Tema 10.- Sistemas de Construcción en Materiales Compuestos.

Transcripción

1 Tema 10.- Sistemas de Construcción en Materiales Compuestos. 1.- Introducción. Los plásticos reforzados con fibras presentan altas cualidades mecánicas, gran facilidad de aplicación y libertad de diseño, que los ha acreditado como material muy adecuado para la construcción de cierto tipo de embarcaciones, fundamentalmente pesqueros, barcos auxiliares de acuicultura, barcos de recreo, deportivos, yates, y en ámbito de los barcos de defensa se pueden citar los cazaminas, con una eslora alrededor de los 60 metros. La mayor parte de los materiales que se emplean en construcción naval en materiales compuestos está constituida por laminados de fibras de vidrio tipo E y una matriz de resina de poliéster, debido a su buen precio y características, por lo que serán el objeto de este tema. Un laminado está formado por un conjunto de capas o telas de fibra de refuerzo unidas entre sí por la adherencia de la resina. La optimización de estos compuestos, mediante la correcta orientación de las fibras permite mejorar notablemente su comportamiento mecánico. Las ventajas que presentan estas técnicas permiten obtener productos de excepcionales cualidades mecánicas, de poco peso y resistentes a las agresiones químicas, lo que ha posibilitado reducir costes y mejorar el comportamiento de las embarcaciones. Los materiales compuestos de alta tecnología, como laminados de fibras de carbono, de aramida (kevlar), híbridos, con resinas epoxi, consiguen estructuras cada vez más resistentes y con menor peso, utilizadas en productos de características especiales, como cascos de embarcaciones de regata de alta competición, mástiles de velas, y otros. Como ventajas de la aplicación de los materiales compuestos se pueden citar: - Resistencia al ambiente marino. - Peso ligero. - Alta resistencia en relación con su peso. - Construcción del forro del casco sin costuras. - Posibilidad de moldear formas complicadas. - Coste competitivo. - Bajo mantenimiento. - Larga duración. Como inconvenientes, sobre todo al compararlos con materiales metálicos, se tienen que considerar: Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 1

2 - Menor rigidez al tener bajo módulo de elasticidad. - Menor resistencia a la fatiga. - Tendencia a prolongar su deformación si está sometida a cargas de larga duración. - Transmisión de vibraciones. - Vulnerabilidad al fuego. 2.- Resinas. Las resinas termoestables constituyen el elemento matriz que permite explotar las altas cualidades mecánicas de algunas fibras. Existen tres tipos de resinas de utilización en construcción naval: poliéster, viniléster y epoxi, todas son polímeros termoendurecibles, es decir, susceptibles de convertirse en sólidos estables mediante un proceso de polimerización irreversible, con la ayuda de unos productos químicos llamados catalizadores. Un aspecto importante es el de la mejora de las cualidades mecánicas y químicas de estas resinas cuando son sometidas a procesos de postcurado a temperatura elevada, lo cual no siempre se puede realizar. En este caso es necesario polimerizar a temperatura ambiente mediante la adición de un acelerador. El proceso de polimerización o curado tiene lugar en cuatro fases: a.- Tiempo hábil de utilización, durante el cual la resina todavía permanece en forma de líquido susceptible de trabajarse, aunque se va espesando de forma continua. b.- Tiempo de gel, que es el necesario para que la resina se transforme en un gel flexible. c.- Tiempo de endurecimiento o de fraguado, que es el siguiente periodo de tiempo necesario para que la resina se haga lo suficientemente dura para poder sacar el modelo del molde. d.- Tiempo de maduración, último periodo de tiempo durante el cual seguirá endureciéndose hasta lograr su completa solidez. Para el manejo de las resinas hay que trabajar siempre con guantes, proteger la piel y en especial los ojos, y ventilar adecuadamente el lugar de trabajo. Las resinas son vulnerables a los rayos ultravioleta, por lo que hay que mantenerlas aisladas de la radiación solar directa en recipientes que no dejen pasar la luz, figura 1. Figura 1.- Bidones de resina. Resinas de poliéster Los tipos de resinas más utilizados en construcción naval con fibra de vidrio son las de poliéster, que pueden ser ortoftálicas e isoftálicas Las primeras son las que se emplean en embarcaciones de menor calidad pues tienen mayor riesgo de absorción de agua en los laminados, Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 2

