Pultrusión de perfiles 3D en base al curado UV fuera del molde y sistemas de tiro por robot

Abstract

Pultrusion, the manufacturing process analysed in this research work, is one of the most automatised processes to obtain continuous profiles with high fibre volume fraction; and consequently, elevated mechanical properties. However, it presents some disadvantages such as the high pulling forces or the impossibility to manufacture complex non-linear structures. Those limitations can be overcome if the profile is cured out of the die. In order to do that, new alternative curing strategies are needed. In the recent years, important efforts have been made so as to develop those new curing methods. One of those techniques is the ultraviolet curing, which has demonstrated the capacity to cure composites in short time periods. Thus, the present work exposes the development of a new pultrusion process based on out of die ultraviolet curing. The main advantages compared to the traditional pultrusion are the followings: the pulling force is significantly reduced since the profiles is cured out of the die; and, the possibility to manufacture non-linear profiles in combination with robotic pulling systems. The research work is divided into two main sections: - The first part is focused on the analysis of the manufacturing process of linear profiles. The target profile to be manufactured is a profile oriented to be used in the automotive sector, in crash energy absorbing structures. First, the selection of the correct photoinitiators for the ultraviolet sources has been performed; and, after that, an exhaustive analysis of the physical and mechanical properties of the manufactured profiles have been developed. Furthermore, some other studies out from the pultrusion line have been carried out, such as the comparison of the different curing analysis techniques or the ultraviolet curing of composites in different stages. - All the knowledge acquired in the first part of the study allowed to develop the out of die ultraviolet pultrusion process to manufacture non-linear profiles.After defining a target non-linear profile, the influence of different process parameters (emitting intensity and pulling speed) have been analysed. In addition, a kinetic model which describes the curing process of the resin have been developed. Hence, the influence of the parameters on the process has been measured, and the optimum process window has been determined. Finally, it has to be remarked that linear and no-linear profiles have been successfully manufactured, maintaining the mechanical properties of the traditional pultrusion. Thus, it has been demonstrated that the combination of the pultrusion and the ultraviolet curing is a step forward to develop alternative routes to manufacture composite profiles.

La pultrusión, el proceso de fabricación estudiado en este trabajo, es uno de los procesos de fabricación de materiales compuestos más automatizados para la obtención de perfiles continuos con elevados contenidos en fibra, y consecuentemente con elevadas propiedades mecánicas. En cambio, presenta diversas desventajas como las elevadas fuerzas de tiro o la imposibilidad de fabricar estructuras no-rectilíneas complejas. Estas limitaciones se pueden superar si el perfil se cura fuera del molde hilera. Para ello, se pueden emplear las nuevas técnicas de curado alternativas que se han desarrollado en los último años. Una de esas técnicas es el curado ultravioleta, el cual ha demostrado su capacidad para el curado de composites en cortos períodos de tiempo. Así, el presente trabajo expone el desarrollo de un nuevo proceso de pultrusión mediante curado ultravioleta fuera del molde hilera. De este modo, las principales ventajas competitivas frente a la pultrusión tradicional serían la reducción de las fuerzas de tiro (debido a que el perfil se cura fuera del molde hilera) y la posibilidad de fabricar perfiles no-rectilíneos (mediante el empleo de un tirado robótico). El trabajo se divide en dos principales apartados: - El primero se centra en el análisis de la fabric ación de perfiles rectilíneos. La pieza objetivo analizada es un perfil empleado para estructuras de absorción de energía de impacto en automoción. Se ha realizado la selección de las formulaciones de fotoiniciadores para las fuentes ultravioleta disponibles para a continuación desarrollar un exhaustivo análisis de las propiedades físicas y mecánicas de los perfiles fabricados en diferentes condiciones de procesado. Además, con el objetivo de madurar el proceso de curado mediante radiación ultravioleta se han realizado diferentes estudios fuera de la línea de pultrusión, como puede ser la comparación de diferentes técnicas de análisis del proceso de curado o el curado ultravioleta por etapas de composites. - Todo lo aprendido en el primer bloque del estudio permite el desarrollo del proceso de pultrusión ultravioleta para la fabricación de perfiles no-rectilíneos. Teniendo como referencia una pieza no-rectilínea tipo, se han analizado los diferentes parámetros de procesado (velocidad de tiro e intensidad de emisión). Además, mediante el desarrollo de un modelo cinético del curado de la resina, se ha conseguido analizar la influencia de estos parámetros en el proceso, definiendo una ventana óptima de procesado. Finalmente, se ha de remarcar que se han conseguido fabricar satisfactoriamente perfiles tanto rectilíneos como no-rectilíneos, con propiedades mecánicas equiparables a la pultrusión tradicional, demostrando que la combinación del curado ultravioleta y la pultrusión es un paso adelante en el desarrollo de nuevos procesos de fabricación de materiales compuestos.