Reparación compuesta

Las reparaciones de materiales compuestos se realizan en estructuras laminadas dañadas, compuestos reforzados con fibra y otros materiales compuestos. La reparación mediante adhesión reduce las tensiones en la zona dañada y evita que se abran o se propaguen grietas. Los materiales compuestos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en los sectores aeroespacial , naval , automotriz , de transporte terrestre y de equipamiento deportivo . Los daños en los componentes compuestos no siempre son visibles a simple vista , y la mejor manera de determinar su alcance en componentes estructurales es mediante métodos de ensayos no destructivos (END) adecuados .

Las estructuras compuestas de interés son principalmente componentes formados por láminas laminadas o estructuras tipo sándwich , como se muestra en la Figura 1. Las estructuras laminadas se ensamblan de manera que la orientación de las fibras proporcione la mayoría de las propiedades mecánicas deseadas y la matriz determine en gran medida el desempeño ambiental. En las estructuras tipo sándwich, se separan láminas delgadas de alta resistencia y se unen a núcleos ligeros de nido de abeja ; cuanto más grueso sea el núcleo, más rígido será el panel con un aumento mínimo de peso. ^{[ 1 ]}

El daño más importante en los materiales compuestos reforzados con fibras es consecuencia de impactos. Los impactos a baja y alta velocidad pueden generar patrones de daño significativamente diferentes para una configuración de material compuesto determinada. En los metales, la energía del impacto se disipa mediante deformaciones elásticas y plásticas , y la estructura conserva un buen margen de integridad estructural . Sin embargo, en los materiales compuestos reforzados con fibras, el daño suele ser más extenso que el que se observa en la superficie. En la Figura 2 se muestran algunos casos típicos de daño en estructuras compuestas.

En los laminados monolíticos , el daño subyacente puede extenderse mucho más allá de la evidencia apenas visible en su superficie. Otro tipo de daño es la fisuración del laminado. En este caso, el daño no se extiende a lo largo de toda la pieza. Los efectos sobre el rendimiento mecánico dependen de la longitud de la fisura en relación con el espesor del componente.

En las estructuras tipo sándwich, el impacto produce abolladuras de diversos tamaños y, según los niveles de energía, no es raro que se produzcan perforaciones. En este caso, ambas capas pueden resultar dañadas. Otros tipos de daños comunes incluyen daños por calor y daños por orificios de pernos. Los daños por calor se producen por la exposición a altas temperaturas, lo que provoca una fractura localizada con separación de las capas superficiales. Los daños por orificios de pernos se producen por las tensiones de apoyo en las superficies de contacto de la estructura compuesta con un perno o remache utilizado para la unión. Esto puede provocar la elongación del orificio, causando la división del laminado o daños en las capas superiores. En cualquier caso, el efecto sobre el rendimiento mecánico depende del espesor de la parte dañada.

Además del daño inicial por impacto, otras consecuencias se derivan de la exposición de la zona dañada a la humedad y otros factores degradantes como productos químicos , lubricantes , combustible , fluidos hidráulicos , etc. La presencia de estos entornos puede provocar un mayor deterioro del rendimiento mecánico.

Al realizar una reparación con composite, se deben seguir ciertos pasos. En la Figura 3 se muestra un diagrama de flujo típico para este tipo de reparación.

El primer paso del procedimiento debe ser una evaluación minuciosa de los daños. Algunos daños en los materiales compuestos son evidentes y fáciles de evaluar, pero en muchos casos, el daño puede parecer pequeño al principio, aunque el daño real sea mucho mayor. Un daño por impacto en una fibra puede manifestarse como una pequeña abolladura en la superficie del material compuesto reforzado, pero el daño subyacente puede ser mucho más extenso. La decisión de reparar o desechar se determina considerando la magnitud de la reparación necesaria para recuperar el rendimiento estructural original del material compuesto. Otras consideraciones son los costos de reparación, la ubicación y accesibilidad del daño y la disponibilidad de materiales de reparación adecuados.

La evaluación inicial determinará el tipo de reparación a realizar. Las reparaciones sencillas suelen ser pequeñas o no afectan la integridad estructural del componente. Estas reparaciones se realizan siguiendo las pautas básicas indicadas para paneles laminados o sándwich. Se requieren reparaciones complejas cuando el daño es extenso y es necesario restaurar el rendimiento estructural del componente. La mejor opción de materiales sería utilizar las fibras, tejidos y resina de matriz originales . Cualquier alternativa requeriría una cuidadosa consideración del entorno de servicio del compuesto reparado, es decir, su comportamiento ante altas temperaturas, humedad y condiciones mecánicas. El plan de reparación propuesto debe cumplir con todos los requisitos de diseño originales de la estructura.

Algunas reparaciones requieren el equipo especializado del taller y, en ocasiones, se necesita una reparación provisional para devolver el componente a un taller de reparación adecuado. Se puede colocar una reparación temporal, generalmente un parche, para garantizar la seguridad del componente hasta que pueda repararse definitivamente. Para una reparación permanente, deben seguirse todas las directrices generales aprobadas para la reparación de laminados y paneles sándwich. Estas operaciones de reparación deben realizarse en áreas de taller controladas para garantizar la máxima calidad. Trabajar en un entorno controlado y prestar atención a los detalles asegurará el éxito.

