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«C.F.G.S. DISEÑO EN FABRICACIÓN MECÁNICA» MÓDULO 05: DISEÑO DE MOLDES PARA PRODUCTOS POLIMÉRICOS

MATERIALES COMPUESTOS O COMPOSITES 2.1. Introducción: Se llama material compuesto o composite a aquel sistema de materiales formado por fibras rectas más o menos largas, situadas en el interior de una matriz polimérica que mantiene a las fibras unidas y distribuye los esfuerzos. Las fibras soportan la mayor parte de las cargas de tracción mientras que la matriz se responsabiliza de la tolerancia al daño (tenacidad) y del comportamiento a fatiga. En cualquiera de los casos el material compuesto siempre tiene unas propiedades superiores a los materiales que lo conforman. La resistencia del composite depende, primeramente, de la cantidad y disposición de las fibras de refuerzo (40% – 60%), y del tipo de resina. Típicamente, cuanto mayor es la cantidad de refuerzo, mayor será la resistencia. En algunos casos, las fibras de vidrio se combinan con otras fibras, fi bras, como las de carbono o las de aramida, creando un compuesto "híbrido" que combina las propiedades de más de un material de refuerzo. Una fibra es una multitud de filamentos individuales. Una fibra puede tener desde 3.000 a 12.000 filamentos individuales. Las fibras ofrecen sus mejores propiedades cuando trabajan en la dirección axial, es decir, que en un caso ideal deberían alinearse las direcciones de las fibras con la dirección de la fuerza exterior. Las fibras se sitúan en capas o láminas superpuestas en la dirección del espesor obteniendo estructuras que se llaman laminados. Las láminas nunca se superponen con la misma orientación. Se deberá estu diar a fondo la secuencia de ordenamiento y orientación adecuada para cada caso. La secuencia de ordenamiento y orientación tiene más importancia incluso que las características físicas de las fibras y la matriz y es quien va a dar las propiedades finales al laminado. Usando las mismas fibras y matriz y variando secuencia de apilado y orientación se pueden conseguir infinitos comportamientos. Jugando con estos parámetros se pueden conseguir comportamientos radicalmente diferentes en resistencia, rigidez, tolerancia al daño , estabilidad dimensional. En el cálculo correcto de piezas de materiales compuestos, la geometría y el material (fibras, matriz, secuencia de apilado) deben diseñarse a la vez interactivamente. Obviamente el cálculo es mucho más complicado que para materiales clásicos. Las fibras se pueden obtener como fibras secas o como preimpregnados. La fabricación con preimpregnados es la que mejores calidades ofrece. A pesar de que para par a su almacenamiento son necesarias temperaturas muy bajas y los ciclos de procesado son a alta temperatura y presión, es la forma más sencilla de fabricación de materiales compuestos. En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el II/1


producto. Para ciertas aplicaciones las buenísimas propiedades mecánicas como la alta rigidez específica (E/r), la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a alta temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio.

Ventajas Baja densidad Excelente comportamiento frente a la corrosión Altas características mecánicas oLibertad de diseño o Integración de funciones o Acabados diversos o Reproducción fácil o Color en la masa Mantenimiento mínimo Materiales "a la carta" o Auto extinguibles o Translúcidos o Resistentes a impacto oResistentes a abrasión etc. Durabilidad elevada Uso en medios químicamente agresivos Aislante térmico Aislante eléctrico (excepto con refuerzos de carbono) Posibilidad de ser translúcidos Numerosos procedimientos de fabricación Permeable a las ondas electromagnéticas

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2.2. TIPOS DE FIBRAS Las formas más comunes se presentan bajo la forma de: filamento continuo o tejido, utilizado como material de refuerzo en paneles de fibra para piscinas, barcos, tanques y otros productos sintéticos duros. lana utilizada como aislante para el calor en edificios. 

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TEJIDO, ROVING, FIB RA S

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2.2.1. FIBRA DE VIDRIO Materias-Primas Más de la mitad de la mezcla de la materia prima que se utiliza para la fabricación de la fibra de vidrio es sílice (SiO2) en forma de arena, el componente básico para cualquier vidrio. Otros ingredientes son boratos, alúmina, cal y pequeñas cantidades de especialidades químicas. Las dos clases de vidrio más utilizadas para la fabricación de fibras son los vidrios E (eléctricos) y S (strength- de elevada resistencia). Los vidrios E son los más utilizados y su composición química aproximada es 52-56% de SiO2, 12-16% de Al2O3, 16-25% de CaO, y un 8-13% de B2O3. Este tipo de fibra de vidrio puede alcanzar una resistencia a la tracción de 2,4GPa. Los vidrios S son más caros que los E, y su aplicación mayoritaria es en el campo aeroespacial. La resistencia mecánica alcanza los 4,5GPa y su composición química aproximada es 65% de SiO2, 25% de Al2O3, y 10% de MgO. Los materiales son molidos, mezclados y llevados a un horno donde la temperatura es tan alta que la arena y los otros ingredientes se disuelven formando una masa fundida. Las paredes internas del horno se revisten con ladrillos refractarios especiales, que, periódicamente, requieren ser sustituidos. La masa de vidrio fundida fluye por bandejas de platino resistentes al calor, las cuales poseen millares de pequeñas aberturas tubulares perforadas, llamadas hileras. Esta corriente delgada de vidrio fundido es empujada y atenuada (empuje vertical) en un diámetro, es entonces enfriada con aire y agua para garantizar el diámetro y crear un filamento. Los filamentos, similares a cabellos, son recubiertos con una mezcla química en base acuosa, la cual tiene dos finalidades: 1) proteger a los filamentos durante el proceso y la manipulación y 2) asegurar buena adhesión entre la fibra y la resina. http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=UcNlRRLowuU

Bobinadoras En muchos casos, el cordón es enrollado en bobinadoras de alt a velocidad, las cuales recogen las fibras de vidrio. Muchas de estas bobinas son enviadas directamente a los clientes para ser empleadas en los procesos de pultrusión y enrollamiento.

