INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE IRAPUATOACADEMIA DE INGENIERÍA EN MATERIALES

“COMPOSITES MANUFACTURIN”

PRESENTA:

GARCIA GARCIA ERICK JOSUE

PROFESOR: Dr. SATOSHI SUGITA SUEYOSHI

IRAPUATO, GTO.

COMPOSITES MANUFACTURIN

Moldeo por colocación manual

El hand lay-up o moldeo por colocación manual es denominado así debido a las bajas o nulas presiones que necesita. Es muy utilizado en la industria aeroespacial debido a su gran flexibilidad.

Se trata de un proceso muy lento, con más de 50 etapas individuales. La etapa de colocación manual de las láminas consume en torno a la mitad del tiempo total del proceso.

Los posibles defectos que pueden presentar las piezas fabricadas mediante este método son: arrugas en la superficie, burbujas de aire atrapadas, poros y picaduras, cuarteado y grietas, mala adherencia al molde, áreas pegajosas y afloramiento de fibras.

Filament Winding

El bobinado o filament winding es un proceso de fabricación en el que se enrollan refuerzos continuos a grandes velocidades y de forma precisa sobre un mandril que rota en torno a su eje de giro. 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. Mediante este proceso se pueden alcanzar volúmenes de fibra de hasta un 75%, siendo posible controlar el contenido de resina. No obstante, es necesario que la pieza sea de revolución y sin curvaturas entrantes. La forma de la pieza debe permitir la extracción del mandril. Existen tres modelos de bobinado:

Bobinado helicoidal: el movimiento de rotación del mandril se combina con el movimiento de traslación longitudinal del cabezal de impregnación.

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.

Este proceso se utiliza para producir cilindros huecos de alta resistencia. La fibra es proporcionada a través de un baño de resina y después es bobinada sobre un cilindro apropiado. Cuando han sido aplicadas suficientes capas, el cilindro (mandril) se cura en un horno. Por último, la pieza moldeada es separada del mandril.

Las aplicaciones a este proceso incluyen tanques químicos y de almacenamiento de combustibles, recipientes a presión y cubiertas de motores de cohetes.

Los modelos del proceso proporcionan la siguiente información en función de la posición y del tiempo:

Temperatura en el interior del material compuesto y del mandril. Grado de curado en el interior del material compuesto. Viscosidad en el interior del material compuesto. Posición de las fibras Tensiones en el interior del material compuesto y en el mandril. Nivel de porosidad en el interior del material compuesto. Tiempo de curado.

Procesado en autoclave

Este proceso se lleva a cabo en un autoclave de materiales compuestos y es utilizado para consolidar y curar componentes realizados con materiales compuestos poliméricos, mediante el uso de temperatura y presión.

Las variables de las que depende principalmente este procesado son la temperatura y la presión aplicadas, y vienen definidas por el tipo de material a procesar:

Altas temperaturas son necesarias en materiales termoestables para reducir la viscosidad del polímero e iniciar la reacción química de curado. Estas condiciones están en el rango de 175ºC y 600 KPa (poliamidas, PMR-15) pero pueden llegar en ocasiones a rangos de 300-400ºC y 1MPa (PEEK, PEI).

En materiales termoplásticos los requerimientos de temperatura no son los mismos que en termoestables, ya que no hay reacción química que activar para conseguir el curado.

El uso de presión en el proceso es necesario para mantener en todo momento las láminas juntas, y eliminar posibles defectos que pudieran formarse (poros, des laminaciones).

Las ventajas del conformado en autoclave son la gran flexibilidad para procesar distintas familias de materiales. De hecho, cualquier material polimérico puede ser procesado, siempre y cuando su ciclo de cura caiga dentro de las limitaciones de temperatura y presión del autoclave.

Procesos de fabricación en molde cerrado

SMC (Sheet moulding compounds)

El SMC o Sheet Moulding Compound consiste en el moldeo de una resina termoestable reforzada generalmente con fibra de vidrio en forma de hilos

cortados o continuos, obteniendo la pieza final a través de polimerización de la resina por aplicación de presión y temperatura.

Este método de fabricación posee una etapa preliminar en la que se crea el pre impregnado que después se utilizará para realizar la pieza final deseada. Este pre-proceso se basa en utilizar mechas de fibra de vidrio en cordones continuos que se cortan en pedazos (de unos 5cm) sobre una capa de relleno de resina transportada sobre una película de polietileno. Posteriormente, una vez la capa inferior tiene todas la fibras distribuidas se coloca otra capa de relleno de resina sobre la primera formando un sándwich. Este sándwich se compacta y enrolla en rodillos de embalaje calibrados. Los rollos de pre impregnado se almacenarán para dejar que la fibra se asiente con la matriz termoestable. Las fibras de vidrio pueden presentarse no sólo como fibras cortadas, sino también hay casos en los que se utilizan hilos continuos o como mezcla de ambos (hilos continuos y fibras cortadas), en este último caso se obtendrían las mejores propiedades mecánicas.

