Porosidad controlada en CFRP termoestable

Rafael CONTENTO (rafael.contento@fidamc.es), Diego SAENZ CASTILLO, Laura GARCÍA

FIDAMC, Foundation for the Research, Development and Application of Composite Materials. Avda.Rita Levi Montalcini 29, Tecnogetafe, 28906 Getafe, Madrid, Spain

Palabras clave: CFRP, Porosidad, Ultrasonidos, Contenido en huecos, END

Resumen:

Los materiales compuestos de fibra de carbono con matriz termostable han ido ganando terreno en las estructuras aeroespaciales por sus prestaciones mecánicas y su extrema ligereza. Para asegurar la integridad estructural en estos materiales, se emplea la inspección por ultrasonidos (5 MHz). Tal es así, que la definición del umbral de aceptación de la distinta defectología viene determinada por la respuesta de las estructuras frente al haz ultrasónico de dicha frecuencia. Esta definición de defectología limita la incorporación de tecnologías de inspección, especialmente por la porosidad, sus umbrales y los criterios de aceptación de la misma.

Históricamente el desarrollo de los materiales compuestos en el entorno de la industria aeroespacial se ha visto en numerosas ocasiones frente al desafío de reproducir porosidad de manera artificial para poder estudiarla, y cruzar resultados de modelos numéricos con datos empíricos. Además, en la actualidad, el reto de reducir los tiempos de inspección redunda en la necesidad de contar con especímenes cuyos niveles de porosidad sean reproducibles, de forma que nuevas tecnologías de inspección sean capaces de dar un resultado similar a la inspección por ultrasonidos a 5 MHz.

En este escenario, FIDAMC ha desarrollado junto con Airbus, un proceso de fabricación fuera de autoclave actualmente en vía de ser patentada, basado en una doble bolsa de vacío, cuyos tiempos e inercias son más bajos que en los procesos de autoclave. Así, una vez parametrizado el ciclo de curado óptimo para un material CFRP determinado, se modificaron los parámetros con el objetivo de generar porosidad volumétrica medible y representativa.

El presente trabajo muestra los resultados obtenidos en especímenes fabricados deliberadamente con un nivel de porosidad próximo a los umbrales de aceptación representativos. Así, se han fabricado de manera satisfactoria y repetitiva 3 juegos de 3 paneles cada uno de espesores 2, 4, y 6 mm, con el objetivo de aportar especímenes definitivos para el estudio de capacidad de detección de distintas tecnologías. De estos tres juegos, uno completo se ha considerado “de sacrificio” para estudiar el volumen de huecos. Sobre todos los laminados fabricados se realizaron inspecciones por ultrasonidos obteniendo registros C-scan a distintas frecuencias siempre en placa reflectante para evitar el ruido de ecos intermedios que podrían ser perniciosos a la hora

de establecer la atenuación del eco de fondo. El análisis de volumen de huecos fue realizado por microscopía 2D.

1. INTRODUCCIÓN

En el actual escenario de gran competitividad en el que se encuentra la industria aeronáutica, se percibe un creciente interés de todos los agentes implicados en reducir costes en cada una de las fases por las que pasa la fabricación de estructuras en material compuesto de Carbono (CFRP). Habida cuenta de la necesidad de aumentar los ratios de fabricación para satisfacer la demanda de un mercado cada vez más competitivo y con nuevos actores, en los últimos tiempos se ha apostado muy fuerte por intentar desarrollar tecnologías de inspección one-shot (1), sin contacto (2), y por la monitorización de la fabricación, de forma que la fase de inspección reduzca sus plazos y sus costes, y mantenga una máxima fiabilidad para asegurar la integridad estructural.

Sin embargo, las tecnologías que se han estudiado para su posible implantación se han encontrado con la dificultad de demostrar la capacidad de detección de porosidad, al ser éste un tipo de defecto de difícil obtención de manera artificial. Así, al quedar los defectos definidos en función del comportamiento que presentan frente al haz ultrasónico (de 5 MHz tradicionalmente para CFRP), se juzga imprescindible obtener piezas cuyos niveles de porosidad transiten entre zonas sanas y zonas que se encuentren ligeramente más allá del umbral admisible en términos de porosidad.

