Diagnóstico de las tecnologías y procesos productivos en la industria del plástico en la VII región.

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE TALCA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA DE EJECUCIÓN EN MECANICA Diagnóstico de las tecnologías y procesos productivos en la industria del plástico en la VII región. Trabajo de titulación presentado para optar al titulo de: Ingeniero de Ejecución en Mecánica Profesor guía: Edgardo Padilla Contreras Alumno: José Bastías Gajardo Talca

2 Memoria apoyada por el Programa de Financiamiento de Memorias Gobierno Regional de Maule - Universidad de Talca

3 Agradecimientos A Julieta De la cual he sentido toda mi vida el apoyo incondicional en todo lo que he realizado, sin ti no abría logrado todo lo que he conseguido, gracias madre. A mi familia La fuente de todo lo que soy actualmente. A Yuli Mi trabajo en esto esta dedicado especialmente a ti, que mi esfuerzo y empeño quede reflejado en el amor que no supe darte cuando estabas conmigo, hasta pronto hermana.

4 INDICE Capitulo Introduccion Objetivos del proyecto Objetivó general Objetivos específicos Capitulo Los plásticos reforzados Las fibras La fibra de vidrió Las resinas Procesos productivos más comunes Moldeo abierto Laminado manual Laminado manual por spray Filamento enrollado Formación por centrifugado Moldeo cerrado Sacó elástico Autoclave Moldeo por presión Moldeo por inyección de resina Moldeo por inyección Moldeo continuo Laminado continuo Pultrusion Capitulo Introduccion Situación Internacional... 31

5 3.2.1 Aplicaciones aeroespaciales Fibra de vidrio Fibra de carbono Fibras de aramida Sistemas epoxy Sistemas ciano-esteres Sistemas bismaleidas (BMI) Sistemas termoplásticos Procesos productivos Aplicaciones aeronáuticas Sector automotriz Situacion Nacional Situación en la VII región Automotriz Industrial Ejemplos Capitulo Metodología Recopilación de información teórica Análisis de la información Construcción del cuestionario Información básica Mercado Recurso humano Infraestructura Materia prima Técnicas utilizadas Planes a futuro Muestra Aplicación del cuestionario... 54

6 4.6 Tabulación, gráficos Análisis dé los datos Términos importantes Tecnología Clasificación dé los productos plásticos Industrial en la región Mano dé obra Procesos productivos Capitulo 5... Visión general dé la región Campo laboral... Proposiciones y Sugerencias Bibliografía ANEXO A, Terminos importantes ANEXO B; Encuesta Tecnica ANEXO C, Fichas Técnicas dé los procesos ANEXO D, Direcciones empresas encuestadas

7 Capitulo 1 Introducción 1

8 1.1 Introducción Es sabido que cada día nacen nuevas tecnologías, conceptos e innovaciones, concebidos gracias a las necesidades nacidas en la sociedad, pero la evolución, los cambios, la adecuación que estas tecnologías van tomando para cada necesidad particular son muy difíciles de seguir y evaluar, sólo se conoce la aplicación final de tales tecnologías. Tomando como necesidad, el saber cómo estas tecnologías, en particular las asociadas al plástico, se van aplicando en nuestra región, nació este estudio, particularmente a la parte mas adelantada de estos materiales y los que tienen mas aplicación en la ingeniería mecánica, "los plásticos reforzados con fibra de vidrio". Es así que, por medio de este estudio se intenta dar respuesta a interrogantes como: qué se esta fabricando con este material?, con qué técnicas?, cuál es el grado de especialización?, que maquinarias se están empleando en la producción?, cuáles son las alternativas de desarrollo de esta actividad?. Todo esto con el fin de generar un material con valiosa información para futuros proyectos que vayan en pos de una evolución de esta industria, trayendo consigo beneficios para la zona. 1.2 Objetivos del proyecto El presente proyecto se origina debido a que no existe una idea real del nivel tecnológico del rubro en la región, por otro lado a habido un auge en innovaciones técnicas en el uso del plástico reforzado en el ámbito internacional, y no se sabe en que forma repercute en los procesos productivos regionales, por ello el estudio busca: - Conocer el estado real de la industria del plástico en la región, particularmente las orientadas a fabricar con plástico reforzado, debido a: 1. El creciente aumento en el uso de artículos fabricados con este material 2. La poca o ninguna información existente respecto del resto de las regiones. - Establecer un análisis comparativo entre las tecnologías en uso respecto y las nuevas tecnologías existentes en la actualidad - Generar una base de datos para tomar acciones futuras al respecto. 2

9 1.2.1 Objetivo general El objetivo general de la investigación es generar un diagnostico de las tecnologías y procesos productivos utilizados en la industria del plástico en la región, particularmente de la industria orientada a la fabricación de productos de plástico reforzado con fibra de vidrio. Se pretende generar un catastro de esta actividad industrial y obtener información técnica y económica acerca de ella que permita la futura generación de proyectos mas específicos en este rubro Objetivos específicos Investigar el universo de empresas que se encuentran trabajando con productos plásticos, y centrarse en aquellos que laboren con plástico reforzado. tecnología. Confeccionar una encuesta, tomando como base la información recopilada sobre esta En lo posible, realizar visitas a las instalaciones de dichas industrias, con el fin de evaluar visualmente el uso de maquinaria y procesos. Elaborar un informe con los datos arrojados por la encuesta y las observaciones hechas en las visitas a terreno. Proponer ideas para el uso de nuevas tecnologías aplicables en la región. 3

