Estructuras de Materiales Compuestos Procesos de fabricación Ing. Gastón Bonet - Ing. Cristian Bottero - Ing. Marco Fontana
Wet lay-up Piezas de baja performance Baja fracción volumétrica de fibra Método más utilizado en piezas de baja responsabilidad Bajo costo Altas emisiones tóxicas (estireno poliéster) 2
Spray-up Cost-effective Propiedades mecánicas muy bajas Compactación manual Costo relativamente bajo Altas emisiones tóxicas (estireno poliéster) 3
Autoclave 4
Autoclave Recipiente a presión calefaccionado (gas, eléctrico, vapor, etc). Sistema de convección forzada Sistema de control del proceso incorporado Altamente versátil Estructuras de Materiales Compuestos - Procesos de Fabricación Limitación: tamaño > compromiso costo de operación Capacidad de curar una pieza grande o múltiples pequeñas en racks Influencia del diseño del herramental Generalmente fabricado a medida 5
Ciclos de curado Estructuras de Materiales Compuestos - Procesos de Fabricación Resina epoxi 350 F 6
Ciclos de curado Resina epoxi 350 F Presión: provee compactación y evita la formación de porosidad. 7
Ciclos de curado Estructuras de Materiales Compuestos - Procesos de Fabricación 8
Tooling En producción, las piezas son a lo sumo, tan buenas como el molde Alto costo no recurrente Complejos Basado en la experiencia - knowhow Requisitos posibles a la hora de seleccionar el material: 9
Tooling: métodos más utilizados Autoclave Mandril rígido (colapsable) Mandril perdido Mandril inflable Recipiente a presión Molde de silicona Formado por presión/ diafragma Herramental auto-calefaccionado Elastoméricos 10
Tooling 11
Tooling 12
Tooling 13
Vacuum bag wet lay-up Remueve aire de la pieza Mantiene la preforma o las telas en su lugar Permite la remoción del exceso de resina Provee cierta compactación de la pieza para el curado. (5-10% porosidad sin autoclave, 1-2% con autoclave) Alto desperdicio de material auxiliar: o o o o o o Nylon de bolsa de vacio Cinta sellado Breather/bleeder Film perforado Desmoldante Peel-ply 14
Vacuum bag wet lay-up 15
Vacuum bag wet lay-up Release film Agente desmoldante Previene la adherencia de la pieza al molde También se suele utilizar para prevenir la adherencia entre otros elementos dentro de la bolsa de vacío 16
Vacuum bag wet lay-up Peel Ply lámina de desprendimiento Material poroso que frena el flujo de resina. Permite determinar una rugosidad superficial, adecuada para uniones pegadas. Generalmente no se remueve hasta el momento del pegado para evitar contaminación de la superficie. 17
Vacuum bag wet lay-up Vacuum bag bolsa de vacío Generalmente nylon del orden de 50 micrones. Puede ser elástica para una mejor terminación superficial (evitar pliegues) Se venden de acuerdo a la temperatura de servicio. 18
Vacuum bag wet lay-up Perforated release film film perforado Evita la adherencia de del bleeder/breather a la pieza, permitiendo la salida de resina excedente. Existen diferentes configuraciones de agujeros, con diferentes diámetros y separaciones entre agujeros. 19
Vacuum bag wet lay-up Breather/Bleeder material de respiración/sangrado Permite la dispersión del vacío (evita estrangulamiento de la bolsa) Absorbe el exceso de resina que atraviesa el film perforado 20
Cortado de telas Estructuras de Materiales Compuestos - Procesos de Fabricación El cortado de las telas se puede realizar manualmente en pequeños lotes o prototipos. Generalmente se utilizan moldes de chapa. 21
Automatic ply cutters Cuando se trata de producción, métodos más automatizados y eficientes se utilizan para el cortado: Ultrasónicos Mecánicos Laser Water jet 22
Nesting optimization Estructuras de Materiales Compuestos - Procesos de Fabricación Una de las ventajas de la automatización fue la incorporación de optimizadores automáticos de corte 23
Labeling and alignment En laminados que contienen cientos de láminas, resulta necesario distinguir las láminas y conocer su orientación precisa en el molde. 24
Agrupado y conformado 25
