Desarrollo de un nuevo ensayo experimental para la evaluación de la calidad de uniones adhesivas entre componentes estructurales de composite para la indústria aeronáutica

Abstract

El uso de los composites en la industria aeronáutica ha experimentado un fuerte crecimiento en los últimos años debido a la utilización de componentes de composite que realizan funciones estructurales. A menudo, para disminuir los costes de producción, las partes esbeltas del fuselaje se unen con elementos rigidizadores mediante uniones adhesivas. Para asegurar que las uniones adhesivas cumplirán la función estructural para la cual se han diseñado se realizan ensayos a nivel de probeta.

En el presente trabajo se realiza un análisis de los métodos de ensayo experimental que se llevan a cabo para determinar la calidad de las uniones adhesivas (las cuales dependen principalmente de la calidad de la preparación superficial, las propiedades del adhesivo y la compatibilidad entre el adhesivo y los adherentes). La tesis se enfoca a dos objetivos: la propuesta de mejoras del ensayo de doble viga en voladizo y el desarrollo de un método alternativo de propagación de grieta por avance forzado de una cuña (Wedge Driven Test, WDT). En cuanto al ensayo de doble viga en voladizo, se han diseñado unos utillajes de sujeción mecánica de la probeta a la máquina de ensayo y se ha propuesto una metodología experimental adaptada a la propagación discontinua del frente de grieta. En relación al nuevo método de ensayo, se ha desarrollado un procedimiento dirigido, al igual que el DCB actual, a determinar la tenacidad a la fractura en modo I de la unión adhesiva, mediante la introducción forzada de una cuña. Las ventajas que ofrece el ensayo WDT respecto el DCB es que es más rápido, económico, no se necesita ningún tipo de preparación previa de la probeta y no hace falta realizar mediciones de la longitud de grieta.

Para poner a prueba la sensibilidad del ensayo WDT a la calidad de la unión se ha realizado una serie de campañas experimentales, en las cuales se han analizado 4 configuraciones de unión adhesiva distintas (como resultado de la combinación de dos adherentes y dos adhesivos). Así mismo se han ensayado preparaciones intencionadamente defectuosas. De los resultados de las campañas experimentales se ha observado que el ensayo de propagación de grieta por avance forzado de cuña presenta unos resultados equivalentes a los del ensayo DCB y es sensible a la calidad de la preparación superficial.

The use of composite materials in the aircraft industry has been increasing in recent years due to their application in structural parts. To reduce the production costs of these components the join between skins and stiffeners is made by means of an adhesive. In order to guarantee that the bonded joint fulfils the structural requirements, experimental tests on specimens are done from the first development tasks and throughout the production stages.

In the present work, an analysis of the experimental test methods to determine the quality of bonded joints has been performed - the quality of bonded joints depends on the quality of the surface preparation, the adhesive properties and the compatibility between the adhesive and the adherents. The work focuses on two objectives: the improvement of the double cantilever beam test, and the development of an alternative method of bonded joint characterization based on driving a wedge into the adhesive layer (Wedge Driven Test, WDT). In the double cantilever beam test, a mechanical fixture tool has been designed and a data reduction method for stick-slip crack propagation has been developed. On the other hand, the alternative test method such as the DCB, focuses on determining the fracture toughness in mode I of the adhesive joint, by means of introducing a wedge inside the specimen at a constant speed rate.

To prove the sensitivity of the WDT to the quality of the adhesive joint, a series of testing campaigns has been performed over 4 adhesive joint configurations (combining 2 adhesives and 2 adherents). Moreover, deliberately produced bad surface preparations have been tested. From the test results, it has been observed that the driven wedge test exhibits an equivalent behaviour to the double cantilever beam test and has a similar level of sensitivity to the quality of the bonded joint.