Existe una amplia variedad de materias primas para materiales compuestos, incluyendo resinas, fibras y materiales de núcleo. Cada material posee propiedades únicas de resistencia, rigidez, tenacidad y estabilidad térmica, con costos y rendimientos variables. Sin embargo, el desempeño final de un material compuesto en su conjunto no solo depende de la matriz de resina y las fibras (así como del material de núcleo en una estructura tipo sándwich), sino también del método de diseño y el proceso de fabricación de los materiales que la componen. En este artículo, presentaremos los métodos de fabricación más comunes para materiales compuestos, los principales factores que influyen en cada método y cómo se seleccionan las materias primas para los diferentes procesos.
Moldeo por pulverización
1. Descripción del método: el material de refuerzo de fibra corta y el sistema de resina se rocían simultáneamente en el molde y luego se curan bajo presión atmosférica para formar productos compuestos termoendurecibles mediante un proceso de moldeo.
2. Selección de materiales:
Resina: principalmente poliéster
Fibra: hilo de fibra de vidrio grueso
Material del núcleo: ninguno, debe combinarse únicamente con madera contrachapada.
3. Principales ventajas:
1) Larga tradición artesanal
2) Bajo costo, rápida disposición de fibra y resina.
3) Bajo costo del molde
4. Las principales desventajas:
1) El contrachapado es fácil de formar en zonas ricas en resina y de alto peso.
2) Solo se pueden utilizar fibras de corte corto, lo que limita seriamente las propiedades mecánicas del contrachapado.
3) Para facilitar la pulverización, la viscosidad de la resina debe ser lo suficientemente baja, lo que conlleva la pérdida de las propiedades mecánicas y térmicas del material compuesto.
4) El alto contenido de estireno de la resina en aerosol implica un alto riesgo potencial para el operario, y la baja viscosidad significa que la resina puede penetrar fácilmente la ropa de trabajo del empleado y entrar en contacto directo con la piel.
5) La concentración de estireno volátil en el aire dificulta el cumplimiento de los requisitos legales.
5. Aplicaciones típicas:
Vallas sencillas, paneles estructurales de baja carga como carrocerías de coches descapotables, carenados de camiones, bañeras y pequeñas embarcaciones.
Moldeo por laminado manual
1. Descripción del método: se infiltra manualmente la resina en las fibras, que pueden estar tejidas, trenzadas, cosidas o unidas mediante otros métodos de refuerzo. El moldeo por laminado manual se realiza generalmente con rodillos o brochas, y luego se aplica la resina con un rodillo para que penetre en las fibras. El contrachapado se coloca bajo presión normal para su curado.
2. Selección de materiales:
Resina: no se requiere ninguna en particular; hay disponibles resinas epoxi, de poliéster, de éster a base de polietileno y fenólicas.
Fibra: no hay requisitos, pero el peso base de la fibra de aramida más grande dificulta su infiltración en el tejido manual.
Material básico: no se requiere
3. Las principales ventajas:
1) Larga historia de la tecnología
2) Fácil de aprender
3) Bajo costo del molde si se utiliza resina de curado a temperatura ambiente.
4) Amplia variedad de materiales y proveedores
5) Alto contenido de fibra, se utilizan fibras más largas que en el proceso de pulverización.
4. Principales desventajas:
1) La mezcla de resina, el contenido de resina del laminado y la calidad están estrechamente relacionados con la habilidad del operador; es difícil obtener un bajo contenido de resina y una baja porosidad del laminado.
2) Riesgos para la salud y la seguridad relacionados con la resina: cuanto menor sea el peso molecular de la resina aplicada a mano, mayor será el riesgo potencial para la salud; una menor viscosidad significa que es más probable que la resina penetre en la ropa de trabajo de los empleados y, por lo tanto, entre en contacto directo con la piel.
3) Si no se instala una buena ventilación, la concentración de estireno evaporado de ésteres a base de poliéster y polietileno en el aire difícilmente cumplirá con los requisitos legales.