Por otro lado, si bien existen estudios relacionando porosidad y atenuación del haz ultrasónico [3,4], y obtener piezas sanas no es un desafío a día de hoy, los intentos de generar una porosidad contenida y medible suelen acabar en un rango de porosidad más allá de lo medible con dichas frecuencias.

En la línea de la reducción de costes y la apuesta por el ahorro energético, se han venido desarrollando de igual manera, tecnologías de fabricación fuera de autoclave, que puedan disminuir el coste del ciclo de curado tanto en tiempo como en energía. Y es en el estudio de estos tipos de curado donde se ha encontrado una ventana de trabajo cuyas particularidades han permitido desarrollar el trabajo que se presenta a continuación, tocando diversas variables que en tecnologías de autoclave no lo permiten de una manera suficientemente controlada.

En el desarrollo de la presente investigación, se ha conseguido fabricar paneles de CFRP de distintos espesores con un nivel de porosidad medible y contenida, en un tamaño de 300 x 300 mm2, a través de una nueva tecnología de fabricación con una repetitividad razonablemente alta, y con unos prometedores resultados de cara a estudios posteriores en cuanto a capacidad de detección para las tecnologías que en un futuro puedan mejorar el ratio de inspecciones.

El estudio se ha completado con la inspección de los especímenes a distintas frecuencias ultrasónicas, y con una caracterización físico-química de la porosidad generada deliberadamente en los mismos.

De este modo, y a través de este estudio, se abre la posibilidad de trabajar en dos ahorros de coste que pueden suscitar el interés de los distintos actores de la industria aeronáutica: por un lado, y desde el punto de vista de tecnologías de inspección, se consiguen especímenes susceptibles de ser usados para la validación de tecnologías de inspección más rápidas y baratas; por otro lado; y desde un punto de vista de control de calidad, aparece la posibilidad de revisar los criterios de aceptación de los laminados con porosidad, pues se pueden fabricar laminados afectados por una porosidad contenida para realizar la caracterización mecánica

2. FABRICACIÓN

En los métodos tradicionales de fabricación dentro de autoclave con bolsa de vacío, es de vital importancia dicho vacío para asegurar la ausencia de reacción de los productos fruto de la polimerización, incluidos los volátiles. Así pues, la gestión de los volátiles es el punto crítico a la hora de obtener un ciclo de curado satisfactorio.

Sin embargo, esta reacción dentro del autoclave provoca muy pocas posibilidades, y muy caras, en el intento de generar huecos dentro del laminado de material compuesto. Aparecen ciertas variables que son manipulables con la intención de generar una extracción de volátiles deficiente, pero no son fácilmente gobernables.

En el sistema de fabricación fuera de autoclave se utilizan dos bolsas de vacío hasta alcanzar el punto de mínima viscosidad, a continuación se deja entrar presión atmosférica en la más externa por lo que la presión en el laminado ayuda a la extracción de volátiles. Este sistema de fabricación exclusivamente utiliza presión atmosférica, lo que lo convierte en un sistema mucho más barato, y al mismo tiempo reduce el número de variables manipulables, y en un rango mucho más manejable

Imagen 1: esquema de doble bolsa de vacío

En este escenario se probó la fabricación con los dos sistemas: sistema tradicional y sistema fuera de autoclave. Se empleó el mismo material para poder hacer una comparativa real.

Para el sistema tradicional se probó un ciclo de curado de baja presión. El objetivo era no extraer los volátiles, y además demostrar que la distancia a recorrer por los mismos podía ser clave. Para ello se fabricaron 3 laminados: escalera de 1 a 6 mm de espesor, y dos laminados cuadrados de 2 mm con dimensiones 300 x 300 mm2 y 600 x 600 mm2

respectivamente.

El resultado para el laminado escalera fue en efecto la generación de cierta porosidad, sin embargo los volátiles se agruparon en el entorno de los gaps como puede apreciarse en la imagen inferior

Imagen 2: C-Scan de Amplitud de probeta escalera con método de fabricación tradicional

Para el sistema de fabricación fuera de autoclave el primer trabajo fue dar con el ciclo óptimo para el material en cuestión. Se llegó a fabricar una probeta patrón que demuestra la adecuación del sistema de fabricación. En la imagen inferior se muestra el registro C-Scan de la inspección conjunta de una probeta patrón certificada fabricada en autoclave (arriba) y la probeta patrón fabricada con el sistema fuera de autoclave.

