Contribución a la comprensión y mejora de los procesos de inyección de resina para la fabricación de componentes aeronáuticos de geometría compleja en composite

Abstract

To overcome the challenges coming from environmental impacts has been a priority for the aeronautical sector in the past years, with a special focus on reducing CO2 emissions. The fibre-reinforced polymers (FRP) are interesting candidates, since using them may reduce the weight from 4% to 8% of large dimension commercial aircrafts. Nowadays the aeronautic industry indeed uses composites and, the application on designing large dimension complex structures is emerging. The autoclave process is the technology used by default, considering the process high repeatability and the high mechanical properties obtained in the final resultant part. However, replacing this process with more sustainable ones like Liquid Composite Moulding (LCM), is desirable and is happening gradually. The autoclave process applies high temperature and pressure which lead to high energetic consumption, the raw material needs to be kept cold and has a high cost. Resin Transfer Moulding (RTM) and Vacuum Infusion are the most mature injection technologies currently on the market. However, the quality parameters of these processes are slightly lower than those required in the aeronautical sector. The fibre volumetric fraction in infusion is between 45 and 55% and in RTM it is between 55 and 60%, and the required value is greater than or equal to 60%. Something similar occurs with the porosity, whose requirement is less than or equal to 2%. Moreover, the low drapeability of dry fabric causes some resistance when adapting it to the part geometry, especially in curved areas. It is in these areas where the so-called ply bridging is formed; a low-pressure zone is prone to the formation of lacks of resin, which weakens the structure mechanics

Donar resposta als desafiaments mediambientals s'ha convertit en els últims anys en una prioritat per al sector aeronàutic, especialment reduir les emissions de CO₂. Els compòsits consistents en polímers reforçats amb fibres contínues (FRP) són candidats interessants, ja que el seu ús pot permetre un estalvi de pes entre el 4% i 8% en avions comercials de grans dimensions. La indústria aeronàutica ja es beneficia dels compòsits i, cada vegada més estan irrompent en el disseny d'estructures complexes i de grans dimensions. El procés d'autoclau és la tecnologia de fabricació per excel·lència, per l'elevada repetibilitat de procés i les elevades propietats mecàniques en la peça final. No obstant això, el seu reemplaçament per processos més sostenibles, com ara els processos d'injecció de resina (LCM), és desitjable i va succeint gradualment. L'autoclau empra temperatures i pressions elevades, la qual cosa provoca un elevat consum energètic, a més de la necessitat d'emmagatzemar en fred la matèria primera i l'elevat cost d'aquesta. El moldeig per transferència de resina (RTM) i la infusió per buit són les tecnologies d'injecció de major maduresa disponibles actualment en el mercat. Per contra, els paràmetres de qualitat d'aquests processos són lleugerament inferiors als requerits pel sector aeronàutic. La fracció volumètrica de fibra en infusió és d'un 45 - 55% i en RTM d'un 55 - 60%, sent el valor requerit igual o major a un 60%. Una cosa similar ocorre amb la porositat, el requisit de la qual és igual o inferior al 2%. A més, la baixa drapabilitat del teixit sec dificulta la seva adaptació a la geometria de la peça, especialment en les zones corbes. És en aquestes on es forma el denominat ply bridging o “ponteig de làmines”; una regió de baixa pressió procliu a la formació de cúmuls de resina, que afebleixen mecànicament l'estructura