4) La viscosidad de la resina en pasta para aplicar a mano debe ser muy baja, por lo que el contenido de estireno u otros disolventes debe ser alto, lo que conlleva la pérdida de las propiedades mecánicas/térmicas del material compuesto.
5) Aplicaciones típicas: palas de turbinas eólicas estándar, embarcaciones de producción en serie, maquetas arquitectónicas.
proceso de embolsado al vacío
1. Descripción del método: El proceso de embolsado al vacío es una extensión del proceso de laminado manual anterior, es decir, se sella una capa de película plástica en el molde para laminar manualmente la madera contrachapada al vacío, aplicando presión atmosférica a la madera contrachapada para lograr el efecto de extracción y compactación, con el fin de mejorar la calidad del material compuesto.
2. Selección de materiales:
Resina: principalmente resinas epoxi y fenólicas; el poliéster y el éster a base de polietileno no son aplicables, ya que contienen estireno y se volatilizan en la bomba de vacío.
Fibra: no es necesario, incluso si el peso base de las fibras más grandes se puede infiltrar bajo presión.
Material básico: no se requiere
3. Principales ventajas:
1) Se puede lograr un mayor contenido de fibra que con el proceso de laminado manual estándar.
2) La relación de vacíos es menor que en el proceso estándar de laminado manual.
3) Bajo presión negativa, la resina fluye lo suficiente como para mejorar el grado de infiltración de la fibra; por supuesto, parte de la resina será absorbida por los consumibles de vacío.
4) Salud y seguridad: el proceso de embolsado al vacío puede reducir la liberación de sustancias volátiles durante el proceso de curado.
4. Principales desventajas:
1) El proceso adicional aumenta el costo de la mano de obra y del material de las bolsas de vacío desechables.
2) Mayores requisitos de cualificación para los operadores.
3) La mezcla de resina y el control del contenido de resina dependen en gran medida de la habilidad del operador.
4) Si bien las bolsas de vacío reducen la liberación de sustancias volátiles, el riesgo para la salud del operario sigue siendo mayor que el del proceso de infusión o preimpregnado.
5. Aplicaciones típicas: yates de gran tamaño, edición limitada, piezas para coches de carreras, unión del material base en el proceso de construcción naval.
Moldeo por bobinado
1. Descripción del método: El proceso de bobinado se utiliza principalmente para fabricar piezas estructurales huecas, redondas u ovaladas, como tuberías y canaletas. Los haces de fibra se impregnan con resina y luego se enrollan en un mandril en diversas direcciones. El proceso se controla mediante la máquina de bobinado y la velocidad del mandril.
2. Selección de materiales:
Resina: no se requiere ninguna en particular, como por ejemplo resina epoxi, poliéster, éster a base de polietileno y resina fenólica, etc.
Fibra: no requiere ningún requisito, se utilizan directamente los haces de fibra del bastidor de la bobina, no es necesario tejer ni coser la tela de fibra.
Material del núcleo: no es un requisito, pero la capa exterior suele ser un material compuesto de una sola capa.
3. Las principales ventajas:
(1) La rápida velocidad de producción es una forma económica y razonable de realizar laminados.
(2) El contenido de resina se puede controlar midiendo la cantidad de resina transportada por los haces de fibras que pasan a través de la ranura de resina.
(3) Costo de fibra minimizado, sin proceso de tejido intermedio
(4) excelente desempeño estructural, debido a que los haces de fibras lineales se pueden colocar a lo largo de las diversas direcciones de soporte de carga.
4. Principales desventajas:
(1) El proceso se limita a estructuras huecas redondas.
(2) Las fibras no se disponen de forma fácil y precisa a lo largo de la dirección axial del componente.
(3) Mayor costo del moldeo positivo con mandril para piezas estructurales grandes
(4) La superficie exterior de la estructura no es una superficie moldeada, por lo que la estética es peor.
(5) El uso de resina de baja viscosidad requiere prestar atención a las propiedades mecánicas y al desempeño en materia de salud y seguridad.
