Materiales Compuestos: Presentación de Ingeniería Mecatrónica

CURSO:
Ciencias y Mecánica de los Materiales.
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
V I U N I DA D : M AT E R I A L E S C O M P U E S TO S
DOCENTE: M. VERÓNICA BRINGAS RODRÍGUEZ
INTRODUCCIÓN
• Muy parecido a las aleaciones de metal, los
compuestos mezclan dos o más materiales juntos
para formar un material con propiedades
diferentes a las de cada uno de los materiales
padres.
• El objetivo es obtener una combinación de
propiedades que no se pueden conseguir de otra
manera con los materiales de forma particular.
• La concha del abulón, la madera, el hueso y los
dientes son ejemplos de materiales compuestos de
origen natural.
INTRODUCCIÓN
• Los compuestos se pueden seleccionar para
alcanzar combinaciones no usuales de rigidez,
peso, densidad, desempeño a altas temperaturas,
resistencia a la corrosión, dureza o conductividad.
• En los compuestos son importantes las
propiedades y fracciones volumétricas de cada
fase individual; también es significativa la
conectividad de las fases.
La importancia que tiene para la ingeniería un
material compuesto es que dos o más
materiales diferentes se combinan para
formar otro cuyas propiedades son superiores
a las de sus componentes individuales.
M AT R I Z
• Un material compuesto consta de dos fases. Consiste
en una o más fases discontinuas incrustadas en una
fase continua. La fase discontinua suele ser más dura y
resistente que la fase continua y se denomina
"refuerzo" o "material de refuerzo", mientras que la
fase continua se denomina matriz.
• La fase continua es la matriz, que suele ser más dúctil
y menos dura. Contiene la fase dispersa y comparte
una carga con ella. La matriz está compuesta de
cualquiera de los tres tipos básicos de materiales, es
decir, polímeros, metales o cerámicas. La matriz forma
la forma a granel de la pieza o producto.
REFUERZO
• La fase secundaria incrustada en la matriz es una fase
discontinua. Suele ser más dura y resistente que la
fase continua. Sirve para reforzar los compuestos y
mejorar las propiedades mecánicas generales de la
matriz. Las propiedades de los compuestos
dependen en gran medida de las propiedades de sus
materiales constituyentes, su distribución y la
interacción entre ellos. Las propiedades de los
compuestos pueden ser la suma de la fracción de
volumen de las propiedades de los constituyentes o
los constituyentes pueden interactuar de forma
sinérgica dando como resultado propiedades
mejoradas o mejores.
¿CÓMO SON SUS PROPIEDADES?
CLASIFICACIÓN
Reforzados con fibras
• Los compuestos rodean a las
fibras fuertes con un material
matriz típicamente amorfo
que protege y orienta a las
fibras.
Reforzados con
partículas
• Compuestos que contienen
grandes números de
partículas gruesas
Laminares
Híbridos
• Compuestos que están
hechos al alternar juntas con
un adhesivo capas de
diferentes materiales
• Involucran a los compuestos
de los compuestos.
• Materiales compuestos
producidos con al menos una
fase que por sí sola es un
material compuesto.
EJEMPLOS
Concreto
con fibra
de vidrio
Concreto
Triplay
COMPUESTOS REFORZADOS CON
FIBRAS
Los compuestos reforzados con fibras consisten de
dos fases: la fibra y la matriz.
En la mayoría de los casos, fibras fuertes y rígidas
pero frágiles son puestas en una matriz tenaz pero
más dúctil, resultando en un material con excelente
proporción de resistencia-peso, rigidez y resistencia a
la fatiga.
El rol de la fibra es soportar cargas relevantes de
tracción en la dirección longitudinal.
C O M P U E S TO S D E PA R T Í C U L A S
Son los compuestos más fáciles de fabricar y menos caros.
Contienen un gran número de partículas aleatoriamente
orientadas llamados agregados, las cuales ayudan al compuesto
a soportar cargas de compresión.
Las propiedades finales de los compuestos de partículas son
más fáciles de predecir debido a que están libres de las
cuestiones de orientación.
Estos materiales son isotrópicos, teniendo las mismas
propiedades en todas las direcciones.
Las partículas de agregados incrementan el módulo del
compuesto mientras reducen la ductilidad y permeabilidad del
material matriz.
Las partículas de agregados de menos de 0.25 pulgadas de
diámetro se clasifican como agregados finos, mientras que las
partículas más grandes se clasifican como agregados gruesos.