3 fenómeno conocido como ósmosis, y las segundas son las utilizadas generalmente, al tener mejores propiedades mecánicas y de resistencia al medio marino. La densidad de las resinas de poliéster es de 1.2 gr/cm 3. Las resinas de poliéster van mezcladas con un agente reticulante llamado estireno, que es un disolvente líquido que se añade a la resina durante el proceso de fabricación y que puede agregarse posteriormente en cantidades variables para aumentar su fluidez. Tiene la función principal de permitir la polimerización del poliéster en su paso al estado sólido. La polimerización o curado de la resina se realiza a temperatura ambiente para cascos, cubiertas y mamparos con sus respectivos refuerzos. Para obtener un curado eficaz a temperatura ambiente y en un tiempo reducido se utiliza un sistema catalítico compuesto por dos productos: un agente catalizador compuesto en la mayoría de los casos por Peróxido de metil etil cetona (M.E.K.) y un acelerador que puede ser de octoato de cobalto. Las proporciones de catalizador pueden variar entre 1% y 2% en peso, y las de acelerador entre 0.1% y un 1% en volumen. Ambos agentes no deben ser nunca mezclados entre sí pues puede provocar una explosión. El acelerador es el producto que reemplaza adecuadamente al calor, es decir, a falta de acelerador la resina cura por calor, o en presencia de acelerador la resina catalizada cura a temperatura ambiente. En la práctica el tiempo de gel, que es el tiempo transcurrido desde la aplicación del catalizador hasta que la resina adquiere una consistencia gelatinosa, varía entre 0 y 30 minutos, en función de la dosificación del catalizador y acelerador. Durante una hora aproximadamente a partir del tiempo de gel el proceso de curado es lento, pero a partir de ese tiempo se inicia un curado rápido que dura de seis a ocho horas, con gran exotermia, alcanzándose temperaturas elevadas, por lo que no es conveniente poner muchas capas seguidas, ya que cuando las anteriores están curando sube la temperatura y se evapora el estireno de las siguientes, perjudicando su polimerización. Hay que esperar unas seis a ocho horas para colocar más capas cuando la temperatura haya bajado, aunque el curado total puede prolongarse hasta 48 horas. Por tanto, un laminado de cierto espesor no se realizará de forma continua. Las resinas se pueden comprar ya mezcladas con un acelerador, se llaman resinas preaceleradas, y son las de utilización más conveniente, ya que la proporción de acelerador está ajustada para dar una solidificación adecuada una vez que se añade el catalizador para comenzar el periodo de curación a temperatura ambiental. Almacenada en la oscuridad o en un recipiente cerrado y a una temperatura razonablemente baja, la resina permanecerá lo suficientemente líquida para poder utilizarse durante más de doce meses. Expuesta a la luz o el calor, la vida de la resina se reduce drásticamente. El tiempo de solidificación depende de la cantidad de acelerador utilizada. A menor cantidad de acelerador mayor tiempo de solidificación. Disminuyendo la cantidad de catalizador también se incrementará el tiempo de solidificación, pero existe el riesgo de que sea insuficiente dicha cantidad, lo que puede traer consigo una pieza mal curada. Con una resina preacelerada no es aconsejable controlar el tiempo de solidificación por la cantidad de catalizador utilizada, sino que se debe trabajar estrictamente con las cantidades de catalizador recomendadas por el fabricante. Si se requieren tiempos de solidificación más o menos rápidos, entonces puede utilizarse una resina preacelerada que reúna estas características especiales. No obstante, hay otro medio de ajustar el tiempo de solidificación, que es utilizando un tipo diferente de catalizador. Con una resina sin preacelerar la elección del acelerador y el catalizador está bajo control del usuario, que puede de esta forma ajustar la mezcla para satisfacer sus necesidades particulares. Sin embargo, en este caso el riesgo de equivocarse es mayor. A pesar de todo el sistema es más flexible, ya que hay la nueva posibilidad de: - Mezclar previamente el catalizador con la resina, lo que dará un tiempo útil de unas 20 horas o más dentro de las condiciones normales. Después se añade el acelerador en la proporción requerida para hacer la mezcla que se va a usar inmediatamente. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 3

4 - Mezclar el acelerador con la resina y añadir el catalizador en la proporción necesaria para su uso inmediato. Esto es lo mismo que utilizar resina preacelerada, salvo que el usuario tiene el control sobre el tipo y proporción del acelerador utilizado. Otro aspecto a destacar es que las resinas de poliéster están sometidas a una contracción de volumen importante durante la polimerización, que junto con la reacción exotérmica pueden provocar tensiones que perjudiquen la estabilidad dimensional de la pieza. Las resinas utilizadas en construcción naval deben ser resistentes a la llama, y tixotrópicas para evitar que escurran cuando se aplican a superficies verticales. Gel Coat y Top Coat El gel coat es la primera capa de resina en contacto con el exterior y forma la barrera de protección de la pieza terminada, por lo que protegerá al laminado de los ataques del medio exterior, dará buenas características de resistencia al impacto, un aspecto suave y bonito, y una coloración uniforme a la capa exterior. Los gel coat se fabrican con resinas isoftálicas o mezcla de resinas. Así, si se quiere resaltar la resistencia al ataque químico se utiliza una mezcla de resinas isoftálica y bisfenólica. La resina de gel coat tiene que ser tixotrópica y su espesor está entre 0.3 y 0.8 mm. Cuando se aplican dos capas de gel coat no se debe dar nunca la segunda mano mientras no esté suficientemente curada la primera, pues sería atacada por el estireno dando lugar a la aparición de defectos. Para la capa interior, que también queda en contacto con el exterior, se utiliza una resina Top Coat que lleva disuelta cera. En el proceso de curado, la cera fluye al exterior propiciando una protección final a la última capa, preservándola de la humedad del aire que actúa como inhibidor del curado de la última fase del laminado. Resinas de viniléster Otro tipo de resinas empleadas son las de tipo viniléster, que tienen una gran analogía química con las de poliéster. Tiene más resistencia química y mecánica, absorben perfectamente los choques mecánicos, térmicos, y son adecuadas para zonas sometidas a altas tensiones y vibraciones. Las resinas viniléster pueden curar sin la presencia de estireno, poseen buena resistencia interlaminar debido al alto poder de adherencia que tienen tanto a las fibras de vidrio como a las de carbono y aramidas. Los catalizadores y aceleradores utilizados son los mismos que con las resinas de poliéster, aunque el control de los componentes y la temperatura es mayor para conseguir un óptimo proceso de curado. Necesita altas temperaturas de curado. Resinas de epoxi Las resinas tipo epoxi, son muy adecuadas para cualquier tipo de fibra y mejores que las de poliéster para laminados con fibra de vidrio, pero se utilizan menos al ser más caras. Poseen una elevada adherencia, solidez interlaminar, ausencia de contracción durante el proceso de curado, resistencia a la absorción de agua y elevadas propiedades mecánicas. Las resinas epoxi son los mejores componentes de pegado disponible. A diferencia de las resinas de poliéster donde la proporción de catalizador y resina se puede variar para controlar el tiempo de curado, en las resinas epoxi los tiempos de curado no dependen de la proporción del catalizador, que debe mantenerse siempre constante y normalmente a partes iguales. En todo caso debe elegirse el tipo de acelerador más adecuado de acuerdo con la Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 4