10 Capitulo 2 Aspectos tecnológicos de la producción de los plásticos reforzados 4

11 2.1 Los plásticos reforzados El plástico reforzado es un sistema compuesto, principalmente por dos elementos, las resinas que constituyen la matriz, son aglutinantes, dan la rigidez, proporcionan la forma y la mantienen, y las fibras, las que aportan al plástico la mayoría de las propiedades mecánicas, reciben los esfuerzos y los resisten haciendo un papel similar al acero en el hormigón armado. Es importante señalar que es de suma importancia la dirección de orientación de las fibras ya que el sistema tendrá su máxima resistencia en la dirección de esta. Adicionalmente a estos dos elementos principales están presentes otros elementos los que pueden ser, pigmentos, acelerantes, catalizadores, lubricantes, estabilizadores a la luz, etc., los que constituyen un porcentaje muy bajo en el compuesto final. Los plásticos reforzados son un material de alta aceptación debido a una serie de características propias, entre las que destaca, la resistencia mecánica. El porqué y cómo se produce esta buena respuesta mecánica se explica por: a) Un sistema resinoso que incluye normalmente distintos elementos además de la resina propiamente dicha, tales como promotores, catalizadores, acelerantes endurecedores, flexibilizantes, pigmentos, etc. b) Un refuerzo fibroso, generalmente vidrio, que se presenta de distintas maneras y formas y que determina, en máxima parte, la resistencia y las condiciones mecánicas del compuesto. c) Los elementos terminados poseen optimas propiedades fisicas mecánicas y eléctricas; muy buena resistencia química y a la intemperie; no están sujetos a la corrosión electrolítica ni a otro tipo de degradación y tienen un costo moderado que los hace económicamente ventajoso. 5

12 La mayor ventaja de los plásticos reforzados, es que se consigue elevada resistencia y rigidez a una muy baja densidad. Estas características se traducen mediante los parámetros resistencia específica y módulo específico, que corresponden, a las relaciones entre la resistencia a la tracción y el peso específico y entre el módulo de elasticidad y el peso específico. 2.2 Las fibras Las fibras por definición son aquellos materiales prismáticos, generalmente cilíndricos, cuya relación largo-diámetro es superior a 100. O sea Por el material que las componen las fibras se pueden agrupar en: Fibras naturales: animales y vegetales, usadas en muy raras ocasiones asociadas con los plásticos. Entre ellas están la seda, el algodón, la lana, etc. Fibras sintéticas: procedentes de polímeros orgánicos, usadas en la industria textil y algunas de ellas en los plásticos reforzados. Fibras de poliéster, poliamidas, acrílicos, etc. Fibras cerámicas: de nueva generación, especialmente preparadas para trabajar a altas temperaturas. Cuarzo, carburo de silicio, otros. Fibras de alta resistencia: proceden de una gran gama de componentes y se usan especialmente como refuerzo de materiales compuestos. Fibras de vidrio, aramidas, boro, carbono, etc. 6

13 Estas ultimas son las mas usadas, puesto que son las que tienen las mejores propiedades mecánicas La fibra de vidrio Ya que es ampliamente usada como material de refuerzo, se hará mención especial a este tipo de fibra. El vidrio es un producto inorgánico, enfriado al estado sólido sin que presente cristalización, fisicamente como un liquido subenfriado, con estructura molecular amorfa, característica de los líquidos. Las propiedades del vidrio dependen fundamentalmente de sus componentes y en alguna medida de las características de preparación. Una de las principales características, y gracias a esto su utilización como refuerzo, es que cuando se convierte en fibra, a medida que su diámetro va disminuyendo se vuelve flexible y su resistencia aumenta con rapidez, hasta hacerse igual o superior a la mayoría de las demás fibras. Los diámetros de estas fibras varían de 3.5 a 20 µ, siendo las mas eficientes las que varían entre 5 y 13 µ. Reunidos entre 50 a 400 o más fibras, forman el hilado básico, con torsión o sin ella y mediante sucesivas operaciones de paralelizado, doblado o torcido dan lugar a una amplia gama de hilados comerciales. 7

14 A continuación se presenta una tabla con algunas propiedades mecánicas importantes, de los diferentes tipos de fibra de vidrio. Fig. 2.1 Tabla propiedades mecánicas de fibra de vidrio' Para las fibras que son usadas como refuerzo se obtienen comercialmente en forma de: - Mats, que son fieltros de resistencia multidireccional - Rovings, haz de fibras que forman una trenzas continuas, y son la base de los tejidos. - Woven rovings, se obtienen tejiendo y entrelazando rovings, pueden ser unidireccional, bidireccional y tridireccional. - Esteras, cintas fabricadas con rovings. - Fab-mats, es la combinación de mat y rovings tejido. - Chopped strands, fibras cortadas. - Milled strands, fibras molidas. 1 Olivares Felipe Manual de diseño en plásticos reforzados con fibra de vidrio. Santiago de Chile. 28 p. 8

15 La utilización de la fibra de vidrio como material de refuerzo se debe principalmente a: 1. Es fácilmente hilable en fibras de alta resistencia 2. No hay dificultad de encontrar en el mercado, además de ser económicamente viable al usarlo como refuerzo para plásticos utilizando la gran cantidad de técnicas de fabricación. 3. Como fibra es relativamente fuerte y cuando esta inserta en una matriz plástica produce un compuesto con muy alta resistencia especifica 4. Cuando esta unida al plástico se obtienen materiales compuestos químicamente inertes muy útil para ambientes corrosivos La combinación resina-fibra mas usada hoy en la industria, es la de resinas de poliéster con fibra de vidrio tipo E, pero recientemente ha aparecido un compuesto formado por una matriz de nylon reforzada con fibra de vidrio, este material es altamente resistente al impacto y extremadamente fuerte. Las limitaciones que tiene la fibra de vidrio es que a pesar de tener una elevada resistencia, no es muy rígida, y por este motivo su aplicación como miembro estructural, por ejemplo en puentes o aviones, aun no esta ampliamente difundido. La mayoría de las clases de fibras de vidrio tiene temperaturas de servicio por debajo de los 200 C, a temperaturas superiores la mayoría de los plásticos empiezan a fluir y o a deteriorarse. La temperatura de servicio puede subir hasta los 300 C al utilizar fibras de sílice de alta pureza con matriz de poliamida. Las principales aplicaciones de los plásticos reforzados con fibra de vidrio son, carrocerías de automóviles y navíos, tuberías de plásticos, recipientes para almacén y suelos industriales. 9

