Resum
Aquest projecte pretén ser un resum de l’experiència extreta durant el desenvolupament i la fabricació d’un sostre rígid de fibra de carboni per a un cotxe descapotable utilitzat en circuit. El cotxe és un model “targa” descapotable amb sostre de tela o rígid de fibra de vidre. A partir del disseny original es farà un sostre rígid alternatiu que mantingui l’estètica original del vehicle tot reduint-ne la massa i fent-lo compatible amb el muntatge de barres de seguretat, per tant el disseny exterior que marca l’estètica queda inalterat.
En aquesta memòria es fa un breu repàs de l’estat de l’art de les diverses tecnologies de fabricació relacionades amb els materials compostos de matrius polimèriques.
Es detalla la metodologia seguida tant en l’elaboració del motlle com de les diverses parts que composen el sostre final de fibra de carboni i es farà un càlcul per dimensionar la matèria prima necessària per dur a terme el projecte.
La peça principal del sostre rígid s’elaborarà pel mètode d’infusió i es farà una simulació del procés de fabricació tot utilitzant un programari específic per validar el disseny del sistema abans de dur-lo a terme.
Sumari
RESUM ______________________________________________________ 1
SUMARI _____________________________________________________ 3
ÍNDEX D’IL·LUSTRACIONS I TAULES _____________________________ 5
A.
DESCRIPCIÓ D’UN OPEL SPEEDSTER ________________________ 7
A.1.
Xassís ... 7
A.2.
Carrosseria ... 8
A.3.
Fitxa tècnica ... 9
B.
FITXA TÈCNICA GELCOAT ________________________________ 10
C.
FITXA TÈCNICA RESINA DE POLIÈSTER _____________________ 13
D.
FITXA TÈCNICA NUCLI ____________________________________ 17
E.
FOTOS DEL PROCÉS D’ELABORACIÓ _______________________ 18
E.1.
El model... 18
E.2.
Preparació del model ... 19
E.3.
Fabricació del motlle ... 20
E.4.
Fabricació de la pell vista ... 23
E.4.1. Col·locació de la primera capa de fibra de carboni ... 23
E.4.2. Col·locació del nucli ... 24
E.4.3. Col·locació dels reforços del contorn ... 26
E.4.4. Col·locació de la última capa de fibra carboni ... 27
E.4.5. Preparació dels consumibles per la infusió de resina ... 29
E.4.6. Infusió de resina ... 31
E.5.
Fabricació dels suports de fixació ... 34
E.6.
Fabricació del reforç transversal ... 38
E.7.
Fabricació dels tancaments laterals ... 39
E.8.
Vernís i acabats ... 44
E.8.1. Vernissat ... 44
E.8.2. Acabats finals ... 45
E.9.
Resultat final ... 46
E.10.
Fabricació del motlle de segona generació ... 48
BIBLIOGRAFIA ______________________________________________ 51
Referències bibliogràfiques ... 51
Pág. 4 Annexes
Índex d’il·lustracions i taules
Il·lustració B.1 Xassís d’alumini principal ... 7
Il·lustració B.2 Sub-xassís d’acer ... 7
Il·lustració B.3 Vista general d’un Opel Speedster ... 8
Il·lustració B.4 Vista de les dues parts principal de la carrosseria ... 8
Il·lustració F.1 Superfície exterior del model... 18
Il·lustració F.2 Detall de defectes estètics a nivell de fibra (bombolla, arrugues i tall) ... 19
Il·lustració F.3 Model amb pestanya ... 19
Il·lustració F.4 Detall de la junta pestanya-model ... 20
Il·lustració F.5 Resultat després d’aplicar la primera capa de fibra de vidre ... 20
Il·lustració F.6 Motlle amb reforços ... 21
Il·lustració F.7 Motlle obtingut després del desemmotllament ... 21
Il·lustració F.8 Acabat superficial del motlle ... 22
Il·lustració F.9 Ajust de les cantonades més crítiques ... 23
Il·lustració F.10 Pas previ al tallat del sobrant de les pestanyes ... 23
Il·lustració F.11 Resultat de la col·locació de la primera capa ... 24
Il·lustració F.12 Plantejament del nucli sobre el motlle ... 24
Il·lustració F.13 Posicionament del nucli ... 25
Il·lustració F.14 Resultat final de la col·locació del nucli ... 25
Il·lustració F.15 Capa de reforç al contorn del nucli ... 26
Il·lustració F.16 Col·locació d’un dels reforços ... 26
Il·lustració F.17 Reforç extret d’un sobrant ... 27
Il·lustració F.18 Posicionament de la última capa de fibra de carboni ... 27
Il·lustració F.19 Compactació de les cantonades ... 28
Il·lustració F.20 Resultat de la col·locació de la última capa del laminat... 28
