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SHOWROOM DE NUEVOS MATERIALES
Vigo, 7 de Mayo de 2013
www.aimen.es | [email protected] 2
ÍNDICE
1. Introducción a los TPC
2. Ventajas frente a los composites termoestables
3. Técnicas de soldadura de plásticos
4. Soldadura de TPC por inducción
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INTRODUCCIÓN
Airbus A350
Composites estructurales de matriz polimérica
Boeing 787
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INTRODUCCIÓN
Baja densidad, alta resistencia y rigidez
Composites vs otros materiales
Composites estructurales de matriz polimérica
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INTRODUCCIÓN Composites estructurales de matriz polimérica
Fibras largas: Unidireccionales, tejidos o multiaxiales (son las que soportan la carga)
TPC: Composites de matriz termoplástica
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INTRODUCCIÓN Composites de matriz termoplástica
Matrices poliméricas: poliolefinas (HDPE), polieter-eter-quetona (PEEK),
poliamidas (PA), polietilenimida (PEI), polietilentereftalato (PET), poli(p-fenilen
sulfuro) (PPS)
Fibras: Vidrio, carbono
Ejemplos comerciales: TWINTEX, FORTRON, VECTRA, CELSTRAN, TEPEX,
CETEX, FULCRUM…
Fibras Pellets
Films Planchas Perfiles
Tapes
+
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INTRODUCCIÓN Composites de matriz termoplástica
Vacuum Infusion of TPC Compression moulding
Reactive processing of thermoplastic composites (Anionic Polyamide-6)
TPC Pultrussion Thermoplastic Pultrusion Process Using Commingled Glass/Polypropylene Twintex® Roving
INTRODUCCIÓN Composites de matriz termoplástica
1. Rapid Lay-up (preforma) 2. Consolidación 3. Termo-formado (geometría final)
8
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- Almacenamiento Tamb - Su conformado se basa en un cambio físico, no hay reacción química - No se produce emisión de VCOs - Mayor resistencia a impacto - Mayor tenacidad - Mejores propiedades frente a fatiga - Son soldables - Pueden ser conformados de nuevo (“infinitas” veces) - Pueden ser reciclados
Ventajas de los TPCs frente a los composites termoestables
- Dificultad en la impregnación de las fibras debido a la mayor viscosidad (0.1 Pa.s vs 100-1000 Pa.s) - Algunos tipos de Procesado están en desarrollo - Geometrías relativamente sencillas: planchas o perfiles - Menos desarrollados, menor disponibilidad comercial
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Fibras Pellets
Films Planchas Perfiles
Tapes
+
Soldadura de TPCs Geometrías más complejas y de
mayor envergadura
TÉCNICAS DE SOLDADURA DE PLÁSTICOS
?
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TÉCNICAS DE SOLDADURA DE PLÁSTICOS
Soldadura de plásticos
Calentamiento interno
Mecánico
Ultrasonidos
Vibración
Spin
Electromagnético
Láser
Infrarrojo
Microondas
Calentamiento externo
Plato caliente
Aire caliente
Extrusión
Inducción
Resistencia
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TÉCNICAS DE SOLDADURA DE PLÁSTICOS Parámetros clave comunes a todas:
Temperatura
• Tm > Tw < Tdeg • Importante el
Control de T
Presión
• Para conseguir la miscibilidad
• Hasta que el material enfríe
Tiempo
• Suficiente para que el material esté fundido
• Suficiente para el enfriamiento seguro
Experiencia en soldadura de TPCs
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SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN Los TPC no son conductores ni magnéticos por lo que el calentamiento requiere de la introducción de insertos en la junta. El mecanismo de calentamiento del inserto es por corrientes inducidas y/o por pérdidas de histéresis magnéticas. Se emplea una bobina conectada a un generador de alta frecuencia (1-14 Mhz)
Principales ventajas: - Rápida - Limpia - Calentamiento muy localizado - Robotizable
Tipos de insertos: - Partículas - Mallas
EMAWELD® Resistance Technology
Parámetros: T=f(frecuencia, Potencia) Presión Tiempo Distancia inductor
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Elementos estructurales de TPCs para puentes (vigas y cubierta)
SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
“Estructuras soldadas con alta capacidade de carga de composites termoplásticos por inducción e por tecnoloxía láser”
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Elemento de Referencia: Vigas de CFRP, Puente de la Autovía del Cantábrico, el primero en España en emplear elementos estructurales de composite (2004) de 45 metros de longitud.
SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
Elementos estructurales de TPCs para puentes (vigas y cubierta)
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SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
Geometría de estudio de soldadura:
Parámetros variables para la optimización de la soldadura: Frecuencia Potencia Tiempos de calentamiento y enfriamiento Presión
Ensayos de tracción en probetas de solape simple: Carga máxima Tipo de fallo
ASTM D 1002, solape 12 mm x 25 mm
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EQUIPO: Generador: Sistema de inducción a alta frecuencia CEIA Power Cube Frecuencia: 750 kHz-1.1MHz Potencia: 6.4 kW
SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
PP1: 5 capas (PP + Tejido FV plain 4/1) PP2: 4 capas (PP + Tejido FV 2/2 weave twill) PP3: 3 capas (PP + Tejido FV plain 4/1)
MALLA DE ACERO GALVANIZADO (1,44 mm de luz y 0,3 mm de diámetro de hilo):
MATERIALES:
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SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
Cuando se analiza la relación entre energía (potencia x tiempo) y LSS se observa que inicialmente al aumentar la energía aumenta LSS hasta alcanzar un valor máximo, a partir de ahí el valor de LSS disminuye al aumentar la energía que se aplica.
No hay unión Zona óptima Degradación
Energía
Res
iste
ncia
de
la u
nión
Optimización de parámetros de soldadura en función de la resistencia de la unión
Optimización de parámetros de soldadura en función de la resistencia de la unión
100 200 300 400 500 6000
2
4
6
8
10
12
14
16
LSS
/ M
Pa
Input Energy / kW s
PP1 PP2 PP3
SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
PP1
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0,0 0,1 0,3 0,6 0,8 1,0 1,2
Deformación (mm)
Carg
a (N
)
Poca deformación, no hay zona plástica
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PP1
Demasiado baja Demasiado alta
La temperatura que se alcanza no es suficiente para producir fase fundida,
no hay soldadura
La temperatura alcanza Tdeg del polímero, no hay soldadura
15 20 25 30 35 4020
25
30
35
40
45
50
Tim
e (s
ec)
Power %
1,000
3,000
6,500
10,00
13,50< 13.5 MPa
< 10 MPa
< 6.5 MPa
< 3 MPa
< 1 MPa
Baja calidad de soldadura
La ventana de proceso se ha obtenido considerando fijos los parámetros de presión y distancia del inductor. Variando estos parámetros se obtendrían ventanas diferentes.
SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
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Ventana de soldadura: Relación entre los parámetros de proceso (tiempo inducción / Potencia) y la resistencia de la unión
Valor exigido
PP1
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SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
Ensayo flexión 3 puntos de la viga soldada:
Estructuras soldadas con alta capacidade de carga de composites termoplásticos por inducción e por tecnoloxía láser.
5.5 kN – 6 kN
PP1: 5 capas (PP + Tejido FV plain 4/1)
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SOLDADURA DE TPC POR INDUCCIÓN
Nuevos desarrollos en marcha:
Desarrollo de insertos metal/polímero
Desarrollo de cabezal de soldadura en continuo (control de presión, tiempo, temperatura)
Optimización de parámetros en materiales de mayores prestaciones (sector aeronáutico PEEK, PPS)
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AIMEN – Central y Laboratorios c/ Relva 27 A
36410 – O PORRIÑO (Pontevedra) Telf.+34 986 344 000 – Fax. +34 986 337 302
Delegación Tecnológica A Coruña
Fundación Mans – Paideia Pol. Pocomaco - Parcela D-22 - Oficina 20A
15190 – A CORUÑA (A Coruña) Telf. +34 617 395 153
Gracias por su atención
Delegación Tecnológica Madrid Avda. del General Perón, 32, 8º H
28020 MADRID (Madrid) Tlf. 687 448 915