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Departamento de Materiales y Producción Aeroespacial Materiales Compuestos, curso 2018-2019

Tema 1: Introducción a) Introducción a la asignatura de MtC – 3ºGIA (VA y CTA) b) Introducción a los materiales compuestos. c) Evolución de la aplicación de los materiales compuestos en la industria aeronáutica. d) Situación actual de la industria de los materiales compuestos en España y a nivel mundial.

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Tema 1: Introducción a) Introducción a la asignatura de MtC – 3ºGIA (VA y CTA) b) Introducción a los materiales compuestos. c) Evolución de la aplicación de los materiales compuestos en la industria aeronáutica. d) Situación actual de la industria de los materiales compuestos en España y a nivel mundial.

Departamento de Materiales y Producción Aeroespacial Materiales Compuestos, curso 2018-2019 Tema 1: Introducción

Departamento de Materiales y Producción Aeroespacial Materiales Compuestos, curso 2018-2019 Tema 1: Introducción

Unidad de Materiales Compuestos: Responsabilidades Docentes - GIA - Ciencia de los Materiales (2º curso) - Materiales Compuestos (3º curso CTA y VA) - TFG reglado en materiales compuestos - MUIA - Materiales y Producción Avanzados (1 curso) - TFM especiales (departamentos) - MUSE - Materiales de Uso Espacial - Caso de Estudio 1,2,3 - TFM

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Unidad de Materiales Compuestos: Investigación • Fiber Optic Sensors – – – –

FBG as strain, temperature, damage, Hydrogen sensor Distributed sensors based in Brillouin & Rayleigh effect RTM\VARTM cure and flow monitoring Sensor Integration in real structures

• Structural Health Monitoring (SHM) – – – – – –

SHM using FOS Composite patches for structural repairs Damage detection with PZT networks Structural Health Monitoring using hybrid system FBG/PZT SHM algorithms for locating and quantifying damage using La waves Acoustic Emission

• Smart Structures – – – –

Morphing Embedded System (sensors and actuators) Thermoplastic In Situ Consolidation Bio based composite materials

• Testing & Advance Simulation (Virtual Testing) – Material characterization of composite materials – Full scale mechanical testing of composite structures

• NDI&BIO

– Phase Array detection of internal wrinkles – Health sensors & Bio

Departamento de Materiales y Producción Aeroespacial Materiales Compuestos, curso 2018-2019 Tema 1: Introducción

TEMARIO

1er parcial 9 de Abril de 2019

2nd parcial 5 de Junio de 2019

Convocatoria extraordinaria 3 de Julio de 2019

Tema 1. INTRODUCCIÓN. Tema 2. FIBRAS Y MATRICES. Tema 3. TEORÍA DEL LAMINADO. Tema 4. DISEÑO DE UNIONES. REPARACIONES. Tema 5. PROCESOS DE FABRICACIÓN CON FIBRA SECA. Tema 6. PROCESOS DE FABRICACIÓN CON PREIMPREGNADOS Y AUTOCLAVE. Tema 7. UTILLAJE Y OPERACIONES AUXILIARES. Tema 8. CALIDAD-CERTIFICACIÓN. Tema 9. CALIDAD-ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS. Tema 10. COMPORTAMIENTO EN SERVICIO.

Práctica 1: ESACOMP Práctica 2: RTM Práctica 3: Fabricación con preimpregnados

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50% 1ª Parte Nota Final

75% Teoría 50% 2ª Parte 25% Práctica

Desarrollo y/o Test Desarrollo y/o Test

50% Cálculo de laminados (ESACOMP) 25% Modelización de llenado (RTM) 25% Laboratorio (PATENTE)

Evaluación -

Se puede compensar la nota entre cada una de las dos partes de la asignatura (1ª y 2º parcial) a partir de 4,0. En caso de que la evaluación sea mediante preguntas de tipo test y preguntas a desarrollar, estas últimas solo se corregirán siempre que la parte tipo test del examen sea evaluada por encima de 4,0. Se requiere al menos un 5,0 en teoría y prácticas para superar la asignatura

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Bibliografía - ALLAN BAKER, STUART DUTTON, DONALD KELLY. "Composite Materials for Aircraft Structures". Ed. AIAA Educational Series. EIBN 1-56347-540-5. - MICHAEL C.Y. NIU. "Composite Airframe Structures". Ed. Technical Book Company, Los Angeles, 1992. ISBN 9627128-06-6. - VARIOS AUTORES. "MIL Handbook17-3F Polymer Matrix Composites Vol4". Ed. U.S. Department of Defense Espacio MOODLE de la asignatura http://moodle.upm.es/

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Tema 1: Introducción a) Introducción a la asignatura de MtC – 3ºGIA (VA y CTA) b) Introducción a los materiales compuestos. c) Evolución de la aplicación de los materiales compuestos en la industria aeronáutica. d) Situación actual de la industria de los materiales compuestos en España y a nivel mundial.

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La disminución de peso lograda mediante aumentos de resistencia y rigidez específicas es el fundamental impulsor en el desarrollo de materiales para aeroestructuras. (mayor radio de acción, menores costes de combustible, mayor capacidad de carga útil, mejor maniobrabilidad, etc.)