Finalmente los rollos de material compuesto se llevan a una prensa, donde se cortan con la configuración adecuada para la pieza a obtener y se colocan en un ajustado molde metálico calentado. Posteriormente la prensa hidráulica se cierra y el SMC fluye uniformemente bajo presión por todo el molde formando el producto final.

Las características principales son:

Buena estabilidad dimensional. Excelente acabado superficial por ambas caras. Buenas propiedades de resistencia mecánica. Posibilidad de obtener geometrías complejas. Alta capacidad de automatización.

Es un proceso, que por su elevada capacidad de automatización, se utiliza principalmente en producción de grandes series, siendo el automóvil su principal sector (capotas, paneles delanteros...). Este fenómeno hace que el SMC sea actualmente el método más utilizado en la fabricación de materiales compuestos con resinas termoestables.

Inyección

La infiltración de materiales compuestos por inyección, utiliza la misma tecnología que el moldeo por inyección de plásticos tradicional. Pero a diferencia de introducir en el molde únicamente un polímero (ya sea termoplástico o termoestable), se introduce el polímero más un refuerzo.

Las fibras más utilizadas son de vidrio, carbono y aramida. Estos refuerzos afectan notablemente a las propiedades mecánicas del material final. Pero por otro lado presentan algunos inconvenientes como:

Dificultad para controlar el posicionamiento de las fibras en la pieza. Las fibras pueden reducir notablemente su longitud por rotura con el tornillo

sin fin que alimenta el proceso.

Pultrusión

Se trata de un proceso automático muy versátil mediante el que se obtienen perfiles de sección constante. Se utiliza una fibra embebida en una resina termoestable, la cual reacciona cuando se aplica calor. Se tira del material (pull) para evitar roturas y desalineamiento de fibras. Mediante este proceso se puede producir cualquier sección compleja siempre que su espesor sea constante. Además, debido a la precisión de la superficie del molde se obtienen acabados de alta calidad. No obstante, la velocidad del proceso es relativamente baja (3 m/min) comparada con la velocidad de extrusión (30 m/min). Además, resulta muy complicado orientar las fibras en ángulos óptimos.

Descripción del proceso:

El proceso de pultrusión consta de varias etapas:

Las fibras de refuerzo se presentan en forma de bobinas o rollos para favorecer el flujo continuo del material.

Se colocan en carretes sobre ejes con rodamientos especiales para mantener constante la tensión del hilo al ser devanado.

Cuando las fibras se dirigen hacia el sistema de impregnación se hacen pasar por unas placas de alineamiento para evitar torsiones, nudos o daños en los refuerzos.

La clave de todo el proceso de pultrusión es el molde. Debe alinear las fibras y comprimirlas hasta la fracción en volumen deseada, asegurando el curado del material en un tiempo relativamente corto.

Alrededor del molde se colocan placas calefactadas para provocar el calentamiento de la pieza y favorecer la reacción de polimerización de la resina. El parámetro de control más importante es la temperatura interior del molde, que oscila entre los 100ºC y 150ºC.

En el mecanismo de tracción debe existir una distancia de al menos 3 metros entre éste y la salida para asegurar el correcto enfriamiento del perfil mediante convección natural o forzada (por chorro de agua o aire).

RTM (Resin Transfer Moulding

Se trata de un proceso de fabricación en molde cerrado a baja presión. Puede resumirse en cinco etapas:

1. Se coloca el tejido de fibras secas en el molde y éste es cerrado.2. Se inyecta la resina en el molde mediante una bomba.3. Se sella la entrada de resina y la salida de aire.4. Se aplica calor (curado)

5. Tras un período de enfriamiento se abre el molde y se retira la pieza

Debido a la posibilidad de moldear las fibras en seco antes de la inyección de la resina, se consigue una mejor orientación de las fibras, aumentando las propiedades mecánicas del material.

Materiales compuestos

Un material compuesto está formado por dos o más componentes y se caracteriza porque las propiedades del material final son superiores a las que tienen los materiales constituyentes por separado.

Los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo. El refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separadas por la interface.

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de una serie de factores:

a) propiedades de la matriz y del refuerzo

b) contenido de refuerzo

c) orientación del refuerzo

d) método de producción del material compuesto

Clasificación de los materiales compuestos

1.- Clasificación según la forma de los constituyentes

Composites fibrosos: el refuerzo es una fibra, es decir, un material con una relación longitud-diámetro muy alta. Las fibras pueden ser continuas o discontinuas (estas últimas pueden ser aleatorias o unidireccionales). Ejemplo: epoxi con fibra de vidrio.

Composites particulados: el refuerzo son partículas equiaxiales, es decir, las dimensiones de las partículas son aproximadamente iguales en todas las direcciones. Ejemplo: caucho reforzado con negro de humo.

Composites estructurales: son materiales constituidos por la combinación de materiales compuestos y materiales homogéneos. Se clasifican a su vez en materiales laminados (constituidos por apilamiento de láminas paralelas) o paneles sándwich (compuestos de núcleo y tapas).

2.- Clasificación según la naturaleza de los constituyentes

Composites de matriz orgánica (polímeros).

- presentan baja densidad

- posibilidad de obtención de piezas complicadas

- son los más utilizados en la actualidad

Entre sus desventajas se incluye la poca resistencia frente al fuego.