COMPUESTOS LAMINARES
Los compuestos laminares consisten de capas alternantes
de materiales bidimensionales con orientación anisotrópica
conectada mediante capas de materiales matriz.
El compuesto laminar más común es la madera
contrachapada, la cual consiste de delgadas capas de
chapa de madera unidas por adhesivos.
En las aplicaciones aeroespaciales, en donde se requiere
resistencia pero el peso es un factor significativo, lleva a la
formación de un compuesto sándwich. Frecuentemente se
utilizan fuertes hojas de cara en los extremos exteriores del
compuesto como aleaciones de titanio o matas de compuesto
reforzado con fibras, ya que son responsables del manejo de la
mayoría de las cargas y tensiones aplicadas.
COMPUESTOS LAMINARES
Entre las hojas de cara es frecuente que un material
de baja densidad se forme en la estructura de panal
y se use para añadir rigidez y resistir tensiones
perpendiculares.
Las propiedades de los materiales de panal
dependen del tamaño de la célula y el grosor y la
fuerza del material de red. En aplicaciones simples, el
cartón se utiliza como el material de panal, pero el
aluminio o polímeros de alto desempeño son
necesarios para las aplicaciones aeroespaciales y
otras de alta gama.
F I B R A S PA R A M AT E R I A L E S
COMPUESTOS DE PLÁSTICO
REFORZADO
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FIBRAS
Las fibras tienen la virtud única de ser fuertes pero flexibles: tire de ellas y resisten,
flexiónelas y se adaptan. Hilarlos en cuerda o tejerlos en tela y estos heredan las
mismas propiedades.
El material matriz rodea a las fibras, las orienta para optimizar su desempeño
colectivo, las protege de ataques ambientales y les transfiere la carga.
• El poliéster es el material matriz más común debido a su relativo bajo costo.
• Las resinas epóxicas se utilizan cuando hay que tomar en cuenta la contracción y el
costo es de menor importancia.
Se pueden fabricar fibras de metal (se utilizan para reforzar los neumáticos de los
automóviles), pero los metales son pesados. Más interesantes son las fibras ligeras,
rígidas y fuertes.
Aquí hay algunas que, por su resistencia y flexibilidad, permiten la creación de
materiales novedosos.
FIBRAS DE VIDRIO
PA R A R E F O R Z A R
RESINAS DE PLÁSTICO
Las fibras de vidrio se usan como refuerzo de
matrices de plástico para formar compuestos
estructurales y compuestos de moldeo.
Alta relación
entre
resistencia y
peso
Facilidad de
fabricación y
costo
relativamente
bajo
Buena
estabilidad
dimensional
Ventajas
Buenas
propiedades
de
aislamiento
eléctrico
Buena
resistencia a
los cambios
de
temperatura
Buena
resistencia a
ambientes a
agentes
corrosivos
F I B R A S D E C A R B O N O PA R A
PLÁSTICOS REFORZADOS
Los materiales compuestos que se fabrican utilizando
fibras de carbono para reforzar matrices de resina plástica,
como las epóxicas, se caracterizan por tener una
combinación de ligereza de peso, muy alta resistencia y
elevada rigidez (módulo de elasticidad). Estas propiedades
hacen que el uso de materiales compuestos de plástico
con fibras de carbono sea especialmente atractivo para
aplicaciones aeroespaciales. Desafortunadamente, el costo
relativamente alto de las fibras de carbono limita su uso en
muchas industrias.
bajo peso
alta resistencia
rígido
costo alto
aplicaciones aeroespaciales
F I B R A S D E A R A M I DA PA R A R E F O R Z A R
RESINAS DE PLÁSTICO
•
Fibra de aramida es el nombre genérico de las fibras de poliamida aromática.
Las fibras de aramida fueron presentadas comercialmente en 1972 por Du
Pont con el nombre comercial de Kevlar.
•
Las fibras de aramida se procesan de tal manera que las cadenas de polímero
se alinean paralelas al eje de la fibra. La unidad química es una poliamida
aromática con estructura anular que le confiere una gran rigidez; el fuerte
enlace covalente da alta resistencia. Están disponibles en forma de baja
densidad/alta resistencia (Kevlar 29) y en una forma adecuada para refuerzo
(Kevlar 49).
•
El Kevlar 29 es una fibra aramida de baja densidad y alta resistencia, diseñada
para ciertas aplicaciones, como protección balística, cuerdas y cables.