5 temperatura ambiente y tipo de trabajo, pudiendo elegir aceleradores para curados lentos, medios o rápidos. En general, la mayoría de los epoxis inician la polimerización a temperaturas superiores a 18ºC y con aceleradores normales permiten un tiempo de trabajo de 30 minutos a una hora, con temperaturas del orden de 20ºC. Las condiciones de humedad son muy importantes, y en algunas formulaciones epoxi, valores de humedad superiores al 80% pueden inhibir totalmente el proceso de curado. Los laminados curados a temperatura ambiente no se pueden considerar completamente polimerizados hasta pasado 14 días, por lo que deben mantenerse en lugares cálidos y secos durante este periodo. El proceso de laminado con resinas epoxi debe ser continuo, por lo que si se interrumpe durante un tiempo, es necesario lijar la superficie del laminado para permitir la adherencia de la siguiente capa. 3.- Cargas y colorantes. Las cargas son sustancias inertes, es decir, que no inhiben o aceleran el curado, se presentan generalmente en polvo, y se añaden a la resina líquida para modificar sus características en el sentido deseado, como darle volumen, acabado, tixotropía, color definitivo, también para dar resistencia a la tracción, a la compresión y al choque, aunque si se excede la proporción de cargas puede disminuir la calidad del laminado, haciendo más frágil la resina solidificada. Las cargas aumentan la densidad de la resina, disminuyen la contracción de la mezcla, por lo que aportan una característica favorable para la construcción de moldes. Asimismo, este material de relleno no deberá envejecer o deteriorarse bajo las condiciones de servicio del producto final. Como ejemplos de cargas se pueden citar: caolín, talco, carbonato cálcico, sílice coloidal. El sílice coloidal es un dióxido de sílice puro de baja densidad que se utiliza como agente tixotrópico para aumentar la viscosidad de la resina y evitar que descuelgue de las superficies verticales. Los colorantes se emplean para dar color a la capa de gel coat en la superficie. No se debe añadir más colorante del necesario para conseguir el acabado final requerido, pues un exceso de colorante disminuye las propiedades de la resina. Para fabricar una pieza en color el método mejor es el de dar color a la capa de gel coat, aunque solamente se conseguirá un acabado de brillo perfecto si la pieza se construye sobre un molde pulido. A pesar de las innegables ventajas de aplicar el color puro a la capa de gel coat, algunos fabricantes de productos de gran calidad siguen prefiriendo fabricar las piezas y pintarlas después. 4.- Fibras de vidrio. Las fibras de vidrio están constituidas por delgados y duros filamentos con gran resistencia a la tracción. En todos los casos la fibra de vidrio se prepara con unos productos químicos que la hacen impregnable con las resinas plásticas, operación que se llama ensimaje. Existen diferentes tipos de tejidos que se forman por entrecruzamiento de los hilos, llamándose hilos de "urdimbre" a los situados en la dirección más larga del tejido e hilos de "trama" a los situados a lo ancho. Se llama gramaje a la cantidad de peso de un tejido que hay por unidad de superficie, y se mide en gr/m 2. Los tejidos más utilizados son el mat y el roving, los cuales viene en rollos de aproximadamente un metro de ancho. La densidad de la fibra de vidrio tipo E es de 2.56 gr/cm 3. El mat está compuesto por hilos de fibra de vidrio de 4 ó 5 cm unidos aleatoriamente por un ligante en varias capas, figura 2. Tiene gran facilidad para impregnarse bien en resina, es isotrópico, fácil de manejar manualmente adaptándose bien a las superficies difíciles. Los gramajes Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 5

6 más utilizados son de 300, 450 y 600 gr/m 2. Después del gel coat se coloca una capa de mat que proporciona una capa rica en resina (isoftálica), que va a proporcionar buena resistencia al agua de mar y al ataque ambiental. También mejora las propiedades del gel coat frente a las grietas, la abrasión y el impacto, aislando el resto del laminado. El mat debe combinarse con tejidos como el roving que le confieren al laminado las propiedades de resistencia adecuadas. Figura 2.- Tejido mat de hilos cortados. El tejido roving es un tafetán que se forma entrelazando hilo de trama y urdimbre de forma alternada, figura 3, es decir, un hilo urdimbre pasa alternativamente por encima de uno de trama y al siguiente por debajo. Figura 3.- Tejido roving. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 6

7 De esta manera se obtiene un tejido con una superficie de mayor espesor que ayuda a formar rápidamente el espesor del laminado. La distorsión en los hilos produce una merma en las propiedades mecánicas de los mismos, aunque mantiene sus características en las dos direcciones de trama y urdimbre, por lo que es un tejido biaxial. Otras características son, que el excesivo entrelazado dificulta la penetración de la resina de poliéster, es fácil de trabajar con las manos y se emplea mucho en gramajes de 800 gr/m 2. La dificultad de la absorción de la resina hace que no sea aconsejable poner dos capas contiguas de roving, por lo que se intercala una capa de mat entre dos de roving, ya que el mat absorbe bien la resina y consigue la unión de todas las capas. Otra forma común de utilización consiste en hacer "sandwiches", colocando un tejido roving entre dos tejidos mat, e ir uniendo estos "sandwiches para formar la zona interior del laminado. La zonas externas de los laminados, tanto la que va a continuación del gel coat como la última en laminar, se completan con distintos tejidos de mat. En el caso del lado del gel coat, los tejidos mat no dejan que se graben en la superficie los tejidos de roving que van a continuación, proporcionado un aspecto liso a la superficie exterior del producto. Hay otros tipos de tejidos llamados satenes, figura 4, cuya diferencia con el anterior es que el trenzado no es alterno, es decir, un hilo de urdimbre pasa por encima de dos o más hilos de trama consecutivos, y posteriormente pasa por debajo del mismo número de hilos de trama consecutivos. De esta forma la superficie del tejido es de menor espesor, se mejoran las propiedades mecánicas al estar los hilos más rectos y se consigue mejor absorción de la resina. Por una cara del tejido predomina la urdimbre y por la otra la trama, lo que acentúa la bidireccionalidad del reparto de esfuerzos en el mismo. Por el contrario, existe dificultad en el manejo a mano al aumentar el peligro de deshacer el tejido. Figura 4.- Tejido satén. Hay tejidos en los que predomina una dirección sobre la otra desde el punto de vista de propiedades mecánicas. A este tejido se le llama unidireccional, figura 5. Figura 5.- Tejido unidireccional. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 7

