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“Fabricación de

estructuras integradas en

CFRP basadas en fibra

R. Mezzacasa, Tecnalia

Jornada

El Futuro de la fabricación de materiales

compuestos

5 de Junio, 2014

Bilbao, BIEMH 2014

INDICE:

"Fabricación de estructuras integradas en CFRP

basadas en fibra seca"

1.- Perspectivas generales de los composites y de aplicaciones

estructurales en CFRP en particular. Estructuras integradas

2.- Líneas de trabajo de Tecnalia en general y en particular en relación a

las estructuras integradas (OOA)

3.- Preformas 3D integradas para estructuras aeronáuticas rigidificadas

fabricadas mediante Infusión. Proyecto APRIL • Preformado de tejidos secos con binders mediante hot forming

• Diferentes tipos de binders y propiedades

• Desarrollo y fabricación de demostrador

4.- Conclusiones y trabajo futuro

1.- Perspectivas generales de los composites y de aplicaciones estructurales en CFRP en

particular. Estructuras integradas

Auto: irrupción de los composites, vehículos eléctricos, necesidad de aligeramiento

Aero: nuevos programas, mayor producción

Otros: crecimiento del sector eólico offshore

1. Necesidad de industrialización/ optimización/ automatización de las tecnologías de

fabricación de composites. Procesos fuera de autoclave (RTM, Infusion, etc)

2. Aprovechar las posibilidades de los composites para maximizar la Integración de

funciones (estructura altamente integradas) para reducir las operaciones de uniones

(uniones adhesivas, operaciones de taladrado y remachado, etc) y su coste asociado

Fuente JEC

Ejemplo relevante: nuevos vehículos eléctricos Megacity Vehicle (MCV; i3-i8) Apuesta agresiva e intensiva de BMW por implementar la fibra de carbono

BMW i3 es el primer vehículo de 30.000 unidades / año con un uso muy intensivo de CFRP. Ejemplo de necesidad de optimización de procesos y de alta integración

Perspectiva de los COMPOSITES en AUTOMOCION: El caso de BMW

Fuente: Toray

Perspectiva de los COMPOSITES. Ejemplos AERO

Ref.: AIRBUS (122

AEROSPACEMANUFACTURING)

Necesidad de optimización de procesos y de alta integración:

oportunidad para los composites

(soluciones en prepreg)

Ref.: BOEING/ NLR

Ref.: RADIUS

2.- Líneas de trabajo de Tecnalia en general y en particular en relación a las

estructuras integradas: OOA

Automated

cutting

Automated

manipulation

lamination

Soluciones de proceso optimizados en fibra seca:

• tiempo de ciclo: 5-10 min (para auto)

• alto nivel de integración

Fast/ Efficient/

Self heated

tooling

Process simulation/

modeling and

optimization/ control/

monitoring

Automated

preforming Fast heating, filling

and curing

Thermoplastic

Thermoset

or net shape

from roving

Preform

integration

FABRICACION de estructuras de CFRP altamente integradas (en fibra seca, OOA)

(Resin Transfer

moulding)

PREFORMADO 3D

ESTRUCTURA

ALTAMENTE

INTEGRADA +

Tecnologías

textiles (stitching)

Hot forming (con binders)

Preformas altamente integradas basadas en tecnologías textiles

Highly integrated

Preforms

Textile

Technologies

Braiding

3D weaving

Stitching

estructuras integradas

Preformas altamente integradas basadas en stitching

STITCHING

Ref.: IFB

Preformas altamente integradas basadas en stitching

Ref.: PRSEUS (NASA)

Ref.: LATECOERE

Ref.: Cranfield

estructuras integradas Preformas altamente integradas basadas en stitching (Tecnalia)

Preformas altamente integradas basadas en stitching (Tecnalia)

Mejora del 20% en la resistencia después de

impacto y disminución del área delaminada y de la

profundidad del daño

Mejora de más de un 200% en la Tenacidad a la Fractura según Modo I (J/ m2)

