INTRODUCCIÓN UNIONES MECÁNICAS Tipos de uniones Modos de carga Modos de fractura Bearing strength Uniones con múltiple a

1. UNIÓN Y “ENSAMBLAJE” DE COMPOSITES • INTRODUCCIÓN • UNIONES MECÁNICAS • Tipos de uniones • Modos de carga • Modos de fractura • Bearing strength • Uniones con múltiple agujeros • BONDING • Tipos de bonding • Modos de fractura • Características de las uniones adhesivas BIBLIOGRAFÍA: Joining of Materials and Structures: From Pragmatic Process to Enabling Technology Robert W. Messler, Jr. http://www.sciencedirect.com/science/book/9780750677578

2. INTRODUCCIÓN • La unión o ensamblaje de piezas y componentes hechos de composites es un proceso crítico en la fabricación y montaje de estructuras. • Es una técnica muy antigua y existe una gran variedad de métodos.

3. INTRODUCCIÓN Los composites no son materiales homogéneos ni isótropos UNIÓN MECÁNICA (Fastening) pernos, remaches, tornillos, pinzas, ….. • Ventajas: • Rapidez (no se necesita preparación de las superficies) • Permite montar, desmontar, inspeccionar, reparar, transportar, …sin daño • Inconvenientes: • Daño introducido por el mecanizado y taladro, que debilita la estructura • Concentracción de tensiones residuales entorno a los puntos de sujección • Pueden requerir refuerzos locales para prevenir el efecto de la concentración de tensiones • Corrosión galvánica en el caso de usar materiales de distintos potenciales electroquímico • No son impermeables • Aumentan el peso Problemas en la unión dependiendo del tipo de material y su estado, método de unión y geometría de la unión

4. INTRODUCCIÓN

5. INTRODUCCIÓN ADHESIÓN (Bonding) adhesivos, disolventes, termo-soldadura….. • Ventajas: • No causan concentración de tensiones • No aumenta el peso • Inconvenientes: • Requiere preparación adecuada de las superficies y salas límpias • Largos ciclos de curado • Inspección exhaustiva de la unión mediante ultrasonidos • Residuos indeseables • No se puede desmontar sin daño

6. UNIONES MECÁNICAS Factores que establecen su comportamiento: • Materiales que se ponen en unión • Configuración de la unión y sus parámetros geométricos • Tipo de elemento de sujeción (perno, remache, tornillo, grapa, …) • Tamaño y holgura del taladro (agujero pasante, rosca, ….) • Fuerza de agarre o sujeción (clamping force) Configuraciones típicas de uniones mecánicas y adhesivas

7. Clamping force Bearing forces TIPOS DE UNIÓN MECÁNICA Según la fuerza que actúa sobre la unión: • Cargadas en cizalladura (shear-loaded joint) • Single and double shear-loaded • Friction-type shear-loaded • Bearing-type shear-loaded • Cargadas en tracción/compresión Fuerza del perno actuando para soportar fuerzas cizalladura (perpendiculares a su eje) y de tracción (paralelas), o su combinación La transferencia de carga en la unión se realiza mediante las fuerzas de cizalladura ejercidas sobre los elementos de sujeción (perno, remache, ...) por el contacto entre las placas y el elemento, y las fuerzas de rozamiento desarrolladas en la superficie de contacto entre las placas de los materiales que se ponen en unión.

8. w e d Tensión Cizalladura Bearing Fragmentación MODOS DE FRACTURA DE LA UNIÓN MECÁNICA • FALLO DEL ELEMENTO DE UNIÓN POR: • Cizalladura • Flexión • FALLO DE LOS MATERIALES DE LA UNIÓN POR: Tracción Cizalladura Bearing Fragmentación Modos de fractura de las uniones mecánicas

9. MODOS DE FRACTURA DE LA UNIÓN MECÁNICA • El modo de fractura depende de: • Tipo de unión • Geometría • Factores geométricos: relaciones geométricas entre diámetro o posición del taladro y las dimensiones de las placas, anchura y espesor

10. w Pt TENSIONES DE FRACTURA EN LAS UNIONES MECÁNICAS • FRACTURA EN TRACCIÓN • Pt carga a la que se produce la fractura • t espesor de la placa • se define la resistencia de la unión a la tracción por la tensión: d • ¡¡El espesor de las placas es el parámetro geométrico que más influye!! • no debe sobrepasar el yield strength de las placas

11. Ps t e d TENSIONES DE FRACTURA EN LAS UNIONES MECÁNICAS • FRACTURA EN CIZALLADURA (SHEAR-OUT) • Pscarga a la que se produce la fractura • t espesor de la placa • se define la resistencia de la unión a shear-out por: • ¡¡Para unos composites placas de espesor y resistencia determinados la carga que resiste la unión depende es proporcional a la distancia del taladro a borde!! • La distancia típica es e4d • Los composites reforzados con fibras unidireccionales tienen una resistencia de cizalladura baja, por tanto el efecto de la distancia e es crítico cuando la dirección de carga es paralela a las fibras • Las fibras deberían estar orientadas 45º respecto a dirección de carga.

