Escalado industrial y mejora de la eficiencia energética en el curado de composites mediante corriente eléctrica

Abstract

[Resumo] Os métodos de fabricación de pezas de materiais compostos de fibra de carbono (CFRP) mediante autoclave ou forno presenta limitacións significativas en termos de eficiencia enerxética, costes e tempos de ciclo. Este traballo investiga o desenvolvemento dunha técnica de curado alternativa baseada no quecemento por resistencia eléctrica (efecto Joule), aproveitando a condutividade intrínseca das fibras de carbono, mediante un sistema de curado eléctrico, con corrente continua. Os resultados experimentais, obtidos mediante as técnicas de análise mecánico-dinámico (DMA) e calorimetría diferencial de barrido (DSC), demostran que o curado por efecto Joule permite alcanzar graos de curado e temperaturas de transición vítrea (𝑇𝑔) equivalentes aos métodos convencionais, reducindo de maneira significativa tanto o tempo de ciclo coma o consumo enerxético. A aplicación de Modelos Aditivos Xeralizados (GAM) a estes análises permitiu analizar estatisticamente a influencia dos parámetros de deseño do proceso, explicando máis do 97% da variabilidade nas propiedades viscoelásticas. Os ensaios de fatiga realizados evidenciaron que as pezas curadas electricamente, cunha compactación previa mediante vacuo, ofrecen un desempeño mecánico superior ás das mostras curadas en forno. Todo iso a súa vez tamén se ve reforzado cunha análise de eficiencia do proceso, no que se aprecia que o consumo enerxético mediante esta innovadora técnica de curado vese substancialmente reducido en comparación co método tradicional. Estas análises permiten a súa vez identificar algúns elementos de deseño clave de cara á escalabilidade ata o nivel dun proceso industrial instaurado. Tamén se puido identificar algunhas posibles aplicación adicionais para o sistema de curado. O estudo conclúe que o curado por efecto Joule é una alternativa vantaxosa aos sistemas de curado empregados actualmente, destacando debido a que permite una maior rapidez de fabricación e proporciona unha maior eficiencia enerxética, con potencial para a fabricación e reparación in situ de compoñentes estruturais[Resumen] Los métodos de fabricación de piezas de materiales compuestos de fibra de carbono (CFRP) mediante autoclave u horno presenta limitaciones significativas en términos de eficiencia energética, costes y tiempos de ciclo. Este trabajo investiga el desarrollo de una técnica de curado alternativa basada en el calentamiento por resistencia eléctrica (efecto Joule), aprovechando la conductividad intrínseca de las fibras de carbono, mediante un sistema de curado eléctrico, con corriente continua. Los resultados experimentales, obtenidos mediante las técnicas de análisis mecánico-dinámico (DMA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC), demuestran que el curado por efecto Joule permite alcanzar grados de curado y temperaturas de transición vítrea (𝑇𝑔) equivalentes a los métodos convencionales, reduciendo significativamente tanto el tiempo de ciclo como el consumo energético. La aplicación de Modelos Aditivos Generalizados (GAM) a estos análisis permitió analizar estadísticamente la influencia de los parámetros de diseño del proceso, explicando más del 97% de la variabilidad en las propiedades viscoelásticas. Los ensayos de fatiga realizados evidenciaron que las piezas curadas eléctricamente, con una compactación previa mediante vacío, ofrecen un desempeño mecánico superior al de las muestras curadas en horno. Todo ello a su vez también se ve reforzado con un análisis de eficiencia del proceso, en el que se aprecia que el consumo energético mediante esta innovadora técnica de curado se ve sustancialmente reducido en comparación con el método tradicional. Estos análisis permiten a su vez identificar algunos elementos de diseño clave de cara a la escalabilidad hasta el nivel de un proceso industrial instaurado. También se han podido identificar algunas posibles aplicaciones adicionales para este sistema de curado. El estudio concluye que el curado por efecto Joule es una alternativa ventajosa a los sistemas de curado utilizados actualmente, destacando debido a que permite una mayor rapidez de fabricación y proporciona una mayor eficiencia energética, con potencial para la fabricación y reparación in situ de componentes estructurales.[Abstract] The manufacturing methods of carbon fiber–reinforced polymer (CFRP) components using autoclaves or ovens present significant limitations in terms of energy efficiency, cost, and cycle time. This work investigates the development of an alternative curing technique based on electrical resistance heating (Joule effect), exploiting the intrinsic electrical conductivity of carbon fibers through a direct current–based electrical curing system. The experimental results, obtained using dynamic mechanical analysis (DMA) and differential scanning calorimetry (DSC), demonstrate that Joule-effect curing achieves degrees of cure and glass transition temperatures (𝑇𝑔) comparable to those obtained with conventional methods, while significantly reducing both cycle time and energy consumption. The application of Generalized Additive Models (GAMs) to these analyses enabled a statistical assessment of the influence of process design parameters, explaining more than 97% of the variability in viscoelastic properties. Fatigue tests showed that electrically cured components, when subjected to prior vacuum compaction, exhibit superior mechanical performance compared to oven-cured specimens. These findings are further supported by a process efficiency analysis, which reveals that energy consumption using this innovative curing technique is substantially reduced relative to traditional methods.In addition, these analyses allow the identification of key design elements relevant to scaling the process up to an established industrial level. Several potential additional applications of this curing system have also been identified. The study concludes that Joule-effect curing represents an advantageous alternative to currently used curing systems, as it enables faster manufacturing and provides improved energy efficiency, with significant potential for the in situ fabrication and repair of structural components.