8 También existen tejidos multiaxiales, triaxiales con entrelazados a 0º, ± 45º, figura 6, y cuadriaxiales con entrelazados a ±45º y ±90º, con utilización limitada a zonas concretas del casco donde se conoce la dirección de los esfuerzos, y se utilizan para hacer coincidir las direcciones del tejido con ellas para optimizar su función estructural. Figura 6.- Tejido triaxial. 5.- Materiales de núcleo. La baja rigidez a la flexión es una de las desventajas de los laminados de fibra. Una forma de aumentar esta rigidez en una embarcación consiste en aumentar el número de refuerzos del casco o mamparos para disminuir el espaciado entre ellos y por tanto que el tamaño de los paneles de plancha laminada no soportado sea menor. Otro método sería aumentar el espesor del laminado con el consiguiente aumento de peso. El tercer método consiste en utilizar paneles sándwich, colocando un material de núcleo de baja resistencia y densidad entre dos "pieles" de un laminado de gran resistencia, figura 7. Figura 7.- Laminado sándwich. La rigidez de un panel sándwich no solo depende de la rigidez de los componentes, de su módulo de flexión, sino también de la distancia que el núcleo separa los laminados exteriores. De hecho, la rigidez es proporcional al cubo del espesor del panel. Esto significa que un ligero aumento del espesor aumenta considerablemente la resistencia a la flexión, figura 8. Figura 8.- Comparación de características entre laminado monolítico y sándwich. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 8

9 Los materiales utilizados como núcleo de estructuras sándwich deben poseer las siguientes cualidades: baja densidad, buena resistencia a compresión, a cizalladura, a los agentes químicos y ambientales y buena adherencia a las resinas utilizadas en los laminados de las paredes. Los materiales de núcleo que se utilizan son la madera de balsa, las espumas, los paneles de nido de abeja y los fieltros. Maderas Se puede utilizar como material de núcleo contrachapado marino. Es fuerte, tiene rigidez, y gran capacidad para soportar cargas locales. Se puede utilizar para fabricar mamparos, cubiertas de barcos que transporten carga sobre ellas, y como elemento de refuerzo cuando hay que empernar algún equipo a cubiertas, mamparos o casco, figura 9, ya que un núcleo más débil puede romper. La desventaja del contrachapado marino es su peso. Figura 9.- Fijación en cubierta sándwich con contrachapado marino de refuerzo. La madera de balsa es un material de núcleo muy utilizado que se presenta en forma de pequeños paneles rectangulares cortados perpendicularmente a las fibras y encolados en un soporte de fibra de vidrio, figura 10. Esta geometría le permite adaptarse a las formas irregulares de moldes. Sus principales ventajas son las siguientes: buenas condiciones de aislamiento térmico y acústico, alta estabilidad frente a temperaturas elevadas y un comportamiento muy bueno frente a las vibraciones. Sin embargo es escasamente flexible, y tiene gran capacidad para absorber agua. Su utilización más frecuente es en las cubiertas y superestructuras de embarcaciones. Figura 10.- Madera de balsa. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 9

10 Espumas Las espumas son los materiales de núcleo más comunes en construcción de embarcaciones en materiales compuestos, siendo el PVC uno los más utilizados. Son materiales alveolares que permiten la construcción de barcos de bajo peso y altas prestaciones. Bajo esta denominación se incluyen un amplio grupo de materiales que responden a distintos polímeros: poliestireno, poliuretano, figura 11, y cloruro de polivinilo (PVC). Los dos primeros tienen escasas propiedades mecánicas, y se utilizan exclusivamente como material de soporte para elementos rigidizadores, como los refuerzos de la estructura interior del casco. El poliestireno expandido es atacado químicamente por los disolventes de las resinas de poliéster, y se utiliza como material de relleno para espacios de flotabilidad. Existen dos tipos de espumas de polivinilo de utilización como núcleo estructural. Las espumas lineales (non cross linked), denominadas también elásticas, compuestas por PVC puro, y las espumas reticulares o rígidas (cross linked), formadas por una mezcla de polivinilo y poliuretano. Las espumas rígidas poseen, en general, un buen comportamiento mecánico frente a esfuerzos de compresión y cizalladura, pero son frágiles. Por el contrario, las espumas lineales, son ligeramente menos resistentes a compresión y a cizalladura, pero su alta capacidad de deformación les permite absorber impactos sin llegar a la rotura del material. Las espumas lineales separan el estireno de la resina de poliéster, lo cual tiene efectos adversos al causar un curado incompleto de la resina y una debilitación de la propia espuma. Para prevenir este inconveniente, se puede utilizar un tratamiento con un acelerador para curar rápidamente la primera capa de resina de contacto. Otra alternativa es sellar la superficie de la espuma con una fina capa de resina muy catalizada. La espuma puede venir sellada de fábrica, pero hay que tener cuidado de no eliminarla, cosa que ocurre al lijar. Figura 11.- Espuma de poliuretano. Panel de nido de abeja Los paneles de nido de abeja son estructuras celulares formadas por un conjunto de paredes verticales dispuestas geométricamente, figura 12. Esta disposición perpendicular a los planos de las paredes exteriores les confiere gran rigidez, resistencia a la compresión y cizalladura transversal. Sin embargo, como otros materiales de núcleo tiene posibilidades de fallo ante cargas Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 10

11 concentradas. El material utilizado para la construcción de las celdas es de tipo plástico, polietileno y prolipropileno. Figura 12.- Celdas hexagonales de panel de nido de abeja. Fieltros Los fieltros proporcionan una solución de diseño intermedia entre los laminados monolíticos y las estructuras en sándwich convencionales. Se trata de unos materiales de poco espesor, de 2 a 5 mm, constituidos por un tejido de fibras de poliéster unidas entre sí por medio de un ligante soluble en estireno, figura 13. Los fieltros pueden intercalarse fácilmente entre distintas capas de laminado, aumentando notablemente su rigidez con un incremento moderado de peso. Sus principales ventajas residen en su facilidad de adaptación e impregnación, su alta resistencia interlaminar. Sin embargo, no ofrecen aportación de resistencia a la tracción y pueden utilizarse con éxito para aumentar la falta de rigidez de laminados convencionales. Figura 13.- Fieltro de 3 mm de espesor. 6.- Desmoldeantes. Una de las cualidades de la resina de poliéster es que se adhiere fuertemente a la mayor parte de las superficies, lo cual es una desventaja cuando se quiere sacar una pieza de un molde donde se ha laminado. Para evitar que la pieza se pegue al molde es necesario preparar inicialmente su superficie. Esto se puede hacer cubriendo la superficie del mismo con un material al cual no se pegue el poliéster, como varias capas de desmoldeante, cuyo efecto es el de proporcionar una película no adherente sobre la superficie del molde. El desmoldeante más utilizado es la cera, y Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 11