12. t d Pb TENSIONES DE FRACTURA EN LAS UNIONES MECÁNICAS • FRACTURA POR BEARING • Pbcarga a la que se produce la fractura • t espesor de la placa • se define la resistencia al bearing como la carga máxima que puede soportar la unión sin daño de tipo bearing dividida por el area efectiva de soporte: • ¡¡En composites el bearing strength es mayor que su resitencia mecánica en compresión!! • Este es el modo deseado de fractura de las uniones porque es el único que no es catastrófico • El bearing strength de la unión reside en la capacidad del material de la placa de soportar la tensión ejercida por el perno sobre la superficie efectiva de contacto entre el perno y la placa

13. TENSIONES DE FRACTURA EN LAS UNIONES MECÁNICAS • Si se produce es indicio de que hay pandeo en la unión • Las cargas no actúan sobre la unión en la forma adecuada • La tensión que soporta la unión no se puede describir adecuadamente mediante una ecuación. • FRACTURA POR FRAGMENTACIÓN (cleavage) CRITERIOS EN EL DISEÑO DE UNIONES MECÁNICAS: • Las uniones se diseñan para que en caso de rotura lo hagan de forma no catastrófica, es decir por “bearing” • La resistencias de la uniones se dan por su “bearing strength” • Se debe prevenir la fractura del elemento de sujeción. Se usa el criterio de que la relación diámetro del elemento/espesor de la lámina sea 1<d/t<3 Si d/t << o t>>, el perno o remache se puede doblar Si d/t>> o t<<, la placa puede producir el corte del elemento

14. Carbon XAS-epoxy (CFRP) Vf=0.6 Carbon XAS-epoxy (CFRP) Vf=0.6 Fractura bearing E-glass-epoxy (GFRP) Vf=0.6 E-glass-epoxy (GFRP) Vf=0.6 Joint Strength (MPa) Joint Strength (MPa) Fractura bearing Fractura bearing Fractura en tracción Fractura en shear-out w/d e/d EFECTO DE LOS PARÁMETROS GEOMÉTRICOS SOBRE LA RESISTENCIA DE LAS UNIONES Si aplica los criterios geométrico relativos a espesor y anchura de las láminas, diámetro del taladro, y distancia al borde, diámetro del elemento de sujección en relación al espesor de la lámina, para prevenir la fractura catastrófica de la unión y el fallo del elemento de sujeción, la rotura de la unión debe ser por bearing. El bearing strength nos da la resistencia máxima de la unión Variación de la resistencia de las uniones con sus relaciones geométricas/Determinación del “bearing strength” de la unión.

15. COMPARACIÓN DE LAS RESISTENCIAS DE LAS UNIONES ENTRE METALES Y ENTRE COMPOSITES (MPa)/(Mg/m3) Las uniones mecánicas entre CFRP pueden llegar a ser más resistentes que las realizadas entre acero. En cualquier caso, la resistencia específica de la unión entre composites suele ser mucho más fuerte.

16. d e>2d D>4d d D e>2d UNIONES CON MULTIPLES AGUJEROS Por lo general las uniones constan de varios elementos de sujeción con sus correspondientes agujeros. La disposición de los agujeros en línea es lo normal • CONFIGURACIÓN EN LÍNEA NORMAL A LA CARGA Las características de la unión se determina a partir de la correspondiente a la unión de un único con tal que: • D>4d en general y para composites CFRP y GFRP • D>6d en el caso de GRP(WR) • CONFIGURACIÓN EN LÍNEA PARALELA A LA CARGA En esta configuración dificilmente se mejora las características de la unión de un único agujero

17. ANÁLISIS TEÓRICO DE LAS UNIONES MECÁNICAS • Este tipo de unión se ha tratado muy poco mediante modelos teóricos debido al hecho de que las fuerzas de fricción tienen un papel muy importante y son muy difíciles de describir matemáticamente de forma realista • Los modelos se se han usados se basan en la Teoría Clásica de Elasticidad, y en métodos de Elementos Finitos

