Fabricación de materiales compuestos

A lo largo de las últimas cuatro décadas, la explotación de plásticos reforzados con fibra (FRP) en estructuras de ingeniería se ha diversificado constantemente, desde equipos deportivos y autos de carreras de alto rendimiento, hasta helicópteros y, más recientemente, aviones comerciales. Los materiales compuestos son esencialmente una combinación de dos o más materiales diferentes que se utilizan juntos para combinar las mejores propiedades o impartir un nuevo conjunto de características que ninguno de los materiales constituyentes podría lograr por sí solo. Los compuestos de ingeniería se construyen típicamente a partir de capas individuales que toman la forma de fibras continuas y rectas (p. ej. carbono, vidrio, aramida, etc.) incrustado en una matriz de polímero huésped (p. ej. fenólico, poliéster, epoxi, etc.), que se laminan capa por capa para construir el material/estructura final.

En términos de fabricación de compuestos avanzados reforzados con fibra, el aspecto más importante a reconocer es que el material y la estructura se crean al mismo tiempo. En consecuencia, cualquier defecto inducido durante el proceso de fabricación influye directamente en la resistencia y rigidez del material y la estructura. Cada pequeño detalle es importante.

En los últimos 40 años se ha desarrollado un gran número de procesos de fabricación de compuestos, entre los que se incluyen:: moldeo por contacto, moldeo por compresión,moldeo en bolsa al vacío / autoclave, moldeo rotacional, moldeo por transferencia de resina (RTM), envoltura de cinta, bobinado de filamentos, pultrusión, moldeo de vejiga expansiva, etc. Todos estos procesos tienen varias características en común; los refuerzos se llevan a la forma requerida en una herramienta o molde, la resina y las fibras se unen posiblemente a temperatura y presión elevadas para curar la resina, y el moldeado se elimina de la pieza una vez que la resina se ha curado. Las diferentes técnicas de fabricación pueden clasificarse como procesos directos (p. ej. RTM, pultrusión, moldeo por contacto) que utilizan fibras y resina separadas reunidas en el punto de moldeo o procesos indirectos que utilizan fibras preimpregnadas con resina (p. ej. bolsas de vacío/moldeo en autoclave, moldeo por compresión).

La selección del proceso de fabricación tendrá naturalmente un gran efecto en la calidad, las propiedades mecánicas y el costo de fabricación del componente. Según Potter (1996), un proceso ideal puede definirse como tener:

1. Alta productividad-tiempos de ciclo cortos, bajo contenido de mano de obra, etc.
2. Costo mínimo de materiales: materiales de bajo valor añadido, bajo costo de almacenamiento y manipulación de materiales
3. Flexibilidad geométrica máxima: complejidad de la forma y tamaño del componente
4. Flexibilidad máxima de propiedades: Gama de matrices, gama de tipos de refuerzo, capacidad para controlar propiedades mecánicas y características a medida
5. Requisitos mínimos de acabado: fabricación de formas netas
6. Fabricación confiable y de alta calidad – bajas tasas de rechazo, baja variabilidad, etc.

No existe ningún proceso de fabricación que pueda cumplir simultáneamente todos estos requisitos; lo más importante es que algunos de estos requisitos pueden ser mutuamente excluyentes. A continuación se muestra una comparación de los 5 procesos más comunes.

Comparación de Técnicas de Fabricación de Compuestos(1)

Moldeo por Contacto

Esquema de Moldeo por Contacto(1)

Este es el proceso de fabricación más antiguo y primitivo, pero también el más utilizado en todo el mundo. La resina de moldeo en contacto se aplica manualmente a un refuerzo seco colocado sobre una superficie de herramienta y se puede comparar con el pegado de papel de pared con un cepillo. La herramienta y la tela se encierran mediante una bolsa de vacío y se retira el aire debajo de la bolsa para curar el laminado a presión atmosférica. Sin embargo, dado que la presión aplicada es relativamente baja y el curado se produce típicamente a temperatura ambiente, la fracción de volumen de refuerzo se limita a la densidad de empaque natural. Además, la calidad depende totalmente de la habilidad de la mano de obra y, debido a la dificultad de garantizar de forma fiable laminados de alta calidad, es casi imposible calificar componentes estructurales moldeados por contacto para aviones comerciales. Finalmente, debido a la limitada presión externa, el vacío es difícil de controlar, lo que tiene un gran efecto en la variabilidad en el grosor de los laminados.

Buque Reforzado con Plástico HMS Wilton(2)

Por otro lado, el proceso es altamente flexible, ideal para una producción única y requiere una infraestructura mínima. Mientras que el moldeo por contacto es el proceso de elección para estructuras muy grandes, la flexibilidad geométrica es más limitada en términos de creación de piezas con detalles finos, radios de esquina, etc. Por esta razón, el proceso se utiliza ampliamente en la construcción naval de fibra de vidrio/resina de poliéster y para planeadores.