16 2.3 Las resinas Se denominan resinas generalmente a sustancias de carácter orgánico, en estado liquido viscoso. Aunque las usadas en la industria del plástico reforzado son de origen sintético, desde el punto de vista práctico las resinas se dividen en dos grandes grupos: Resinas termoenduresibles o termoestables, que se presentan habitualmente en forma de líquidos mas o menos viscosos. Por efecto de un agente especial iniciador, tiene lugar una reacción de polimerización que provoca el endurecimiento de las resinas de manera irreversible. También se conocen como resinas autoendurentes Resinas termoplásticos, que se presentan en estado sólido, generalmente bajo forma de polvos, gránulos o pellets. Se ablandan o funden con el calor y pueden por lo tanto moldearse bajo presión, conservando su nueva forma al enfriarse. Entre las resinas termoestables la mas usada, por razones técnico-comerciales, están las resinas Poliéster no saturadas. Estas se definen como compuestos orgánicos no saturados, que encierran varios grupos esteres y que pueden polimerizar o copolimerizar con otros monómeros de doble enlace, originándose una estructura tridimensional con ligaduras transversales y, por lo tanto, termoendurentes, de resistencia mecánica muy elevada. Estas resinas endurecen a temperatura ambiente o, mas rápidamente, con aporte de calor, y pueden moldearse sin presión, o una que no exceda los 10 k g/cm 2. En el comercio se pueden encontrar como preparados líquidos incoloros o ligeramente amarillentos, en una amplia gama de viscosidades estando formadas por: - Un poliéster no saturado (polímero) - Un producto monómero no saturado - Un inhibidor o estabilizante Este ultimo impide que se desencadene la reacción de polimerización, mientras la resina esta almacenada. 10

17 A temperatura ambiente, estas mezclas tienen una duración de alrededor de 6 meses, pero conservadas en frío a unos 10 C aproximadamente, su conservación pasa cómodamente hasta un año. Fig. 2.2 Tabla propiedades mecánicas de resina de poliéster' En la tabla 2.2 se muestran las propiedades físicas, mecánicas y eléctricas de una resina poliéster para usos generales sin refuerzo. 1 D'Arsié Duilio Los plásticos reforzados con fibra de vidrio. 9 edición. Editorial Librería Mitre. 51 p. 11

18 2.4 Procesos productivos más comunes: Existen numerosos sistemas de fabricación de plásticos reforzados, cada uno de ellos adaptado a los requerimientos del usuario y de la demanda de productos que se requieran. De acuerdo a esto tenemos métodos de formación totalmente automatizados, medianamente y totalmente artesanales. Algunos para piezas especificas (ejemplo, tuberías), y otros capaces de fabricar un número prácticamente infinito de productos. Pero todos ellos tienen como base la producción de plásticos reforzados, los métodos se pueden clasificar de acuerdo a: Moldeo abierto, el moldeo abierto se caracteriza porque el método de conformado se realiza en contacto con el aire del ambiente cercano, ó sea el operador en todo momento puede ver y manipular la pieza Moldeo cerrado, se realiza en condiciones de presión distintas a la atmosféricas, en un ambiente cerrado Moldeo continuo, el proceso es indudablemente mecanizado, este se puede emplear bien para recubrir otros elementos o para la fabricación de piezas, los materiales entran por un extremo, y por medio de diversos pasos mecánicos, autónomos o manuales, se va conformando los productos. 12

19 2.4.1 Moldeo abierto Laminado manual Este es el mas común de todos los procesos asociados a los plásticos reforzados, gracias a su sencillez y versatilidad, ya que con este método se pueden realizar cualquier tipo de pieza, pequeña, mediana o de grandes proporciones, en un único o varios ejemplares. Para su utilización se requiere básicamente un molde abierto negativo, que puede ser hembra si se desea que la superficie externa quede bien terminada, o macho si se quiere la superficie interna con buena calidad superficial. Los moldes pueden estar hechos de materiales comunes, rígidos como yeso, madera, hierro, etc. También pueden ser de elastómeros, y en algunos casos hasta de algún tipo de platico reforzado. El moldeo puede ser en una sola pieza a la vez, o en algunos casos donde la pieza es de grandes proporciones, en varias partes, una vez terminadas se montan en el lugar predispuesto y se unen, pudiendo usar la misma base con que fue fabricada la pieza. El moldeo manual se puede describir fácilmente en los siguientes cinco pasos: 1. Aplicación del desmoldante, se aplica una capa en la matriz, cuidando que sea lo mas uniforme posible, evitando en lo posible la formación de grumos e imperfecciones a causa de este procedimiento ya que cualquier deterioro quedara plasmado en el producto final. 2. Aplicación primera capa de resina, se aplica una capa de resina sobre el molde, esto tiene dos finalidades, 1. promover la adherencia del refuerzo al molde, 2. conseguir un buen acabado superficial interior de la pieza ya moldeada. La resina esta mezclada previamente con, catalizadores, acelerantes, pigmentos, etc 13

20 3. Corte del refuerzo, se coloca manualmente el refuerzo en el molde, que generalmente esta en forma de tejidos o malla, cortando los excesos. Esto puede hacerse antes o después del paso 2 4. Aplicación de la resina, a continuación se aplica la resina mezclada con catalizadores, aceleradores y o pigmentos, mediante vertido, brocha o spray. 5. Conformado, en esta etapa se pasan unos rodillos que pueden ser metálicos o plásticos, a fin de eliminar cualquier burbuja de aire atrapada en el refuerzo o en la resina además de hacer penetrar bien la resina en el refuerzo. Si se desea aumentar el espesor de las paredes se procede desde el punto 2 al 4, hasta conseguir el espesor deseado. 1. Aplicación desmoldante 2. Aplicación de resina 3. Corte del refuerzo 4. Aplicación de resina Fig. 2.1 Moldeo manual 5. Conformado 14