18. BONDING MÉTODOS MAS USADOS: • Mediante adhesivos • Pegando las placas mediante un adhesivo adecuado • Realizando la unión durante el proceso de fabricación del componente usando como adhesivo la misma resina de la matriz del composite y realizando el curado de las placas y de la unión al mismo tiempo (co-curado) • Mediante disolventes (aplicado a PMCs termoplásticos) • Las superficies a unir se tratan con un disolvente que reblandece el composite • Las superficies a unir se ponen en contacto con presión aplicada para favorecer la difusión de las cadenas que forman el polímero • Se deja evaporar el disolvente formándose la unión • Soldadura (thermal bonding) aplicado a PMCs termoplásticos

19. THERMAL BONDING Técnicas de calentamiento usuales en el thermal bonding: a) aplicando barras metálicas calientes; b) mediante un chorro de gas caliente y aportando material termo-plástico a la unión; c) y d) aplicando corriente a elementos calefactores aplicados a la unión

20. Decohesiva Intralaminar MODOS DE FRACTURA DE LA UNIONES ADHESIVAS • Fractura en el adhesivo  Fractura cohesiva o decohesiva • Fracturas en el composite • Transversal • Intralaminar • De tracción • Defectos en el adhesivo que causan el fallo de la unión

21. CARACTERÍSTICAS DE LAS UNIONES ADHESIVAS • La máxima resistencia posible en estas uniones se alcanza minimizando las tensiones residuales al máximo y haciéndolas uniformes en toda la unión para evitar que localmente se sobrepase la tensión de fractura. • Modos de reducir y homogenizar las tensiones: • Usar placas idénticas • Si lo anterior no es posible, tratar de igualar los módulos elásticos de flexión de las placas • Usar un adhesivo con el menor módulo elástico posible • Cuando se trate de PMCs con sus superficies preparadas por peel-ply, orientar las fibras longitudinalmente a la unión. • Realizar la unión con el mayor solapamiento posible. • Los modelos teóricos que se aplican para predecir la resitencia de las uniones adhesivas han de tener en cuenta las tensiones residuales producidas por el curado y el efecto de la diferencia de CTE (Caso de uniones PMC/MMC), además de aplicar aproximaciones no lineales.

22. Unión resistente Adhesivo dúctil Unión débil Adhesivo duro y frágil Shear stress  Shear stress  f f Shear strain  Shear strain  CARACTERÍSTICAS DE LAS UNIONES ADHESIVAS • Análisis teóricos siguieren que en el caso de uniones de doble solapamiento, la resistencia viene establecida únicamente por la energía de deformación de la unión en cizalladura • La curva tensión-deformación de la unión en cizalladura, -, refleja la resistencia de la unión adhesiva. Las curvas - se aproximan a un comportamiento elasto-plástico; por encima del límite elástico el adhesivo se deforma sin aumento de tensión

23. y s Deformación elástica l t Adhesivo CRÍTERIOS DE DISEÑO EN LAS UNIONES ADHESIVAS Si la longitud de la unión, l, es suficiente larga, puede suceder que para una tensión aplicada justo por encima del límite elástico, que sería el yield stress, la deformación plástica iniciada en los extremos de la unión no haya alcanzado la región central. Allí el flow stress correspondiente estaría por bajo del aplicado • Para un espesor de placa dado, existe una longitud por encima de la cual no aumenta la resistencia de la unión. Ésta depende del material. • Para CFRP es l30t, en caso de uniones con solapamiento doble. Criterio de fallo: ¡La tensión límite es áquella para la que se tiene todo el adhesivo deformado plásticamente! S  0

24. CRÍTERIOS DE DISEÑO EN LAS UNIONES ADHESIVAS • El aumento de la capa de adhesivo induce aumento de la peel stress. Esto favorece la rotura de las placas en la dirección normal a la unión si el material tiene baja resistencia. • En las uniones de solapamiento simple las características del adhesivo tiene poca influencia en las caracterícas de la unión, a diferencia del caso de doble solapamiento. • Para uniones con solapamiento simple una resistencia buena se alcanza con l80t. • Las uniones en cuña proporcionan una distribución de tensiones de cizalla más uniforme. Lo contrario ocurre en las uniones solapadas. Por eso, las uniones en cuña son más resistentes que los otros tipos de uniones cuando se usan con adhesivos fuertes y frágiles.