Il·lustració F.21 Col·locació del peel-ply ... 29
Il·lustració F.22 Tall del sobrant del peel-ply ... 29
Il·lustració F.23 Col·locació de la malla d’infusió ... 30
Il·lustració F.24 Col·locació de la bossa de buit i els tubs d’entrada i sortida de resina ... 30
Il·lustració F.25 Muntatge del sistema d’infusió ... 31
Il·lustració F.26 Esquema vs muntatge real ... 31
Il·lustració F.27 Sistema en fase de compactació ... 32
Il·lustració F.28 Manòmetre que valida el buit del sistema ... 32
Il·lustració F.29 Inici de l’obertura de pas de la resina ... 33
Il·lustració F.30 Detall de l’avanç del front de resina ... 33
Il·lustració F.31 Detall de la secció del laminat d’un suport ... 34
Il·lustració F.32 Nuclis de poliuretà tallats ... 34
Il·lustració F.33 Inserts d’alumini tallats i foradats ... 35
Il·lustració F.34 Posicionament del suport... 35
Pág. 6 Annexes
Il·lustració F.36 Detall d’un dels suports ... 36
Il·lustració F.37 Resultat del suport amb les femelles reblonades ... 37
Il·lustració F.38 Suport acabat amb sistema de fixació ... 37
Il·lustració F.39 Resum de l’elaboració del suport transversal ... 38
Il·lustració F.40 Esquema de la secció d’un tancament lateral ... 39
Il·lustració F.41 Motlle per corbar el nucli de fusta ... 39
Il·lustració F.42 Imatges del nucli del tancament lateral fixat ... 40
Il·lustració F.43 Extracció de plantilles del nucli ... 40
Il·lustració F.44 Patrons de fibra de carboni tallats ... 41
Il·lustració F.45 Laminat manual amb pinzell ... 41
Il·lustració F.46 Buit aplicat al tancament lateral ... 42
Il·lustració F.47 Tancaments laterals en brut ... 43
Il·lustració F.48 Tancaments laterals amb sobrants tallats ... 43
Il·lustració F.49 Sostre després del vernís i pendent del polit final... 44
Il·lustració F.50 Resultat del vernissat ... 44
Il·lustració F.51 Ajustament del sostre amb el marc del parabrises ... 45
Il·lustració F.52 Ajustament de la goma del tancament lateral amb la finestra ... 46
Il·lustració F.53 Opel Speedster al circuit de Can Padró (primer prototip) ... 46
Il·lustració F.54 Opel Speedster al circuit de Castellolí (segon prototip) ... 47
Il·lustració F.55 Opel Speedster al circuit d’Albacete (tercer prototip) ... 47
Il·lustració F.56 Aplicació del gelcoat de base vinilèster ... 48
Il·lustració F.57 Aplicació de vel de fibra de vidre ... 48
Il·lustració F.58 Resultat després de dues capes de vel de fibra de vidre ... 49
Il·lustració F.59 Resultat obtingut després d’aplicar 3 capes de fibra de vidre MAT ... 49
Il·lustració F.60 Rodet per eliminar bombolles d’aire atrapades en el laminat ... 50
Il·lustració F.61 Resultat del nou motlle ... 50
A.
Descripció d’un Opel Speedster
L’Opel Speedster és un cotxe esportiu derivat del Louts Elise que segueix la mateixa filosofia de Colin Chapman (dissenyador del xassís) on es dóna prioritat a la lleugeresa davant d’altres aspectes. Per aconseguir un conjunt tan lleuger es fa un ús exhaustiu de l’alumini i materials compostos.
A.1. Xassís
L’Opel Speedster consta d’un xassís d’alumini i un sub-xassís d’acer. El xassís principal és un monocasc d’alumini fet a partir de diferents perfils d’extrusió posteriorment units mecànicament i amb adhesius estructurals.
Il·lustració A.1 Xassís d’alumini principal
Pág. 8 Annexes
A.2. Carrosseria
La carrosseria del cotxe està feta íntegrament de materials compostos reforçats amb fibra de vidre.
Il·lustració A.3 Vista general d’un Opel Speedster
A.3. Fitxa tècnica
A continuació es mostra una taula amb les principals característiques tècniques que defineixen el cotxe.
Pág. 10 Annexes
Pág. 18 Annexes
E.
Fotos del procés d’elaboració
En aquest apartat es mostren fotografies de diferents parts del procés d’elaboració que s’ha dut a terme durant el projecte.
E.1. El model
El model que servirà per extreure el motlle de la pell vista es compra a una empresa anglesa que es dedica a fer sostres rígids per Opel Speedster i Lotus Elise. Després de parlar amb ells i entenent la finalitat del projecte van oferir la possibilitat de comprar una pell vista en la qual falten tots els accessoris d’un sostre normal i que procedeix d’una prova que no va superar els controls de qualitat.