21 Las características mecánicas del producto quedan determinadas por el tipo de fibra, la cantidad de capas de refuerzo y la orientación que estas capas tienen entre si Laminado manual por spray Este proceso es similar al moldeo manual, solo que es tecnificado en la forma de depositar la fibra y la resina. Se hace pasar fibras en cordones continuos a través de una combinación de cuchillas y pistolas pulverizadoras que depositan simultáneamente, en el interior del molde, fibra de vidrio cortada, y resina con catalizador. El compuesto depositado es posteriormente compactado con rodillos a fin de sacar el aire atrapado y asegurarse que la resina impregne toda la fibra cortada. Como en el método anterior se puede aplicar capas sucesivas a fin de conseguir un espesor deseado. El curado se hace aplicando calor en cantidades moderadas o a temperatura ambiente. Fig. 2.2 Moldeo por Spray 15

22 Filamento enrollado El sistema en si es bastante simple, un mandril en revolución gira a cierta velocidad, sobre este se va enrollando los filamentos de fibra en forma helicoidal previamente bañados en resina. El movimiento helicoidal lo da un carro que se desplaza en forma paralela al mandril y que repite ciclos en un sentido y otro, dependiendo de la velocidad de desplazamiento del carro y de la velocidad de rotación del mandril dependerá la inclinación de las fibras. Gracias a este método se pueden conseguir las piezas dotadas de mayor fortaleza y de mejores características mecánicas de tipo direccional, con relaciones vidrio-resina mas elevadas que las obtenidas con cualquier otro método ( hasta 87 % de vidrio). Sin embargo posee algunas limitaciones como: 1. no permite obtener recipientes cerrados en una pieza, por ejemplo, recipientes cilíndricos con fondo 2. no se pueden obtener estructuras cónicas con una pendiente superior a los es imposible producir elementos que no sean destinados a soportar esfuerzos circunferenciales, a menos que se use cintas tejidas o de contarse con otros refuerzos roving dispuestos longitudinalmente. Entre las aplicaciones que con este método se pueden obtener están: contenedores para líquidos o gases bajo presión (cilíndricos, esféricos, o de otra forma), tanques para el transporte y almacenamiento de líquidos; cañerías de conducción de cualquier tipo; cuerpos de mísiles, torpedos, cohetes y tubos de lanzamiento; partes de satélites, depósitos de combustible, cámaras y toberas de salida de reactores y propulsores de cápsulas y vehículos espaciales; submarinos y vehículos para investigación oceánica; revestimientos de refuerzo o de protección de tubos, tanques, etc. realizados con distintos materiales; estructuras cilíndricas; cónicas, de doble cono, mixtas, etc., y en general cualquier otro elemento, pieza o cuerpo hueco, cuya superficie se origine como una figura en revolución. 16

23 Fig Filamento enrollado 17

24 Formación por centrifugado Este procedimiento solo admite cuerpos cilíndricos. Se utiliza un molde cilíndrico con la forma deseada teniendo presente que el diámetro interior del molde va a ser el diámetro exterior de la pieza ya moldeada, se hace girar sin vibraciones a velocidad variada a fin de lograr, por medio de la fuerza centrífuga, una buena impregnación. Como primer paso se aplica el agente separador al molde. La introducción del refuerzo puede ser de dos formas: a. el refuerzo que puede ser un tejido roving, normal o direccional, se introduce en el molde posteriormente se hace girar, una vez adaptado a las paredes del molde se vierte la resina y se distribuye por medio de un aplicador especial. b. El refuerzo y la resina se introduce al molde similarmente al método de laminado manual por spray ( Fig. 2.4.). Fig. 2.4 vista transversal moldeo por centrifugado El curado se realiza por lo común con suministro de calor, que puede ser aplicado ya sea exteriormente, como por medio de un calefactor colocado en el interior del molde. 18

25 La misma contracción de la resina facilita el desmolde, una vez finalizado el proceso de endurecimiento. La velocidad de rotación varia de acuerdo al diámetro del molde y la viscosidad de la resina, y debe ser mantenida bajo control durante la formación. Oscila entre los 500 y 3000 rpm. eligiéndose velocidades reducidas durante la fase de introducción de la resina, para luego aumentarlas paulatinamente según sea necesario. Las superficies que se obtienen son muy buenas, no solo en el exterior en contacto con el molde, sino también al interior, debido a la mayor proporción de resina que por constituir el componente de menor peso especifico ( vidrio poliéster 1.1 g/ cm 3), se concentra en dicha zona. 19

26 2.4.2 Moldeo cerrado Saco elástico En principio, este método consiste en reemplazar parcialmente la impregnación a mano, con pincel o rodillo, por una limitada presión uniformemente distribuida y transmitida al laminado en formación por medio de un saco o membrana elástica. Ello trae ventajas que se traducen en un mejoramiento en el ritmo de trabajo y de las características de las piezas en general. Una vez dispuesto sobre el molde el refuerzo de fibra de vidrio, parcialmente impregnado, se coloca sobre este un diafragma de PVC, neopreno, polietileno, alcohol polivinilico, etc., de 1 a 2 mm. de espesor, que se cierra herméticamente en su contorno. A veces, el molde completo con el laminado se coloca en el interior de una bolsa o saco que lo envuelve totalmente. Luego se conecta el espacio entre el molde y el diafragma o la bolsa, a un equipo de vacío por medio de una trampa para resina (recuperador del exceso de resina). La depresión así creada puede ejercer sobre el molde una presión de 0.5 a 1 k g/c m 2,, que permite expulsar el aire del laminado en formación, lo que deberá favorecerse por algún medio destinado a abrirle camino, como por ejemplo, una hoja porosa en contacto (Fig. 2.5). El otro método es colocando en el molde, una tapa con su bolsa o diafragma, la que cerrara por encima de este, en la que se aplicara presión por medio de aire comprimido de 0.5a2.5 k g/c m 2, (Fig. 2.6) Fig. 2.5 Saco elástico al vacío 20

