Descripción general
La tecnología de unión compuesta es una eslabón crítico pero relativamente débil En el diseño y fabricación de estructuras compuestas. Debido a la anisotropía, la fragilidad y la baja resistencia interlaminar de los compuestos, su diseño de unión difiere significativamente del de las estructuras metálicas y requiere especial atención. Los principales métodos de unión se pueden clasificar en tres grupos:

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1. Unión mecánica
Principio: Utiliza sujetadores mecánicos (pernos, tornillos, remaches, etc.) para conectar componentes compuestos con compuestos o compuestos con metal, lo que generalmente requiere orificios perforados.

Ventajas:
- Alta confiabilidad e inspeccionabilidad: El estado de la articulación es visible, lo que permite una inspección y un mantenimiento más sencillos.

- Capacidad de transferencia de carga: Adecuado para estructuras portantes primarias o regiones altamente cargadas.

- Requisitos de preparación de superficies inferiores en comparación con la unión adhesiva.

- Menos sensible a los factores ambientales como la humedad y la temperatura.

Desventajas:
- Concentración de estrés: La perforación rompe la continuidad de la fibra y provoca concentración de tensiones en los bordes del orificio, una de las principales causas de fallo.

- Peso añadido: Los sujetadores y refuerzos (arandelas, bujes) aumentan el peso estructural.

- Riesgo de daños: La perforación puede inducir delaminación, extracción de fibras o microfisuras en la matriz.

- Corrosión galvánica: cuando se utilizan sujetadores metálicos con compuestos de fibra de carbono, que requieren titanio o acero inoxidable más aislamiento.

- Reducción de la vida por fatiga debido a la concentración de tensiones en el borde del agujero.

Puntos técnicos clave:
- Selección del sujetador: material (aleación de titanio, acero inoxidable, sujetadores compuestos), tipo (pernos Hi-Lok, remaches ciegos, remaches Hi-Lite), forma de la cabeza (avellanada vs. saliente).

- Preparación del agujero: Perforación de precisión con bajos daños (brocas con revestimiento de diamante, placas de soporte, parámetros optimizados), perforación con láser de chorro de agua.

- Adaptar: Se prefiere un ajuste holgado; el ajuste con interferencia puede causar delaminación.

- Control de par: Control preciso de precarga para evitar el aflojamiento o aplastamiento de los compuestos.

- Reglas de diseño: pautas estrictas de distancia al borde, paso y espaciado.

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2. Unión adhesiva
Principio: Utiliza adhesivos para unir piezas compuestas.

Ventajas:

- Sin concentración de estrés: Se mantiene la continuidad de la fibra y la distribución de la carga es uniforme.

- Ligero: Sin sujetadores ni agujeros, lo que reduce el peso total.

- Excelente rendimiento frente a la fatiga debido a la distribución uniforme de la tensión.

- Propiedades de sellado y amortiguación: La capa adhesiva proporciona ambas cosas.

- Adecuado para geometrías complejas y de paredes delgadas. .

- Superficies lisas y estéticas .

Desventajas:
- Requisitos elevados de preparación de superficies: Es fundamental eliminar agentes desmoldantes y contaminantes; los tratamientos de superficie (lijado, granallado, limpieza con disolventes, imprimación, plasma) son obligatorios.
- Variabilidad de la fuerza: Depende en gran medida de la calidad del proceso (preparación de la superficie, mezcla, curado).
- Difícil inspección y desmontaje: Las juntas curadas son difíciles de evaluar y eliminar de forma no destructiva.
- Sensibilidad ambiental: Las propiedades adhesivas se degradan en condiciones de calor y humedad.
- Débil en cargas de pelado y clivaje en comparación con las cargas cortantes.
- Requisitos estrictos de curado (temperatura, presión, tiempo).

Puntos técnicos clave:
- Selección del adhesivo: Según la temperatura de servicio, el tipo de carga (cizallamiento, pelado, tensión), la tenacidad y las condiciones de curado (epoxi, acrílico, poliuretano, cianoacrilato). Adhesivos en película vs. adhesivos en pasta según la aplicación.

- Preparación de la superficie: piedra angular de la confiabilidad de la unión, requiriendo procesos estandarizados.