•
El Kevlar 49 se caracteriza por su baja densidad y alta resistencia y módulo de
elasticidad. Las propiedades del Kevlar 49 hacen que sus fibras sean útiles
como refuerzos de plástico en materiales compuestos para aplicaciones
aeroespaciales, marítimas, automotrices y otras de tipo industrial.
poliparafenileno tereftalamida
COMPUESTOS REFORZADOS CON
F I B R A S N AT U R A L E S
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INTRODUCCIÓN
• El interés por los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras naturales está
creciendo rápidamente, tanto en términos de sus aplicaciones industriales como de
investigación fundamental.
• Estos son renovables, baratos, reciclables total o parcialmente y biodegradables.
• Las plantas, como el lino, el algodón, el cáñamo, el yute, el sisal, el kenaf, la piña, el ramio, el
bambú, el plátano, etc., así como la madera, utilizadas desde tiempos inmemoriales como
fuente de fibras lignocelulósicas, se utilizan cada vez más como refuerzo de los materiales
compuestos.
• Su disponibilidad, renovabilidad, baja densidad y precio, así como sus satisfactorias
propiedades mecánicas, los convierten en una alternativa ecológica atractiva a las fibras de
vidrio, carbono y artificiales utilizadas para la fabricación de materiales compuestos.
• Los materiales compuestos que contienen fibras naturales son más respetuosos con el
medio ambiente y se utilizan en el transporte (automóviles, vagones de tren, aeroespacial),
aplicaciones militares, industrias de la construcción (paneles para techos, tableros divisorios),
embalajes, productos de consumo, etc.
LUNES, 1 DE FEBRERO DE 20XX
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V E N TA J A S D E LO S C O M P O S I T E S D E
F I B R A S N AT U R A L E S
• Las principales ventajas de los composites de fibras naturales son:
• Bajo peso específico, lo que se traduce en una mayor resistencia y rigidez
específicas que la fibra de vidrio.
• Es una fuente renovable, su producción requiere poca energía y se utiliza CO2
mientras que el oxígeno se devuelve al medio ambiente.
• Se puede producir con poca inversión y a bajo coste, lo que hace que el material
sea un producto interesante para países con salarios bajos.
• Menor desgaste de las herramientas, condiciones de trabajo más saludables y sin
irritación de la piel.
• Es posible el reciclado térmico, mientras que el vidrio causa problemas en los
hornos de combustión.
• Buenas propiedades de aislamiento térmico y acústico.
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EMPRESAS QUE APLICAN CRFN
LUNES, 1 DE FEBRERO DE 20XX
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M AT E R I A L E S M AT R I Z PA R A
M AT E R I A L E S C O M P U E S TO S D E
PLÁSTICO
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INTRODUCCIÓN
• Los materiales de matriz más utilizados son poliméricos. Esto se debe a dos razones.
En general, las propiedades mecánicas de los
polímeros son inadecuadas para muchos
propósitos estructurales. En particular, su
resistencia y rigidez son bajas en comparación
con los metales y las cerámicas. Estas
dificultades se superan reforzando otros
materiales con polímeros.
En segundo lugar, el procesamiento de los
compuestos de matriz polimérica no necesita
una alta presión ni requiere altas temperaturas.
Además, los equipos necesarios para la
fabricación de compuestos de matriz polimérica
son más simples. Las propiedades generales de
los compuestos son superiores a las de los
componentes individuales, por ejemplo,
polímero/cerámica.
LUNES, 1 DE FEBRERO DE 20XX
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MATERIALES MATRIZ PARA MATERIALES
COMPUESTOS DE PLÁSTICO REFORZADO
CON FIBRA
• Dos de las matrices de resinas de plástico más importantes para los plásticos reforzados con
fibra son las resinas de poliéster no saturado y las resinas epóxicas.
• Las resinas de poliéster cuestan menos, pero no son tan
resistentes como las resinas epóxicas. El poliéster no saturado
se usa ampliamente en matrices de plásticos reforzados con
fibras. Entre las aplicaciones de esos materiales se encuentran
los cascos de las lanchas, paneles de construcción y paneles
estructurales para automóviles, aviones y aparatos
electrodomésticos.
• Las resinas epóxicas cuestan más pero tienen ventajas
especiales, como son las buenas propiedades de resistencia y
menor contracción que las resinas de poliéster después de ser
curadas. Las resinas epóxicas se usan de ordinario como
materiales aglutinantes para compuestos con fibras de
carbono y de aramida.
