X-ray tomographic investigation of resin flow in liquid moulding of composite materials

Resumen

El uso de materiales compuestos en la industria se ha potenciado en los últimos años. Industrias donde materiales con bajo peso y buenas propiedades mecánicas son fundamentales han fomentado su utilización, destacando la industria aeronáutica, automotriz, eólica y deportiva. Sin embargo, el alto precio por pieza puede restarle competitividad frente a otras opciones. Por tanto, se debe encontrar nuevos métodos de fabricación más económicos y/u optimizar los existentes. Entre los posibles métodos de fabricación destaca Liquid Composite Moulding (LCM) debido a su reducido coste y simpleza. Sin embargo, la calidad de los productos (a menudo se mide como la cantidad de porosidad dentro de la pieza) no alcanza la de otros métodos menos económicos como la fabricación por autoclave. En piezas fabricadas por LCM, una cantidad relativamente alta de porosidad es causada por el atrapamiento mecánico del aire que se produce cuando la resina se infiltra en la fibra seca. Investigaciones realizadas han confirmado que el atrapamiento de aire se debe a una competición entre las fuerzas capilares y viscosas, cuantificada por el número capilaridad modificado. Sin embargo, todavía hay mucho que aprender de los mecanismos de generación y transporte de poros en diferentes fases del proceso de fabricación. Para mejorar el conocimiento acerca de la infiltración de resina, atrapamiento y transporte de poros, curado, etc. se han aplicado distintas técnicas en diversos trabajos científicos. Entre ellos, destaca la técnica de tomografía de rayos X por su capacidad de realizar inspecciones no destructivas y en tres dimensiones (3D), permitiendo así observar el interior del material compuesto. Estas características se utilizan en esta tesis para inspeccionar in-situ el procedimiento de infiltración, por primera vez, aportando información acerca de los mecanismos de infiltración y de formación y transporte de poros. Para este fin, se ha desarrollado equipos para mediciones in-situ. El estudio se divide en 3 experimentos desarrollados de acuerdo a la técnica tomográfica utilizada: tomografía de alta resolución, laminografía y tomografía rápida. En primer lugar, se caracteriza el sistema fibra-resina para poder generalizar los resultados de cualquier infiltración mediante el número capilar modificado. La viscosidad de la resina y la tensión superficial se caracterizaron mediante un viscosímetro rotacional y el método de la placa de Wilhelmy respectivamente. El ángulo de contacto entre resina y fibras fue medido con tomografía computarizada de rayos X (XCT) de alta resolución. Los resultados obtenidos son comparables a los encontrados en la literatura para sistemas de resina epoxy y fibra de vidrio clase E. El conocimiento de estas tres propiedades permite calcular el número capilar en función solamente de la velocidad de la resina. Para sacar el mayor partido a la tomografía de alta resolución se inspeccionó a varias alturas un experimento de wicking cuando la resina alcanzó condiciones de equilibrio. Las imágenes obtenidas con XCT permitieron analizar y cuantificar los meniscos de resina que se forman entre fibras en 3D. La forma de estos meniscos está directamente relacionada con la presión de capilaridad ejercida por la interfaz líquido-gas, puesto que esta presión es función de la curvatura media de la superficie del menisco. Además, los valores obtenidos de las superficies extraídas se comparan con valores de presión capilar encontrados en literatura y con los valores obtenidos por el software Surface Evolver, obteniendo valores semejantes. Siguiendo esta caracterización, se inspeccionó in-situ una inyección a velocidad baja y otra a óptima de resina en fibra seca mediante la técnica de laminografía. Se realizaron varios escáneres en diferentes estados de llenado del molde. La técnica de laminografía permite la medición de moldes suficientemente anchos que eviten los efectos de borde. En estas se observó en 3D el frente del fluido dentro del tejido de fibras, se calculó la saturación frente al tiempo, se cuantificó la porosidad durante el proceso de infiltración y se visualizaron diferentes mecanismos de transporte de poros. Asimismo, se describen las ventajas y desventajas que ofrece la técnica propuesta. Finalmente, usando la técnica de tomografía rápida se inspeccionaron in-situ inyecciones de resina a baja, óptima y alta velocidad sin desenfoques de movimientos gracias a su bajo tiempo de medición. Con los resultados obtenidos, se observaron con alta resolución espacial y temporal los procesos de mojado de fibra y formación de poros según el tipo de régimen (capilar, óptimo y viscoso). Además, se cuantificó la evolución de variables como la saturación o el contenido de poros durante un periodo de tiempo. Al observar el interior del tejido de fibras, se visualizaron en 3D distintos fenómenos que influyen en la evolución de las variables cuantificadas.