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Por qué la eficiencia mecánica del prepreg unidireccional (UD) depende de la dirección de la tensión:
Distribución de carga anisotrópica en prepreg unidireccional (UD):
Las fibras continuas de carbono y una matriz polimérica son los ingredientes principales del prepreg. Mientras que las fibras permiten que el prepreg tenga una resistencia a la tracción y rigidez muy elevadas en la dirección de las fibras, este pierde gran parte de su resistencia cuando las cargas se aplican perpendicularmente a dicha dirección. Cuando las cargas se aplican en la dirección de las fibras, la pérdida de resistencia a lo largo de dicha dirección es menos preocupante. Sin embargo, cuando las cargas se aplican perpendicularmente a las fibras, la matriz del prepreg pierde una gran cantidad de resistencia, lo que provoca su fallo y conduce a grietas y deslamination. No obstante, se observa una gran concentración de tensiones en la matriz del prepreg incluso cuando las cargas se aplican con una desviación de tan solo 5° respecto al eje de las fibras, y con una desviación de 15°, la matriz del prepreg pierde más del 40 % de su resistencia. Este comportamiento extremadamente anisotrópico depende de la alineación de la carga respecto a la dirección de las fibras. Por tanto, en gran medida, la selección del diseño y el rendimiento estructural dependen de la alineación de las fibras y de la dirección de las cargas principales.
La regla de las mezclas explica la resistencia máxima que puede alcanzar un material compuesto. La precisión de la regla de las mezclas depende del alineamiento de las fibras con respecto a la dirección de la tensión. En la mayoría de los casos, el ángulo de alineamiento es tan pequeño que se aprovecha únicamente una fracción reducida del potencial resistente de las fibras. La regla de las mezclas permite explicar los resultados negativos observados en compuestos con un alineamiento deficiente entre fibra y matriz, debido al factor de alineamiento.
Un alineamiento casi perfecto, con un ángulo mínimo de 0°, puede lograr la resistencia teórica de la combinación fibra-matriz. Sin embargo, con un alineamiento deficiente, como por ejemplo de 10°, el potencial resistente se reduce drásticamente, y la utilización de la resistencia de la fibra no superará el 70 %. Estudios han demostrado que, en compuestos con alineamiento de fibras subóptimo —por ejemplo, aquellos cuya utilización de la resistencia de la fibra es inferior al 30 %— se producen fallos de la matriz tanto por cortante como por tracción. Un alineamiento deficiente puede provocar diversas pérdidas de resistencia en la fibra, tales como pandeo y deslaminación.
El potencial de resistencia del prepreg unidireccional (UD) está muy subestimado y puede tener un impacto significativo en el comportamiento estructural. Las pruebas han demostrado que las capas compuestas con prepreg UD alineadas con el mayor porcentaje de tensión presentan un 32 % más de resistencia que aquellas con estratificación convencional y material compuesto. El hecho de colocar el prepreg UD en el lugar adecuado y en el momento adecuado tiene el mayor impacto en el rendimiento. Los modernos sistemas automatizados de colocación permiten una colocación precisa de las fibras en cada capa de prepreg UD. Cada capa se coloca basándose en los datos más recientes de deformación. El prepreg UD se alinea con los sistemas de respuesta más inteligentes.
Estrategias para el diseño óptimo final de la alineación del prepreg con los campos de tensión
Automatización de la colocación de fibras (AFP) mediante manipulación del tensor de tensiones
Mediante sistemas AFP, las cintas de prepreg unidireccionales se guían a lo largo de las trayectorias de los esfuerzos principales durante el proceso de colocación, ya que dichos sistemas mapean en tiempo real los parámetros S de los esfuerzos principales mediante análisis por elementos finitos (AEF). Los sistemas AFP optimizan las orientaciones de las fibras con una resolución de ±0,1°, reduciendo así el margen de error en la alineación de los haces de fibra a lo largo de las trayectorias óptimas de carga. Logran una optimización en tiempo real de los haces de fibra incluso sobre geometrías potencialmente complejas, lo que supone una reducción del 29 % en el desperdicio de materiales prepreg. Este beneficio del sistema queda aún más validado, dado que se ha demostrado que la alineación de esfuerzos guiada por AFP mejora en un 31 % la rigidez frente a la obtenida con automatizaciones cuasi-isotrópicas (QI) aplicadas al mismo diseño del prototipo de larguero de ala de avión.