Composites de matriz metálica (aleaciones de aluminio, titanio y magnesio)

- mayor duración

- elevada conductividad térmica y eléctrica

- no absorben humedad

- mayor resistencia al desgaste

Su principal desventaja es su alto precio

Composites de matriz mineral (cerámica): alúmina, CSi (carburo de silicio), etc.

Destacan porque resisten temperaturas elevadas y su principal desventaja su fragilidad y baja resistencia a choques térmicos.

3.- Clasificación según el tamaño de la fase dispersa

Microcomposites o composites convencionales: el tamaño del refuerzo es del orden de la micra (10-6 m). A pesar de las mejores propiedades mecánicas de estos composites, también presentan problemas:

- dificultad de procesado

- no se pueden procesar para obtener láminas o fibras

Estos problemas son consecuencia de la diferencia de tamaño entre el refuerzo y los componentes de la matriz (cadenas de polímero en el caso de los composites de matriz orgánica). Esta diferencia da lugar a interacciones débiles entre la matriz y la interfase.

Para evitar este problema y mejorar las interacciones se ha desarrollado un nuevo tipo de composite:

Nanocomposites: el tamaño del refuerzo es del orden del nanómetro (10-9 m=10-3micras). En este caso, las interacciones matriz-refuerzo se dan a nivel molecular.

Aplicaciones y limitaciones de los materiales compuestos

Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales.

Ventajas que presentan los materiales compuestos

- Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica (rigidez/densidad)

- Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía

Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan en la industria automovilística, naval, aeronáutica, aeroespacial, electrónica, de material deportivo y de la construcción, reemplazando a los metales y otros materiales en muchas aplicaciones.

Perfiles

Tubos

Techo de tractor (PP y fibra de vidrio)

Frente de camión (Resina poliéster y fibra de vidrio)

Postes de tendido eléctrico (Resina poliéster y fibra de vidrio)

Bote de fibra poliéster y fibra de vidrio

Avión espía no tripulado (Resina epoxi y fibra de carbono)

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: CONSTITUYENTES

Matrices. Generalidades

La matriz cumple varias funciones en el material compuesto:

- Su función principal es soportar la carga aplicada y transmitirla al refuerzo a través de la interfase. Para ello la matriz debe ser deformable

- Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Esta función requiere una buena compatibilidad entre matriz y refuerzo.

Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas en función de si presentan o no reticulaciones:

a.- Las matrices termoestables presentan uniones covalentes formadas en la reacción de reticulación o curado. Estas matrices presentan las siguientes características.

- Son fáciles de procesar antes del curado debido al bajo peso molecular de las resinas precursoras o prepolímeros.

- Debido a la formación de reticulación son más tenaces.

- Son más frágiles que las termoplásticas.

b.- Las matrices termoplásticas no tienen uniones permanentes entre cadenas porque no reticulan. Estas matrices presentan las siguientes características.

- Son más difíciles de procesar ya que deben tener un alto peso molecular para presentar buenas propiedades mecánicas.

- Se pueden reciclar ya que se reblandecen al calentar y vuelven a la forma sólida al enfriarlos.

MATRICES TERMOESTABLES

Las resinas termoestables son aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. La obtención de matrices termoestables se da en dos etapas:

a) En la planta química se polimeriza parcialmente el monómero formando cadenas lineales.

b) En la planta de producción donde se completa la reticulación bajo calor y presión.

Resinas de poliéster insaturado

Son las más utilizadas en la fabricación de composites de uso general. La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo en dos pasos:

1) Poli condensación: se produce por la reacción de un diol y dos ácidos dicarboxílicos. Uno de los ácidos debe presentar instauraciones y si el otro es saturado la resina tendrá mayor flexibilidad.

2) Reticulación con estireno. La resina preparada en la etapa anterior se impregna con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación.

La reticulación se lleva a cabo con un iniciador (generalmente peróxidos) y un acelerador (sales de cobalto). Los iniciadores son moléculas que se descomponen por la acción del calor o de la luz dando especies muy reactivas denominadas radicales. Estos radicales reaccionan con una molécula de poliéster o estireno dando lugar a nuevos radicales produciéndose una reacción en cadena.

Estas matrices presentan las siguientes ventajas:

- Son fáciles de procesar ya que se pueden reticular incluso a temperatura ambiente)

- Poseen buena resistencia química

- Tienen bajo precio

Entre sus desventajas destacan:

- Su contracción en el curado es elevada

- La reacción de curado es altamente exotérmica y esto puede generar daños en el material.

- En la reticulación se producen elevadas emisiones de estireno

- Las propiedades mecánicas son medias

Resinas vinil-éster

La obtención de estas resinas insaturadas se lleva a cabo también en dos pasos:

1) Policondensación: se produce por la reacción de una resina epoxi y ácidos acrílicos o metacrílicos, que proporcionan la instauración.

2) Reticulación con estireno. La resina obtenida en la etapa anterior se hace reaccionar con estireno que se adiciona a los dobles enlaces teniendo lugar la reticulación.