Imagen 3: C-Scan de probeta patrón certificada (arriba) y probeta patrón mediante el sistema fuera de autoclave

Una vez optimizado el ciclo, se seleccionaron las variaciones que potencialmente podrían generar la porosidad.

Así, se introdujeron los parámetros P1 para la fabricación de una primera familia de especímenes de 300 x 300 mm2. Con el objetivo de evitar el efecto pernicioso de aglomeración de poros en los gaps, se decidió no emplear orientaciones ±45, de forma que se generaron los apilados con secuencia reproducible (0/90)ns:

- Un panel de 2 mm de espesor- Un panel de 4 mm de espesor- Un panel de 6 mm de espesor

En vista de los resultados obtenidos, bastante satisfactorios, se volvió a realizar un juego de paneles con las mismas características y los mismos parámetros, P1, obteniendo una repetitividad razonable dentro de la heterogeneidad del fenómeno.

En la imagen inferior se muestran los registros obtenidos mediante inspección automática a 5MHz

Imagen 4: C-Scan de T21P1 5MHz Imagen 5: C-Scan de T22P1 5MHz

Finalmente se seleccionaron unos parámetros diferentes, P2, en el ciclo de curado con el objetivo de inducir una porosidad potencialmente distinta en una familia de laminados idéntica a las anteriores en cuanto a espesores y orientaciones, obteniendo asimismo unos resultados similares a los anteriores.

Imagen 6: C-Scan de T21P2 5MHz

3. INSPECCIÓN

Uno de los estudios que se ha llevado a raíz de los ensayos de fabricación, y como adelanto a futuribles trabajos de estudio de capacidad de detección de otras tecnologías, ha sido la inspección de los distintos especímenes a distintas frecuencias ultrasónicas con el fin de establecer experimentalmente posibles relaciones de atenuación real entre frecuencias.

Así las cosas, se realizaron inspecciones automáticas en placa reflectante con el objetivo de tener un mapeado real de las atenuaciones en cada punto cada uno de los paneles fabricados, y evitar en la medida de lo posible un potencial efecto pernicioso de ecos intermedios susceptible de aparecer en inspecciones por pulso eco. Se tomó de referencia la probeta patrón del mismo material.

3.1. Equipo y palpadores.

Equipo empleado: Tecnitest Triton 8000 TT+.

Palpadores: 5MHz Technisonic 0.375’. 3.5MHz Technisonic 0.375’. 2.25 MHz Camasonic 0.375 ‘.

3.2. Especímenes

La siguiente tabla resume los especímenes inspeccionados y sus características:

Tabla 1: Características de los paneles objeto de estudio

NOMBRE ESPESOR PARAMETRIZACIÓNT21P1 2 mm P1T41P1 4 mm P1T61P1 6 mm P1T22P1 2 mm P1T42P1 4 mm P1T62P1 6 mm P1T21P2 2 mm P2T41P2 4 mm P2T61P2 6 mm P2

3.3. Inspecciones

Se muestra la matriz de ensayos a continuación:

Tabla 2: Matriz de inspecciones

NOMBRE 5MHz 3.5MHz 2.25MHZT21P1 X X XT41P1 X X XT61P1 X X XT22P1 X X XT42P1 X X XT62P1 X X XT21P2 X X XT41P2 X X XT61P2 X X X

4. CARACTERIZACIÓN DE LA POROSIDAD

Para la caracterización de la porosidad se realizaron micrografías sobre los paneles T21P1, T41P1 y T61P1, mediante microscopía 2D.

5. RESULTADOS.5.1. Fabricación

Se han conseguido resultados satisfactorios en cuanto a la fabricación de especímenes con porosidad contenida para espesores de 2, 4 y 6 mm. Para los paneles de 2 y 4 mm se han alcanzado los umbrales de 6 dB en inspecciones a 5 MHz, y para los paneles de 6 mm se llega a alcanzar los 12 dB de atenuación.