Diseños de Prepreg con Rendimiento Equilibrado
Los diseños de prepreg de rendimiento equilibrado son aquellos que establecen un equilibrio mediante prepreg unidireccional (UD) a base de estireno dispuesto transversalmente. Este equilibrio sigue las curvas geométricas que recorren la menor distancia posible sobre dichas curvas en el molde. Estos sistemas de prepreg, que combinan prepreg UD a base de estireno con tejidos transversales, eliminan las discontinuidades por puenteo. Estos sistemas híbridos de prepreg ofrecen una ventaja para los sistemas estructurales sometidos a cargas cuando se implementan en moldes con importantes discontinuidades geométricas.
Validación del alineamiento del prepreg unidireccional (UD): de la simulación a los resultados estructurales en el mundo real
Estudio de caso: mejora del 32 % en la resistencia a tracción de un larguero de ala aeroespacial mediante prepreg UD alineado según tensiones
El proyecto aeroespacial más reciente puso de manifiesto el valor de la alineación de prepregs unidireccionales (UD) guiada por simulación para trasladar la eficiencia teórica a beneficios estructurales validados en campo. La primera tarea de los ingenieros consistió en diseñar un análisis por elementos finitos (FEA) de alta fidelidad y mapear los tensores de tensión operacionales en el larguero del ala, con el fin de determinar dónde atravesarían la mayor parte de las cargas de tracción y cortante. La siguiente tarea fue utilizar la colocación automática de fibras (AFP) para aplicar las cintas de prepreg unidireccional dentro de una tolerancia de ±3° respecto a las direcciones de carga críticas identificadas. Esto representó un cambio en el diseño respecto a la disposición cuasi-isotrópica tradicional, que presentaba, en promedio, más de doce grados de desalineación en las secciones críticas. Las pruebas en condiciones reales confirmaron que el diseño alcanzaba más del 32 % de la resistencia última a la tracción, junto con un incremento del 41 % en la vida a la fatiga a 100 000 ciclos de fatiga. Dichas pruebas se vieron reforzadas y complementadas por la ausencia de deslamination interfacial, fenómeno que suele comprometer la alineación de la mayoría de los laminados. El objetivo del estudio es validar que las relaciones interfaciales entre el modelo computacional y la siguiente etapa —la colocación dirigida por tensiones de prepregs unidireccionales— poseen una elevada utilidad para potenciar las contribuciones interfaciales seleccionables.
Preguntas y Respuestas
1. ¿Qué es el prepreg UD?
El prepreg unidireccional (UD prepreg) es el resultado del refuerzo de carbono unidireccional (es decir, fibra de carbono), en el que la resina de la fibra está consolidada en la matriz y preimpregnada en el material compuesto.
2. ¿Qué tan crítica es la alineación de las fibras en el prepreg UD?
La alineación de las fibras es extremadamente crítica para lograr una mayor eficiencia mecánica, lo que también contribuye al control de la resistencia del material, además de proporcionarle máxima resistencia y refuerzo.
P3: ¿De qué manera mejora el prepreg UD el posicionamiento automático de fibras?
R3: El posicionamiento automático de fibras mejora la resistencia y el rendimiento gracias a una alineación optimizada con las trayectorias de carga, lo que reduce los residuos y mejora el rendimiento. Esto se logra mediante la cartografía en tiempo real del tensor de tensiones.
P4: ¿Puede explicar la regla de las mezclas?
A4: La regla de las mezclas es una metodología que describe la resistencia de los materiales compuestos y depende en gran medida del grado en que las fibras se alinean directamente con la dirección de la tensión.
P5: En la fabricación de materiales compuestos, ¿qué significa prepreg UD híbrido?
A5: En la fabricación de materiales compuestos, prepreg UD híbrido implica el uso de prepreg UD junto con tejidos bi- o triaxiales para mejorar la capacidad de fabricación y lograr un control más preciso de la resistencia direccional, especialmente en formas complejas o curvas.