C O M P U E S TO S C O N M AT R I Z D E
M E TA L Y M AT R I Z D E C E R Á M I C A
26
C O M P U E S TO S C O N M AT R I Z D E M E TA L
(CMM)
Los compuestos de matriz metálica tienen muchas ventajas sobre los metales monolíticos, como un
módulo específico más alto, una resistencia específica más alta, mejores propiedades a temperaturas
elevadas y un coeficiente de expansión térmica más bajo. Debido a estos atributos, los compuestos de
matriz metálica se están considerando para una amplia gama de aplicaciones, a saber, boquillas de
cámaras de combustión (en cohetes, transbordadores espaciales), carcasas, tubos, cables,
intercambiadores de calor, elementos estructurales, etc.. En general, en función del refuerzo, los tres
principales tipos de CMM son los reforzados con fibra continua, con fibra discontinua y con partículas
de un material.
CMM REFORZADOS CON FIBRA CONTINUA
• Los filamentos continuos constituyen el mayor
perfeccionamiento en la rigidez (módulo de
tensión) y resistencia de los CMM.
• Tenemos como ejemplo la aleación de
aluminio reforzada con fibras de boro.
• Al añadir 51% en volumen de B, la resistencia
a la tensión axial de la aleación de aluminio
6061 aumentó de 310 a 1 417 MPa, mientras
que su módulo de tensión se incrementó de
69 a 231 GPa. Entre las aplicaciones de los
compuestos de Al-B figuran algunos
miembros estructurales de la parte media del
fuselaje de un trasbordador espacial orbital.
a) Filamento de boro de 100 μm de diámetro rodeando a un núcleo de alambre de
tungsteno de 12.5 μm de diámetro. b) Micrografía de la sección transversal de un
compuesto hecho de una aleación de aluminio y boro (amplificación 40 ×.)
CMM REFORZADOS CON FIBRA
D I S C O N T I N UA Y C O N PA R T Í C U L A S
En la ingeniería, estos materiales tienen las ventajas de mayor resistencia, más rigidez y mejor
estabilidad dimensional que las aleaciones metálicas no reforzadas.
Los CMM reforzados con partículas son CMM de aleaciones
de aluminio de bajo costo, fabricados utilizando partículas de
forma irregular de alúmina y carburo de silicio. Las partículas,
que a veces se tratan con recubrimiento, pueden mezclarse
con la aleación de aluminio derretida y moldearse en lingotes
o palanquillas de extrusión para su procesado futuro. La
resistencia final a la tensión de la aleación de Al 6061 puede
aumentar de 310 a 496 MPa con la adición de 20 por ciento
de SiC, mientras que el módulo de tensión puede
incrementarse de 69 a 103 GPa. Entre las aplicaciones de este
material figuran equipos deportivos y partes de motores de
automóvil.
C O M P U E S TO S C O N M AT R I Z D E
CERÁMICA (CMC)
Uno de los principales objetivos en la producción de
compuestos de matriz cerámica es aumentar la
tenacidad. Naturalmente, se espera y, de hecho, a
menudo se encuentra que existe una mejora
concomitante en la resistencia y la rigidez de los
compuestos de matriz cerámica.
Recientemente se han desarrollado materiales
compuestos con matriz de cerámica que tienen
propiedades mecánicas mejoradas, por lo cual su
resistencia y dureza son superiores a las de la matriz
de cerámica no reforzada. Una vez más, los tres
principales tipos de estos compuestos en función del
refuerzo son: con fibra continua, con fibra discontinua
y con partículas.
CMC REFORZADOS CON FIBRA
CONTINUA
• Dos tipos de fibras continuas que se han usado en
los CMC son el carburo de silicio y el óxido de
aluminio. En el proceso de fabricar un material
compuesto con matriz de cerámica, las fibras de
SiC se entretejen en forma de felpa y luego se
deposita un vapor químico para que el SiC quede
impregnado dentro de la felpa de fibras.
• En otro proceso, las fibras de SiC se encapsulan
dentro de un material de cerámica vítrea.
• Algunas aplicaciones de estos materiales son
tubos de intercambiador de calor, sistemas de
protección térmica y materiales para ambientes
expuestos a la erosión corrosiva.
CMC CON REFUERZO DISCONTINUO
( F I L A M E N TO S F I N O S ) Y CO N PA RT Í C U L A S
• Los filamentos finos de cerámica pueden
incrementar de modo considerable la resistencia a
la fractura de cerámicas monolíticas. La adición de
20% en volumen de filamentos de SiC a la alúmina
puede aumentar la resistencia a la fractura de la
cerámica de alúmina de 4.5 a 8.5 MPa .