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• Material compuesto (MIL-HDBK-17): combinación de materiales que difieren en composición o forma a escala macroscópica. Los constituyentes mantienen su identidad en el compuesto, es decir, no se disuelven o funden entre ellos aunque funcionan conjuntamente. Los componentes pueden identificarse físicamente y muestran una entrefase definida entre ellos. • Material mezcla: combinación macroscópica de un material de refuerzo y un material diferente que actúa como “ligante” del refuerzo o matriz, con una interfase diferenciada y reconocible entre ellos. Los constituyentes conservan su identidad química. • Fibra: Función reforzante. Las propiedades mecánicas del Material Compuesto serán proporcionales al volumen de fibra (Vf), y a las propiedades de la fibra. • Matriz: Función ligante. Obliga a la continuidad de deformaciones.

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FUNCIÓN DE LA MATRIZ EN MCMP Resistencia y rigidez de la matriz unos 2 órdenes de magnitud inferior a las de la fibra, luego, no puede desempeñar el papel de soportar cargas, pero su papel es fundamental: -

Mantiene a las fibras en su lugar y con su orientación. Transfiere las cargas hacia y entre las fibras Protege a las fibras de manejo y medio ambiente. Proporciona al material compuesto su capacidad de resistencia a cortadura. Proporciona resistencia al crecimiento de grietas. Suele determinar las limitaciones térmicas del material compuesto. Controla la resistencia al medio ambiente del material compuesto. Condiciona el proceso de fabricación en gran medida.

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Las propiedades del material compuesto dependen, esencialmente, de: - Las propiedades de los constituyentes. - La fracción volumétrica del refuerzo. - Geometría y tamaño del refuerzo. - Homogeneidad de la mezcla (de la distribución del refuerzo). - Forma en que los constituyentes interactúan entre sí. Siempre existe una “entrecara” entre las fases constituyentes. Para que el material compuesto funcione adecuadamente, las fases deben estar “unidas” (continuidad estructural) a lo largo de la entrecara. En ocasiones entre los constituyentes aparece un nuevo constituyente o “interfase” que puede haber sido añadido para lograr una adecuada unión entre constituyentes o ser consecuencia de la interacción química parcial entre ellos (por ej. disolución local de los constituyentes).

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- Plásticos reforzados: Suele referirse a termoestables o termoplásticos que incorporan fibra corta de vidrio, con propiedades cuasi-isótropas. - Materiales Compuestos Avanzados: Reforzados por fibras continuas de altas características; típicamente anisótropos (laminados).

Carbono/epoxi

Kevlar/epoxi

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Vidrio/epoxi

Tejido plano de fibra de vidrio

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Boro+grafito/epoxi

C/SiC

SiC/SiN SiC/aluminio

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COSTES ASUMIBLES

EFICIENCIA ESTRUCTURAL DURACIÓN

SEGURIDAD

MATERIAL PARA AEROESTRUCTURAS

-

Elevada rigidez y/o resistencia específicas. Disponibilidad. Coste asumible (adquisición y operativo). Niveles de seguridad garantizados/conocidos. Adecuada tolerancia al daño. Resistencia a fatiga.

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VENTAJAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS: -

Resistencia y rigidez especificas elevadas Buen comportamiento a fatiga Elevado amortiguamiento estructural Insensibilidad a corrosión Menos operaciones de integración Facilidad de encolados estructurales. Obtención fácil de formas complejas Expansión térmica baja o nula Características “STEALTH”. Diseño “a medida” Menor desperdicio de material ¿ANISOTROPÍA?

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LIMITACIONES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS: -

Precio relativamente elevado. Escasez de reglas de diseño “estándar”. Sensibilidad a efectos medioambientales. (vacío, humedad, temperatura, radiación, etc.). Dificultades de reparación. Remachado. Baja resistencia interlaminar y a impacto. Carencias de conocimiento en algunos aspectos de su comportamiento. Consideraciones medioambientales (reciclado, restos de accidentes, etc.). Procedimientos de fabricación complejos, costosos de controlar y que pueden requerir ambientes especiales y equipamientos caros y complicados. Métodos de IND todavía poco costo-eficaces. Ausencia de deformación plástica permanente (baja ductilidad). Carencia de apantallamiento EM.

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FIBRAS

Resistencia específica (MPa·kg-1·m3)

3500 T-40 3000

66.000 Spectra 1000

IM7

Grafito

Kevlar 49 2500

Kevlar 149 AS4

2000

T-300 Vidrio-S

1500 Vidrio-E SiC

Nicalon

P100

Boro P55

1000 Nextel 610

GY70

Nextel 720

500

Berilio 0 0 Aceros y aleaciones Al, Mg y Ti

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Rigidez específica (GPa·kg-1·m3)

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0º

±45 º

Eje de referencia (envergadura)

90º

Determinadas reglas de secuencias y simetría han de seguirse para evitar distorsiones de curado y bajo cargas en servicio.

Un laminado “cuasi-isótropo” está formado por igual número de capas orientadas en las direcciones 0º, 90º y ± 45º ó 0º y ±60º.

