Abstract

La presente monografía está basada en el texto de la tesis doctoral homónima defendida
en la Universitat Politècnica de Catalunya el 6 de febrero de 2012, en el marco
del programa de doctorado de Análisis Estructural del Departament de Resistència de
Materials i Estructures a l’Enginyeria. En este estudio se analiza la viabilidad del uso
de las técnicas experimentales y numéricas basadas en la respuesta dinámica, para la
detección y localización del daño inducido, la cuantificación del grado de severidad y
la predicción de las propiedades mecánicas residuales de laminados de material compuesto
tras ser sometidos a un impacto a baja velocidad. El trabajo de investigación
comprende un enfoque mixto experimental y numérico. Por un lado constituye un
riguroso estudio experimental que incluye la evaluación de la resistencia a impacto,
la caracterización del daño inducido, la cuantificación de los efectos en la respuesta
dinámica y la evaluación de la capacidad portante residual. El estudio experimental
se completa con un minucioso análisis del efecto inducido por deslaminaciones artificiales en la respuesta dinámica y en la capacidad portante residual de los laminados.

Por otro lado, se ha simulado el fenómeno estimando principalmente la iniciación y la
propagación del daño interlaminar e igualmente los efectos inducidos en la respuesta
dinámica. En el enfoque numérico se trata el material compuesto como un sistema
microestructural, en el cual los fallos surgen en la interacción entre los materiales
constituyentes. Para reproducir la degradación se emplea una estrategia de reducción
localizada de la rigidez elástica del material que no demanda una intervención durante
el preproceso.
Los resultados empíricos aportan conclusiones relevantes en relación al grado de
sensibilidad y a la adecuación de los diferentes criterios de correlación modal para la
identificación del daño inducido por un impacto. Los nuevos criterios de correlación
definidos y el análisis conjunto de las propiedades estáticas y dinámicas residuales, han
permitido acotar el intervalo de incertidumbre y reducir la limitación actual en relación
a la deformación máxima admisible a compresión de los laminados. La herramienta
de cálculo desarrollada permite simular el comportamiento vibratorio de laminados
compuestos definiendo el material y su estado de degradación en la microescala. Los
resultados corroboran la viabilidad del enfoque microestructural para la simulación
del fenómeno.

Abstract

La posibilidad de conocer el estado tensional y el comportamiento de las piezas de materiales compuestos de forma continua (SHM) permite minimizar recursos en las tareas de mantenimiento y optimizar las etapas de monitorización y control. Además, los procesos de fabricación de composites siguen siendo complejos desde el punto de vista del control de calidad (cero defectos / cero rechazos) debido a cuestiones como las diferencias entre lotes de materiales o la variabilidad asociada a las operaciones manuales. Es por ello, que la monitorización de los procesos de fabricación de laminados in situ es cada vez más importante para garantizar procesos de fabricación fiables, pero también eficientes y económicos. Hoy en día existen varias soluciones de monitorización, sin embargo, los datos obtenidos no se proporcionan in situ y las soluciones requieren redes complejas de cables. La integración de sensores impresos con esta doble funcionalidad que puedan integrarse como parte del proceso y permanecer incrustados en la pieza, reduciendo la complejidad del montaje de un sistema de monitorización convencional sería especialmente relevante para muchos sectores.

Este trabajo muestra el desarrollo, integración y validación de sensores de temperatura y deformación, impresos en velos de nanofibras capaces de soportar las condiciones de los procesos de fabricación de laminados termoestables y termoplásticos.

Los sensores de temperatura obtenidos mostraron una respuesta lineal en el rango de temperaturas entre Tamb y 110ºC y una respuesta con una buena precisión, lineal y repetitiva volviendo el sensor a su cero en cada ciclo de carga-descarga para los sensores de deformación.

ABSTRACT: The possibility of continuously monitoring the stress state and behavior of composite material components (Structural Health Monitoring, SHM) allows for resource minimization in maintenance tasks and optimization of monitoring and control stages. Additionally, quality control remains complex in composite manufacturing processes (zero defects/zero rejections) due to factors such as material batch variations and variability associated with manual operations. Therefore, in-situ monitoring of laminated manufacturing processes is increasingly important to ensure reliable, efficient, and cost-effective manufacturing processes. Currently, there are several monitoring solutions available; however, the data obtained is not provided in-situ, and the solutions require complex wiring network. The integration of printed sensors with dual functionality, capable of being embedded as part of the process and remaining within the component, reducing the complexity of assembling a conventional monitoring system, would be particularly relevant for many industries.

This study presents the development, integration, and validation of temperature and strain sensors printed on nanofiber veils capable of withstanding the conditions of thermoset and thermoplastic laminating processes.

The temperature sensors obtained exhibited a linear response within the temperature range of Tamb to 110°C and demonstrated good accuracy, linearity, and repeatability, returning the sensor to its zero point in each load-unload cycle for the strain sensors.