• Los materiales con matriz de cerámica reforzados
con fibras cortas y con partículas tienen la ventaja
de que pueden ser trabajados mediante procesos
comunes de cerámica, como el prensado
isostático en caliente (PIC).
CONDICIONES DE
ISODEFORMACIÓN E ISOESFUERZO
33
CONDICIONES DE ISODEFORMACIÓN
Condición en la que la calidad de enlace entre la fibra y la matriz es suficiente como para que las dos se
alarguen en la misma proporción y experimenten la misma deformación.
• Considérese una muestra de prueba de un
compuesto laminoso ideal formado por capas
alternas de fibras continuas y materiales matriz.
• En este caso, el esfuerzo sobre el material
provoca una deformación uniforme en todas las
capas del compuesto. Supongamos que la
ligadura entre las capas se mantiene intacta
mientras están sometidas al esfuerzo. Este tipo
de carga sobre la muestra del material
compuesto se conoce como condición de
isodeformación.
Cuando una carga de tracción se aplica al compuesto en la dirección del
reforzamiento de la fibra (longitudinalmente), la fibra y la matriz comienzan
a deformarse.
CONDICIONES DE ISODEFORMACIÓN
Esta ecuación se conoce como la regla de mezclas para compuestos binarios y permite
calcular un valor para el módulo elástico de un compuesto si se conocen los módulos
elásticos de la fibra y la matriz, así como sus porcentajes en volumen.
CONDICIONES DE ISOESFUERZO
Condición en la que las fibras de una matriz esencialmente no ofrecen beneficio de reforzamiento a la matriz cuando se
aplica una carga en la dirección transversal, provocando que ambos experimenten esencialmente la misma deformación.
• Considérese ahora el caso de una estructura
compuesta laminar ideal formada por capas de
fibra y de matriz, en la que las capas son
perpendiculares a la deformación aplicada. En
este caso, el esfuerzo sobre la estructura del
compuesto produce una condición de esfuerzos
iguales sobre todas las capas, por lo cual recibe
el nombre de condición de isoesfuerzo.
Cuando se aplica la carga en la dirección transversal, las fibras esencialmente
no proporcionan ningún beneficio de reforzamiento a la matriz.
CONDICIONES DE ISOESFUERZO
Y los módulos elásticos del compuesto se pueden calcular a partir de la ecuación:
CONDICIONES DE ISODEFORMACIÓN E
ISOESFUERZO
EJEMPLO
Calcule a) el módulo de elasticidad en el siguiente material compuestos sometidos a esfuerzo en
condiciones de isodeformación. El compuesto es una resina continua de fibra de vidrio-refuerzo
epóxico producida utilizando 60 por ciento en volumen de fibras de vidrio E con un módulo de
elasticidad de Ef = 10.5 × 106 psi y una resistencia a la tensión de 350000 psi, y una resina epóxica
endurecida con un módulo de Em = 0.45 × 106 psi y una resistencia a la tensión de 9 00 psi.
CONDICIONES DE ISODEFORMACIÓN E
ISOESFUERZO
DESARROLLO
Calcule:
a) el módulo de elasticidad
REGLA DE MEZCLAS
DATOS
Condición de isodeformación.
• FIBRA DE VIDRIO
• 60 por ciento en volumen
• Ef = 10.5 × 106 psi
• Resistencia a la tensión de 350000 psi
• RESINA EPÓXICA
• 40 por ciento en volumen
• Em = 0.45 × 106 psi
• resistencia a la tensión de 9 00 psi.
CONDICIONES DE ISODEFORMACIÓN E
ISOESFUERZO
DESARROLLO
a) el módulo de elasticidad
DATOS
Condición de isodeformación.
• FIBRA DE VIDRIO
• 60 por ciento en volumen
• Ef = 10.5 × 106 psi
• Resistencia a la tensión de 350000 psi
• RESINA EPÓXICA
• 40 por ciento en volumen
• Em = 0.45 × 106 psi
• resistencia a la tensión de 9 00 psi.
CONDICIONES DE ISODEFORMACIÓN E
ISOESFUERZO
EJEMPLO
Calcule el módulo de elasticidad de un material compuesto que consiste en 60 por ciento en volumen
de fibra de vidrio E continua y 40 por ciento de resina epóxica como la matriz, cuando se somete a
esfuerzo en condiciones de isoesfuerzo (es decir, el material se somete a esfuerzo en dirección
perpendicular a las fibras continuas). El módulo de elasticidad del vidrio E es 10.5 × 106 psi y el de la
resina epóxica es 0.45 × 106 psi.
