lOMoARcPSD|1939338 TEMA 4. SelecciÓn DE Materiales Compuestos Principales Compuestos Químicos (UNED) StuDocu is not sponsored or endorsed by any college or university Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos TEMA 4. SELECCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS 4.1. Introducción al Proceso de Selección de materiales compuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica 4.3. Métodos de selección de materiales compuesto 4.4. Fabricación de materiales compuestos Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.1 Introducción al Proceso de Selección de materiales compuestos Coeo sabéis la consideración prieordial en Selección de Materiales, y no deja de ser así por tratarse de eateriales coepuestos, es: DEFINIR LOS REQUISITOS FINALES DEL MATERIAL ¿ De qué tipo de requisitos estamos hablando? FÍSICOS ELÉCTRICOS MECÁNICOS REQUISITOS TÉRMICOS QUÍMICOS Selección y Aplicación de Materiales 1 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.1 Introducción al Proceso de Selección de materiales compuestos No está de eás repasar el tetraedro clásico en Ciencia e Ingeniería de Materiales que relaciona Estructura – Procesado – Propiedades – Coeportaeiento en servicio Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.1 Introducción al Proceso de Selección de materiales compuestos La definición de estos requisitos elieina ineediataeente ciertos eateriales y puede eepezar a orientar la selección a una detereinada faeilia de eateriales. Ej.: eaterial coepuesto con una conductividad eléctrica elevada. ¿Qué tipo de matriz ¿Qué tipo de refuerzo debo seleccionar? debo seleccionar? CERÁMICA MATRIZ • CERÁMICA POLIMÉRICA METÁLICA REFUERZO • •☺ •? POLIMÉRICA METÁLICA Selección y Aplicación de Materiales •? •☺ 2 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.1 Introducción al Proceso de Selección de materiales compuestos Adeeás, hay que tener en cuenta en la Selección del eaterial coepuesto un tercer coeponente: Refuerzo INTERCARA Matriz Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.1 Introducción al Proceso de Selección de materiales compuestos ¿Qué tipos de intercaras podeeos necesitar, y para qué aplicación? A) Con elevada resistencia mecánica: Material compuesto aeronático: altas resistencia a esfuerzos mecánicos. Elevada tensión de rotura. Sección 19 A350 Selección y Aplicación de Materiales 3 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.1 Introducción al Proceso de Selección de materiales compuestos ¿Qué tipos de intercaras podeeos necesitar?: B) Con moderada resistencia mecánica: Material compuesto de los monoplazas del F1. Consumo de energía del impacto mediante fractura de las fibras de carbono VIDEO MONOCOQUE Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.1 Introducción al Proceso de Selección de materiales compuestos ¿Qué tipos de intercaras podeeos necesitar?: - Intercara con capacidad de puenteo de grietas. Material compuesto con elevada tenacidad de fractura Selección y Aplicación de Materiales 4 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Requisitos del coeponente Areonización Características de los eateriales disponibles Capacidad de fabricación Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Taeaño Aebiente Solicitaciones eecánicas Forea Requisitos del coeponente Peso Rendieiento Acabado Función Volueen Capacidad de reparación Selección y Aplicación de Materiales 5 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Espacio Instalaciones Equipaeiento Capacidad de fabricación Peso Pericia en cuanto al diseño del coeponente Procesado del coeponente Aprovisionaeiento Control de calidad: análisis y ensayo del coeponente Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Dieensiones Tieepo de entrega Coste Rendieiento Características de los eateriales disponibles (proveedores) Propiedades de los eateriales Procesado del coeponente Calidad Procesos generales de eanufactura Selección y Aplicación de Materiales 6 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Requisitos del componente Ingeniero de diseño Componente Armonización Características de los materiales disponibles Rendimiento Capacidad de fabricación Calidad Capacidad de reparación Coste Peso Plazo competitivo Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Selección de la eatriz polieérica: Proceso coeplejo: se conocen eás de 15.000 políeeros distintos - Función principal de la eatriz: Conservar el refuerzo en su interior, dar consistencia al material para su manejo y puesta en servicio En materiales reforzados con fibras orientadas preferentemente: conservar las fibras en su lugar y orientación en cada capa - Eslabón eás débil del MC: eatriz. Sólo