Pultrusión basada en el curado UV fuera del molde: desarrollo de componentes dirigidos a la industria de la automoción

Abstract

Los requerimientos de seguridad y eficiencia energética de la industria de la automoción han situado a los composites en las agendas estratégicas de todos los fabricantes. Sin embargo, la baja productividad de los procesos de fabricación unido a su elevado coste ha limitado su empleo a aplicaciones de alto valor añadido. Es por ello, que a lo largo de los últimos años se han realizado numerosos avances en la búsqueda de nuevos procesos que permitan la fabricación de composites de una manera rentable. Un ejemplo de ello es la pultrusión basada en el curado ultravioleta (UV) fuera del molde. Este nuevo enfoque consiste en curar el perfil a la salida del molde mediante radiación UV, lo que permite reducir las fuerzas de tiro, simplificar los moldes y fabricar perfiles curvos con un sistema de tiro robótico. Los estudios relativos a este proceso demostraron su viabilidad y sentaron las bases de la tecnología, vislumbrando su potencial para ser incorporada al tejido industrial vasco y hacer frente a los requerimientos de la industria de la automoción. No obstante, este hecho precisa de una mayor comprensión de los límites del proceso y de la tecnología en sí misma. Por lo tanto, el presente trabajo se ha centrado en la generación de conocimiento en tres bloques fundamentales: - El primer bloque se dirige al desarrollo de nuevas formulaciones fotocurables. El objetivo principal se basa en desarrollar formulaciones que aporten un incremento de las propiedades mecánicas con respecto a los perfiles actuales. Para ello se realiza una comparación entre la formulación utilizada en los estudios previos a este trabajo y dos nuevas formulaciones, una poliéster insaturada y una viniléster. La formulación de viniléster supone un aumento significativo de las propiedades mecánicas de los perfiles. Además, en este bloque se demuestra la viabilidad de curar mediante radiación UV composites cargados con alúmina tri-hidratada, siendo un paso previo a su incorporación en perfiles fabricados mediante pultrusión UV. - El segundo bloque se centra el desarrollo y validación de un modelo cinético capaz de predecir la evolución del grado de curado a través del espesor del composite durante el proceso de curado UV. El objetivo principal consiste en disponer de un modelo analítico para la simulación del proceso de pultrusión UV, lo que reduciría los tiempos de puesta en marcha de la máquina. Para ello, se combina un modelo óptico, que divide la intensidad en valores discretos de longitud de onda, con el modelo autocatalítico. Mediante este enfoque, se consideran todos los factores que afectan la curado UV, como la fuente de luz UV, el material y espesor del composite, así como el sistema fotoiniciador. - El tercer bloque está orientado al diseño de estructuras celulares de composite de absorción de energía en caso de impacto. El objetivo principal consiste en analizar la viabilidad de predecir el comportamiento del componente mediante la caracterización de las celdas unitarias que lo componen. Los resultados demuestran la viabilidad de esta estrategia, siempre y cuando se realice el diseño en base a los resultados de los ensayos dinámicos. Finalmente, se ha desarrollado un modelo de negocio en el que se ha establecido como cliente potencial la industria de la automoción. Mediante este análisis se ha estudiado, desde un punto de vista de negocio, la viabilidad de la tecnología para hacer frente a esta industria. La conclusión obtenida, unida a los resultados alcanzados en la presente tesis doctoral han puesto en marcha los mecanismos necesarios para la creación de una Startup basada en el proceso de pultrusión UV.

