterı́sticas
Material E (GPa) ρ (g/cm3) S (MPa) Coste
Vidrio 70 2,5 3000 bajo 3AC/kg
Carbono HS 200 - 270 1,8
Alargamiento
a rotura 1,5 %
Alto
Carbono IM 270 - 340
Carbono HM 340 - 400
Carbono UHM ą 400 1,9 Muy alto
Kevlar 49 130 1,4
Spectra (UHM WPE) 80 0,95
Cerámicas (CSi, B. . . ) No tienen mejores propiedades que las de carbono.Sólo se emplean por su baja reactividad.
3. Matrices metálicas y cerámicas. Interés y dificultades
Las propiedades de los materiales compuestos son las de la fibra, la matriz sólo está para
mantener la fibra en su sitio y por adhesividad.
Los MMC y CMC sólo tienen interés para altas temperaturas de servicio
Principales dificultades:
• Procesabilidad. La alta tensión superficial del metal fundido impide la humectación. Se
hará por sinterización o por slurry de fibra corta
• Reacción fibra-matriz. Hay que evitarlo para no debilitar la fibra (las fibras de C se
protegen con una capa de CSi)
Como matrices metálicas se han utilizado Al y Ti, se consigue aumentar la temperatura máxi-
ma de servicio al reducir la fluencia, pero también se pierde la tenacidad.
Como matrices cerámicas se emplean
- C/C Ý hasta 3000 ˝C en atmósfera no oxidante
- SiC/ SiC Ý hasta 1500 ˝C en atmósfera no oxidante
4. Explicar las técnicas de fabricación con preimpregnados, indicando ejemplos de estructuras
aeronáuticas representativas fabricadas con cada una de ellas [2pt]
La fabricación mediante preimpregnados se basa en la pegajosidad del material (Tacking), ya
que las estructuras de material compuesto se fabrican apilando capas de laminado una sobre
otra, y para formar la preforma es necesario que cada capa quede adherida a la anterior. Las
usadas en la industria aeronáutica son el apilado manual, ATL, el FP, y en menor medida, el
Filament Winding.
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Apilado manual - Lay-up manual
En la sala limpia, el material compuesto (cinta unidireccional o tejido preimpregnado) se
corta en patrones, bien de forma manual, bien por una maquina de corte automática (similar
a las utilizadas en la industria textil, sólo que con una velocidad de corte ultrasónica). Ası́,
después de cortar los kits de patrones, los operarios apilarán los patrones en orden, pudiendo
guiarse con proyecciones Láser. Además, se realizarán bolsas de compactación cada 6 capas
para favorecer la extracción de volátiles y la compactación. Los rollos de material para el
corte de patrones serán de 500 mm a 1000 mm de ancho.
El apilado manual permite la fabricación de estructuras de geometrı́a tanto simple como
compleja (doble curvatura) con una inversión inicial moderada, con la enorme limitación de
que es difı́cil de implementar en piezas de gran tamaño (Max 6 m2 aprox). Además la fabri-
cación manual implica un alto porcentaje de material desaprovechado (Scrap), alrededor del
30 %. Las tolerancias de posicionamiento son inferiores al mm.
Ejemplo: Cuaderna A320
Apilado automático - ATL
Una máquina de ATL consiste en un pórtico con un cabezal que permite desplazarse en
3 direcciones, además de un giro sobre su eje. En el cabezal se monta un rollo de cinta uni-
direccional preimpregnada de 150 mm a 300 mm de ancho, de tal forma que el material es
apilado siguiendo las orientaciones requeridas en los planos mediante un rodillo del cabezal.
Al contrario que en el apilado manual, donde se cortaban previamente los patrones, el corte
se realiza en el mismo cabezal.
Esta técnica permite fabricar piezas de grandes dimensiones ya que la alta velocidad de api-
lado del material permite altas cadencias de fabricación, aunque el apilado solo es posible en
superficies planas o de poca curvatura. Esto permite la fabricación de geometrı́as complejas
mediante el empleo de otras técnicas como el conformado en caliente. La inversión inicial de
la máquina es alta, de alrededor de $1,5 M. Las tolerancias de posicionamiento son del orden
de 2 mm.
Ejemplo: Superficies sustentadoras (revestimiento ala o estabilizador horizontal y vertical)
Fiber Placement