Estas matrices presentan las siguientes ventajas:

- Se caracterizan por su buena resistencia química y a la corrosión

- Presentan una buena capacidad de adhesión

Entre sus desventajas destacan:

- Su precio es más elevado que el de las resinas de poliéster

Resinas fenólicas

La reticulación se produce por condensación entre un grupo fenólico y formaldehído, generándose agua como producto residual. El agua debe eliminarse ya que puede dar lugar a defectos en la pieza final por formación de grietas o poros.

Existen dos grandes grupos de resinas fenólicas:

a) Novolacas: la relación molar entre fenol y formaldehído es mayor que uno, y se trabaja en medio ácido.

b) Resoles: la relación molar entre fenol y formaldehído es menor que uno, y se trabaja en medio básico.

Estas matrices presentan las siguientes ventajas:

- Dan lugar al retardo de la llama y a una baja emisión de humo y gases tóxicos.

Entre sus desventajas destacan:

- Se forma agua durante el curado que hay que eliminar para evitar defectos en las piezas

- Las propiedades mecánicas son bajas

Resinas epoxi

Prepolímeros con grupo epoxi reticulan con iniciadores polifuncionales como aminas, fenoles o poliácidos.

Estas matrices presentan las siguientes ventajas:

- Las propiedades mecánicas son excelentes

- El grado de contracción durante el curado es bajo

- Su resistencia térmica es elevada

Entre sus desventajas destacan:

- Su elevado precio

- El curado de la resina es lento

Matrices termoplásticas

Están constituidas por moléculas lineales unidas por enlaces sencillos. Tienen una temperatura por encima de la cuál empiezan a fluir y al enfriarlos por debajo de esa temperatura vuelven a su estado sólido.

El procesado de los termoplásticos consta de una fase de calentamiento para ablandar el material y realizar el moldeo y una fase de enfriamiento posterior para endurecerlo una vez moldeado en su forma apropiada.

Las matrices termoplásticas se caracterizan por presentar las siguientes propiedades mecánicas:

Ventajas:

- Buena resistencia química

- Baja absorción de humedad

- Buenas propiedades mecánicas

- Velocidad de producción elevada debido a la menor duración del ciclo de moldeo

- Las piezas se pueden reparar fácilmente al reblandecer las piezas por efecto del calor y unir las partes

- Se pueden reciclar

- Admiten el almacenamiento ilimitado frente a las termoestables que deben almacenarse en condiciones controladas de temperatura y humedad.

Entre los inconvenientes de las matrices termoplásticas destacan:

- Tendencia a la fluencia a temperaturas elevadas

- Para tener buenas propiedades mecánicas el peso molecular debe ser elevado y por lo tanto, la viscosidad también. Esto da lugar a que la impregnación de las fibras sea difícil.

- Requieren temperaturas y presiones elevadas para su moldeo

A pesar de sus desventajas, en la actualidad las matrices termoplásticas están sustituyendo a las termoestables debido sobre todo a su reciclabilidad.

Polipropileno (PP)

- Es el termoplástico más utilizado como matriz, sobre todo el isotáctico

- Su densidad es la menor entre los termoplásticos

- El PP reforzado presenta además de la reciclabilidad: buenas propiedades mecánicas y térmicas

Polietileno tereftalato

Presenta las siguientes características:

- Gran transparencia

- Resistencia a la fluencia

- Buena resistencia al fuego

- Buenas características eléctricas

Policarbonato

Se caracteriza por su gran transparencia, buena estabilidad dimensional y resistencia frente al fuego. Su principal desventaja es la poca resistencia a los disolventes

Características:

- Gran transparencia (amorfo)

- Buena estabilidad dimensional

- Buena resistencia al fuego

Termoplásticos de altas prestaciones

Se caracterizan por presentar una estructura altamente aromática que les proporciona una alta resistencia mecánica y térmica. Se utilizan en la industria aeroespacial gracias a sus excelentes propiedades a pesar del alto coste de material y la dificultad de procesado. Destaca el polisulfuro de fenileno.

REFUERZOS

El segundo componente de un material compuesto es el refuerzo. Este

componente tiene como función transmitir las cargas a la matriz, por lo tanto

define la mayor parte de las características mecánicas del material como la

resistencia y la rigidez. Puede suponer un 20-80% en volumen del material

compuesto. Las fibras son el refuerzo más utilizado en los materiales compuestos

de matriz polimérica.

Fibra de vidrio

Es la más utilizada debido las siguientes características:

- Su resistencia mecánica específica (resistencia tracción/densidad) superior a la del acero. La resistencia específica se define: resistencia tracción/densidad

- Buena relación propiedades/coste

- Estabilidad dimensional

- Facilidad de fabricación

- Buena resistencia térmica

Fabricación de la fibra de vidrio

El vidrio está formado por sílice (SiO2) y óxidos (Al2O3, MgO, CaO, etc.). La fibra de vidrio se obtiene mediante la fusión de sus componentes en un horno y posterior estiramiento del material a su salida por una serie de hileras

La fibra de vidrio se recubre con un material denominado ensimaje que protege la superficie del deterioro por fricción o abrasión y facilita la unión entre la fibra y la matriz.