Automozioaren industriak ezarritako segurtasun eta efizientzia energetikoaren inguruko eskakizunek, fabrikatzaile guztien estrategia agendetan konpositeak egotea bideratu dute. Hala eta guztiz ere, fabrikazio-prozesuen produktibitate baxuen eta lehengaien kostu altuen ondorioz, konpositeen erabilera balio handiko aplikazioetara murriztuta dago. Horregatik, azken urteetan zehar, aurrerapen nabarmenak egin dira konpositeak fabrikatzeko prozesu errentagarri berrien bilaketan. Aurrerapen hauen adibideetako bat, moldetik kanpo ultramore (UV) ontze bidezko pultrusioa da. Prozesu honen bitartez, UV argia erabiliz, perfilaren ontze prozesua moldetik kanpo ematen da; eta hortaz, tiratze indarrak murriztea, moldeak erraztea eta tiratze robotiko baten bitartez perfil kurboak fabrikatzea ahalbidetzen da. Prozesu honen inguruan garatutako ikerketa lanek teknologiaren funtsezko ezagutza garatu dute bere bideragarritasuna frogatuz eta euskal industria-sarean integratzeko potentziala erakutsiz. Horrela, automozioaren industrian konpositeei eskatzen diren errekerimenduei aurre egitea posible izango litzateke. Dena den, helburu hau lortzeko, prozesuaren eta teknologia beraren mugak ulertu eta identifikatu behar dira. Ondorioz, ikerketa lan honen helburua pultrusio-prozesu berri honen inguruan oinarrizko ezagutza garatzea da, hiru atal desberdinetan banatuta dagoelarik: - Lehenengo atalak fotopolimerizazio prozesuan oinarriturik formulazio berrien garapena aztertzen du. Hain zuzen ere, atal honen helburu nagusia, orain arte fabrikatutako perfilen propietate mekanikoak handitzen duten formulazioak garatzea da. Horretarako, aurretik landutako formulazioa, lan honetan garatutako bi formulazio berriekin (poliester eta binilester erretxinetan oinarritutakoak) konparatzen da. Binilester formulazioarekin fabrikatutako konpositeen propietate mekanikoek nabarmenki handitu dira. Honetaz gain, atal honetan alumina trihidratatuaren erabilera aztertzen da, pultrusio bidez fabrikatutako perfilen suaren aurkako propietateak hobetzeko asmoz. - Bigarren atalak konpositearen UV ontze prozesuaren modelo zinetikoaren garapena eta balioztatzea ditu helburutzat. Konpositearen ontze maila lodieraren arabera aurreikusteko modelo optiko eta autokatalitikoak bateratzen dira, intentsitatea uhin luzera desberdinen balore diskretuetan banatuz. Horrela, UV ontze bidezko pultrusioaren simulazioa ahalbidetuko da, prozesua martxan jartzeko denbora nabarmenki murriztuz. Ikuspuntu honen bitartez, UV ontze prozesuan eragina duten faktore guztiak hartzen dira kontuan: UV argi iturria, foto-hastarazle sistema, konpositearen materiala eta lodiera. - Hirugarren atala, talka-energiaren xurgapenerako konpositez fabrikatutako egitura zelularren diseinura bideratzen da. Bloke honen helburu nagusia, egitura hauen portaera aurreikusteko unitate zelularraren karakterizaziotik abiatzearen bideragarritasuna aztertzea da. Emaitzek estrategia honen bideragarritasuna erakusten dute, betiere entsegu baldintza dinamikoetan lortutako emaitzetan oinarriturik. Azkenik, negozio-eredu bat garatu da, bezero potentziala automoziorako industriara orientatuta izango duena. Analisi honen bitartez, enpresaren ikuspegitik industria honi aurre egiteko teknologiaren bideragarritasuna aztertzen da. Azterketa honek, tesi doktoralean zehar lortutako emaitzekin batera, UV ontze bidezko pultrusio prozesuan oinarritutako Startup baten sorkutnzarako mekanismoak martxan jarri ditu.

The requirements of the automotive industry for safety and energy efficiency have placed composites on the strategic agendas of all manufacturers. However, the low productivity of manufacturing processes in addition to their high cost has limited their use to high value-added applications. Thus, over the last few years, numerous advances have been made in the search for new processes that allow the manufacture of composites in a profitable manner. n example of this is pultrusion based on ultraviolet (UV) curing outside the die. This new approach consists of curing the profile at the exit of the die with UV radiation, which makes it possible to reduce pulling forces, simplify the dies and manufacture curved profiles with a robotic pulling system. The studies related to this process demonstrated its viability and laid the foundations of the technology, envisioning its potential to be incorporated into the Basque industrial fabric and meet the requirements of the automotive industry. However, this fact requires a greater understanding of the limits of the process and of the technology itself. Therefore, this work has focused on the generation of knowledge in three fundamental blocks: - The first block is aimed at developing new photo-curable formulations. The main objective is to develop formulations that provide an increase in mechanical properties with respect to current profiles. For this purpose, a comparison is made between the formulation used in the studies prior to this work and two new formulations, one of unsaturated polyester and one of vinyl ester. The vinyl ester formulation represents a significant increase in the mechanical properties of the profiles. In addition, in this block is demonstrated the feasibility of curing by UV radiation composites with tri-hydrated alumina, being a step prior to its incorporation into profiles manufactured by UV pultrusion. - The second block focuses on the development and validation of a kinetic model capable of predicting the evolution of the degree of cure through the thickness of the composite during the UV curing process. The main objective of this block is to have an analytical model for the simulation of the UV pultrusion process, which would reduce the set-up times of the machine. To achieve this goal, an optical model, which divides the intensity into discrete values of wavelength, is combined with the autocatalytic model. This approach considers all factors affecting UV curing, such as the UV light source, composite material and thickness, as well as the photoinitiator system. - The third block is oriented to the design of cellular composite structures for energy absorption in impact cases. The main objective of this block is to analyse the feasibility of predicting the behaviour of the component by characterizing the unit cells that compose it. The results demonstrate the viability of this strategy, as long as the design is made based on the results of the dynamic tests. Finally, a business model has been developed in which the automotive industry has been established as a potential customer. This analysis has studied, from a business point of view, the viability of the technology to deal with this industry. The conclusion obtained in this analysis and the results obtained in this PhD thesis have set in motion the necessary mechanisms for the creation of a Startup based on the UV pultrusion process.