27 Fig. 2.6 Saco elástico a presión Autoclave Este proceso se utiliza para producir laminados de elevadas características de funcionamiento formados por sistemas epoxy reforzados con vidrio. Los materiales compuestos preparados por este método son especialmente usados en aeronaves y aplicaciones espaciales. Primero se prepara una lamina de preimpregnado especial compuesta por fibra de carbonepoxy, consistente en fibras unidireccionales y largas de carbono, que se cortan de acuerdo al molde. Hay que tener presente el numero de capas que se ocuparan, además de la orientación de las fibras, ya que estas tienen su mayor resistencia en la dirección que están ubicadas. Se colocan las capas en la matriz, y se cierra al vacío para eliminar el aire atrapado. Finalmente, la pieza encerrada a vacío se sitúa en un autoclave para el curado final de la resina. Las condiciones de curado dependen del material, para materiales compuestos de epoxy-fibra de carbono se calienta alrededor de los 190 C y a una presión en torno de los 100 psi. Después de retirada la pieza del autoclave se realizan las operaciones de acabado. Los materiales compuestos epoxy-fibra de carbono se utilizan principalmente en la industria aeroespacial donde se requiere una gran resistencia, tenacidad y ligereza en los materiales utilizado. Por ejemplo, estos materiales se utilizan en las alas de las aeronaves, en ascensores y en partes de timones así como en las puertas de compartimientos de carga 21

28 de lanzaderas espaciales. Análisis de costes han previsto la utilidad de estos materiales en la industria del automóvil. Fig. 2.7 Proceso usando autoclave Moldeo por presión En el proceso mismo la impregnación puede hacerse por separado, sobre un hoja de acetato de celulosa o sobre cualquier otra película análoga. Luego las capas de preimpregnado se van colocando en el molde, adaptándolos a su forma una vez hecho esto se coloca el contra molde y se aplica presión, para un buen conformado. Hay que tener un especial cuidado con la salida del aire, puesto que trae consigo la formación de burbujas, un buen método para evitar esto es, en un principio ser generoso con la adición de resina, que luego de escurrida, se recupera al cerrar el molde. Gracias a la presión de trabajo (hasta 30 k g/ cm2, pero mas frecuente entre 3 y 10 kg/ Cm 2 ), se facilita la distribución uniforme de la resina además de favorecer la impregnación. 22

29 Una variante del proceso es el moldeado por presión en caliente, la diferencia es la aplicación de calor en el momento de la conformación de la pieza ( 140 C), esto trae consigo algunos inconvenientes, como, la incorporación de moldes metálicos, lo que acarrea un incremento en el costo de los equipos, aun así se justifica ya que gracias a la adición de calor el tiempo de curado baja drásticamente, subiendo automáticamente el rango de producción. Fig. 2.8 Moldeo por presión; (a) molde abierto, se vierte la resina; (b) se cierra el molde, se aplica presión. 23

30 Moldeo por inyección de resina Este método es uno de los mas usados de formación en molde cerrado. Adaptable a casi cualquier tipo de estructura, no importa si es simple o compleja, de medianas o grandes proporciones. El método se deriva del sistema marco por succión de resina, usado en la aeronáutica militar en el transcurso de la Segunda Guerra Mundial. Es necesario para el método de inyección la utilización de un molde doble, con la particularidad de tener un orificio en una de sus caras, por donde se inyecta la resina mediante presión. En la practica, el procedimiento requiere el empleo de equipos especiales expresamente desarrollados al efecto, por medio de los cuales la resina, debidamente preparada, es forzada al interior del molde en el que se encuentra el refuerzo seco. Uno o mas respiraderos estratégicamente distribuidos en la periferia o en los extremos, además de dar salida al aire que la resina va paulatinamente expulsando ante si y reemplazando, sirven al propio tiempo de testigos. Cuando la resina asoma se los cierra, y lo mismo se hace con la entrada, dejando polimerizar. La secuencia de las operaciones que configuran el proceso, es el siguiente: 1. preparación y colocado del refuerzo 2. cierre del molde e inyección de la resina preparada 3. endurecimiento del laminado, abertura del molde y extracción de la pieza, cuya terminación se realiza luego fuera del ciclo. El refuerzo debe colocarse de manera que no pueda sufrir desplazamientos durante la inyección, lo cual se consigue aprisionando su contorno entre las pestañas periféricas del molde y contra molde, normalmente se trata de un "paquete de refuerzo" que puede estar formado por varias capas de mat. 24

31 Moldeo por inyección Fig. 2.9 Moldeo por inyección de resina El moldeo por inyección es una técnica que se puede ver en la Fig. 2.10, es de alto poder productivo, pero el costo de la maquinaria es extremadamente alto. El proceso en si es bastante sencillo, en un recipiente están mezclados todos los ingredientes, resina, catalizadores, refuerzo, etc. En la parte inferior del recipiente, hay un tornillo transportador, el cual empuja la mezcla al interior del molde doble por una apertura. Una vez que la mezcla es introducida completamente en el molde se cura por medio de calor. Posteriormente se abre desacoplando el contra molde y retirando la pieza, luego se cierra y comienza el ciclo. El inconveniente principal es que se requiere de fibras muy cortas, lo que implica un ordenamiento al azar de estas. 25

32 Fig Moldeo por inyección 26

33 2.4.3 Moldeo continuo Laminado continuo En el proceso de laminado continuo, el refuerzo y la resina son combinados y contenidos entre dos capas de película de polietileno separador, que es llevado por un circuito a un horno de curado. Luego es retirado al salir de este y el sándwich es cortado en barras para su utilización. Este proceso puede ser usado tanto para hacer paneles como para materiales perfilados. La impregnación de la resina puede hacerse impregnando el film de polietileno antes de ponerse en contacto con el refuerzo, o directamente al refuerzo haciéndolo pasar por un balde de resina, donde luego de esto pasa por los rodillos conformadores, los que además controlaran el espesor del laminado. Este es un proceso altamente productivo y de un alto coste en los equipos, y esta limitado a hacer solo planchas o perfiles simples. Este método puede apreciarse mejor en la figura Pultrusion Es un proceso utilizado en la manufactura de resinas reforzadas con fibras de sección transversal constante tales como formas estructurales, vigas, canales, conductos y tubos. En este proceso cordones continuos de fibra se impregnan en un baño de resina y después se les somete a estiramiento mediante un troquel de acero caliente que determina la forma del producto acabado. Se consigue materiales de alta resistencia al utilizar altas concentraciones de fibra y orientación paralela a la dirección de estiramiento. Esto se puede entender mejor con la figura