Tipos de fibra de vidrio

Existen varios tipos que se diferencian en su composición química y que por lo

tanto presentan diferentes propiedades:

- E (eléctrico) (vidrio-E): es el más utilizado por su buena relación

propiedades/precio.

- R (resistance) y S (strength): destaca por sus buenas propiedades mecánicas.

- C (chemical): destaca por su buena resistencia química. Se puede utilizar en las

capas superficiales de estructuras sometidas a atmósferas agresivas.

- D (dielectric): tiene excelentes propiedades dieléctricas y se utiliza en circuitos

electrónicos.

Presentaciones de la fibra de vidrio

Se caracterizan por medio de dos valores:

- Titulo: relación entre el peso y longitud de un hilo (depende del diámetro y

número de filamentos de un hilo) (g/km).

- Gramaje: relación entre el peso de un tejido y su superficie (g/mm2)

Existen varios tipos de presentaciones:

- Roving: bobina de hilos continuos (conjunto de filamentos)

- Mat de hilos cortados: fieltros de hilos cortados y aglomerados entre sí mediante

un ligante químico.

- Mat de hilos continuos: fieltro de hilos continuos y aglomerados entre sí mediante

un ligante químico. Permite un alargamiento regular en todas las direcciones

- Mat de superficie o velo: fieltros de hilos cortados, ligados fuertemente y

calandrados

- Tejido: formados por conjuntos de hilos entrelazados en dos direcciones.

Fibra de carbono

La estructura de la fibra de carbono está formada por planos de anillos

hexagonales de átomos de carbono unidos covalentemente. La unión entre planos

es por medio de débiles fuerzas de Van der Waals. Las capas de grafito se

orientan paralelas al eje de la fibra lo que da lugar a un material de alto módulo y

resistencia.

La fibra de carbono se puede obtener por dos materias primas: PAN

(poliacrilonitrilo) (-CH2-CHCN-) y brea. La forma más económica es la obtención a

partir de brea, sin embargo, es más frecuente obtener la fibra de carbono a partir

del PAN:

Para obtener fibra de carbono a partir del PAN, las fibras de este material se

carbonizan en presencia de oxígeno. Dependiendo de la temperatura de

tratamiento se pueden obtener fibras con diferentes propiedades mecánicas: a

mayor temperatura, mayor costo del tratamiento y mayor módulo elástico de la

fibra.

Existen dos tipos principales de fibra de carbono:

- Fibras HT (High Toughness, alta tenacidad): tienen mejores propiedades

mecánicas que la fibra de vidrio, pero peores que el otro tipo de fibra de carbono.

Su ventaja es su precio económico.

- Fibras HM (High Modulus, alto módulo) tienen las mejores propiedades

mecánicas.

Su desventaja es su alto precio.

Entre las ventajas de la fibra de carbono destacan:

- Resistencia química

- Coeficiente de dilatación térmica bajo

- Propiedades específicas elevadas

Entre sus desventajas cabe resaltar:

- Alto precio

- En contacto con los metales se genera diferencia de potencial que provoca

corrosión

Fibras poliméricas

a) Las más utilizadas son las fibras de aramida (nombre comercial Kevlar). Se

obtienen por hilado de poliamidas aromáticas. Para ello una disolución de

polímero se extruye en un baño que contiene agua fía y se le añade un

coagulante.

Tienen un módulo elástico superior a la fibra de vidrio pero inferior a la de carbono.

Se utilizan cuando se necesita buenas propiedades mecánicas y ligereza.

b) Fibras de polietileno: se obtienen por extrusión en estado sólido o por hilado de

una solución de polietileno de alto peso molecular. Sus propiedades son similares

a las de las fibras de aramida pero su bajo punto de fusión hace que sus

propiedades disminuyan rápidamente con la temperatura. Además tiene poca

adhesión a la matriz.

Materiales híbridos de refuerzo

Están formados por la conjunción de dos o más tipos de fibras. La combinación

más utilizada está formada por fibras de vidrio y carbono en matriz polimérica. El

compuesto obtenido tiene mejores propiedades que si sólo tuviera fibra de vidrio y

es más barato que si estuviera formado únicamente por fibras de carbono.

Las fibras se pueden alinear y mezclar íntimamente o se pueden laminar en capas

alternadas.

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: INTERFASE Y

ARQUITECTURA

Las propiedades mecánicas de un material compuesto dependen de las

propiedades de sus componentes, fibra y matriz y de la unión entre ambas, es

decir, de la interfase. Es especialmente importante:

- la unión entre fibra y matriz

- la transmisión de esfuerzos mecánicos entre ambas

Para obtener el material compuesto la matriz debe estar en estado fluido e

impregnar bien el refuerzo. De esta forma, se consigue una buena unión en la

interfase.

La impregnabilidad o mojado se define como la capacidad de un líquido para

extenderse por una superficie sólida. Una buena impregnabilidad significa que la

matriz fluirá perfectamente por la superficie del refuerzo y desplazará todo el aire.