El model consta d’un acabat superficial en fibra de carboni sobre unes capes de fibra de vidre MAT.
Aquest model és perfectament apte per extreure’n un motlle ja que l’acabat superficial és molt bo però en canvi no ho és a nivell estètic ja que presenta moltes ondulacions i defectes en la orientació de les fibres que es veuen de forma directa.
E.2. Preparació del model
El motlle necessita tenir una pestanya suficientment gran al voltant de la peça. Aquesta serà utilitzada per poder muntar tot el sistema d’infusió de resina i treballar de forma més còmode.
S’utilitza polipropilè cel·lular per la facilitat de manipulació i les seves propietats antiadherents. Les juntes entre el model i les pestanyes es tapen amb plastilina, deixant radis amplis per evitar angles i cantonades que poden ser problemàtiques en el desemmotllament.
Il·lustració E.2 Detall de defectes estètics a nivell de fibra (bombolla, arrugues i tall)
Pág. 20 Annexes
E.3. Fabricació del motlle
El motlle està fet a partir de dues capes de gelcoat de polièster blanc que copia perfectament la superfície del model i donarà el bon acabat superficial. Es reforça amb unes capes de fibra de vidre MAT i resina de polièster.
Il·lustració E.4 Detall de la junta pestanya-model
Un cop curada la resina es desemmotlla per obtenir la forma final del motlle. Il·lustració E.6 Motlle amb reforços
Pág. 22 Annexes
En les següents imatges s’intenta mostrar el bon acabat superficial obtingut gràcies a l’ús del gelcoat.
E.4. Fabricació de la pell vista
E.4.1. Col·locació de la primera capa de fibra de carboni
La primera capa de fibra de carboni és de 240gr/m2 i és la més crítica ja que qualsevol arruga o imperfecció en l’orientació de les fibres quedarà visible en la peça final. És important ser molt curós i no tenir pressa en aquest punt.
Il·lustració E.9 Ajust de les cantonades més crítiques
Pág. 24 Annexes
E.4.2. Col·locació del nucli
Després de col·locar la primera capa de carboni es procedeix a col·locar el nucli específic per infusió.
Il·lustració E.11 Resultat de la col·locació de la primera capa
Il·lustració E.13 Posicionament del nucli
Pág. 26 Annexes
E.4.3. Col·locació dels reforços del contorn
S’afegeixen uns reforços a tot el contorn de la pell vista per tenir un extra de resistència a totes les cantonades de la peça.
Il·lustració E.15 Capa de reforç al contorn del nucli
vista. Així que aquests poden estar fets a partir de retalls sobrants i no és important que quedin col·locats de forma visiblement perfecte.
E.4.4. Col·locació de la última capa de fibra carboni
Per acabar el laminat de la peça cal afegir una capa que cobreix tot el conjunt. Aquesta capa no té una finalitat estètica i per tant no cal que sigui col·locada amb la meticulositat de la
primera. S’utilitza fibra de carboni amb un gramatge estàndard de 199gr/m2.
Il·lustració E.17 Reforç extret d’un sobrant
Pág. 28 Annexes
Il·lustració E.19 Compactació de les cantonades
Un cop s’ha acabat el laminat de la peça es comencen a col·locar tots els consumibles necessaris per poder fer la infusió de resina. Peel-ply, canals d’alimentació de resina, malles de repartició de resina i bossa de buit.
Il·lustració E.21 Col·locació del peel-ply
Pág. 30 Annexes
Il·lustració E.23 Col·locació de la malla d’infusió
Il·lustració E.25 Muntatge del sistema d’infusió
Pág. 32 Annexes
El sistema d’infusió s’ha de validar per garantir el buit. Durant aquest procés es fa una seqüència de compactació del laminat amb cicles de buit que ajuden a assentar la bossa de buit i a equilibrar el buit en tot el motlle.
Es comprova que el buit sigui suficient i que no hi hagi pèrdues amb l’ajut d’un manòmetre. Il·lustració E.27 Sistema en fase de compactació
començar el procés d’infusió. Es fa la barreja de resina i catalitzador i s’obre el pas de resina cap al sistema.
Il·lustració E.29 Inici de l’obertura de pas de la resina
Pág. 34 Annexes
E.5. Fabricació dels suports de fixació
Els suports de les fixacions del sostre estan formats per un nucli de poliuretà rígid junt amb un insert d’alumini i un laminat de fibra de carboni que integra el suport amb el sostre.
En la següent imatge es pot veure un esquema de la secció d’un suport.
Es tallen nuclis de poliuretà rígid.
