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El reto central de la construcción ligera híbrida
En los modernos conceptos de diseño para automoción, aeroespacial y la electrónica, los conjuntos híbridos fabricados con diversos materiales ligeros, como aluminio, acero y plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP), se unen cada vez más mediante tecnología de unión adhesiva. Esta tecnología de unión permite la transmisión bidimensional de fuerzas y geometrías optimizadas para el diseño, pero se enfrenta a un reto técnico central: los diferentes coeficientes de dilatación térmica entre las piezas de unión y los adhesivos. Este denominado problema delta-alfa (problema delta-a) puede provocar tensiones internas y mecanismos de fallo críticos, sobre todo bajo cargas térmicas cíclicas o relacionadas con el proceso (Asociación Europea del Aluminio 2015; Dietrich 2018).
Coeficientes de dilatación térmica específicos de cada material y sus efectos
Cada material tiene un coeficiente de dilatación térmica (α)que describe el cambio de longitud en función de la temperatura. El rango de estos valores varía considerablemente entre los materiales utilizados en las juntas de construcción mixta: el acero tiene valores de α ≈ 11,5-13,1 × 10-⁶ K-¹, mientras que el aluminio tiene coeficientes de dilatación significativamente superiores de α ≈ 22-25 × 10-⁶ K-¹. Los adhesivos de resina epoxi se sitúan en el rango de α ≈ 45-200 × 10-⁶ K-¹, y los compuestos de CFRP muestran propiedades de expansión fuertemente anisótropas con valores entre -1,0 y 1,5 en la orientación de las fibras y hasta 65 × 10-⁶ K-¹ transversalmente a la orientación de las fibras.
fibra (Dietrich 2018).
Los desplazamientos relativos resultantes y las tensiones que se producen durante los ciclos de temperatura -por ejemplo, durante los procesos de producción o durante el funcionamiento en el rango de temperaturas de -40 °C a +200 °C- ejercen una tensión considerable sobre la unión pegada. Especialmente críticas son las zonas cercanas a la temperatura de transición vítrea (Tg), en las que los adhesivos pasan de tener propiedades viscoelásticas a elásticas o plásticas, lo que puede tener un impacto significativo en la resistencia y la vida útil de la unión (DFR Solutions s.f.).
Mecanismos de daño y sus consecuencias técnicas
Los daños en las uniones pegadas causados por diferentes coeficientes de dilatación térmica se manifiestan a través de varios mecanismos. Los diferentes valores de α dan lugar a tensiones de cizallamiento y tracción, que pueden provocar tanto el fallo de la interfaz como la fractura cohesiva del propio adhesivo. El grosor de la separación del adhesivo y la dimensión del componente son factores decisivos para la distribución de las tensiones. (Asociación Europea del Aluminio 2015; NPL 1999).
Hay que tener en cuenta la anisotropía de la expansión, especialmente en las uniones de CFRP, de modo que la estructura del laminado y la orientación de las fibras también influyen significativamente en el desarrollo de la tensión. Esto debe tenerse en cuenta al diseñar estructuras ligeras y materiales compuestos, ya que la tensión térmica está causada tanto por el desajuste de las piezas de unión como por la contracción del adhesivo durante el curado (Dietrich 2018).
La humedad como factor de influencia adicional
La humedad, en combinación con la temperatura, actúa como un factor adicional decisivo que influye en la resistencia de la unión. Puede cambiar significativamente las propiedades mecánicas de los adhesivos, debilitar la adhesión al sustrato y acelerar los daños relacionados con el envejecimiento, como la delaminación, la formación de grietas o la deformación de la capa adhesiva. La interacción con la temperatura aumenta la difusión y el proceso de degradación hidrolítica en el adhesivo, especialmente en aplicaciones exteriores y componentes electrónicos.
Predicción de la vida útil y métodos de prueba
La vida útil de las uniones adheridas bajo cargas térmicas alternas puede estimarse de forma fiable mediante una combinación de ensayos de envejecimiento acelerado, ensayos cíclicos de temperatura y modelos modernos de predicción. Los ensayos de envejecimiento acelerado simulan cargas a largo plazo bajo ciclos de temperatura realistas para simular el comportamiento de fallo y el desarrollo de grietas en el adhesivo. Los métodos modernos de predicción de ciclos cortos, como el Método Isotérmico Escalonado (SIM) o el Método de Isoesfuerzo Escalonado (SSM), permiten determinar rápidamente el comportamiento de fluencia y los efectos de relajación en relación con el desajuste térmico de los distintos materiales de unión (NPL 1999).