- Diseño conjunto: optimizar para cargas de corte (uniones de una sola vuelta, de doble vuelta, en bisel, escalonadas), minimizar tensiones de pelado, controlar el espesor del adhesivo.

- Control del proceso de curado: temperatura precisa, presión, velocidad de calentamiento y tiempo de permanencia.

- Inspección no destructiva: Ultrasonido, radiografía, termografía.

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3. Unión híbrida
Principio: Combina la unión adhesiva y la fijación mecánica en la misma región de unión.

Ventajas:
- Mayor eficiencia y confiabilidad: El adhesivo proporciona una distribución uniforme de la carga y los sujetadores añaden capacidad a prueba de fallas.

- Rendimiento mejorado frente a la fatiga: Los sujetadores detienen el crecimiento de grietas.

- Mayor tolerancia al daño: Múltiples rutas de carga.

- Precisión reducida del orificio del sujetador Requisitos debidos al relleno adhesivo.

Desventajas:
- Más pesado y más complejo que las uniones realizadas únicamente con adhesivo.

- Mayor coste y complejidad del proceso .

- Interacciones potenciales :Apretar los sujetadores puede alterar el adhesivo no curado, la contracción del adhesivo puede afectar la precarga.

Aplicaciones: Uniones críticas que requieren máxima seguridad y fiabilidad, como las conexiones entre alas y fuselaje de aeronaves.

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Consideraciones clave en el diseño de juntas compuestas

- Condiciones de carga: tensión, compresión, cizallamiento, pelado, fatiga, impacto.

- Propiedades del material: orientación de las capas, secuencia de apilado, espesor, tipo de materiales a unir (compuesto-compuesto, compuesto-metal).

- Factores ambientales: temperatura, humedad, productos químicos, exposición a rayos UV.

- Fabricabilidad: viabilidad, costo, ciclo de producción.

- Inspeccionabilidad y mantenibilidad: Capacidad de inspeccionar de forma no destructiva y facilidad de reparación/desmontaje.

- Peso: Minimizar el peso es un objetivo fundamental de los materiales compuestos.

- Costo: materiales, fabricación, mantenimiento.

- Modos de fallo: Las uniones deben diseñarse para modos de falla predecibles y no catastróficos (por ejemplo, falla del cojinete del perno, falla del adhesivo cohesivo) mientras se evita la fractura frágil (por ejemplo, tensión neta, delaminación, falla del adhesivo interfacial).

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Tendencias en tecnologías de unión de materiales compuestos
- Adhesivos avanzados: mayor resistencia a la temperatura, tenacidad y durabilidad; mejores métodos de tratamiento de superficies (por ejemplo, plasma); técnicas de END más confiables (ondas guiadas, ultrasonidos no lineales).

- Unión mecánica avanzada: Perforación de bajo daño, sujetadores compuestos, sujetadores inteligentes con capacidades de detección.

- Optimización de la unión híbrida: Estudio más profundo de las interacciones adhesivo-perno y herramientas de diseño refinadas.

- Estructuras integrales/co-curadas: reduciendo la necesidad de uniones mediante innovaciones en el diseño y la fabricación (por ejemplo, tejido 3D, costura, fijación en Z).

- Simulación numérica: Modelos de elementos finitos de alta fidelidad que capturan daños, contacto y comportamiento adhesivo.

- Articulaciones inteligentes / SHM: Sensores integrados en regiones articulares para monitorización en tiempo real.

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Conclusión
No existe un método de unión universal para compuestos; la elección depende de los requisitos de la aplicación, las condiciones de carga, el entorno, el costo, la capacidad de fabricación y las necesidades de mantenimiento.

- Unión adhesiva Ofrece ventajas en la reducción de peso, distribución del estrés y fatiga, pero requiere un estricto control del proceso.

- Fijación mecánica Se destaca en confiabilidad, capacidad de inspección y transferencia de carga, pero agrega concentración de tensión y peso.

- Articulaciones híbridas Combina los beneficios de ambos y se utiliza en aplicaciones críticas donde los márgenes de seguridad son primordiales.

Comprender los principios, las fortalezas, las debilidades y los requisitos técnicos de cada método es fundamental para el diseño y la aplicación exitosos de estructuras compuestas.