bobinado de filamentos con resina
Post on 02-Feb-2016
303 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
BOBINADO DE FILAMENTOS CON RESINA
El bobinado, devanado o enrollamiento de filamento es una técnica de fabricación para
la creación de estructuras de material compuesto. El proceso consiste en enrollar
filamentos y/o cintas tensados, impregnados con una resina termoestable, sobre un
molde macho cilíndrico o mandril. El mandril gira, mientras que un carro se mueve en
sentido horizontal, el cual establece las fibras en el patrón deseado. Los filamentos
más comunes son de carbono o de vidrio de fibra y son recubiertos con una resina
sintética mientras se enrollan. Una vez que el mandril está completamente cubierto
con el espesor deseado, se coloca en un horno para solidificar (curado) de la resina.
Una vez que la resina se haya curado, el mandril se retira (desmolde), dejando el
producto final hueco.
El bobinado de filamento se adapta bien a la automatización, donde la tensión de los
filamentos puede ser cuidadosamente controlada. Los filamentos que se aplican con
alta tensión dan como resultado un producto final con una mayor rigidez y fuerza, baja
tensión resulta en una mayor flexibilidad. La orientación de los filamentos también
puede ser controlado cuidadosamente para que las capas se encimen y se orienten de
manera diferente de la capa anterior. El ángulo en el que se establece la fibra de las
capas inferiores determinan las propiedades del producto final. Un ángulo alto ofrecerá
resistencia a la compresión, mientras que un patrón de menor ángulo (conocido como
un sistema cerrado o helicoidal) proporcionará una mayor resistencia a la tracción.
Descripción del proceso
Existen tres modelos básicos de bobinado:
Bobinado helicoidal: el movimiento de rotación del mandril se combina con el
movimiento de traslación longitudinal del cabezal de impregnación. La banda de
filamentos se aplica en una forma espiral alrededor del mandril con un ángulo Q. si la
banda se bobina con un ángulo de hélice que se aproxima a los 90º, y el avance de
bobinado es un ancho de banda por revolución, se denomina bobinado de Aro ya que
los filamentos forman aros casi circulares alrededor del mandril; es un caso especial
de bobinado helicoidal. Este método es el más frecuentemente utilizado.
Bobinado circunferencial: se trata de una variante del bobinado helicoidal pero con
un ángulo de enrollado de 90º.
Bobinado polar o plano: tanto el movimiento de rotación como el de traslación
longitudinal es realizado por el mandril, permaneciendo fijo el cabezal de
impregnación. El filamento se enrolla alrededor del eje mayor del mandril, después de
cada revolución longitudinal, el mandril se corre (gira parcialmente) en un ancho de
banda de manera que se va creando gradualmente una forma hueca. Los patrones
polares y de aros se pueden se pueden combinar en bobinados sucesivos del mandril
para producir capas adyacentes con direcciones del filamento aproximadamente
perpendiculares; a esto se le llama bobinado biaxial.
El bobinado de filamento también se puede describir como la fabricación de piezas con
fracciones con un alto volumen de fibra y orientación de las fibras controlada. Las
fibras se sumergen en un baño de resina en el que se recubren con resina de bajo o
medio peso molecular. Estas fibras impregnadas luego son enrollados alrededor de un
mandril (molde) en un patrón controlado para formar la forma de la pieza. Las
velocidades de trabajo se encuentran entre los 90 - 100 m/min para fibras de vidrio y
entre los 15 - 30 m/min para fibras de carbono y aramida. Después de concluir, la
resina se cura, por lo general utilizando el calor. El núcleo de molde puede ser
removido o se puede dejar como un componente integral de la pieza. Este proceso se
utiliza principalmente para piezas huecas, generalmente los componentes de sección
circular u ovalada, como tuberías y tanques. Recipientes a presión, tuberías y ejes de
transmisión pueden ser fabricados por bobinado de filamento. Se ha combinado con
otros métodos de aplicación de fibra tales como moldeo manual, pultrusión, y el
trenzado. La compactación es principalmente a través de la medición de la tensión de
la fibra y el contenido de resina.
Hay varios métodos para impregnar las fibras con resina:
a) Bobinado Húmedo, en el cual el filamento pasa a través de la resina liquida
solamente antes del bobinado.
b) Bobinado Prepeg, también llamado bobinado en seco, en el cual los
filamentos pre impregnados con resina parcialmente curada se enrollan
alrededor de un mandril calentado.
c) Post-impregnación, en el cual los filamentos se enrollan en el mandril y luego
se impregnan con resina por medio de brocha o alguna otra técnica.
Maquinaria
Las máquinas de bobinado de filamentos tienen capacidades de movimiento
similares a las de un torno de roscar. La máquina típica tiene un motor que acciona
el mandril y un mecanismo de alimentación de potencia que mueve la corredera. El
movimiento relativo entre el mandril y el carro se controlan para generar un patrón
dado de bobinado. En un bobinado helicoidal, la relación entre el ángulo de la
hélice y los parámetros de la maquina se pueden expresar como sigue:
tanθ=νcπDN
Donde θ= ángulo de la hélice en el bobinado sobre el mandril, como se muestra en
la figura; νc = velocidad a la cual corre el carro a la dirección axial, pulg/seg
(m/seg); D= diámetro del mandril, pulg (m); y N = velocidad rotacional, rev/seg
(l/seg).
Se disponen varios niveles de sofisticación en las máquinas de bobinado de
filamento. Los dos tipos predominantes son:
1. Control mecánico, que opera por medio de engranaje directo entre la
propulsión del mandril y del carro móvil, constituyendo el control mas simple y
menos costoso.