12 como precaución pueden utilizarse varias capas de cera y una capa final de otro desmoldeante, como alcohol de polivinilo. Este alcohol puede ser de color y se le añade un poco de glicerina par hacer una película ligeramente flexible de forma que se pueda quitar del molde en una lámina entera. Para obtener una buena separación del molde hay que aplicarlo correctamente. Una perfecta aplicación y cuidadosa inspección para asegurar que toda la superficie ha sido cubierta por el desmoldeante será recompensada con una limpia separación y una superficie de acabado que no requiere trabajo alguno de restauración sobre la pieza y molde. Si la pieza se ha de pintar posteriormente hay que eliminar todo rastro de desmoldeante sobre la superficie. 7.- Modelos y moldes. Para la obtención de piezas de materiales compuestos se necesita en todos los casos un molde más o menos complejo, que puede ser el positivo de la pieza o el negativo. La elección del tipo de molde depende de cuál ha de ser la parte pulida o de mejor acabado de la pieza definitiva, siendo siempre ésta la que está en contacto con el molde. Los cascos de barco se hacen con un molde que represente el negativo de las formas, también llamado molde hembra, para obtener una superficie pulida en la cara exterior. Los moldes se realizan fundamentalmente con madera, contrachapado, fibra y metálicos, siendo estos últimos más resistentes a las operaciones de desmoldeo, y los de fibra los más utilizados. La ejecución de un molde en fibra requiere previamente realizar el modelo en madera a tamaño natural con un acabado muy liso y pulido que reproduzca con toda fidelidad la forma requerida. Este modelo se lamina para obtener el molde en fibra, que se reforzará exteriormente y se empleará en la fabricación del casco, figura 14. Debe dejarse curar el molde sobre el modelo al menos dos semanas, al cabo de ese tiempo puede reforzarse con un bastidor metálico para darle estabilidad durante el moldeo de piezas. Figura 14.- Fabricación de molde sobre modelo de madera (izquierda) y molde reforzado (derecha). Los materiales utilizados se seleccionan sobre la base de proporcionar el método de construcción más sencillo, barato y rápido. El molde se puede utilizar las veces que se necesite para la fabricación en serie, mientras que el modelo una vez obtenido el molde no tiene ya utilidad, Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 12

13 representando un coste elevado en el caso de hacer un solo barco. Los moldes de barco se hacen en varias piezas para facilitar el desmoldeo, o para poder realizar barcos de varias esloras quitando o añadiendo piezas de molde en la zona central. Para facilitar el desmoldeo el molde se puede hacer en dos mitades simétricas, unidas en crujía mediante pernos con tuerca que atraviesan unos orificios realizados en las pestañas del borde del molde, figura 15. Figura 15.- Fabricación de pestañas para unión de molde en dos mitades. En las operaciones de desmoldeo y si no se ha dado convenientemente el desmoldeante, es posible que el molde se deteriore en alguna zona al agarrarse el laminado. Estas imperfecciones son fácilmente reparables aunque requieren tiempo y dinero, por lo que hay que evitarlas. Los moldes hay que cuidarlos para que duren largo tiempo, y cuando no se utilicen hay que tenerlos bien apoyados sobre sus bases y protegidos del polvo y de la humedad. Los modelos también se pueden fabricar mecanizando unos materiales de espumas especiales mediante fresadoras de al menos cinco ejes, aunque el tamaño del modelo está limitado al de la fresadora. 8.- El laminado a mano. El laminado o moldeo a mano, o de contacto, es el proceso de fabricación más simple y utilizado. La temperatura del aire en la zona de laminación debe estar entre 20 ºC y 25 ºC. Si es más baja habrá que utilizar un catalizador adecuado, y si la temperatura es inferior a 15 ºC es mejor suspender la operación hasta que mejoren las condiciones, o pueda calentarse la nave de trabajo. Es importante no laminar en ambientes muy húmedos, pues la humedad del aire impide la solidificación de la resina, y esto no se puede variar con productos químicos. La laminación se realiza sobre un molde, que se puede utilizar muchas veces, por lo que antes de laminar hay que eliminar del mismo, polvo, residuos, humedades, y hay que realizar una serie de operaciones sobre la superficie sobre la que se va a moldear: - Reparación de defectos (si es necesario) - Lijado - Pulido - Abrillantado - Aplicación de desmoldeante Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 13

14 Una vez reparados los defectos de un desmoldeo anterior, si es necesario, se procede al lijado de la superficie para quitar los restos de cera u otras partículas. Antes de lijar hay que limpiar el molde con agua y un detergente suave, y después utilizar lijas de grano grueso para ir bajando progresivamente de tamaño de grano. Posteriormente, se procede al pulido del molde para eliminar las rayas del lijado y pequeñas imperfecciones. El pulido se realiza con piezas de lana acopladas a herramientas giratorias de entre 1500 a 3000 r.p.m., impregnadas con productos para pulir. Antes de abrillantar se limpia la superficie a mano, con paños de algodón, y se procede a aplicar el producto específico de abrillantado para obtener una superficie de calidad. Una vez abrillantado, se procede a la aplicación de la cera desmoldeante. La aplicación de la cera se realiza a mano, capa a capa, y de forma homogénea hasta conseguir el espesor adecuado recomendado por el fabricante para evitar problemas en el desmoldeo. Una vez preparado correctamente el molde se puede comenzar a laminar siguiendo las siguientes fases: - Aplicación de Gel coat - Cortado de telas - Dosificación de la resina, impregnación de las telas y consolidación del laminado Desmoldeo La aplicación del gel coat y la impregnación de telas con resina se puede realizar mediante brochas, figura 16, rodillos, figura 17, y a pistola. Figura 16.- Brochas utilizadas en el laminado a mano. Figura 17.- Rodillos para laminado a mano. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 14