Il·lustració E.31 Detall de la secció del laminat d’un suport
Il·lustració E.33 Inserts d’alumini tallats i foradats
Pág. 36 Annexes
Després de laminar manualment el suports s’aplica el buit per extreure el sobrant de resina i compactar el conjunt.
En la següent fotografia es pot veure com el sobrant de resina és absorbit per la manta d’absorció.
Il·lustració E.35 Buit dels suports
Il·lustració E.37 Resultat del suport amb les femelles reblonades
Pág. 38 Annexes
E.6. Fabricació del reforç transversal
L’elaboració del reforç transversal és molt similar a la fabricació dels suports de les fixacions però aquest no conté cap insert d’alumini. A continuació es mostra una successió de tres fotografies de l’elaboració.
E.7. Fabricació dels tancaments laterals
Els tancaments laterals estan formats per una estructura de nucli de poliuretà i fusta. En la següent imatge es pot veure un esquema de la secció central.
El nucli de fusta ha de seguir una forma corbada per adaptar-se a la finestra. Per aconseguir aquesta forma es fa un laminat amb dos llistons de fusta i s’encolen dins un motlle que els dóna la curvatura necessària.
Il·lustració E.40 Esquema de la secció d’un tancament lateral
Pág. 40 Annexes
Abans del laminat es fa el muntatge del nucli, es posiciona i es fixa a l’estructura de la pell vista. En les següent fotografies es pot veure l’estructura del nucli ja fixada.
S’extreuen plantilles de tots els detalls que s’han de laminar i posteriorment es tallen els patrons.
Il·lustració E.42 Imatges del nucli del tancament lateral fixat
El laminat és manual amb pinzell, com en el cas del suports de les fixacions i el reforç transversal.
Il·lustració E.44 Patrons de fibra de carboni tallats
Pág. 42 Annexes
de fibra i restes de resina que hagin pogut quedar.
Il·lustració E.47 Tancaments laterals en brut
Pág. 44 Annexes
E.8. Vernís i acabats
Per acabar el sostre rígid només cal un vernissat de la cara exterior i el muntatge de les gomes i embellidors necessaris per aconseguir un bon ajustament.
E.8.1. Vernissat
El vernís és aplicat per un professional en una cabina de pintura especifica. S’utilitza vernís d’automoció que aporta la protecció necessària als raig UV.
Il·lustració E.49 Sostre després del vernís i pendent del polit final
S’afegeixen les gomes i embellidors necessaris per ajustar el sostre amb el marc del parabrises i la finestra.
Pág. 46 Annexes
En la següent fotografia es pot veure com el vidre de la finestra ajusta sobre la goma aconseguint una reducció del soroll i de l’entrada d’aigua.
E.9. Resultat final
A continuació es mostren algunes fotografies d’alguns dels sostres ja fets i muntats. Il·lustració E.52 Ajustament de la goma del tancament lateral amb la finestra
Il·lustració E.54 Opel Speedster al circuit de Castellolí (segon prototip)
Pág. 48 Annexes
E.10. Fabricació del motlle de segona generació
Després d’haver finalitzat el projecte i amb l’experiència obtinguda es decideix fer un nou motlle per intentar corregir alguns errors i millorar la qualitat de les peces obtingudes. A continuació es mostra un recull de fotografies del procés que s’ha seguit per fer el nou motlle.
Il·lustració E.56 Aplicació del gelcoat de base vinilèster
Il·lustració E.58 Resultat després de dues capes de vel de fibra de vidre
Pág. 50 Annexes
Il·lustració E.60 Rodet per eliminar bombolles d’aire atrapades en el laminat
Bibliografia
Referències bibliogràfiques
[1] Molded Fiber Glass, Technical Design Guide for FRP Composite Products and parts - Techniques & Technologies for Cost Efectiveness
[2] HEXCEL, HexPly® Prepreg Technology.
[3] NASA, A Summary And Review of Composite Laminate Design Guidelines 1997
[4] Justin B. Alms, Nuno Correia, Suresh Advani, Edu Ruiz, Experimental Procedures to Run Longitudinal Injections to Measure Unsaturated Permeability of LCM Reinforcements
Bibliografia complementària
NASA, A Summary And Review of Composite Laminate Design Guidelines 1997 S.J. Pickering, Recycling technologies for thermoset composite materials
Donald M. Lasell, Think Composites, L.L.C. Palm Harbor, FL Part and Mold Design Guidelines for the High Volume Compression Molding of Carbon Fiber Reinforced Epoxy BASF, Part and Mold Design Guidelines for the High Volume Compression Molding of Carbon Fiber Reinforced Epoxy
www.compositesworld.com https://compositesuk.co.uk/ www.resinascastro.com www.lotushardtops.com http://www.speedsterclub.nl/bibliotheek/technische%20documentatie/tis/ www.easycomposites.com www.esi-group.com