Unión en la interfase

Existen diferentes tipos de unión en la interfase.

a) Unión mecánica

Las rugosidades entre ambas superficies dan lugar a la unión. A mayor rugosidad

más efectiva es la unión en la interfase. Este tipo de unión es poco efectiva para

esfuerzos de tracción pero efectiva para esfuerzos cortantes.

b) Unión electrostática

Este tipo de unión se da cuando una de las superficies tiene carga positiva y la

otra negativa.

c) Unión química

Se da cuando la superficie del refuerzo tiene grupos químicos compatibles con

grupos químicos de la matriz. La resistencia de la unión depende del número de

uniones por unidad de área.

d) Unión mediante interdifusión

En este tipo de unión la superficie del refuerzo y de la matriz tienen cadenas

poliméricas que se difunden entre ellas. La resistencia de esta unión depende del

número de entrelazamientos entre cadenas y aumenta con la adición de

disolventes o plastificantes.

Interfase matriz-fibra

Para mejorar la unión entre los grupos óxido de la superficie de la fibra de vidrio y de la matriz se utilizan unas sustancias denominadas agentes de acoplamiento de tipo silano (Fórmula del silano: SiH4).

 

Los silanos (R-SiX3) protegen la superficie de la fibra de vidrio y mejoran la unión en la interfase: según el siguiente proceso:

a) El silano (R-SiX3) sufre hidrólisis dando lugar a la formación de silanol (R-Si(OH)3).

b) Se forman enlaces de hidrógeno entre los grupos hidroxilo (-OH) del silanol y la superficie de la fibra de vidrio. De esta forma se evita que se reduzca la impregnabilidad de la resina al impedir que la superficie de la fibra de vidrio se una a moléculas de agua.

c) Se producen reacciones de condensación entre el silanol y la superficie de la fibra y entre moléculas adyacentes de silanol. En consecuencia, se forman se forma una capa de polisiloxano unida a la fibra de vidrio. Los agentes de

acoplamiento pueden tener grupos R reactivos con la resina y durante la reticulación pueden quedar unidos fuertemente a la fibra de vidrio.

Arquitectura de los materiales compuestos de matriz orgánica

Teniendo en cuenta la arquitectura de los materiales compuestos de matriz orgánica, existen dos tipos de composites:

1) Plásticos reforzados: están constituidos por matrices en las que se introducen refuerzos de tipo fibra o partícula.

2) Materiales compuestos estructurales: están formados por materiales

compuestos y homogéneos y sus propiedades no sólo dependen de los materiales

constituyentes sino de la geometría del diseño de los elementos estructurales

Pueden ser de dos tipos:

- Materiales compuestos laminares: formados por láminas o paneles que tienen

una dirección preferente con elevada resistencia.

- Paneles sandwich: compuestos de núcleo y alas.

1) Plásticos reforzados

Las propiedades de los materiales compuestos dependen básicamente de la

relación volumétrica fibra/matriz y de la ordenación de las fibras en la matriz.

a) Efecto de la fracción volumétrica de fibra

Cuanta más alta es la fracción volumétrica de fibras en el material compuesto,

mayor es el módulo de elasticidad y la resistencia.

Tecnológicamente, los materiales compuestos con fases dispersas en forma de

fibras son los más importantes ya que permiten conseguir elevada resistencia y

rigidez a baja densidad, es decir, elevada resistencia específica y alto módulo

específico.

b) Influencia de la orientación y concentración de la fibra

La orientación relativa también influye en las propiedades del material compuesto.

Existen dos tipos de orientación: alineación paralela y alineación al azar. Las fibras

continuas se presentan alineadas, mientras que las fibras discontinuas se pueden

presentar alineadas u orientadas al azar.

- Materiales compuestos con fibras continuas y alineadas: las propiedades

dependen de la dirección en la que se miden (anisotropía). La dirección

longitudinal es la que presenta mayor grado de reforzamiento. En la dirección

transversal el reforzamiento es prácticamente nulo. Los esfuerzos aplicados en

otras direcciones encuentran resistencias comprendidas entre estos extremos.

La mayoría de compuestos laminares constan de varias capas superpuestas con

fibras alineadas en diferentes direcciones. De esta manera, el material puede ser

sometido a esfuerzos multidireccionales,

- Materiales compuestos con fibras discontinuas y alineadas: la eficacia del

reforzamiento es menor, pero el coste es inferior y es posible la obtención de

piezas con formas complicadas.

- Materiales compuestos con fibras discontinuas y orientadas al azar: se utilizan

cuando las fibras están sometidas a esfuerzos totalmente multidireccionales ya

que son materiales isótropos.

2) Materiales compuestos estructurales:

Materiales laminados

Estos materiales compuestos están formados por láminas apiladas y unidas por

medio de un adhesivo. Las láminas pueden estar formadas por roving, mat o tejido

impregnado de polímero. Las láminas pueden estar formadas por materiales

diferentes y en este caso, se denominan laminados híbridos.

La orientación en cada lámina puede ser:

Unidireccional: cuando todas las fibras están paralelas. Esta orientación se utiliza,

por ejemplo, en palos de golf.

Bidireccional: cuando la mitad de las fibras están orientadas en ángulo recto con

respecto a la otra mitad. Esta orientación se utiliza en materiales para aplicaciones

estructurales.