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36 Capitulo 3 Usos y aplicaciones de los plásticos reforzados (PRF) 30

37 3.1 Introducción En el presente capitulo, se pretende dar una idea de las aplicaciones de los PRF en la actualidad, primero en el ámbito mundial, donde se verán los ejemplos más recurrentes, actualmente en uso. Segundo en el ámbito nacional, particularmente en la región metropolitana, ya que es aquí donde se concentran la mayor cantidad de industrias dedicadas a los compuestos plásticos, y por ultimo en el ámbito regional. Con esto se quiere exponer una comparación de los niveles tecnológicos de estos tres niveles. 3.2 Situación Internacional Entre las principales aplicaciones, donde se ha visto un aumento considerable de tecnología e innovaciones, se encuentran los sistemas aeroespaciales, ó aeronáutico y en los transportes en general (automóviles y similares) Aplicaciones aeroespaciales Debido a las altas solicitaciones mecánicas a que se someten las estructuras espaciales, el empleo de los polímeros de altas prestaciones, utilizados solos o en materiales compuestos, están limitados a aplicaciones puntuales. Pero debido a la gran asociación de las matrices poliméricas con las fibras de refuerzo, los materiales compuestos ocupan un lugar muy destacado en las estructuras de los sistemas de transporte espacial. Su utilización se realiza a través de los siguientes materiales y métodos: Fibra de vidrio Tiene una utilización minoritaria debido a comparativamente alta densidad (2.5 g*cm 3 ). Aunque la fibra de vidrio tipo E se emplea masivamente en los componente electrónicos, para aplicaciones estructurales se utilizan los de tipo R y S de mayores prestaciones en rigidez y resistencia. Su característica de aislante térmico y propiedades 31

38 dieléctricas, unido a su bajo coste, la hace aplicable en un componente de antenas o estructuras requeridas a capacidad de aislamiento. Ejemplo, la estructura tubular de los soportes, fabricada en fibra de vidrio tipo S, en los telescopios espaciales Fibra de carbono Es la fibra mas utilizada en aplicaciones espaciales, debido a sus características mecánicas de resistencia y rigidez especifica, ya que cuente con una densidad de 1.8 g cm 3. Se pueden obtener diferentes valores de resistencia, modulo y conductividad térmica dependiendo de: Por una parte del tipo de precursor, poliacrinitrilo (PAN), del que se obtienen fibras con mayores propiedades resistentes, o del carbón liquido (Pitch), del que se obtienen fibras de alto modulo y alta conductividad térmica. Y, por otra parte, del proceso de carbonización y grafitizacion final. En función de estas propiedades las fibras de carbono más utilizadas en estructuras aeroespaciales son: Fibras de alta resistencia (HS), que en su mayoría son fibras de tipo PAN con valores altos de resistencia y módulos bajos. Son empleadas en estructuras de la parte superior de lanzadores Fibras de modulo intermedio (IM), son fibras de tipo PAN con altos valores de resistencia, elongación y módulos intermedios. Dadas sus propiedades mejoradas, están sustituyendo a las anteriores en los lanzadores de nueva generación Fibras de alto modulo (HM), son fibras de tipo PAN con módulos altos y valores de resistencia bajas. Se utilizan cuando los requisitos de rigidez predominan por sobre los de resistencia. Se emplean en estructuras internas de lanzaderas, como son los adaptadores de carga útil, también en estructuras primarias de satélites, como los cilindros centrales o los paneles laterales. Fibras de muy alto modulo (UHM), pueden ser fibras de tipo PAN o Pitch con módulos muy altos y valores de resistencia bajas. Estas fibras se desarrollaron 32

39 exclusivamente para el mercado espacial hace unos años con un precio de materia prima del orden de Pesos/kg. Su aplicación quedo destinada a estructuras denominadas de alta estabilidad, donde era necesario unas frecuencias naturales altas (maximizar rigidez y minimizar masa), y una gran estabilidad geométrica en orbita. Ejemplos de estas estructura son los reflectores, telescopios y paneles solares. Otra posibilidad que aportan estas fibras, dado su coeficiente de dilatación negativo, es la de conseguir, en combinación con matrices poliméricas, materiales con coeficientes de dilatación cercanos al cero. Esta característica hace que estas estructuras de alta estabilidad conserven su forma en cualquier condición de temperatura (180 C y 130 C). Pero hace unos pocos años estas fibras se comenzaron a utilizar en artículos deportivos tales como, raquetas de tenis, palos de golf y en las estructura de chasis de automóviles de formula 1. todo esto a derivado en que los precios de estas fibras hallan disminuido hasta unos Pesos/kg Fibras de aramida Esta formada a partir de poliamida aromáticas. Se caracterizan por una gran resistencia química y mecánica a tracción y buenas característica dieléctricas, todo esto unido a su baja densidad (1.4 g*cm 3 ). Su principal defecto es su mal comportamiento a esfuerzos a compresión. Dada su baja resistencia a la radiación es necesario, mas que con ninguna otra fibra a que este embebida matrices poliméricas resistentes a ella. Su principal utilización es para reflectores y escudos protectores. Ejemplos de este material conocidos comercialmente son Kevlar 49 y Twaron HM 33

40 Fig. 3.1 Grafico comparativo entre diferentes fibras usadas' Entre las matrices empleadas en los materiales compuestos de uso espacial tenemos: Sistemas epoxy Son los sistemas termoestables de uso mas común. Generalmente se utilizan sistemas de curado a 180 C para estructuras de lanzadores, muy similares a las empleadas en la industria aeronáutica. Existen también sistemas de curado a 120 C, utilizados para ciertas estructuras de satélites, donde el control térmico regula la temperatura de servicio por debajo de dicho valor. Con ello se las tensiones residuales que aparecen durante el ciclo de curado. Las ultimas innovaciones es un sistema de curado a mas bajas temperaturas, que son empleados en prototipos, como el vehículo reutilizable Americano X-38, debido al empleo de útiles de moldeo mas baratos. Su temperatura de servicio es de hasta 150 C, aproximadamente. Los sistemas epoxy son propensos a absorber humedad y por lo general cumplen los criterios de desgasificacion necesarios para su uso espacial. ' JIMENES A Utilización de polímeros en el transporte espacial. Revista de Plásticos Modernos. Vol. 79 Numero p. 34