Antes de volver a poner una pieza en servicio, siempre se requiere una verificación de calidad. Para una inspección exhaustiva de las piezas reparadas, se pueden utilizar diversos ensayos no destructivos (END) . Se debe prestar especial atención a la calidad de la zona reparada y, más concretamente, a la interfaz entre la pieza original y la zona reparada. Los métodos de inspección habituales incluyen algún tipo de inspección ultrasónica o por rayos X.

La reparación típica de un material compuesto suele comenzar tras la detección del daño, ya sea mediante inspección visual o diversas técnicas de ensayos no destructivos (END). Tras evaluar la extensión del daño, se prepara la zona afectada para su reparación. Esto se realiza retirando el material compuesto alrededor de la zona dañada. Se conocen tres técnicas que se utilizan, las cuales varían ligeramente según la naturaleza del material compuesto, como se muestra en la Figura 4.

Cuando se aplica una reparación compuesta, el tratamiento superficial adecuado es esencial para un resultado exitoso. Las reparaciones mencionadas anteriormente pueden ser laboriosas y a menudo requieren alta habilidad y experiencia para su realización. Por ello, los desarrollos actuales tienden a centrarse en la automatización de este proceso, ya sea mediante fresado mecánico avanzado o tecnologías alternativas como láseres pulsados ​​de nanosegundos 2-3. Una vez excavada por completo la zona dañada, las superficies se limpian y se preparan para la reparación final con parches. Esto puede hacerse mediante la quema con plasma de contaminantes superficiales, la exposición de fibras mediante la eliminación de material de la matriz a través de radiación láser o la mejora de la humectabilidad de la superficie para adhesivos mediante reacciones fotoquímicas inducidas por luz láser UV 4.

En una reparación típica, el parche se aplica al vacío y a temperaturas lo suficientemente altas para el curado del adhesivo . Para estas reparaciones in situ, se puede utilizar un dispositivo portátil de soldadura en caliente. Para reparaciones más complejas y de mayor calidad , se debe utilizar un autoclave . En la figura 5 se muestra una unidad de soldadura en caliente.

En cualquier caso, la aplicación de una bolsa de vacío es un paso necesario para obtener reparaciones de alta calidad. El proceso de vacío es adecuado para componentes con secciones delgadas y grandes estructuras tipo sándwich. La técnica de vacío consiste en colocar y sellar una bolsa flexible sobre una capa de material compuesto y extraer todo el aire que se encuentra debajo de la bolsa, como se muestra esquemáticamente en la Figura 6.

La extracción del aire presiona la bolsa contra la estructura con una presión de consolidación de 1 atmósfera (1 bar). El conjunto, aún con el vacío aplicado, se calienta a la temperatura deseada para el curado . Esto se puede lograr utilizando una manta calefactora o colocando el conjunto dentro de un horno con buena circulación de aire. Para secciones más gruesas y una unión de alta calidad, se recomienda el uso de un autoclave con temperatura regulada y sobrepresión adicional.

Los desafíos técnicos más importantes en la implementación de una reparación exitosa con parche compuesto son: (a) el diseño adecuado del parche de reparación y los procedimientos que se seguirán, (b) la selección de los materiales y herramientas más adecuados para la aplicación, (c) la preparación cuidadosa de la superficie, (d) la implementación de la reparación con parche compuesto y la aplicación cuidadosa del ciclo de curado, (e) la evaluación no destructiva de la reparación mediante una metodología adecuada y, (f) el monitoreo de la integridad estructural de la reparación ya sea a intervalos de tiempo específicos o de forma continua.

• Völkermeyer, F.; Fischer, F.; Stute, U.; Kracht, D.: Método láser para la reparación mediante adhesión de plásticos reforzados con fibra de carbono, Physics Procedia 12, 2011, págs. 537-542 doi : 10.1016/j.phpro.2011.03.066
• Fischer, F.; Romoli,  ; Kling, R.; Kracht, D.: Reparación láser de compuestos reforzados con fibra de carbono, en Hocheng, H., Tecnología de mecanizado de materiales compuestos: principios y práctica (págs.  309–330), Cambridge, Reino Unido: Woodhead Publishing Limited, 2011en Google Libros
• Dittmar, H.; Bluemel, S.; Jaeschke, P.; Stute, U.; Kracht, D.: Ventajas y desafíos del mecanizado láser de CFRP con pulsos de nanosegundos, Actas del 31.er Congreso Internacional sobre Aplicaciones de Láseres y Electroóptica, 2012, Anaheim, EE. UU.
• Völkermeyer, F.; Jaeschke, P.; Stute, U.; Kracht, D.: Modificación de la humectabilidad de plásticos reforzados con fibra de carbono mediante láser, Applied Physics A, 09/2012, doi : 10.1007/s00339-012-7237-3

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