Metodología para caracterizar materiales cfrtp, para su aplicación en elementos estructurales amortiguadores y anti-vibratorios de automoción

Abstract

Los materiales compuestos de matriz termoplástica reforzados con fibras continuas (CFRTP) se presentan como materiales ligeros, capaces de ofrecer tiempos de producción cortos y con posibilidad de ser reciclados. Estas propiedades los hacen ideales para su aplicación en automoción, con fines de aligeramiento y reducción de emisiones. El salto cualitativo para poder conseguir estos objetivos sería poder desarrollar elementos estructurales con materiales ligeros CFRTP. El objetivo global de esta tesis es analizar la factibilidad de la aplicación de CFRTP en elementos estructurales del automóvil con funciones anti-vibratorias y de amortiguación. Los datos disponibles en la literatura son escasos e insuficientes para poder conocer las características requeridas para poder ser aplicados en los elementos estructurales de automoción deseados. Para conseguir nuestro objetivo, era necesario conocer si los CFRTP: - pueden ser procesables dentro de un proceso de vulcanizado (resistencia a altas presiones, temperaturas y optimas propiedades de adhesividad con el caucho). - cumplen con las propiedades dinámicas requeridas. - admiten uniones mecánicas adecuadas. Para poder analizar el comportamiento de los CFRTP durante el proceso de vulcanizado y conocer si sus propiedades de adhesión con caucho son suficientes para satisfacer los requerimientos establecidos en el sector del automóvil, se fabricaron probetas de CFRTP con caucho vulcanizado, bajo las mismas condiciones de fabricación que los elementos actuales compuestos por caucho y metal. Sobre estas probetas de CFRTP y caucho vulcanizado se realizaron ensayos de adhesión a tracción y cizalla. Estos estudios aportan información no conocida previamente. Las propiedades dinámicas tienen gran importancia en los elementos antivibratorios. Con el objetivo de analizar si los CFRTP cumplen los requisitos o si aportan ventajas respecto a los materiales metálicos utilizados actualmente, se fabricaron probetas de CFRTP y se realizaron ensayos dinámicos a tracción-compresión. La gama de productos objeto de estudio para la aplicación de CFRTP, dispone de elementos de unión mecánica para ser fijados a la estructura del vehículo. Para estudiar este tipo de uniones en materiales CFRTP, se realizaron ensayos en probeta de par de apriete máximo, así como de pérdida de apriete en el tiempo. Los resultados obtenidos (CFRTP-caucho) demuestran que: - Cumplen con los requisitos de los fabricantes de automóviles para este tipo de componentes. - Ofrecen ventajas dinámicas sobre los materiales actualmente empleados; por lo que son idóneos para su aplicación como elementos antivibratorios. - Son adecuados para la sustitución de componentes metálicos en la fabricación de productos estructurales en el sector de la automoción, con el objetivo de conseguir disminuir el peso del automóvil. Palabras clave: Composite, composites de matriz termoplástica reforzados con fibra continua, CFRTP, automóvil, caucho vulcanizado, unión adhesiva; anti-vibración; dinámico; uniones atornilladas. Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic Composite materials (CFRTP) appeared as lightweight materials, offering short processing times and capability to be recycled. All these properties make them ideals for their application in automotive industry, to reach lightweight and emission reductions targets. The most important improvement to reach these goals would be to be able to develop structural components using CFRTP lightweight materials. The main goal of this thesis is to analyze the feasibility of the application of CFRTP in structural automotive components with anti-vibration and damping characteristics. The information available in the literary is insufficient to know the main characteristics required for their application in the automotive structural components. To reach our goal, it was necessary to know if the CFRTP: - Are able to be used in a vulcanization process ( high pressure and temperature resistance, and good properties in the adhesion with rubber). - Meet the dynamic properties required - Are suitable for bolted joints applications Samples made of CFRTP adhesived with vulcanized rubber were manufactured under the same conditions of current rubber-metal parts. The samples were tested under tensile and shear strength destructive tests in order to analyze the performance of CFRTP during the vulcanization process and to know if their adhesion properties with rubber are enough to meet the automotive industry requirements. These tests bring new and unknown information. The dynamic properties are mainly important in anti-vibration components. Samples made of CFRTP were manufactured to perform dynamic tensile-compression test in order to analyze if the CFRTP meet the requirements or if they have better dynamic properties than the current metal materials. The product family analyzed have bolted joint so they can be assembled to the car structure. Maximum torque tests and loss of torque test were done in order to analyze the CFRTP properties. The results obtained (CFRTP-rubber) shown: - They meet the requirements of the main car manufactures for these kind of applications - They offer dynamic advantages over metal, so they are suitable for anti-vibration applications - They are suitable to replace metal parts in the production of structural automotive components, in order to lightweight the vehicles. Key Words: Composite, Continuous Fiber-Reinforced Thermoplastic Composite, CFRTP, automotive, vulcanized rubber, adhesive joint, anti-vibration, dynamic, bolted joints