Bilbao, 8 de Octubre de 2015 INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS

Transcripción

1 Bilbao, 8 de Octubre de 2015 INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS

2 ÍNDICE 1. Estado del arte 2. Diseño. Qué es un material compuesto 2.1 Cómo se diseña 3. Cálculo. Fundamentos básicos 3.1. Cómo se calcula 4. Fabricación. Diferentes procesos

3 Estado del arte Transporte Automoción: coches, autobuses, camiones, frenos etc Naval: barcos completos, domos para comunicaciones etc Aeronáutico: aviones enteros, alas enteras, flaps, carenados, domos de comunicaciones, alerones, helicópteros, drones etc Aeroespacial: satélites, estructuras, cohetes etc Electrónica: Placas de circuitos impresos Arquitectura: domos para antenas de comunicación, observatorios astronómicos, cubiertas y fachadas etc Obra civil: cemento armado, puentes, defensas de impacto, tuberías, perfiles, depósitos etc Deporte y ocio: bañeras, bicicletas, canoas, skiffes, traineras, remos, pértigas, cascos etc

4 Estado del arte

5 Estado del arte

6 Diseño 2. Qué es un material compuesto o composite Material formado por dos o más materiales que hace que sus propiedades finales sean mejores que las de los componentes por separado. A partir de ahora lo llamaremos composite. Ejemplos a través de la historia: Adobe: barro y paja Resina de arboles con minerales utilizados en impermeabilización Asfalto mezclado con grava para pisos de carreteras Cemento armado. Cemento, arena, grava y varilla de acero Madera contrachapada, bambú Vigas de madera encolada

7 Diseño Normalmente tiene varios componentes: Fibra: fibras biológicas; yute, sisal, algodón fibras minerales o sintéticas: Fibra de vidrio E y S, Cobalto, Kevlar, Carbono, Nylon, Cerámicos; carbono, CSi, Alúmina metálico; Boro, C y CSi Matriz: Agua, Termoestables; poliester, epoxi, vinilester Termoplásticas: PEEK, PP, PA 6, PA 12, PBT, PET Metálicos: Aluminio, magnesio, Titanio, Cobalto, Cobalto Niquel Cerámicos: Alúmina, nitruro de Aluminio, Nitruro de Silicio, Carburo de Silicio Carga: minerales; silice coloidal, microesferas de vidrio, carbonato cálcico Núcleo: PVC, Nomex, aluminio, Polipropileno, madera de balsa La fibra suele aportar resistencia mecánica La matriz es un aglutinante, que le da la forma cuando se solidifica La carga da propiedades específicas a la matriz: facilidad de lijado, brillo, densidad, abaratar coste, características ignífugas, imitación a marmol y un largo etc El núcleo aumenta las propiedades mecánicas sin aumentar mucho el peso. Aquí sólo se van a comentar los composites poliméricos.

8 Diseño Cómo combinar materiales Las más utilizadas en termoestables Fibra de vidrio: barata, características mecánicas aceptables y abundante ( es Si, el material sólido más abundante del planeta) Fibra de carbono: Es cara, características mecánicas excelentes y necesita un procesado químico a partir del petróleo. Fibra de kevlar: Es cara, características mecánicas excelentes y necesita un procesado químico a partir del petróleo. Muy buena resistencia al impacto y muy mal envejecimiento en contacto con agua ( aunque esté protegida). Los blindajes se suelen hacer con este material. Fibra de cobalto: Barata y muy utilizada en protecciones contra impacto. Blindajes.

9 Diseño Cómo combinar materiales Las más utilizadas en termoplásticos Fibra de vidrio: barata, características mecánicas aceptables y abundante ( es Si, el material sólido más abundante del planeta) Fibra de Polipropileno PP: Es barata, características mecánicas excelentes y necesita un procesado químico a partir del petróleo. Los más utilizados como núcleo PVC Nido de abeja de Polipropileno PP o de celulosa Nido de abeja de aramida NOMEX o en aluminio Madera de balsa

10 Diseño

11 Diseño

12 Diseño 2.1. Cómo se diseña Si necesitamos características mecánicas vemos en qué dirección y diseñamos el material para que aguante el máximo en esa dirección. En un material homogéneo (metal) cada trocito de material tiene las mismas características mecánicas en cualquier dirección. Un composite tiene el esfuerzo direccionado en el sentido de la fibra. Las fibras son materiales ortótropos (con un plano principal). Colocando varias capas en distintos ángulos se puede llegar a hacer un material anisótropo (todos sus planos tienen características distintas). Podemos mezclar fibras y orientaciones e incluso aumentar el espesor en una zona concreta.

13 Diseño Se diseña en función de los esfuerzos Se pueden insertar dentro del composite zonas metálicas o con otros materiales (madera, minerales..) Podemos hacer un material que tenga características mecánicas iguales en todos los ejes o distintas en todos. Se puede hacer que cuando haya un esfuerzo en una dirección, se curve en otra. Añadiendo un núcleo se consigue aumentar la inercia y el comportamiento es similar al de una viga pero sin aumentar mucho el peso y el coste.

14 Diseño

15 CÁLCULO 3. Cálculo Ley de hooke E =σ/ ε

16 CÁLCULO 3. Cálculo Ley de las mezclas

17 CÁLCULO 3. Cálculo Ley de las mezclas

18 3. Cálculo CÁLCULO

19 3. Cálculo CÁLCULO

20 3. Cálculo CÁLCULO

21 3. Cálculo CÁLCULO

22 3. Cálculo CÁLCULO

23 3. Cálculo CÁLCULO

24 3. Cálculo CÁLCULO

25 CÁLCULO 3.1. Cómo se calcula Ejemplo con software público: elamx

26 FABRICACIÓN 4. Fabricación. Diferentes procesos Moldeo por contacto Contacto y vacío (nucleos) Resin transfer moulding RTM Infusión BMC Bulk moulding compression SMC Sheet moulding compression Rotomoldeo Pultrusión Filament winding (arrollamiento de filamentos) Braiding (Entretejido) Autoclave Prepeg. Automatic Fiber Placement (AFP), Automatic Tape Placement (ATP)

27 FABRICACIÓN

28 FABRICACIÓN

29 FABRICACIÓN

30 FABRICACIÓN

31 FABRICACIÓN Entretejido por CNC Calcetín (sleeve) sobre modelo

32 FABRICACIÓN Interesantes videos sobre la técnica de infusión How to Make a Carbon Fiber Car Bonnet/Hood Part 1/3, 2/3 and 3/3