41 Sistemas ciano-esteres Son sistemas termoestables, que se caracterizan por una baja absorción de humedad y muy baja desgasificacion. Por ello, están sustituyendo a los sistemas epoxy en aplicaciones de alta estabilidad dimensional, como reflectores, plataformas de equipos ópticos, etc. su buen comportamiento a las microgrietas en ciclados térmicos los coloca como una excelente aplicación para tanques criogénicos de los futuros lanzadores reutilizables. Puede llegar a temperaturas de servicio superiores a las epoxy. Las primeras estructuras puestas en orbita que utilizaron ciano-esteres, usaron fibra de carbono UHM de precursor Pitch Sistemas bismaleidas (BMI) Se utilizan a temperaturas de servicio mayores que las epoxy (200 C). Hoy en día, se puede considerar como un sistema totalmente desarrollado, con un proceso de curado muy similar al de las epoxy de 180 C, tras el que un postcurado a 250 C les confiere su capacidad de aguantar temperaturas de servicio tan altas. Se estudia también su empleo en estructuras primarias de lanzadores reutilizables, donde evitan una masa considerable de protecciones térmicas Sistemas termoplásticos Su dificultad de proceso a descompensado a las potenciales ventajas que estos sistemas prometían. Entre estas ventajas esta su nula absorción de humedad, su tenacidad, su resistencia a radiaciones y su posibilidad de termoconformado Procesos productivos Los procesos de fabricación de materiales compuestos empleados en la industria aeroespacial son muy similares a los utilizados en la industria aeronáutica. Y aun siguen predominando los sistemas manuales, sobre todo en aplicaciones de satélites donde apenas se producen tres unidades iguales. Sin embargo, dado el auge de los lanzadores previsto en 35

42 los próximos años, se comienza a integrar sistemas mas automatizados en la producción de estos Aplicaciones aeronáuticas La fabricación de estructuras aeronáuticas ha estado basada tradicionalmente en la utilización de aleaciones de aluminio. Este tipo de materiales ha sido, durante mucho tiempo, la única opción para el diseño de fuselajes, superficies de sustentación y superficies de mando. La aparición de los materiales compuestos, especialmente la fibra de carbono con resinas epoxicas a permitido dar una alternativa referencial de peso y prestaciones operacionales en el diseño de estructura aeronáuticas. Las estructuras fabricadas con materiales compuestos tienen un peso menor en comparación con un diseño equivalente realizado con aleaciones ligeras, debido a sus mejores propiedades mecánicas especificas y a la posibilidad de ajustar la orientación de las fibras de refuerzo, en función de sus requerimientos estructurales, en zonas determinadas de un pieza. Adicionalmente, y con criterios de diseño utilizados actualmente para estos materiales, se resuelven dos problemas que se generan durante el servicio en estructuras aeronáuticas, fabricadas con aleaciones ligeras, las que son la corrosión y la fatiga. Esto permite fabricar estructuras que al menos en una primera aproximación, están libres de problemas de servicio significativos, y por lo tanto de un coste de operación menor durante la vida del avión. Pero también los materiales compuestos de fibra de carbono utilizados en aplicaciones aeronáuticas presentan inconvenientes que han limitado su utilización, los que son: - Alto coste de la materia prima. - Grandes inversiones en medios de producción. - Baja resistencia al impacto. - Entrada de agua en estructura sándwich con núcleos de nodo de abeja. La introducción de los materiales compuestos como parte del diseño de los modelos aeronáuticos parte de la necesidad de reducir en forma significativa el consumo de combustible mediante la reducción de peso total del avión. 36

43 Este desarrollo esta basado además, en el grado de conocimiento y experiencia en servicio alcanzados para estos materiales, en la aviación militar, así como a la comercialización de un gran numero de materiales basados en diferentes fibras de refuerzo y matriz, adecuados a los diferentes requerimientos estructurales, de condición de servicio o de normativa de seguridad, presentes en las diferentes áreas de un avión comercial. Es el caso de AIRBUS INDUSTRIE, aunque el máximo relativo en la utilización de materiales compuestos se da en el avión A-320, hay que considerar, que debido al mayor tamaño de los aviones A-330/340 y sobre todo el A /600, es en estos últimos modelos donde la cantidad absoluta de materiales compuestos es mayor. Es este ultimo avión, aun en fase de certificación, se han introducido una serie de novedades, tanto en los procesos de fabricación empleados, como en el diseño de los elementos fabricados con materiales compuestos. Se destacan la utilización muy amplia de estructuras monolíticas (sin núcleo), fabricadas con un proceso de coencolado, consistente en la fabricación en dos pasos, en el primero de los cuales se produce una parte de la estructura y en el segundo se adicionan nuevas capas de material compuesto, normalmente utilizando un adhesivo, y realizando finalmente un nuevo ciclo de curado, mediante el cual se obtiene la estructura final. Además se han introducido nuevos elementos fabricados en materiales compuestos de fibra de carbono, como son el mamparo posterior de presurización y la viga soporte del tren, los revestimientos del cajón de torsión del estabilizado horizontal y del timón de profundidad. Avion Compañía Año primer vuelo % en peso de composites B BOEING B-767 BOEING B-757 BOEING MD-11 McDONNELL B-777 BOEING A AIRBUS A-310 AIRBUS A-320 AIRBUS A-330/340 AIRBUS A /600 AIRBUS Fig. 3.1 Tabla comparativa entre diferentes modelos de aviones comerciales y el % de compuesto' ' GARATE E.;MUÑOZ P.;REDONDO E.;SÁNCHEZ J Materiales compuestos en la industria aeroespacial. Revista de Plásticos Modernos. Vol. 80 Numero p. 37