Vac. Bolsa / Autoclave

Bandeja de Preimpregnado para Curado en Autoclave(1)

En los compuestos avanzados, los procesos de autoclave son, con mucho, los más utilizados y el moldeo en autoclave es el proceso de elección para la industria aeroespacial. En estos procesos se utilizan capas unidireccionales preimpregnadas o telas tejidas, que han sido parcialmente curadas o en etapas beta. Una desventaja es que el pre-preg debe mantenerse en un congelador para evitar que la resina se desprenda. Se colocan múltiples capas preimpregnadas sobre una superficie de herramienta con las orientaciones de fibra predefinidas, para acumular el grosor requerido, y luego se cubren con una película de liberación, tela de ventilación y una bolsa de vacío o bolsa de presión de silicio. El aire se extrae de la bolsa para crear un vacío y la herramienta se calienta a temperatura y presión elevadas para curar la resina. En principio, se realizan múltiples ciclos de desmoldeo cubriendo el laminado y aplicando un vacío después de cada 3-4 capas para eliminar el exceso de aire entre las capas. Esto reduce el factor de volumen y ayuda a evitar delaminaciones entre capas y controla la dimensión de espesor. Ciclos de desmoldeo regulares y una presión hidrostática suficiente en la pieza durante el curado son los dos requisitos básicos para lograr buenas molduras. La productividad del moldeo en autoclave es generalmente bastante baja, ya que los ciclos de preparación, ensacado y desmoldeo manuales consumen mucho trabajo y tiempo. Además, los gastos de capital de las autoclaves son enormes, lo que limita su uso a estructuras más grandes donde estos gastos están justificados. Dado que el pre-preg ya no se encuentra en un estado de bajo valor agregado, los costos de material también son más altos.

Sándwich de Panal con Pre-pregrabado para Curado en Autoclave(1)

La flexibilidad geométrica en forma y tamaño es mejor que en la mayoría de los procesos. Recientemente ha sido posible fabricar todo el piso de un helicóptero en una sola pieza, lo que no sería posible con un enfoque metálico. Las molduras de autoclave se utilizan a menudo junto con núcleos de nido de abeja, de modo que se pueden fabricar componentes muy ligeros. Esta es una de las razones por las que el predominio de las molduras de autoclave parece muy probable que continúe en un futuro próximo, al menos en el entorno aeroespacial.

Devanado de filamentos

Esquema del Proceso de Bobinado de Filamentos (1)

En el devanado de filamentos, se pasa un cable de fibras a través de un baño de resina y se enrolla en un mandril giratorio atravesando longitudinalmente el eje del mandril giratorio. A menos que se utilicen remolques de fibra preimpregnados pegajosos, la trayectoria seguida por el remolque debe seguir de cerca una trayectoria geodésica (trayectorias de fibra que no hacen que las fibras se deslicen si se tensan). Cualquier camino helicoidal simple en un cilindro se define como un camino geodésico, pero una vez que se introduce la curvatura en dos direcciones (por ejemplo, un globo terráqueo), el número de caminos posibles se vuelve muy limitado. Por esta razón, la flexibilidad de las propiedades está bastante limitada, de modo que el devanado de filamentos se usa típicamente para fabricar tuberías, recipientes a presión y motores de cohetes. Especialmente, los recipientes a presión son propicios para el bobinado de filamentos, ya que tienen dos direcciones de tensión claramente definidas (el aro y las tensiones longitudinales) que pueden adaptarse a la dirección del bobinado.

Una desventaja del devanado de filamentos es que el mandril a menudo está encerrado dentro del devanado. Si se utiliza un revestimiento de metal o polímero como mandril, puede formar una parte permanente de la estructura, pero es más común que el devanado se corte en los extremos para desmoldear la pieza. La flexibilidad geométrica también se ve limitada por tener que enrollar alrededor de molduras circulares o prismáticas. Una ventaja importante es que el proceso se presta a la automatización, de modo que los tiempos de ciclo y los costes de mano de obra se pueden mantener bajos con una alta fiabilidad y calidad. Este último aspecto es una de las razones por las que se están haciendo esfuerzos para ampliar los límites geométricos del proceso y sus posibles aplicaciones.

Moldeo por Transferencia de resina (RTM)

Esquema del Proceso de Moldeo por Transferencia de Resina(1)

La RTM no se puede considerar como un proceso único, sino que se considera mejor como una “filosofía de fabricación en la que la resina y las fibras se mantienen separadas hasta el último momento” (Potter, 1996). Sin embargo, todas las variaciones de proceso tienen las características comunes de sujetar fibras sin resinar dentro de una cavidad de herramienta cerrada con una presión diferencial aplicada a un suministro de resina de modo que la resina penetre en el refuerzo. La herramienta puede ser rígida o contener elementos flexibles. La presión de consolidación sobre la herramienta se aplica mediante abrazaderas mecánicas, una prensa de herramientas o el uso de vacío interno y define la fracción de volumen de fibra alcanzada con respecto a la resina. RTM se ha utilizado desde la década de 1970 para construir radomos, así como cuchillas de compresores de motores aéreos. El principal impulsor del desarrollo de procesos RTM es el diseño de métodos de fabricación que puedan superar las limitaciones de complejidad geométrica impuestas por las molduras de autoclave. En términos de ciclos de productividad, los tiempos son más bajos que la mayoría de los otros procesos y en la industria automotriz se fabrican pequeños componentes en cuestión de minutos.