Aumento de absorción de energía del

20% en impactos de balística

HOT FORMING

CONCEPTO DE PROCESO: • GENERACIÓN DE PREFORMAS POR COMPACTACIÓN (VACÍO CON UNA MEMBRANA FLEXIBLE) Y

TEMPERATURA • NECESIDAD DE USO DE BINDERS (ligantes) EN LOS TEJIDOS SECOS

Heated vacuum table (Tecnalia) Omega stringer preform (Tecnalia)

Preformas altamente integradas basadas en hot forming

Ref.: Premium Aerotec (Puerta del A 400M fabricada por infusión con rigidificadores en omega integrados)

fabricadas mediante Infusión. Proyecto APRIL

Stitching

Binder,

thermal

activation

Multiaxial,

Braiding

Binder

(powder &

veils)

Preform processes: Materials:

Binder,

ultrasonic

activation

HOT FORMING

Binder materials:

Binder materials

Fabrics with

binder Veils Powder Yarns

Thermoplastic/

reversible

(Ref 1)

Thermoset

(Ref 2)

Thermoplastic veil

(Ref 4)

Thermoplastic

powder

Thermoplastic

(Ref 5)

temperature

(Ref 3)

Binder materials/ pruebas preliminares de preformado/ compactación:

temperature

(Ref 3)

Thermoplastic/

reversible

(Ref 1)

Thermoset

(Ref 2)

Thermoplastic veil

(Ref 4)

Binder materials:

Reduction of ILSS values: Hot-wet-treatment (1 week storage in 90°C distilled water)

RT: Room temperature without hot-wet treatment

Fabric with Thermoset

binder (Ref 2)

RT Hot-wet

Binder materials: Comparison of hot wet tests

Reduction of ILSS values after hot-wet-treatment (1 week storage in 90°C distilled water)

Fabric with

Thermoset

binder

(Ref 2)

Fabric with

Thermoplastic/

reversible binder

(Ref 1)

Thermoplastic

veil (Ref 4)

Thermoplastic

(Ref 5)

temperature

(Ref 3)

Binders

selected

Preforming process based on hot forming/ binders:

• 1st step: “T ”Stringers preforming:

• 2nd step: Skins preforming

• 3rd step: Integration of both preforms

Heated vacuum table Tecnalia

Preforming process based on hot forming/ binders: 1st step: “T ”Stringers

preforming

T-shape stringers reinforced skin preforms manufactured by TECNALIA

3rd step: Integration of both preforms(stringers+skin)

T-shape stringers reinforced skin preform resin infused by IAI

4.- Conclusiones (hot forming the preformas integradas)

• Hay diferentes binders disponibles con diferentes formulaciones. Algunos

para fijación y procesos de preformado, otros para mejora de propiedades

de la matriz (por ej. la tenacidad a la fractura/ impacto)

• Los binders pueden tener una influencia importante en las propiedades

mecánicas. Especialmente aquellas dependientes de la resina como la

resistencia a cortadura interlaminar, propiedades de compresión o

resistencia a impacto, que deben de ser analizadas desde la fase inicial.

• Para aplicaciones aeronáuticas, un contenido típico de binder puede estar

alrededor de un 2% aprox. respecto al peso del laminado

• Con respecto al proceso de infusión, hay que tener en cuenta que una

preforma muy compactada puede reducir la permeabilidad del tejido

• Existen diferentes métodos de activación y muchos de ellos basados en

tecnologías de calentamiento como infrarrojos o utillajes calefactados

• Una activación del binder eficiente, rápida y selectiva, puede conseguirse

con nuevos métodos basados en ultrasonidos o calentamiento resistivo

4.- Trabajo futuro

Automation potential of hot forming

integrated preforms in the different

process steps:

4.- Trabajo futuro

Automated hot forming preforming process solution (in progress)

Simulation of automated omega

stringer preforming and

integration (Tecnalia)

Contacto:

Ricardo Mezzacasa: ricardo.mezzacasa@tecnalia.com

¡MUCHAS GRACIAS!

Tecnalia copyright

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