CONDICIONES DE ISODEFORMACIÓN E
ISOESFUERZO
DATOS
DESARROLLO
Calcule:
a) el módulo de elasticidad,
Condición de isoesfuerzo.
• FIBRA DE VIDRIO
• 60 por ciento en volumen
• Ef = 10.5 × 106 psi
• RESINA EPÓXICA
• 40 por ciento en volumen
• Em = 0.45 × 106 psi
PROCESAMIENTO INDUSTRIAL DE
M AT E R I A L E S C O M P U E S TO S
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PROCESOS DE MOLDE ABIERTO PARA
MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO
Proceso de colocación manual de capas
1.
2.
3.
4.
5.
Aplicación de una capa de gel en el molde abierto.
El refuerzo de fibra de vidrio se coloca en forma manual en el molde.
Se aplica la resina básica mezclada con catalizadores y aceleradores, vertiéndola ya sea con un cepillo o por
aspersión.
Se usan rodillos o escurridores para empapar perfectamente la resina con el refuerzo y expulsar el aire atrapado.
Se agregan capas de colchoneta de fibra de vidrio o roving tejido y resina para aumentar el grosor de las paredes
de la pieza que se fabrica.
Proceso de aspersión
Es similar al método de colocación manual de placas y puede usarse para fabricar cascos de embarcaciones, unidades
de tina de baño y ducha, y otras formas de mediano o gran tamaño.
Si se usa fibra de vidrio en este proceso, el roving de hebra continua se alimenta a través de una combinación de
triturador y pistola de aspersión que deposita simultáneamente dentro del molde el roving triturado y la resina con
catalizador. El laminado depositado se densifica después con un rodillo o escurridor para expulsar el aire y asegurarse
de que la resina impregne las fibras de refuerzo. Se pueden agregar múltiples capas para obtener el grosor deseado. El
curado suele realizarse a temperatura ambiente o puede acelerarse con la aplicación de una dosis moderada de calor.
PROCESOS DE MOLDE ABIERTO PARA
MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO
Proceso de bolsa de vacío en autoclave
Los materiales compuestos producidos con este método son de importancia particular en
aplicaciones de aeronáutica y aeroespaciales
1. Primero, una lámina larga y delgada o material epóxico con fibras de carbono
preimpregnado (prepreg) se coloca sobre una mesa grande.
2. A continuación se recortan trozos de la lámina prepreg y se colocan unos sobre otros
en un molde para formar un laminado.
3. Las capas o pliegues, como se les llama también, pueden colocarse en distintas
direcciones para producir el patrón de resistencia deseado, ya que la más alta
resistencia de cada pliegue se encuentra en dirección paralela a las fibras.
4.
5.
Una vez que el laminado ha sido fabricado, tanto el molde como el laminado se
introducen en una bolsa de vacío para extraer el aire atrapado en el interior de la parte
laminada.
Por último, la bolsa de vacío que contiene el laminado y el molde de maquinado se
introducen en una autoclave para el curado final de la resina epóxica.
PROCESOS DE MOLDE ABIERTO PARA
MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO
Proceso de embobinado del filamento
En este proceso, el refuerzo de fibra se alimenta mediante
un baño de resina y luego se enrolla en un mandril
adecuado. Cuando ya se han aplicado suficientes capas, el
mandril donde éstas están enrolladas es curado ya sea a
temperatura ambiente o en un horno a elevadas
temperaturas. Finalmente, la parte moldeada se extrae del
mandril.
El alto grado de orientación de las fibras y la elevada carga
de fibras que se obtienen con este método producen
cilindros huecos con resistencia a la tensión
extremadamente alta.
Entre las aplicaciones de este proceso se encuentran la
fabricación de tanques de almacenamiento para productos
químicos y combustibles, recipientes a presión y cubiertas
de motores de cohetes
PROCESOS DE MOLDE CERRADO PARA
MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO
Moldeo por compresión e inyección
Éstos son dos de los procesos más importantes
que se usan en grandes volúmenes para producir
plásticos reforzados con fibras en moldes
cerrados.
Estos procesos son en esencia los mismos que se
analizaron en los materiales poliméricos, salvo
que el refuerzo de fibra se mezcla con la resina
antes del procesado.