Aplicaciones típicas: depósitos y tuberías para el almacenamiento de productos químicos, cilindros, tanques de respiración para bomberos.
Moldeo por pultrusión
1. Descripción del método: desde el portabobinas, el haz de fibras impregnado con pegamento pasa a través de la placa calefactora, en la placa calefactora se completa la infiltración de la resina en la fibra, y se controla el contenido de resina, y finalmente el material se curará en la forma requerida; esta forma fija del producto curado se corta mecánicamente en diferentes longitudes. Las fibras también pueden entrar en la placa caliente en direcciones distintas a 0 grados. El moldeo por extrusión y estirado es un proceso de producción continuo y la sección transversal del producto generalmente tiene una forma fija, permitiendo ligeras variaciones. Pasará a través de la placa caliente del material prehumedecido fijado y extendido en el molde para curar inmediatamente, aunque este proceso es menos continuo, pero puede lograr el cambio de forma de la sección transversal.
2. Selección de materiales:
Resina: generalmente epoxi, poliéster, éster a base de polietileno y resina fenólica, etc.
Fibra: no se requiere
Material del núcleo: no se usa comúnmente
3. Principales ventajas:
(1) La rápida velocidad de producción es una forma económica y razonable de prehumedecer y curar materiales.
(2) control preciso del contenido de resina
(3) minimización del costo de la fibra, sin proceso de tejido intermedio
(4) excelentes propiedades estructurales, debido a que los haces de fibras están dispuestos en líneas rectas, la fracción de volumen de fibra es alta
(5) El área de infiltración de fibra se puede sellar completamente para reducir la liberación de volátiles.
4. Las principales desventajas:
(1) el proceso limita la forma de la sección transversal
(2) Mayor costo de la placa calefactora
5. Aplicaciones típicas: vigas y cerchas de estructuras de viviendas, puentes, escaleras y cercas.
Proceso de moldeo por transferencia de resina (RTM)
1. Descripción del método: Las fibras secas se colocan en el molde inferior, el cual puede presurizarse para que se ajusten lo mejor posible a su forma y se adhieran mediante adhesivo. A continuación, el molde superior se fija al inferior para formar una cavidad, en la cual se inyecta la resina. Se suele utilizar la inyección e infiltración de resina asistida por vacío, conocida como inyección de resina asistida por vacío (VARI). Una vez completada la infiltración de las fibras, se cierra la válvula de introducción de resina y se cura el composite. La inyección y el curado de la resina pueden realizarse a temperatura ambiente o en condiciones de calentamiento.
2. Selección de materiales:
Resina: generalmente epoxi, poliéster, éster polivinílico y resina fenólica; la resina bismaleimida se puede utilizar a altas temperaturas.
Fibra: no se requiere. La fibra cosida es más adecuada para este proceso, ya que el espacio entre los haces de fibras favorece la transferencia de resina; existen fibras especialmente desarrolladas que pueden promover el flujo de resina.
Material del núcleo: la espuma celular no es adecuada, ya que las celdas de panal se llenarán de resina y la presión provocará que la espuma colapse.
3. Las principales ventajas:
(1) Mayor fracción de volumen de fibra, baja porosidad
(2) Salud y seguridad, entorno de trabajo limpio y ordenado ya que la resina está completamente sellada.
(3) Reducir el uso de mano de obra
(4) Los lados superior e inferior de las piezas estructurales son superficies moldeadas, lo que facilita el tratamiento superficial posterior.
4. Principales desventajas:
(1) Los moldes utilizados en conjunto son caros, pesados y relativamente voluminosos para soportar una mayor presión.
(2) limitado a la fabricación de piezas pequeñas
(3) Pueden aparecer fácilmente zonas sin humedecer, lo que da lugar a una gran cantidad de desperdicio.
5. Aplicaciones típicas: piezas pequeñas y complejas para transbordadores espaciales y automóviles, asientos de tren.
Fecha de publicación: 8 de agosto de 2024