Panel de automoción Fabricado a través de RTM

Una gran ventaja de RTM es el uso de materiales de bajo valor añadido (fibras secas y resinas de baja viscosidad) que no tienen que almacenarse en congeladores, lo que reduce los costes de material y manipulación. Sin embargo, las principales ventajas de RTM se encuentran en su flexibilidad geométrica y de propiedades. RTM se puede utilizar con paños cosidos en UD, tejidos y tejidos 3D, y la inyección de resina se puede variar para controlar la fracción de volumen y, por lo tanto, la rigidez y resistencia del componente. Además, los componentes pequeños con detalles muy finos se fabrican en herramientas metálicas rígidas, mientras que los componentes más grandes se pueden producir en moldes flexibles. Por último, con un proceso estrechamente controlado es posible crear molduras en forma de red con requisitos mínimos de acabado. Sin embargo, todo esto tiene un costo en una técnica de producción un poco más complicada. Para garantizar componentes de alta calidad, la inyección de resina y el flujo de resina deben controlarse estrechamente de manera que todo el refuerzo se humedezca por igual. Esto requiere simulaciones de dinámica de fluidos bastante avanzadas y pruebas exhaustivas para llegar a una forma de molde que permita un flujo uniforme de resina a todas las partes del componente.

Pultrusión

Esquema del Proceso de Pultrusión (1)

En este proceso, las fibras se extraen de un tablero de filete y se pasan a través de un baño de resina para impregnar las fibras con resina. Las fibras impregnadas se pasan a través de una matriz para eliminar el exceso de resina y preformar la forma final aproximada. A continuación, se introduce la matriz de curado, que toma la forma de la sección transversal final requerida de la parte pultruida. La matriz de curado aplica calor al componente para consolidar la resina y el perfil curado y formado se extrae de la matriz bajo tensión. Esto significa que la productividad puede ser muy alta en una producción en curso, pero caerá para volúmenes de producción más bajos que requieren cambios en nuevos troqueles de sección transversal. Dado que la operación es automatizada, los costos de mano de obra son bajos y la fiabilidad y calidad de los componentes es alta. El proceso generalmente se limita a componentes de sección transversal constante, lo que restringe en gran medida las aplicaciones. La pultrusión se ha utilizado muy poco en entornos aeroespaciales, pero ha encontrado aplicación en la fabricación de vigas de perfil estandarizadas para estructuras de ingeniería civil.

Procesos automatizados

El uso de la robótica en la fabricación de compuestos está creciendo a un ritmo rápido y es probablemente la tecnología más prometedora para el futuro. Las ventajas obvias de automatizar el proceso de fabricación incluyen una menor variabilidad en las dimensiones y menos defectos de fabricación. Además, el material para piensos se puede utilizar de manera más eficiente y se reducen los costes de mano de obra. Una clase prometedora de sistemas son las llamadas máquinas de Colocación Automatizada de fibras (AFP), que utilizan un cabezal robótico de colocación de fibras que deposita múltiples remolques preimpregnados de “cinta de hendidura”, lo que permite cortar, sujetar y reiniciar cada remolque. Mientras que el cabezal robótico sigue una trayectoria de fibra específica, los remolques se calientan poco antes de la deposición y luego se compactan sobre el sustrato utilizando un rodillo especial. Gracias a la alta fidelidad de la tecnología robotizada actual, las máquinas AFP pueden proporcionar una alta productividad y manejar geometrías complejas. Las aplicaciones actuales incluyen la fabricación del fuselaje del Boeing 787 y el bobinado de cajas cuadradas, que luego se cortan longitudinalmente para hacer dos secciones en ” C ” para los mástiles de las alas. Los sistemas de fabricación integrados, diseñados por empresas como ElectroImpact, ofrecen emocionantes capacidades llave en mano para futuras estructuras de aeronaves. Estos sistemas combinan múltiples procesos de fabricación, por ejemplo, la colocación de fibras y la fabricación aditiva en un cabezal de robot, y, por lo tanto, facilitan la producción de estructuras mezcladas e integradas con menos uniones y conexiones. Estos sistemas también permitirán a los ingenieros diseñar estructuras más eficientes, como paneles compuestos ortogrid o isogrid integrados, que actualmente son difíciles de fabricar económicamente a gran escala.

Fuselaje Boeing 787 con herida de filamento (3)