2. Control numérico computarizado (CNC), en el cual la rotación del mandril y
la velocidad de la corredera se controlan independientemente para permitir un
mejor ajuste y mayor flexibilidad de los movimientos relativos. El CNC es
especialmente útil en bobinados helicoidales de formas contorneadas. La
relación vc/DN, como se indica en la ecuación, debe permanecer fija para
mantener un angulo constante de hélice θ. Entonces, ya sea vc o N deben
ajustarse deben ajustarse en línea para compensar los cambios en D.
El mandril es una herramienta espacial que determinada la geometría de la parte
bobinada con filamento. Este debe ser capaz de plegarse después del bobinado y
del curado de la parte para poder retirarla. Son posibles varios diseños del mandril,
incluyendo mandriles inflables, mandriles metálicos plegables y mandriles hechos
de yeso o de sales solubles.
Una máquina de bobinado de filamento continuo (máquina CFW o máquina CW)
es, tal como indica su nombre, un equipo mediante el cual se realiza el bobinado
de filamento, en forma continua, sobre una banda de acero cilíndrica. El proceso
de bobinado de filamento continuo también se conoce como el Proceso de
Drostholm.
Equipo de bobinado de filamento
El equipo tiene un carro encargado de guiar los filamentos para su enrollado en un
cilindro que gira denominado mandril o husillo. El carro va montado sobre un riel
que permite su movimiento a lo largo del cilindro a fin de que el recubrimiento sea
uniforme a lo largo del mismo siguiendo un patrón geométrico constante, además
presenta un movimiento tangencial al cilindro para mantener una distancia
uniforme cuando la circunferencia aumenta su radio producto del crecimiento de
las capas de fibras. En algunos casos, también puede realizar movimientos
radiales, efectuados en los extremos redondeados de tubos.
Movimientos del carro
El carro hace el recubrimiento en varias pasadas de ida y vuelta manteniendo
tensado el o los filamentos. El impregnado de la fibra puede ser efectuado en una
etapa previa o en el mismo carro. Los carreteles de filamento y cinta son montados
en un dispositivo denominado fileta o creel, el cual puede presentar guías para
aunar todos los filamentos y un dispositivo de tensado regulable.
Rack de filamentos Impregnado de filamentos
El bobinado de filamento se utiliza para la fabricación de tubos de gran diámetro.
Existe un diámetro mínimo por debajo del cual la técnica se convierte en poco
práctica. Las máquinas de CFW están disponibles para diámetros de 0,25 a 4,0 m.
Los parámetros claves del proceso son: la tensión en las fibras, ratio de impregnación
y geometría del bobinado
La resistencia y la rigidez del ovillado pueden ser optimizadas alineando las fibras en
las direcciones de las cargas. Esto hace que la orientación de la fibra sea crítica para
el funcionamiento de la pieza y determina en gran parte la performance final de la
misma.
Equipos periféricos
Para alimentar a la maquina se necesita áreas de almacenamiento de materias
primas, de mezcla de resinas, catalizadores, etc. Normalmente, también se incluye el
calentamiento de la mezcla de químicos.
Una vez enrolado el filamento del grosor deseado, puede ser curado ya sea a
temperatura ambiente o bien a alta temperatura mediante un horno para acelerar el
curado.
La operación de desmoldado, una vez curada la pieza, es realizado generalmente en
forma manual. Eventualmente se pueden utilizar dispositivos de empuje o tiro para
facilitar dicha tarea.
Materiales
La fibra de vidrio es la más frecuentemente utilizados para el bobinado de filamentos,
las fibras de carbono y aramida también se utilizan. Las estructuras que requieren una
alta resistencia y propiedades físicas elevadas se producen con resinas epoxi, las
resinas de poliéster (más baratas) se especifica para la mayoría de las otras
aplicaciones. La capacidad de utilizar el refuerzo continuo o sin interrupciones supone
una clara ventaja, ya que se obtiene un alto volumen en la fracción de fibra,
aproximadamente el 60% a 80%. El material compuesto es normalmente curado a alta
temperatura antes de retirar el mandril. Las operaciones de acabado, como el
mecanizado o rectificado normalmente no son necesarias.
Las resinas utilizadas pueden ser: epoxi, poliéster, viniléster, fenólicas, etc.
Las fibras usadas son: las de vidrio, aramida, carbono y boro. Las fibras se utilizan
directamente desde ovillos o carreteles.
Por lo general, en las piezas no se utilizan núcleos estructurales pero puede ser
utilizado cualquiera, sobre el cual se enrolla la fibra y forma parte de la pieza final.
APLICACIONES
Las aplicaciones del bobinado de filamentos se clasifican frecuentemente como
aeroespaciales o comerciales, pero los requerimientos de ingeniería más exigentes
son los de la primera categoría. Los productos que actualmente se producen con esta
técnica son palos de golf, tubos, remos, horquillas de bicicleta, postes de transmisión,
alumbrado y energía eléctrica, recipientes de alta presión, cubiertas de misiles,
fuselaje de aviones y mástiles de yates. Algunas aplicaciones típicas de cada clase se
resumen en siguiente tabla, incluyendo los materiales usuales de FRP.
Bobinado de filamento de tubo para alta presión
Caños
Tanques
Ventajas y desventajas del bobinado de filamento
Ventajas:
Automatizable
Rápido
Contenido en resina controlable
Se elimina etapa de elaboración de preforma de fibras
Buenas propiedades mecánicas
Desventajas:
Problemas para controlar algunas geometrías del refuerzo (axial,
tendencia a seguir la línea geodésica)
Limitado a formas convexas
Costo del mandril (según tamaño)
Cara externa pobre estéticamente
Generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad (peores
propiedades mecánicas problemas de seguridad laboral)
top related