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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/scie
nce/book/9780750677578
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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.

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INTRODUCCIÓN
Los composites no son materiales homogéneos ni
isótropos
Problemas en la unión dependiendo del tipo de
material y su estado, método de unión y geometría
de la unión

• 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

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INTRODUCCIÓN
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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

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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
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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.
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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
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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

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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

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TENSIONES DE FRACTURA EN LAS UNIONES MECÁNICAS

• FRACTURA EN CIZALLADURA (SHEAR-OUT)

• Ps carga 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.

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TENSIONES DE FRACTURA EN LAS UNIONES MECÁNICAS

• FRACTURA POR BEARING

• Pb carga 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

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TENSIONES DE FRACTURA EN LAS UNIONES MECÁNICAS

• FRACTURA POR FRAGMENTACIÓN (cleavage)

• 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.

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
  1ltd/tlt3
• Si d/t ltlt o tgtgt, el perno o remache se puede
  doblar
• Si d/tgtgt o tltlt, la placa puede producir el corte
  del elemento

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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.
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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.
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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
• Dgt4d en general y para composites CFRP y GFRP
• Dgt6d 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

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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

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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

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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
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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

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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.

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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

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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
Criterio de fallo La tensión límite es áquella
para la que se tiene todo el adhesivo deformado
plásticamente!
S ? 0

• 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.

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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.