Resin transfer molding - RTM Se coloca la preforma en un molde rígido cerrado y se inyecta resina a baja presión ( 100psi). La pieza posee excelente terminación (de molde) en todas su caras. No hay desperdicio de material auxiliar Insertos, cuadernas, costillas pueden ser incorporadas a través del molde Proceso muy complejo Moldes costosos 26
Resin transfer molding - RTM 27
Resin transfer molding - RTM Proceso realizado a ciegas Minimiza operaciones de recorte Geometrías complejas Evita la necesidad de conservación refrigerada como los preimpregnados Alta complejidad de preformas Apto para producción media 28
Vacuum assisted resin transfer molding - VARTM 29
Vacuum assisted resin transfer molding - VARTM Molde abierto, armado seco Impregnación forzada por el vacío Requiere resinas de baja viscosidad Excelente terminación del lado molde, Matriz económica Buena fracción volumétrica Utilización de tramados especiales para mejorar permeabilidad y acelerar impregnación. Estructuras de Materiales Compuestos - Procesos de Fabricación 30
VARTM 31
Resin film infusion Estructuras de Materiales Compuestos - Procesos de Fabricación Las telas se colocan secas intercaladas con láminas de resina semi-sólida. Se aplica una bolsa de vacío y se coloca en un horno o autoclave. El calor facilita la fluidez de la resina y el impregnado y luego se realiza el curado bajo la compactación de la bolsa. 32
Automated tape laying - ATL 33
Automated tape laying - ATL Cinta de 3,6 o 12 pulgadas de ancho Superficies planas o con escasa curvatura Cabezales complejos con hasta 10 ejes Alto control de gaps y overlaps Corte de cinta incorporado en el cabezal Se utilizan rollos de tela preimpregnada Alto costo Baja disponibilidad 34
Automated fiber placement - AFP 35
Automated fiber placement - AFP 36
Automated fiber placement - AFP 37
Automated fiber placement - AFP Aplicaciones de mayor curvatura La cinta se compone de decenas de cintas angostas permitiendo copiar curvaturas mayores El cabezal aplica una presión significativa durante el laminado Las cintas se cortan individualmente Extremadamente costoso, baja disponibilidad Mínimo desperdicio de material 38
Filament winding Bobinado de cintas bajo una cierta tensión sobre un mandril. El mandril rota, mientras que el carro se desplaza horizontalmente El proceso suele estar controlado bajo control numérico Los cabezales pueden tener varios ejes de control. El proceso suele tener un etapa de impregnado justo antes de colocar las fibras. 39
Filament winding Alta repetibilidad Automatización Flexibilidad en el tamaño Sólo contornos convexos Curado generalmente en hornos, la compactación la proveen la expansión del mandril y la tensión de la fibra. Mandril puede ser colapsable, perdido, cónico, etc. Dificultad de lograr fibras longitudinales. 40
Filament winding Operaciones Polar Helicoide Hoop 41
Braiding Un mandril sale del centro de la máquina a una velocidad constante mientras carreteles móviles se entrecruzan para formar una trenzado que lo envuelve Las preformas poseen excelente conformabilidad, rigidez torsional y resistencia al daño. Las fracciones volumétricas que se pueden lograr son menores que en filament winding 42
Braiding Para lograr el entrecruzamiento, los carreteles deben viajar en caminos cruzados a medida que recorren el perímetro de la máquina. Pueden contener desde 3 carreteles hasta 800. Se puede lograr espesores mayores pasando sucesivamente por encima de la preforma. No se pueden colocar las fibras a 90, salvo que la maquina tenga incorporada operaciones de filament winding. 43
Braiding 44
Braiding 45
Braiding 46
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Pultrusión Fibras continuas se impregnan y consolidan de manera continua en una matriz. 48
Pultrusión Primero se pasan las fibras impregnadas por una matriz de preforma que los alinea. Luego pasan por una matriz calefaccionada de sección constante donde el material se cura. La pieza ya rígida es traccionada por unos rodillos que mantienen el movimiento en el proceso continuo. 49