15 Aplicación de gel coat El gel coat viene preparado para su aplicación con brocha o rodillo. Son preferibles las brochas de cerdas suaves de color blanco o claro y que no suelten pelo. Para superficies grandes es más conveniente utilizar brochas de 5 a 7.5 cm de ancho, aunque para trabajos más generales son más apropiadas las de 2.5 a 4 cm. La aplicación del gel coat con brocha se hará dirigiendo ésta en un solo sentido, y no hacia delante y hacia atrás. Los rodillos de lana pueden emplearse para aplicar la capa de gel coat sobre grandes superficies planas, pero aunque esto acelera el trabajo, el espesor de la capa resulta inadecuado, por lo que con el rodillo debe hacerse como mínimo dos veces, dejando solidificar la capa alrededor hora y media antes de aplicar la siguiente. Lo más frecuente es la aplicación del gel coat con pistola tipo "airless", es decir, aquella en la que resina y catalizador se proyectan por la propia presión de la bomba de la máquina. La no utilización de aire para proyectar evita la inclusión de burbujas de aire, las cuales hay que eliminar necesariamente. Debe proyectarse a una distancia de 50 a 60 cm del molde, y se deja que cure hasta el estado de gel para seguir con el laminado. El modo más sencillo de comprobarlo es tocar levemente con un dedo limpio el gel coat en una zona de la pieza que se vaya a cortar posteriormente para evitar dejar marcada la huella. Si se nota algo pegajoso, pero el dedo despega limpio, entonces el gel coat se encuentra en el momento oportuno para la laminación. Cortado de telas Para la realización del laminado se debe proceder al estudio del posicionamiento relativo de las diferentes capas que lo conforman, por lo que es preciso realizar un replanteo que permita identificar los diferentes cortes a realizar. Se utilizan tijeras o cuchillas para cortar manualmente el tejido sobre unas mesas, en uno de cuyos extremos se disponen los rollos sobre rodillos de madera para que puedan girar, figura 18. También se puede realizar el corte por control numérico sobre mesas especiales, en donde se sigue una plantilla con el anidado de las telas a cortar. Figura 18.- Mesa de corte manual. Dosificación de la resina, impregnación de telas y consolidación del laminado. La cantidad de la resina a utilizar no es aleatoria, pues en cada capa hay que utilizar la cantidad de resina necesaria para obtener la proporción fibra/resina adecuada. Los laminados son menos resistentes cuando llevan mayor proporción de resina que la adecuada para la fibra correspondiente. Se estima que, por peso de capa de laminado, la proporción de fibra en tejido mat es alrededor de 0.3, y en tejido roving de 0.5. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 15

16 Una vez aplicada la capa de gel coat, el laminado a mano consiste en colocar manualmente telas de fibra cortadas sobre el molde, una a una, y la subsiguiente aplicación de la resina. Este proceso se repite hasta conseguir el espesor requerido. La resina se aplica sobre cada tela mediante brochas, rodillos o a pistola, presionando para facilitar la distribución uniforme de resina y la extracción de burbujas de aire. Todo el vidrio debe estar mojado por la resina, lo cual se hace patente por el cambio de color del vidrio desde un color blanquecino hasta un tono traslúcido. La impregnación de las telas de fibra con brocha se realiza mediante el punteo o chapoteo de la resina sobre ellas, realizando movimientos rotativos en pequeños círculos con el fin de que impregne correctamente, asegurar que la mezcla sea uniforme, que no se desplacen las fibras y eliminar burbujas de aire. La brocha circular y de cerdas duras es la mejor, por lo que a veces es necesario cortar las cerdas al tamaño adecuado para conseguir una brocha más rígida, figura 16. El chapoteado irá seguido por la utilización del rodillo para mejorar la impregnación. Las brochas, después de ser utilizadas con poliéster, deben limpiarse con acetona, pudiendo dejarlas en dicho disolvente durante algún tiempo, si fuese necesario. Deberá hacerse una limpieza final, lavando con una solución fuerte en detergente y secando después. Las brochas deberán estar siempre limpias y secas al utilizarlas. Cuando se trata de grandes superficies la resina se puede aplicar mediante rodillo, aunque lo más frecuente es la aplicación con pistola tipo "airless". Producen un efecto más uniforme de impregnación, y permiten realizar el trabajo con más rapidez. Una vez aplicada la resina se consolidan las telas de fibra de vidrio y se eliminan las burbujas de aire. Para ello, existen tipos especiales de rodillos con arandelas de nilón o metálicas y el rodillo tipo de rueda dentada, que se aplican como se ve en la parte derecha de la figura 17. Los rodillos deben limpiarse como las brochas, aunque los metálicos es más conveniente limpiarlos quemando la resina. El laminado comienza impregnando la capa de gel coat con resina, sobre la cual se coloca una tela mat de no más de 300 gr/m 2, la cual una vez colocada sobre la resina se impregnará con otra capa de resina, de forma que en esta capa la proporción en peso resina/fibra sea de 2.5 a 1. Se procederá a consolidar el laminado como se ha indicado anteriormente. Con esto se pretende que la fibra quede bien saturada de resina y eliminar todas las burbujas de aire que puedan quedar atrapadas. Posteriormente se coloca otra capa de mat del gramaje correspondiente según escantillonado. El motivo de que abunde el tejido mat en la primera parte del laminado es por razones de aislamiento de las capas interiores del ambiente hostil, debido a la abundante cantidad de resina. Otra razón es que es una zona lo más isotrópica posible para la transmisión de esfuerzos e impactos. Por último, estas capas evitan la prolongación de averías por efecto de la destrucción del ensimaje por efecto de la humedad. Así, si se produce una avería que traspase la capa de gel coat, la humedad se encuentra con una capa abundante de resina y la saturará preservando al resto. No obstante, al entrar la humedad en contacto con la fibra y destruir el ensimaje, se produce una discontinuidad en el laminado, pero debido a la pequeña extensión de las fibras del mat, no progresará la penetración de la humedad, lo que sí ocurriría con el tejido roving. Una vez consolidada la segunda capa de mat, se prosigue aportando una capa de tejido mat o roving del gramaje que corresponda según el escantillonado a realizar, impregnándola con resina y consolidando con rodillo. Lo normal es utilizar sándwiches de tres telas como se mencionó anteriormente, es decir, sándwiches formados por una capa de roving entre dos capas de mat, hasta conseguir el espesor requerido del laminado. Es conveniente cada tres capas dejar polimerizar de 6 a 8 horas hasta conseguir el estado de gel, para que el calor de la reacción no perjudique a las siguientes capas, y posteriormente seguir laminando. Cuando una zona ha curado y se tiene que proseguir laminando sobre ella, debe lijarse con lija gruesa para conseguir que la capa siguiente ligue sobre la zona curada. Ésta debe ser una capa de mat y también la de reinicio de la laminación, es por ello que es mejor laminar formando sándwiches. La última capa debe ser también mat para darle una apariencia más vistosa, utilizando resina top coat como se ha mencionado anteriormente. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 16