PROCESOS DE MOLDE CERRADO PARA
MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO
El proceso del compuesto para moldeo de placas (CMP)
El proceso del compuesto para moldeo de placas es uno de los procedimientos más novedosos de
molde cerrado que se usan para producir partes de plástico reforzado con fibra, sobre todo en la industria
automotriz. Este proceso permite tener un excelente control de la resina y obtener buenas propiedades
de resistencia mecánica en la fabricación de productos sumamente uniformes, de gran tamaño, en altos
volúmenes.
PROCESOS DE MOLDE CERRADO PARA
MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO
El proceso del compuesto para moldeo de placas (CMP)
El CMP enrollado se almacena luego en un cuarto de
maduración durante un periodo de uno a cuatro días
para que la lámina pueda soportar el vidrio. A
continuación, los rollos de CMP se llevan cerca de la
prensa y se cortan en el patrón de carga apropiado
para la parte específica, después de lo cual se
colocan en un molde de metal acoplado caliente.
Entonces se cierra la prensa hidráulica y el CMP fluye
uniformemente a presión (1 000 psi) a través del
molde para moldear el producto final. A veces se
puede inyectar un recubrimiento dentro del molde a
la mitad de la operación de prensado para mejorar la
calidad de la superficie de la pieza de CMP.
PROCESOS DE MOLDE CERRADO PARA
MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO
Proceso de pultrusión continua
La pultrusión continua se usa para fabricar plásticos
reforzados con fibras para obtener piezas con
sección transversal constante, como perfiles
estructurales, vigas, canales, conductos y tuberías.
En este proceso, las fibras de hebra continua se
impregnan en un baño de resina y luego se hacen
pasar por un dado de acero caliente donde se le da
forma al material terminado. Es posible alcanzar
resistencias muy altas con este material por la alta
concentración de fibras y su orientación, paralela a la
longitud del material sometido a tensión.
PROCESOS DE MOLDE CERRADO PARA
MATERIALES COMPUESTOS DE PLÁSTICO
Moldeo por transferencia de resina (RTM)
El moldeo por transferencia de resina (RTM) permite fabricar formas
complejas con materiales compuestos reforzados por fibras sin
incurrir en altos costes de utillaje.
Se utilizan moldes cerrados de dos partes normalmente, hechos de
polímeros reforzados con vidrio o aleaciones ligeras, con puntos de
inyección y agujeros de ventilación para permitir el escape de aire.
El refuerzo, ya sea en forma de tejido de fibras cortado a medida o
como material preimpregnado, se sitúa en el interior del molde,
posteriormente cerrado y fijado. Un sistema de resina de baja
densidad (normalmente poliéster) es mezclado mecánicamente e
inyectado a baja presión (hasta 2 MPa), con los conductos abiertos
para que el aire pueda escapar. A continuación, se deja curar el
molde a temperatura ambiente. La fluidez de la resina junto a la
baja presión de inyección permite que la vida útil de la maquinaria
sea larga y el proceso de bajo coste. Este proceso hace uso de una
bomba de inyección para resinas.
APLICACIONES
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INDUSTRIA AEROESPACIAL
Se utilizan compuestos termoendurecibles para alas,
fuselajes, mamparos y otras aplicaciones en
aplicaciones aeroespaciales comerciales, civiles y
militares.
INDUSTRIA AEROESPACIAL
Una nueva empresa italiana está fabricando el primer avión deportivo
ligero monomotor del mundo compuesto casi en su totalidad por
polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP).
NASHERO dice que su avión de dos asientos y alto rendimiento. “Para
nosotros, un alto rendimiento implica un consumo de combustible
extremadamente bajo para la distancia recorrida y un impacto
ambiental extremadamente bajo”, dice Naresh Sharma, CEO de la
compañía. El nuevo avión CFRP tendrá emisiones significativamente
más bajas que los automóviles híbridos de bajas emisiones en una milla
por asiento.
Los compuestos ofrecen varias ventajas sobre las aleaciones de
aluminio que se utilizan normalmente en la construcción de aviones
pequeños. Son de menor peso y resisten la corrosión, pero al mismo
tiempo tienen una excelente resistencia a la fatiga y rigidez.
INDUSTRIA AUTOMOTRIZ
BMW muestra el potencial de los compuestos dentro de un vehículo. BMW optó por usar CFRP para la
sección de pasajeros. El material es tan fuerte como el acero, pero la mitad del peso.