En la mayoría de los casos, la configuración “cuasi-isótropa” es una forma ineficiente de emplear un material compuesto.

Departamento de Materiales y Producción Aeroespacial Materiales Compuestos, curso 2018-2019 Tema 1: Introducción 15 MATERIAL Fibra T300 T300/epoxi U/D T300/epoxi CP T300/epoxi QI Aleación Al Acero Aleación Mg Ti6Al4V

140 120

MÓDULO GPa 220 133 72 50 72 207 45 110

DENSIDAD MÓD. ESPEC. g/cm3 GPa·kg-1·m3 1,76 125 1,58 84 1,58 46 1,58 32 2,7 27 7,8 27 1,74 26 4,42 25

250

MÓDULO (GPa)

200 150 100 50 0

MÓDULO ESPECÍFICO (GPa·kg·m3) 8

100 7 80

6

60

5 4

40 3 20

2

0

1 0

DENSIDAD (g/cm3)

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EVOLUCIÓN EMPLEO: AVIACIÓN MILITAR

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Disminución de peso: 19%

Revestimientos boro/epoxi

Revestimientos carbono/epoxi 1.970 PRIMER VUELO GRUMMAN F-14A

1.974 PRIMER VUELO GENERAL DYNAMICS F-16

Disminución de peso empenaje: 23%

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1.981

1.995: 19% MC

AV-8B “Harrier II”: 23% MC

F/A-18C/D

1.978: 10% MC

F/A-18E/F

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(Primer vuelo el 27 de marzo de 1994)

Eurofighter Typhoon

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EMPENAJE: básicamente MC

Ti: 39% Al: 16%

FUS. POSTERIOR: 67% Ti; 11% MC; 22% Al

FUS. MEDIO: 35% Ti; 24% MC; 35% Al ALA: 42% Ti; 35% MC; 23% Al, acero, etc.

26% Mat. Comp. FUS. ANTERIOR: básicamente MC TREN.: acero

(Primer vuelo del YF-22 en sept. de 1990)

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V-22 Osprey

80% estructura MC

70% Mat. Comp.

Eurocopter Tigre

NH90 (primer vuelo dic. 1995)

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ESQUEMA DE CONSTRUCCIÓN DE UNA PALA DE ROTOR PPAL. DE HELICÓPTERO REALIZADA EN MATERIAL COMPUESTO

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A400M “ ATLAS” 30% Mat. Comp.

1er vuelo en diciembre 2009

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1er vuelo: julio 1989

Aprox. 36% Mat. Comp. Bombardero “furtivo” B2 (firma radar: aprox. 0,1 m2)

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Material compuesto en % de peso estructural

Evolución del empleo de materiales compuestos en las aeronaves de transporte comercial durante los últimos 45 años.

Año de entrada en servicio

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AIRBUS: Aplicación histórica de materiales compuestos + Timones de Profundidad + Cajón +” dry HTP Estabilizador box” Vertical + trampas de +Trampas Tren Aterrizaje delantero + Flaps

+ Alerones + wet HTP box

+ Timón + Alerones + Aerofrenos +Carenados del Radome +tapas borde salida ala

+ J-nose + Nacelle Monolítico + Perfil de la quilla, + Mamparo Trasero

+ Sección 21 +Revestimiento + Superficies Monolítico Movibles Timón de Empenaje Profundidad Monolíticas

1970-1980 1980-1990 1990-2000 A300/B2

+ Costillas Ala + Mamparo de Presión + Secc.Fus. 19 + Secc.Fus. 19.1 + Trampas Tren Monolíticas

A320-200 A330-300 A310/200 A310/300 A340-300 A340-600/500

2000-2010 A380

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(Primer vuelo: febrero de 1987)

PRFC

Materiales compuestos en el A320 (15% estructura: 4.000 kg)

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(Primer vuelo: octubre de 1991)

PRFC

Materiales compuestos en el A340 (22% estructura: 28.000 kg)

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Estructuras de material compuesto en el A380 GLARE® in Upper Fuselage

Floor Beams for Upper Deck

O uter Flaps

Vertical Tail Plane

Section 19.1

J-Nose Horizontal Tail Plane

Center Wing Box

Wing Ribs

Rear Pressure Bulkhead

Section 19

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Desarrollo actual: A350 XWB CFRP Empennage

CFRP Wing Structure CFRP Fuselage

CFRP Misc.

Belly Fairing

Al-Li Wing Ribs, Gear Beams,.. Ti: Landing Gears, Pylons, Attachments, Door frames

7%

Al/Al-Li 20% 7% Steel

Composite

52%

14%

Titanium

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50%

Materiales Compuestos (75.000 kg FC)

5%

10% 15%

Aleaciones de Ti

Boeing 787

Otros

Aceros

20% Aleaciones de Al

(Primer vuelo el 15 de diciembre de 2009)

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Airbus 350 XWB 52%

Materiales Compuestos

14% Aleaciones de Ti 7% 7%

Aceros

20% Aleaciones de Al Otros

1er vuelo en junio 2013

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1er vuelo enero 2016

1er vuelo sept. 2014

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(CFM International LEAP-X)...