Multidireccional: en este caso, el material es isotrópico.

Las propiedades da cada lámina dependen de los siguientes factores:

- Naturaleza de la fibra

- Presentación de la fibra (roving, mat, tejido, etc.)

- Porcentaje de fibra

- Orientación: el material se caracteriza por una secuencia de apilamiento, o

definición de la orientación de cada lámina respecto de un eje arbitrario de

referencia.

Materiales sandwich

Una estructura sándwich está compuesta principalmente por tres elementos:

a) Alas: compuestas por unas láminas delgadas, resistentes y generalmente con

mejores propiedades que el resto de componentes. Se caracteriza por su rigidez y

su resistencia a la compresión.

b) Núcleo: es un material ligero cuya función principal es separar las alas y

transmitir los esfuerzos cortantes de un ala a la otra. Se caracteriza por su baja

rigidez y resistencia en tracción.

c) La interfase de unión entre las alas, y el núcleo, que tiene como objeto

mantener unidos el núcleo y las alas y permitir la transferencia de las cargas entre

ambos.

Los plásticos reforzados tienen una elevada resistencia pero su rigidez no es lo

suficientemente elevada para algunas aplicaciones. Los materiales sándwich, por

el contrario, presentan una elevada sin apenas incremento de peso. Estas

estructuras son las más utilizadas en el área de los materiales compuestos.

Los materiales sándwich presentan las siguientes ventajas:

Alta resistencia y rigidez específicas

Aislamiento térmico y acústico

Gran capacidad de absorción de energía

Entre sus desventajas destaca la complejidad del control de calidad.

Materiales utilizados para las alas

a) Metálicos: acero y aleaciones de aluminio

b) No metálicos: madera laminada, cemento, composites de matriz polimérica

reforzados con fibra. Estos últimos son los más utilizados.

Materiales utilizados para los núcleos

Se pueden utilizar diferentes materiales que deben tener las siguientes

propiedades:

Baja densidad

Resistencia a la cortadura

Rigidez perpendicular a las caras

Aislamiento térmico

Los principales tipos de núcleo son: corrugados, nido de abeja, balsa de madera y

espumas celulares.

Nido de abeja

Están formados por celdas que pueden tener diferentes formas pero la más

frecuente es la celda hexagonal. Destacan por sus elevadas propiedades

mecánicas (resistencia y módulos específicos). Su principal desventaja es el

precio.

Existen dos métodos de fabricación de núcleos de nido de abeja:

- Procesos de expansión

Las láminas de material que formarán el núcleo se unen con un adhesivo y se

expanden. Es el método más empleado.

- Procesos de corrugado u ondulación

Las láminas sufren un proceso de ondulación al pasar entre cilindros acanalados

que producen la ondulación deseada.

Para la producción de núcleos de nido de abeja se pueden utilizar diferentes

materiales:

- Aluminio se han utilizado mucho en la industria aeroespacial debido a sus

elevadas propiedades específicas a pesar de su alto costo.

- Papel Kraft: es papel impregnado con resina. Este tipo de núcleo es barato pero,

aún así, presenta aceptables propiedades mecánicas.

- Plástico reforzado con fibra. Se utilizan fibras de vidrio, aramida o carbono

impregnadas en una matriz fenólica. Se caracteriza por presentar menor densidad

que el aluminio pero peores propiedades mecánicas.

Núcleo de balsa

Se caracteriza por una estructura de celdas cerradas.

Este tipo de núcleo se caracteriza principalmente por su facilidad de uso,

excelente durabilidad y propiedades mecánicas.

Espumas

Las espumas son dispersiones de grandes volúmenes de gas en pequeños

volúmenes líquidos con burbujas que crecen mucho, quedando muy cerca unas de

otras, con delgadas capas de líquido entre ellas que solidifica.

Las principales ventajas de este tipo de núcleo son:

Capacidad de aislamiento térmico y acústico

Transparente al radar

Su principal desventaja es su poca resistencia a la llama que puede mejorarse con

la incorporación de aditivos halogenados.

Las propiedades de la espuma dependen de una serie de factores como:

Composición del polímero

Estado del polímero (orientación, cristalinidad, etc.)

Densidad de la espuma

Estructura de las celdillas

Composición del gas espumante

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ ORGÁNICA: PROCESOS DE

FABRICACIÓN

Los procesos de fabricación de materiales compuestos se pueden dividir en

función del molde en procesos de molde abierto y de molde cerrado.

Dependiendo del material de partida se dividen en:

- Método o vía húmeda: el transformador impregna el refuerzo seco con la resina

catalizada.

- Método o vía seca: se utiliza un semielaborado.

También se pueden clasificar en función del tipo de pieza que se puede obtener:

figuras de revolución, perfiles, etc.

PROCESOS DE MOLDE ABIERTO

A- MOLDEO SIN PRENSA

-Moldeo por contacto manual

-Moldeo por proyección simultánea

-Moldeo a vacío o a presión de aire

-Moldeo con autoclave

B- REALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS DE REVOLUCIÓN

-Moldeo por enrollamiento filamentario

-Moldeo por centrifugación

C- REALIZACION DE ESTRUCTURAS PERFILADAS

-Estratificación continúa entre films

PROCESOS DE MOLDE CERRADO

A- MOLDEO CON PRENSA

-Compresión en frío

-Compresión en caliente

-Moldeo por compresión de SMC (Sheet Moulding Compound)

-Estampación de termoplásticos reforzados (GMT: glass mat thermoplastics).