Para lograr un peso ligero, el modelo se diseñó desde cero y utiliza CFRP tanto en su estructura interna
como en la carrocería del vehículo. El techo compuesto está hecho de fibra de carbono reciclada.
INDUSTRIA ENERGÍA
Dos nuevas adiciones a la Torre Eiffel, turbinas eólicas ubicadas dentro del andamio a 400 pies sobre el
suelo, han hecho que el monumento icónico sea un poco más ecológico. El giro de las palas
compuestas de fibra de vidrio de las turbinas produce suficiente energía eólica para satisfacer las
necesidades eléctricas de la tienda de souvenirs, los restaurantes y las exhibiciones históricas en el
primer nivel del monumento.
INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN
El diseño combinó una estructura icónica en forma de mástil central y un cajón con dos vanos de FRP en forma de ala que
se levantan simultáneamente para permitir el paso del tráfico de embarcaciones. Las dos cubiertas del puente tienen 30
metros de largo cada una y solo 6 metros en su punto más ancho, creando un perfil esbelto y elegante, especialmente
cuando se levantan las alas.
Para cumplir con la dinámica longitudinal y de torsión, las cubiertas se fabricaron utilizando una mezcla de materiales: son
predominantemente fibra reforzada con vidrio y resina epoxi, además de cuatro tablas compuestas de fibra reforzada con
carbono colocadas en esquinas clave para mejorar la rigidez longitudinal.
INDUSTRIA DE TANQUES Y TUBERÍAS
Una nueva planta desalinizadora de Poseidon Water está suministrando hasta 50 millones de galones de
agua potable de alta calidad a 300.000 residentes del norte del condado de San Diego.
La tubería compuesta es un elemento clave con una gran resistencia a la corrosión, el polímero reforzado
con fibra de vidrio (GFRP) ofrece una mayor resistencia y se expande menos que la tubería alternativa de
polietileno de alta densidad (HDPE).
INDUSTRIA DEPORTIVA
La industria marítima ha visto su parte de botes livianos e inflables, pero un bote rígido y plegable es algo nuevo. Las 11
piezas de las embarcaciones de 12 pies de su empresa se pueden ensamblar con conexiones de "clic rápido" en solo un
minuto. La estructura compuesta de la embarcación la hace lo suficientemente liviana para que dos personas la manejen
fácilmente; pesa solo 132 libras.
El casco es un sándwich compuesto, con una espuma de alta densidad de calidad aeroespacial unida en su lugar entre dos
capas de fibra de vidrio reforzada con epoxi. Las áreas de desgaste como la quilla y el riel de la caña obtienen una capa
superior hecha de una combinación de poliuretano termoplástico (TPU) y acrilonitrilo butadieno estireno (ABS). Se utilizó el
laminado manual.
INDUSTRIA DE TRANSPORTE
Un equipo de investigación de la sede estadounidense de Volvo Group Truck Technology está investigando el uso de
compuestos ligeros en la fabricación de paneles de carrocería de camiones. Se están asociando con Arkema, un fabricante
de resinas, para desarrollar un material que incluye un sistema de resina de polipropileno reforzado con fibra de carbono
reciclada (rCF). El uso de este material junto con otros cambios podría ayudar a reducir el peso de un camión hasta en un
29 por ciento.
Volvo utiliza un proceso de infusión al vacío para moldear las piezas rCF, que luego se someten a calor y presión para su
curado. Debido a que la fibra de carbono es tan fuerte, solo se necesitan 2.5 libras para lograr una resistencia a la tracción
de 5,000 psi. Debido a la reducción de peso, el material rCF es una alternativa económica a los materiales tradicionales.
Además, las piezas rCF son 4,5 veces más resistentes que las piezas comparables.
El uso de fibra de carbono reciclada en lugar de fibra de carbono virgen también reduce los costos y mantiene los
materiales fuera del vertedero. Además, las piezas rCF se pueden reciclar cuando han llegado al final de su vida útil.
REFERENCIAS
• Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2018). Materials science and engineering: an introduction (Vol.
9). New York: Wiley.
• Smith, William F., et al. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales. México, DF:
McGraw-Hill, 2006.
• Newell, J. (2010). Ciencia de materiales-aplicaciones en ingeniería. Alfaomega Grupo Editor.
• Zweben, C.H. (2005). Encyclopedia of Condensed Matter Physics || Composites: Overview. , (),
192–208. doi:10.1016/b0-12-369401-9/00545-3
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