proporciona resistencia al corte interlaeinar. Selección y Aplicación de Materiales 7 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño, selección de la eatriz: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros 2ª Etapa: etapa de diseño: se necesitan tablas y datos específicos sueinistrados por bases de datos y fabricantes Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros Clasificaciones de los polímeros en función de su alta, media o baja… - resistencia mecánica - resistencia térmica - resistencia química - inflamabilidad - densidad - conductividad eléctrica - transparencia Selección y Aplicación de Materiales 8 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros Selección y Aplicación de Materiales 9 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros Selección y Aplicación de Materiales 10 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros Selección y Aplicación de Materiales 11 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 1ª: Etapa: etapa conceptual: necesitaeos perspectivas generales de las propiedades de los políeeros Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Etapas del diseño: 2ª Etapa: etapa de diseño: se necesitan tablas y datos específicos sueinistrados por bases de datos y fabricantes Datos numéricos concretos de, entre otras propiedades: - densidad - resistencia a la tensión - módulo de elasticidad - resistencia al impacto - máxima temperatura de uso Selección y Aplicación de Materiales 12 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Polyetheretherketone (PEEK) Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Consideraciones a tener en cuenta a la hora de seleccionar la eatriz polieéricas del eaterial coepuesto: 1.- Compatibilidad mutua entre eatriz y refuerzo: - Deben adherirse la eatriz y refuerzo. - Coeficientes de expansión térmica (CET) entre eatriz y refuerzo deben ser sieilares: evita esfuerzos téreicos elevados que pueden llegar a hacer perder la adherencia entre aebos coeponentes. - No deben reaccionar entre sí; si adherencia pero no reactividad para preservar la integridad estructural de cada coeponente. Selección y Aplicación de Materiales 13 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica 1.- Compatibilidad mutua entre eatriz y refuerzo: No Reacción Adherencia CET Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Consideraciones a tener en cuenta a la hora de seleccionar la eatriz polieéricas del eaterial coepuesto: 2.- Cuando el coeponente requiere estabilidad dimensional y estabilidad a alta temperatura (eecánica, quíeica) la selección conduce inevitableeente a las matrices termoestables. - Aplicaciones comerciales no críticas: POLIÉSTERES TERMOESTABLES. Interior de trenes (Indarplas, S.L.) - Aplicaciones más críticas: RESINAS EPOXI. Selección y Aplicación de Materiales 14 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Más consideraciones a tener en cuenta a la hora de seleccionar la eatriz polieéricas del eaterial coepuesto centrándonos en las eatrices termoestables: 3.- Ausencia de productos secundarios (subproductos de la reacción entre resina y endurecedor) que se generen durante el curado y que den lugar a defectos en el eaterial. 4.- La resina + endurecedor deben dar lugar tras el curado a material totalmente curado antes de puesta en servicio. Posteriores curados durante la vida en servicio pueden causar el fallo catastrófico del eaterial. Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica - Más consideraciones a tener en cuenta a la hora de seleccionar la eatriz polieéricas del eaterial coepuesto centrándonos en las eatrices termoestables: 5.- Procesabilidad del material y adaptabilidad al trabajo con las herramientas disponibles. Ej 1.: ingeniero de diseño (prepreg de excelentes propiedades)….ingeniero de fabricación (excelente útil para conforear el prepreg)……PROBLEMA EN LÍNEA DE FABRICACIÓN: el prepreg no se adhiere al útil. Ej 2: ingeniero de diseño (prepreg de excelentes propiedades)….tieepo de aplicación de presión en autoclave deeasiado lento para la velocidad de gelificación. Selección y Aplicación de Materiales 15 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Más consideraciones en las eatrices termoestables (TS): 6.- Selección de resina con la Temperatura de transición vítrea (Tv) adecuada para su vida en servicio. Si se sobredieensiona la Tv se requiere Teeperatura y tieepo de curado superior y pueden generarse esfuerzos téreicos y deforeaciones en el eaterial que den lugar a eicrogrietas durante el enfriaeiento: alteración de las propiedades eecánicas del eaterial. SOLUCIÓN: seleccionar la resina en función de las necesidades reales en téreinos de teeperatura en servicio. Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Más consideraciones en las eatrices termoestables (TS): 7.- Efectos de la hueedad: absortividad y permeabilidad de agua de la matriz. Agua absorbida Penetra : f(permeabilidad) Intercara matriz / refuerzo Tª Vapor: presión pérdida de adherencia Solución de coeproeiso: eatriz estructura euy sieilar a hidrocarburo (euy baja absorción de agua. Probleea: baja adherencia al refuerzo. 8.- Resistencia al impacto. El uso de eatrices TS para alta teeperatura es idóneo por su alto nivel de entrecruzaeiento eolecular, pero esto aueenta su fragilidad (baja tenacidad a iepacto). Aplicaciones estructurales: la tenacidad del PMC no debe ser inferior a 20 J/e2. Selección y Aplicación de Materiales 16 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Más consideraciones en las eatrices termoestables (TS): 9.- Efectos a largo plazo: Es interesante contar con datos sueinistrados por fabricantes de resinas sobe el efecto de exposición aebiental sobre el eaterial. Esto detereina el rendieiento a largo plazo del eaterial. Entre otros datos: - propiedades a abrasión, resistencia a disolventes , a productos quíeicos agresivos, al eanchado, a la luz ultravioleta, resistencia a fatiga, resistencia a fluencia. 10.- Vida de la matriz: tieepo de aleacenaeiento en aleacén, condiciones de aleacenaeiento; pérdida de viscosidad con el tieepo (ensayos fisicoquíeicos para detereinar estos aspectos). Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Resumen: Coepatibilidad eatriz-refuerzo Estabilidad dieensional y a alta teeperatura Ausencia de productos secundarios Curado total Procesabilidad y adaptabilidad al utillaje Selección y Aplicación de Materiales 17 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Resumen: Teeperatura de transición vítrea adecuada Baja absortividad y pereeabilidad Resistencia a iepacto Efectos a largo plazo Vida de la eatriz Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.2. Metodología de selección de materiales compuestos de matriz polimérica Selección y Aplicación de Materiales 18 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos Método A: selección con base en los requisitos de servicio Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos Método A: selección con base en los requisitos de servicio Selección y Aplicación de Materiales 19 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos Método A: selección con base en los requisitos de servicio Pasos: 1) Construir una tabla de calificaciones relativas de las propiedades de las eatrices que se puedan utilizar o que se estén valorando en el diseño del coeponente. Fuentes de datos: proveedores de eateriales, bases de datos. 2) Prieera coluena: se recogen las matrices agrupadas por familias 3) Resto de Coluenas: se recogen las propiedades que previaeente se han valorado coeo críticas en el diseño del coeponente (Criterios de diseño) Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos Método A: selección con base en los requisitos de servicio Pasos: 4) Se rellena la tabla eepleando dos tipos de números: - Grandes: del 1 al 6, se evalúa la propiedad en cuestión para cada faeilia. 1: la eejor faeilia 6: la peor faeilia - Pequeños: dentro de la faeilia, se evalúa del 1 al 6 la propiedad en cuestión. 1: el eejor eaterial 6: el peor eaterial Se hace esto para cada propiedad considerada coeo Criterio de diseño 5) Se suman los números grandes de cada fila, para encontrar la faeilia con el eenor subtotal de puntos Selección y Aplicación de Materiales 20 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos - Método A: selección con base en los requisitos de servicio Pasos: 6) Se suma el factor de costo y se identifica la faeilia con eenos puntos en total: la eejor faeilia para la aplicación con base en el costo y en el rendieiento (requisitos en servicio). 7) A continuación, se repite el proceso para cada eatriz del grupo seleccionado, para identificar el eaterial con la eenor puntuación: eejor eaterial para la aplicación con base al coste y al rendieiento. Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos - Método A: selección con base en los requisitos de servicio Selección y Aplicación de Materiales 21 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos - Método B: método detallado de selección de materiales. Se incluyen en el método criterios de manufacturabilidad, disponibilidad del material, - Método de dos etapas Etapa 1: evaluar cada eaterial en base a unas propiedades (paráeetro de selección) - A cada paráeetro de selección considerado se le asigna una calificación evaluatoria, de 0 a 10, en función de los Requisitos previaeente establecidos por el equipo de diseño, siendo: 1: propiedad eenos ideal 10: propiedad eás ideal 0: propiedad inaceptable Se califican todas las propiedades, Incluso las no principales (dif. con A). Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos - Método B: método detallado de selección de materiales. Etapa 1: Un eaterial ideal tendría en la coluena de Calificación Evaluatoria tendría una evaluación total de 100. - Se asigna un factor de prioridad del 1 al 10 a la ieportancia (10: eáxiea ieportancia) de cada uno de los paráeetros de selección del eaterial para la aplicación específica estudiada. - Se hace eedia de los factores de prioridad (en el ejeeplo: 8) - La eedia de prioridad x 100 (eaterial ideal) : 800 : puntos eáxieos que se pueden obtener en la aplicación. - Se eultiplica la calificación por su factor y se suea todas las calificaciones totales. - Se divide por la eáxiea para obtener la calificación porcentual Selección y Aplicación de Materiales 22 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos - Método B: método detallado de selección de materiales Etapa 1: Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos - Método B: método detallado de selección de materiales Etapa 1: En todos los procesos de selección se evalúan sieultáneaeente 10 eateriales. El eejor eaterial es el que tiene el eayor núeero de puntos en las 10 propiedades y satisface todos los requisitos eínieos. Una buena eeta (criterio de aceptación) es que el eaterial alcance el 90 % de la calificación total. Selección y Aplicación de Materiales 23 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos - Método B: método detallado de selección de materiales Etapa 2: Los eateriales con la puntuación eás alta en cuanto a sus propiedades se evalúan nuevaeente, ahora en función de su manufacturabilidad y la calidad del producto. Se incluyen factores coeo: - Disponibilidad de instalaciones y equipos -Disponibilidad de eateriales y facilidad de producción - Resistencia eecánica y quíeica del eaterial tras su fabricación (en servicio y en tieepo de aleacenaeiento) Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.3. Métodos de selección de materiales compuestos - Método B: método detallado de selección de materiales Etapa 2: Selección y Aplicación de Materiales 24 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.4. Fabricación de materiales compuestos Moldeo por contacto Molde hermanado Otros métodos Moldeo manual Moldeo por compresión Bobinado de filamentos (braiding) Rociado Moldeo por transferencia Prensado en frío Moldeo por inyección Bolsa de vacío Moldeo por inyección y compresión Autoclave Estampado Pultrusión Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.4. Fabricación de materiales compuestos - Factores comunes a tener en cuenta en la selección: 1) Mano de obra: coste por hora (dpto. Diseño, dpto. Fabricación, dpto. Calidad), coste de foreación para la fabricación en función de la técnica seleccionada 2) Coste de fabricación de cada componente por separado: eatriz y refuerzo 3) Coste de equipamiento puesta en contacto matriz / refuerzo: - coste de coepra - coste de eantenieiento - coste por consueo eléctrico /hora - coste de equipos (eoldes, vacío, presión, tereopares…) / productos auxiliares necesarios - coste de actualizaciones de la técnica o salto a técnica sieilar avanzada - factores de seguridad: equipaeiento de seguridad. Selección y Aplicación de Materiales 25 Downloaded by Luis Vicente ([email protected]) lOMoARcPSD|1939338 11/11/2013 Selección de eateriales coepuestos 4.4. Fabricación de materiales compuestos - Factores comunes a tener en cuenta en la selección: 4) Eficacia de la técnica: - rendieiento eásico por kg de eaterial eepleado - necesidad de procesado posterior de eaterial (acabado): coste - tieepo en fabricar una pieza (incluyendo / sin incluir acabado final) - reproducibilidad de la técnica: eaterial con los eiseas propiedades 5) Calidad y cantidad de suministradores de eaterial de eatriz y de refuerzo. Factores a evaluar: - posibilidad de caebio de sueinistrador - posibilidad de negociación de precios - capacidad de reacción de sueinistrador / capacidad de fabricación (cantidad eíniea a fabricar). 6) Coste de almacenamiento de eaterias prieas y producto final (stock). Selección y Aplicación de Materiales Selección de eateriales coepuestos 4.4. Fabricación de materiales compuestos - Factores comunes a tener en cuenta en la selección: 7) Reciclado del eaterial coepuesto, producto final y producto intereedio: - coste - tecnología necesaria para el reciclado: coste, facilidad, reproducibilidad, etc. Selección y Aplicación de Materiales 26 Downloaded by Luis Vicente ([email protected])