Los ensayos de fatiga y choque térmico registran el número de ciclos de fatiga y la aparición de mecanismos de daño, que son cruciales para evaluar la vida útil. Los resultados experimentales se combinan cada vez más con simulaciones numéricas y métodos de ensayo establecidos, como las pruebas de cambio climático, para permitir predicciones prácticas de la vida útil.
Combinaciones de materiales y sistemas adhesivos optimizados
Las combinaciones de materiales adhesivos y sustratos con coeficientes de dilatación térmica similares son especialmente eficaces para minimizar el riesgo de fisuración, deslaminación o formación de tensiones inducidas térmicamente. Los adhesivos de resina epoxi en combinación con sustratos metálicos como el aluminio o el acero son especialmente recomendables si la formulación del adhesivo se modifica específicamente con cargas o flexibilizadores para reducir el coeficiente de dilatación. coeficiente de dilatación al del metal (Asociación Europea del Aluminio 2015; Dietrich 2018).
Debido a su bajo módulo de elasticidad o a su alta elasticidad, los adhesivos de silicona y los sistemas de poliuretano ofrecen propiedades ventajosas con coeficientes de dilatación térmica muy variables y reducen las grietas térmicas y la fatiga.
Soluciones prácticas y recomendaciones de diseño
Varios factores son cruciales para el éxito de la aplicación de uniones encoladas fiables en la construcción ligera híbrida. La optimización del sistema de unión con adhesivos adecuados y flexibilización ayuda a reducir las tensiones. La elección de la estructura del laminado de CFRP y la optimización de la longitud de solapamiento, el grosor de la separación adhesiva y la geometría de unión son factores decisivos. El control del proceso y la gestión de la temperatura deben seleccionarse de forma que se eviten las zonas críticas de la temperatura de transición vítrea (DFR Solutions s.f.; NPL 1999).
Implicaciones para la práctica
Hay implicaciones prácticas específicas para los ingenieros de desarrollo de las industrias automovilística y aeroespacial, los científicos de materiales y los equipos de calidad. Analizar y simular el problema delta-alfa es esencial para diseñar uniones pegadas fiables y duraderas en la construcción ligera híbrida. Métodos de ensayo como la dilatometría, el análisis termomecánico (TMA) y DSC son herramientas clave para la evaluación comparativa y la optimización del proceso. La validación de los ciclos térmicos es parte integrante de cualquier estrategia de calidad y validación (European Aluminium Association 2015; DFR Solutions s.f.).
Conclusión
Los distintos grados de dilatación térmica de los adhesivos y las piezas de unión son un factor crítico para la integridad mecánica de las uniones encoladas modernas de construcción mixta. Modificando específicamente las propiedades del adhesivo, optimizando el componente y la geometría de unión y utilizando métodos de ensayo establecidos, los ingenieros de desarrollo pueden influir en el rendimiento mecánico de forma selectiva y minimizar el riesgo de fallo (Dietrich 2018; NPL 1999; DFR Solutions s.f.).
Lista de fuentes
Dietrich, R. (2018). Análisis de la incompatibilidad de dilatación térmica de estructuras híbridas FRP-metal. Universidad Técnica de Múnich. Disponible en: https://mediatum.ub.tum.de/1393107
Asociación Europea del Aluminio (2015). Unión de Materiales Disímiles. Disponible en:
https://european-aluminium.eu/wp-content/uploads/2022/11/11-joining-dissimilar-materials_2015.pdf
NPL (1999). Ensayos de fatiga cíclica de uniones adhesivas. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/237635154
DFR Solutions (sin fecha). Ciclos de temperatura y fatiga en electrónica. Disponible en:
https://www.ekwb.com/wp-content/uploads/2020/05/1-Temperature-Cycling-and-Fatigue-in-Electronics-White-Paper-1.pdf