17 Desmoldeo Una vez finalizado el laminado, la pieza debe permanecer en el molde entre 24 y 48 horas, según el espesor y tamaño del laminado. El desmoldeo debe ser una operación sencilla y rápida si se aplicó bien el desmoldeante y el molde se ha proyectado de forma que no interfiera en la salida de la pieza. Se pueden utilizar cuñas de madera para despegar la pieza del molde por sus bordes evitando en la medida de lo posible dañarla. Una vez realizado el desmoldeo hay que reparar los posibles desperfectos que tenga la pieza. Constitución del laminado sándwich Se lamina una de las caras del sándwich sobre el molde, con la misma secuencia que un laminado simple o monolítico. Una vez consolidada la capa que va a ir en contacto con el núcleo, se procede a colocar el núcleo cuando aún está húmeda, debiendo conseguir ausencia de aire en la unión, ya que para que el sándwich sea eficaz al 100%, la unión cara-núcleo debe ser totalmente continua. En superficies planas la capa que precede y sigue al núcleo debe ser mat de al menos 450 gr/m 2 para conseguir resistencia por la cantidad de fibra y continuidad por la presencia de abundante resina. Cuando la superficie es curva conviene que la capa de mat sea de 600 gr/m 2, por razones de resistencia. 9.- Detalles constructivos. El ancho de los rollos de tejido no es ilimitado, por lo que se ha de suponer que la obtención de un laminado de cierta extensión, se obtendrá por la superposición de telas de la misma capa con otras. Esta superposición debe de hacerse respetando una serie de parámetros tales como la extensión del solape de una tela con otra, debe tener un mínimo de 50 mm, figura 19. Hay que trabajar el solape con la brocha y el rodillo hasta que el conjunto tenga un espesor uniforme, figura 20. Análogamente se hará con cualquier solape. Figura 19.- Solape mínimo entre telas de la misma capa. Figura 20.- Técnica básica para solapar telas. A lo largo de la laminación se producen zonas de unión de telas en las diferentes capas, de tal forma que si la unión de telas coincidiera en el sentido del espesor del laminado se tendría una zona debilitada como consecuencia de la acumulación de uniones, por lo que deben de separarse según se ve en la figura 21. En todo el laminado se deberán respetar los 50 mm de solape entre telas de la misma capa y una distancia de 150 mm entre solapes de distintas capas. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 17

18 Figura 21- Disposición de uniones en diferentes capas adyacentes. Los refuerzos realizados en fibra tienen forma trapezoidal y se denominan refuerzos tipo omega. La unión de un refuerzo al casco o cubierta requiere en la mayor parte de los casos el empleo de espuma de poliuretano con la forma omega, que se utiliza como formero para fabricarlo, figura 22. En caso de perfiles rectos, se pueden fabricar en taller sobre un formero metálico de acero inoxidable, por lo que no se necesitará el empleo de espuma, figura 23. En ambos casos la unión del refuerzo con el casco o cubierta se realiza mediante escarpiado de las capas. Escarpiado es el proceso de solape de capas para realizar laminados de soldadura o unión entre piezas laminadas. Figura 22.- Unión de refuerzo omega mediante escarpiado. La primera capa va de un lado a otro del refuerzo, con 50 mm de longitud de contacto con la plancha de laminado a cada lado. Las capas subsiguientes tienen una longitud de contacto adicional de 25 mm sobre la capa previa. Figura 23.- Formeros y refuerzos omega laminados. En las figuras 24 a 33 se muestran diversos detalles estructurales como el cruce de refuerzos, uniones de cubiertas con cascos, uniones en ángulo, bases de maquinaria sobre cubierta y polines de motor. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 18

19 Figura 24.- Cruce de refuerzos tipo omega de distinta altura. Figura 24.- Cruce de refuerzos. Figura 25.- Uniones en ángulo. Figura 26.- Distintas formas de fabricar la quilla. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 19

20 Figura 27.- Uniones de cubierta con casco en embarcaciones de recreo. Figura 28.- Unión de cubierta con casco. Figura 29.- Fijaciones de maquinaria sobre cubierta. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 20

21 Figura 30.- Polines de motor. Figura 31.- Pasacascos metálicos. Figura 32.- Pasacasco y pasacubierta de fibra. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 21

22 Cuando se necesita introducir una pieza de madera o metal que sirva de soporte y anclaje de una maquina o equipo, como en las figuras 29 y 30, las piezas se deben introducir durante la laminación y se cubren después con las siguientes capas. Sobre las piezas metálicas van soldados o empernados los polines correspondientes a los que se fijarán los equipos. La construcción naval en fibra de vidrio permite emplear también el sistema de construcción integrada, mediante una estrategia constructiva basada en la realización de previas, subbloques y bloques de fibra, con armamento por zonas, etapas y problemas constructivos. Este sistema no solo es válido para la fabricación de embarcaciones de recreo producidas en serie, donde las plantas de producción tienen líneas de proceso específicas para casco, cubiertas y elementos estructurales, a modo de tren de producción para evitar tiempos muertos. A veces se modifica la temperatura ambiente de la nave para el curado de los cascos y otras piezas mediante estufas, o bien, se introducen en hornos para controlar el curado mediante temperatura. Aunque el casco se fabrica de una sola pieza sobre un molde, las cubiertas se pueden realizar por bloques en los que una vez realizados los paneles planos se le sueldan los refuerzos correspondientes, figura 33. Figura 33.- Bloques de cubierta También se pueden fabricar varengas, mamparos, puente de gobierno, como previas, subbloques o bloques independientes, y todos aquellos elementos estructurales que se decida según la estrategia constructiva. Las uniones entre subbloques, bloques o bloques y cubierta o casco, se realizarán teniendo en cuenta los escarpiados adecuados que garanticen la unión. En la figura 34 se muestra la fabricación de una superestructura en taller en posición invertida, y un panel plano que forma parte de la misma. Figura 34.- Fabricación de superestructura. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 22