Imagen 7: C-Scan de T22P1 (Izq). Filtros a 6 dB y a 12 dB

Imagen 8: C-Scan de T42P1 (Izq). Filtros a 6 dB y a 12 dB

Imagen 9: C-Scan de T62P1 (Izq). Filtros a 6 dB y a 12 dB

5.2. Inspección

Los resultados cualitativos de las inspecciones se aprecian claramente, sin embargo cuantitativamente no se ha encontrado una relación clara, debido principalmente a la apertura del haz y la resolución de las inspecciones a frecuencias más bajas.

Imagen 10: C-Scan de T21P1 a 5MHz (Izq.), 3.5MHz (Centro) y 2.25 MHz (Dcha.)

5.3. Caracterización de la porosidad

Para la caracterización de la porosidad se han realizado micrografías en las que se puede apreciar la distribución de la porosidad. Se muestran las imágenes para probetas extraídas de los paneles T21P1, T41P1 y T61P1.

Imagen 11: Micrografía de T21P1 Imagen 12: Micrografía de T41P1

Imagen 13: Micrografía de T61P1

Se aprecia una distribución de huecos perfectamente atribuible a un fallo en un ciclo de curado para los 3 espesores estudiados. Este resultado permite concluir que el sistema de fabricación parametrizado para obtener paneles porosos es perfectamente válido a la hora de generar porosidad de manera deliberada con características similares a las que presenta la porosidad proveniente de un fallo en un ciclo de autoclave.

6. CONCLUSIONES

En lo referente a la fabricación, se concluye que la misma ha sido satisfactoria toda vez que el objetivo de obtener especímenes con una porosidad moderada se ha alcanzado con una repetitividad suficiente. Así, se dispone de especímenes de espesores 2, 4 y 6 mm para estudiar la capacidad de detección de porosidad acorde con los estándares aeronáuticos.

Asimismo se desprende que a pesar de obtener un contenido de porosidad suficientemente repetitivo, la propia naturaleza del material compuesto pre-impregnado termoestable genera heterogeneidad en la distribución de la porosidad.

Se aprecia de las inspecciones realizadas a distintas frecuencias el fenómeno ya conocido de la dependencia de la resolución respecto a la frecuencia. Sin embargo, al ser inspecciones realizadas con palpador cilíndrico recto, sin focalización, se estima que una focalización optimizada podría mejorar la relación entre los resultados.

La caracterización de la porosidad permite concluir que la porosidad que se genera deliberadamente reproduce las características de la porosidad generada por un fallo en el ciclo de curado dentro de autoclave.

7. TRABAJOS FUTUROS

Se sugiere continuar el estudio con los siguientes trabajos:

- Estudio del ciclo de fabricación para materiales compuestos CFRP con diversas resinas mediante la tecnología utilizada, con el fin de ampliar las capacidades de distintas técnicas de inspección en función de la formulación de la resina

- Estudio de paneles de mayor espesor- Caracterización mecánica de los materiales afectados por porosidad.- Estudio de los criterios de aceptación y admisibles para la porosidad

8. AGRADECIMIENTOS

Este estudio no se habría podido realizar sin la financiación de Airbus. Se quiere agradecer especialmente a David López Bravo.

9. REFERENCIAS

(1) P. Venegas, R. Usamentiaga, L. Vega, I. Sáez de Orcariz. “Caracterización automática de defectos en materiales composites mediante termografía infrarroja” 13º Congreso Nacional de Ensayos No Destructivos. Mayo 2015

(2) J.M. Moreno, J. Topete, C. Fritsch, R. González-Bueno, R. Giachetta. “Técnicas de inspección por ultrasonidos en Aire”. 13º Congreso Nacional de Ensayos No Destructivos. Mayo 2015

(3) E.A. Birt, R.A. Smith. “A review of NDE methods for porosity measurement in carbon-fiber reinforced polymer composites”. Insight Vol. 46 Nº 11. Pag. 681-686. Noviembre 2004

(4) D. E. W. Stone, B. Clarke. “Ultrasonic attenuation as a measure of void content in carbon-fibre reinforced plastics”. Non-destructive Testing. Junio 1975