Autor: RETUERTA DEL REY, Guillermo
Título: Estudio de los contactos de adhesión y fricción de los materiales compuestos reforzados con fibras y matriz epoxi en procesos automatizados de moldeo
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Departamento: INGENIERIA MECANICA
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/91664/
Director/a(s):
- Director/a: CHACÓN TANARRO, Enrique
Resumen: The growing industrial demand for lightweight and high-performance structural components has led to the increasing adoption of prepreg composite materials in sectors such as automotive, aerospace, and high-performance sports. This evolution requires manufacturing processes that are more precise, repeatable, and adaptable to complex geometries. In this context, Progressive Draping Technology (PDT), developed by AEON-T Composite Technologies, emerges as a promising solution. This doctoral Thesis provides a detailed study of the adhesion and friction mechanisms involved in the automated fabrication of prepreg composites, with particular focus on the draping process enabled by PDT. The research is structured around three key contact phenomena that directly influence both part quality and process feasibility. The first is the adhesion between the uncured prepreg and the rigid mold surfaces. An experimental methodology is proposed to quantify adhesion strength as a function of temperature, pressure, and contact time. This approach is also used to characterize the time-temperature superposition principle without requiring separation of the matrix from the reinforcement. Results confirm the validity of the methodology and emphasize the importance of testing under conditions that closely replicate the actual forming scenario, accounting for both material state and process conditions. The second contact phenomenon concerns the friction between the uncured prepreg and non-stick materials such as silicone or Teflon, commonly used in gripping systems. A dedicated test rig is developed to precisely control the main process variables. The results show that the system operates under a hydrodynamic lubrication regime, highly sensitive to small variations in temperature, pressure, or sliding speed. This highlights the need for accurate control of process parameters to avoid defects such as wrinkling or material blockage. Finally, the thesis explores the adhesive bonding of cured CFRP laminates to structural inserts manufactured using MEX/P technology. Using a bearing housing as a case study, an analytical model is developed to predict interfacial stresses under realistic loading. This model is validated through an experimental campaign evaluating the mechanical strength and viability of various insert configurations. Reinforced polyamide inserts demonstrate mechanical performance comparable to traditional solutions such as CF-SMC, with the added benefits of lower cost and improved consistency. Overall, this Thesis provides a robust experimental, methodological, and analytical foundation for understanding and optimizing tribological interactions in automated prepreg forming processes. The tools developed enhance the quality, reliability, and industrial scalability of PDT technology, supporting its adoption in demanding applications across automotive and aerospace industries. RESUMEN La creciente demanda industrial de componentes estructurales ligeros y resistentes ha impulsado la adopción de materiales compuestos preimpregnados en sectores como la automoción, la aeronáutica y los productos deportivos. Esta evolución exige procesos de fabricación más precisos, repetibles y adaptables a geometrías complejas. En este contexto surge la tecnología de preformado progresivo (PDT), desarrollada por AEON-T Composite Technologies. Esta Tesis doctoral estudia en detalle los mecanismos de adhesión y fricción que intervienen en la fabricación automatizada con preimpregnados, con especial atención al preformado mediante PDT. La investigación se centra en tres tipos clave de contacto que afectan directamente a la calidad de la pieza y a la viabilidad del proceso. El primero es la adhesión entre el preimpregnado no curado y las superficies rígidas del molde. Se propone una metodología experimental para cuantificar la fuerza de adhesión según temperatura, presión y tiempo de contacto. También se aplica para la caracterización del principio de superposición tiempo-temperatura, sin necesidad de separar matriz y refuerzo. Los resultados confirman su validez y subrayan la importancia de caracterizar este principio en condiciones que reproduzcan fielmente el fenómeno a estudiar, considerando el estado del material y las condiciones de proceso. El segundo tipo de contacto analiza la fricción entre el preimpregnado y materiales antiadherentes como silicona o teflón, usados en sistemas de sujeción. Se desarrolla un banco de ensayos capaz de controlar con precisión las variables principales. Los resultados muestran que el sistema opera en régimen de lubricación hidrodinámica, muy sensible a variaciones en temperatura, presión o velocidad. Esto obliga a controlar con precisión los parámetros de proceso para evitar defectos como arrugas o bloqueos. Finalmente, se estudia la unión adhesiva entre laminados de CFRP curados e insertos fabricados mediante tecnología MEX/P. Usando un alojamiento de rodamiento como caso de estudio, se desarrolla un modelo analítico para predecir tensiones en la interfaz adhesiva bajo carga real. Se complementa con una campaña experimental que evalúa la resistencia y viabilidad de distintas configuraciones. Los insertos de poliamida reforzada presentan un comportamiento comparable a soluciones como CF-SMC, con menor coste y mayor repetibilidad. En conjunto, esta Tesis aporta una base experimental, metodológica y analítica para comprender y optimizar las interacciones tribológicas en procesos automatizados de conformado con materiales compuestos. Las herramientas desarrolladas permiten mejorar la calidad, fiabilidad y escalabilidad industrial de la tecnología PDT, promoviendo su implantación en sectores exigentes como el aeroespacial o el automotriz.