23 10.- Laminado al vacío. El laminado al vacío consiste en utilizar la presión del aire para prensar varias piezas y mantenerlas unidas bajo presión hasta el curado total de la resina. Esta técnica de laminación tiene se emplea mucho para realizar piezas laminadas con resinas epoxi y fibra de carbono, aunque también se pueden utilizar con resinas de poliéster y fibras de vidrio. Para conseguir ejercer presión se colocan las telas sobre un molde impermeable y dentro de un saco herméticamente cerrado, que se conecta a una bomba de vacío, a través de la cual se elimina el aire del interior. Al practicar el vacío dentro del saco, la pieza quedará apretada entre la presión atmosférica que actúa sobre el soporte y la que actúa sobre el saco. Teóricamente, la presión máxima que se puede ejercer es la presión atmosférica, 1 kg/cm 2, sin embargo, en la práctica la presión que se consigue oscila entre 0.4 y 0.8 Kg/cm 2. El vacío permite compactar las fibras eliminando las burbujas de aire y la resina sobrante, así como mejorar la adherencia interlaminar y la del núcleo de estructuras sándwich, con lo que se consigue un laminado de alta calidad. La superficie del molde debe ser perfectamente impermeable al aire, para impedir la pérdida de presión de vacío a través de sus paredes, debe tener el mejor acabado posible y debe ser tratada con un agente desmoldeante. Los elementos que componen el sistema de vacío se describen a continuación, ver figura 35. Figura 35.- Disposición general de un sistema de vacío. El saco de vacío constituye, junto con la bomba, el elemento principal del sistema y es el responsable de mantener la presión sobre la pieza del laminado. Los materiales más utilizados son los plásticos de polietileno, preferentemente transparentes. El espesor del plástico está en función de las dimensiones de la pieza y de la presión de vacío deseada. Peel ply es un tejido sintético removible, extremadamente resistente, y sobre el que no se adhiere la resina. Se coloca sobre la última capa de laminado para absorber la reina sobrante del proceso de compactación y puede arrancarse con facilidad, una vez que la resina haya polimerizado. El peel ply protege el laminado de la contaminación ambiental y facilita la adherencia de capas posteriores, por lo que también se puede emplear en el laminado manual cuando sea necesario. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 23

24 La manta de aireación es un fieltro fabricado a partir de fibras sintéticas que tiene como función principal el facilitar el paso del aire en toda la superficie de la pieza hacia el colector de aspiración, evitando de paso, que la resina pueda migrar hacia la bomba. El tejido perforado es un plástico perforado regularmente, que se interpone normalmente entre el peel ply y la manta de aireación. Su función principal es la de retener la resina, facilitando la evacuación de las burbujas de aire y la compactación del laminado. La junta de estanqueidad se utiliza para sellar el saco en el molde debido a su gran poder adhesivo, elasticidad y resistencia al calor. La junta de estanqueidad también tiene como función el sellar el colector en su salida del saco de vacío, y obturar los posibles escapes de aire del conjunto. El tubo colector es el tubo que permite transmitir la aspiración de la bomba al saco de vacío. En la mayor parte de los casos está formado por un tubo de PVC perforado con agujeros dispuestos al tresbolillo, cada 10 cm, con un diámetro de 6 mm. El tubo colector puede tener distintas disposiciones. Una disposición habitual es la de colocar el tubo colector en la periferia del molde o soporte, figura 35, perfectamente sujeto con adhesivo. En este caso, el sellado de la junta de estanqueidad debe realizarse por el exterior del colector, que quedará totalmente cubierto por la manta de aireación y el saco de vacío. El proceso de laminación al vacío se realiza de la siguiente manera: a.- Preparar las telas cortadas a su medida y estibadas por orden de colocación. Preparar también el peel ply, el tejido perforado, la manta de aireación y el saco de vacío. b.- Tratar la superficie del molde con un agente de desmoldeo. c.- Si se desea un acabado perfecto hay que recubrir la superficie del molde con un gel coat adecuado. Si la pieza debe ser pintada por el exterior, es conveniente colocar sobre el molde una capa de peel ply, que protegerá la superficie exterior de la pieza una vez desmoldeada, evitando el trabajo de lijarla. d.- Antes de proceder al laminado, se puede colocar la junta de estanqueidad en la periferia del molde, evitando de este modo que cualquier mancha de resina del laminado dificulte la adherencia de la junta. Para evitar que la junta de estanqueidad sufra desperfectos, es conveniente dejar en su sitio la cinta de protección del papel superior, que se eliminará al sellar el saco. e.- Impregnar las telas de fibra con resina e ir colocándolas una sobre otra. f.- Colocar el peel ply sobre la última capa de laminado, procurando alisar la superficie. g.- Colocar el tejido perforado procurando que no cubra el tubo colector. Debe cubrir toda la superficie del laminado. Si la pieza es grande y hay que empalmar varios tejidos de peel ply, o tejido perforado, los empalmes de realizarán solapando las piezas y manteniéndolas en su lugar con cinta adhesiva. h.- Colocar la manta de aireación sobre el tejido perforado procurando recubrir perfectamente todo el tubo colector. i.- Colocar el saco de vacío empezando por una esquina del molde y presionando sobre la junta de estanqueidad, a la que previamente se le ha quitado la cinta de protección. Una vez aplicada la presión de vacío, las arrugas que pueda tener el saco no deben preocupar ya que quedarán en forma de pliegues herméticamente cerrados. Sistemas de Construcción de Buques y Artefactos 24