44 Matriz Fibra de refuerzo Aplicación Epoxica Bismaleida Poliamida Fenolica PEEK PEI PPS Vidrio Híbridos Vidrio / Carbono alta resistencia Aramida Carbono alta resistencia Carbono modulo intermedio Carbono alta resistencia Carbono modulo intermedio Carbono alta resistencia Carbono modulo intermedio Vidrio Híbrido vidrio / Carbono alta resistencia Carbono alta resistencia Carbono alta resistencia Vidrio Vidrio Carbono alta resistencia Estructuras secundarias. Carenados Estructuras secundarias. Carenados Estructuras secundarias. Carenados Estructuras primarias y secundarias Estructuras primarias aviación civil y militar Estructuras primarias y secundarias. Alta resistencia a la temperatura. Estructuras primarias. Alta resistencia a la temperatura. Estructuras primarias y secundarias. Muy alta resistencia a la temperatura. Estructuras primarias. Muy alta resistencia a la temperatura Interiores. Pantallas térmicas Interiores Estructuras primarias y secundarias. Alta resistencia a la temperatura y al impacto. Estructuras secundarias. Baja resistencia a algunos agentes químicos Estructuras secundarias. Carenados. Baja resistencia a algunos agentes químicos. Interiores. Estructuras secundarias. Carenados. Estructuras primarias y secundarias. Fig. 3.3 Tabla aplicaciones de los PRF en un avión comercial' La figura 3.3 muestra una tabla donde se pueden ver las distintas combinaciones de matriz y fibra de refuerzo, además de su uso en aplicaciones aeronáuticas. 38

45 3.2.3 Sector automotriz En el sector automotriz internacional, el uso de los plásticos reforzados con fibras, esta limitado solo a la estructura y a la carrocería exterior del vehículo, frenando su uso por una serie de limitaciones. En el caso de la paneleria, la utilización de plásticos presenta ventajas importantes de reducción de peso y resistencia a impactos de baja velocidad. La sustitución del metal por plásticos en paneles verticales depende principalmente de factores económicos, en los que la utilización de plástico queda restringida a valores de producción altos. Entre las desventajas que tiene la utilización de termoplásticos esta el problema de las variaciones dimensiónales asociados a los cambios de temperatura, que pueden dar lugar a problemas de, interferencias o deformaciones. En paneles horizontales (capo, portón y techo) es necesario resolver, los problemas derivados a la falta de rigidez. En esta aplicación, la utilización de termoestables, que podría mejorar los problemas dimensiónales de rigidez, tiene como inconveniente la excesiva fragilidad de estos materiales y los problemas de garantizar una calidad superficial adecuada. Otro aspecto que impide la utilización de termoplásticos en la fabricación de paneles de carrocería es el pintado conjunto de piezas de plástico y partes metálicas en las instalaciones actuales, de forma que no se requieran operaciones de montaje intermedias. En el caso de las piezas estructurales, la utilización de plásticos aun no es aplicable a los volúmenes normales de producción en el automóvil, siendo necesario, para poder tener una mínima factibilidad y competir con los metales, mejorar los procedimientos de transformación y los sistemas de unión. En este aspecto, la competencia que suponen los nuevos desarrollos de materiales y de concepto en aceros (aceros de alta resistencia, bakeharderion, tailored blanks, hydroforming, patchwork, etc) y los avances en aleaciones ligeras, puede suponer una dura competencia para los plásticos, ya que no requieren cambios grandes en los procedimientos de producción actuales. Una alternativa al uso de piezas estructurales de plástico es la utilización de conceptos híbridos (combinación de piezas de metal de fácil estampación rigidizadas mediante la sobreinyeccion de termoplásticos), debido a que la relación precio / peso / propiedades 39

46 puede llegar, según pieza, a ser mejor que la que presentan las alternativas en plástico o en metal. La aplicación de plástico en sustitución de acero en la fabricación de carrocerías de automóviles a gran escala depende, aparte de las ventajas que pueda aportar el cambio de material, de la evolución de los sistemas de producción, de forma que puedan aplicarse a volúmenes de fabricación elevados. En cuanto a los materiales mas adecuados para la fabricación de piezas estructurales, las mejores alternativas, aparte de los conceptos híbridos metal / plástico son: - Prensados de termoplásticos o termoestables con fibra larga o continua. Prensados de tejidos de fibras técnica preimpregnadas. Inyección de resinas termoestables en moldes que ya contienen la fibra o tejido de refuerzo. Los preimpregnados permiten la obtención de piezas con mejores propiedades mecánicas, aunque también son mas caros y complicados de procesar y no permiten ni las libertades de diseño ni la consonancia requeridas para la producción a gran escala. 40

47 3.3 Situación Nacional La mejor tecnología en lo que se refiere a plásticos reforzados a nivel nacional, esta concentrada en la región metropolitana, encontrando que se cuenta con maquinaria de elevada producción, empleada en procesos de alta manufactura como por ejemplo pultrusion, bobinado continuo. Y otros de mediana producción como moldeo por aspersión, prensado, laminado, etc. Hay dos grandes grupos donde los plásticos reforzados son altamente requeridos, estos son en el sector industrial y el sector residencial, aunque también se vislumbra que es requerido en el sector automotriz. En el sector industrial sus usos se concentran en plantas mineras, papeleras, agroquímicas, químicas, etc. en general todas aquellas plantas industriales que en sus procesos productivos involucren ambientes y procesos productivos altamente corrosivos para materiales ferrosos y derivados. En el sector minero La importancia nacional de este sector ha llevado al desarrollo de numerosas aplicaciones, particularmente en el uso de los PRFV. Algunas de las principales aplicaciones en minería son: - Tuberías para ácidos - Estanques para electrolitos - Campanas para extracción de gases - Bateas para solventes Además se usan envases plásticos para el transporte de minerales no metálicos y laminas para pozos de evaporación en dicha industria. En general para el sector industrial, el uso de los PRFV esta dado por las condiciones ambientales de trabajo y las solicitaciones a las que estarán sometidos. Algunas aplicaciones son: Perfiles y vigas estructurales Parrillas para piso 41