-Inyección de termoestables o termoplásticos

-Moldeo por transferencia de resina (RTM: Resin Transfer Moulding)

B- REALIZACIÓN DE ESTRUCTURAS PERFILADAS

-Moldeo por pultrusión

Proceso de pultrusión

Manual de materiales compuestos (hand lay-up)

El moldeo o laminación manual es el método más sencillo para preparar una pieza reforzada con fibra. El proceso se lleva a cabo en un molde abierto, debidamente acondicionado (pulido y agentes desmoldantes). La resina utilizada se mezcla con un catalizador o endurecedor, de lo contrario, el curado puede llevar días o incluso semanas. A continuación, el molde se moja con la mezcla mediante vertido o brochas y pinceles (Inicialmente se puede aplicar una capa de gelcoat en el molde, lo que da un mejor acabado a la pieza terminada). Las láminas de fibra de vidrio o carbono se colocan sobre el molde y se asientan en el molde con rodillos de acero.

Colocación del refuerzo

El material debe estar firmemente compactado contra el molde, el aire no debe quedar atrapado en medio de la fibra de vidrio y el molde. Resina adicional se aplica y posiblemente laminas adicionales de fibra de vidrio. La relación de resina y fibra suele ser de 60 a 40 en peso, pero varía según el producto. Las resinas utilizadas son de baja viscosidad, con el fin de mejorar el impregnado de las fibras. Los rodillos se utilizan para asegurarse de que la resina entre en todas las capas, que la fibra se moja en todo el espesor del laminado y que las burbujas de aire sean eliminadas. El trabajo debe ser hecho con la suficiente rapidez para completar el trabajo antes de la resina empieza a curar.

Compactado mediante rodillos

Se puede lograr diferentes tiempos de curado mediante la alteración de la cantidad de catalizador empleado. Es importante la utilización de la proporción correcta de catalizador en la resina para asegurar el tiempo de curado correcto. Un 1% de catalizador es un curado lento, el 2% es la proporción recomendada, y

el 3% dará un curado rápido. La adición de más del 4% puede dar lugar a que la resina cure antes de terminar la aplicación. Opcionalmente y para finalizar el proceso, un peso se aplica desde la parte superior para expulsar el exceso de resina y el aire atrapado. Se utilizan topes (como monedas) para mantener el espesor ya que, de otro modo, el peso podría comprimir más allá del límite deseado. Mediante el uso de herramientas de corte se eliminan excesos de material en los bordes (antes del curado). Una vez curado el material, se procede al desmoldado de la pieza. De ser requerido la pieza puede ser ajustada a su forma final mediante un proceso de mecanizado (limado, lijado, taladrado, corte, etc.) a fin de darle la tolerancia y acabado final a la pieza. Las piezas pueden ser pintadas o laqueadas (en general, cuando no se utiliza gelcoat).

Esquema del proceso

Una variante del moldeo manual consiste en aplicar capas de resina y refuerzo a un núcleo preformado, por lo general de espuma de poliuretano. En este proceso no se utiliza molde puesto que el núcleo ya presenta la forma del producto terminado. El laminado exterior de material compuesto le confiere la rigidez a la pieza mientras que el núcleo de poliuretano hace que la misma sea muy liviana. Un ejemplo de este método es el moldeo de las tablas de surf. Una vez terminado de aplicar el refuerzo y la resina, todo el conjunto se envuelve herméticamente en una lámina de PE y se aplica vacío, a fin de compactar el refuerzo contra el núcleo y eliminar burbujas. Posteriormente se retira el PE y obtiene el producto terminado.

Aspectos básicos del proceso • Proceso de 2 pasos: todas las piezas se crean de adentro hacia afuera en el molde para obtener la pieza terminada. El proceso de molde abierto es el más común. • Primer paso: gelcoat - Se aplica gelcoat, un tipo especial de resina de poliéster, al molde. Puede dársele color con pigmentos o se puede pintar después del proceso. Éste es un acabado superficial del producto. • Segundo paso: laminación

- El gelcoat es un producto estructuralmente débil. Es necesario laminar la pieza con fibra de vidrio y resina poliéster para darle resistencia estructural. La fibra de vidrio se puede colocar apilada en capas o cortada.

Aplicación de gelcoat • El gelcoat es un poliéster pigmentado que conforma la superficie estética del producto de composite terminado. • El gelcoat se rocía sobre el molde con un espesor de 0,38 a 0,63 mm. • El gelcoat se suele catalizar al 2% (por volumen) y el tiempo de gelificación es de 30 a 45 minutos. • El molde está listo para la siguiente operación en 2 ó 3 horas. • El gelcoat se aplica sobre el molde en varias pasadas. • La mayoría de los proveedores del material recomiendan 2 ó 3 pasadas, como mínimo para lograr el espesor deseado.