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2.2.2. FIBRA DE CARBONO

Las fibras de carbono se producen a partir de fibras de PAN (poliacrilonitrilo) en tres etapas: Estabilización: en esta etapa la fibras de PAN son alineadas y estiradas a una temperatura de 200ºC Carbonización: en este proceso las fibras se calientan a 1000 – 1500ºC en una atmósfera inerte, de manera que se desprendan los elementos O, H y N, quedando únicamente hilos de grafito. Grafitización: en esta última fase se hace un calentamiento hasta 1800ºC para mejorar la orientación de las estructuras de grafito y así aumentar el módulo elástico. 

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2.2.3. FIBRAS DE ARAMIDA O FIBRAS DE KEVLAR Desde la invención de los plásticos en 1909, la industria de los materiales sintéticos ha ofrecido grandes innovaciones. Una de las más sorprendentes fue el kevlar, inventado en 1965 por Stephanie Kowlek, que debido a su resistencia, se usa para los chalecos antibala y los cascos de los motoristas. Las aramidas pertenecen a una familia de nylon, incluyendo el Nomex y el Kevlar.

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El Kevlar es una poliamida (altamente cristalina), en la cual todos los grupos amida están separados por grupos para-fenileno, es decir, los grupos amida se unen al anillo fenilo en posiciones opuestas entre sí, en los carbonos 1 y 4. Llevó mucho tiempo encontrar alguna aplicación útil para el Kevlar, dado que no era soluble en ningún solvente. Por lo tanto, su procesado en solución estaba descartado. No se derretía por debajo de los 500oC, de modo que también se descartaba el hecho de procesarlo en su estado fundido. Basicamente hay dos tipos de fibras de Kevlar: Kevlar 29 y Kevlar 49. El Kevlar 29 es la fibra tal y como se obtiene del proceso de fabricación. Se usa en tiras como refuerzo por sus buenas propiedades mecánicas. Entre sus aplicaciones está la fabricación de cables, ropa resistente (de protección) o chalecos antibalas. El Kevlar 49 se emplea cuando las fibras se van a embeber en una resina para formar un material compuesto. Las fibras de Kevlar 49 están tratadas superficialmente para favorecer la unión con la resina. El Kevlar 49 se emplea como equipamiento para deportes extremos, para altavoces y para la industria aeronáutica, aviones y satélites de comunicaciones y cascos para motos.

2.3. COMPARACIÓN CON LOS MATERIALES TRADICIONALES MATERIALES COMPUESTOS

DENSIDAD g/cm3

1,5 - 2

PVC

MADERA ALUMINIO ACERO HORMIGÓN ARMADO

1,35 - 1,45 0,6 - 1,2

2,7

7,8

2,2 -2,5

Principales Propiedades: PROPIEDAD

ACERO

RESISTENCIA A LA TRACCI N – MPa - 500 - 2400 MÓDULO ELÁSTICO – GPa 150 - 250 3 DENSIDAD – g/cm 7,8 PROPIEDAD

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN – MPa MÓDULO ELÁSTICO – GPa DENSIDAD – g/cm3 -

TITANIO ALUMINIO

1000 100 4,5

90 - 700 70 2,7

FIBRA DE FIBRA DE KEVLAR VIDRIO CARBONO

2400 70 2,54

3100 220 1,75

3600 124 1,48

RESINA DE POLIESTER

RESINA EPOXI

40 2 1.5

55 3 1.3

2.4. TRANSFORMACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS Los métodos de obtención de los materiales compuestos se basan en embeber las fibras en una resina líquida y colocarlo en un molde para que adquiera la forma deseada. La elección del método de fabricación depende de: Tamaño del elemento a fabricar Geometría y forma  

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Características mecánicas deseables Utillaje y materiales auxiliares disponibles.

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Coste

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Según la forma de componer los materiales compuestos, podemos hacer una clasificación básica: Laminación: Operación consistente en la superposición sucesiva de capas de refuerzo embebidas en la matriz (Proyección Simultánea, Pultrusión). Moldeo: Operación que consiste en introducir la mezcla de fibra y la resina en una cavidad con la forma a obtener. Los moldes pueden ser abiertos (CONTACTO MANUAL) o cerrados (SMC, RTM) Enrollamiento: Operación consistente en el bobinado del refuerzo, sobre útil o mandril, con la incorporación de la resina durante el enrollamiento y deslizamiento. (Es normal que los términos de moldeo y laminación se utilicen indistintamente). 

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Industrialmente los procesos se conocen con el nombre: 1. Contacto Manual. 2. Proyección Simultánea. 3. RTM. 4. Moldeo de SMC. 5. Moldeo de GMT. 6. Pultrusión. 7. Enrollamiento

2.4.1. Contacto Manual El moldeo por contacto es un método artesanal que consiste en la colocación manual de sucesivas de capas de refuerzo, que serán a continuación impregnadas de resina, sobre un molde abierto. El conjunto se manipula correctamente para que adopte la forma del molde, por medio de rodillos o espátulas hasta alcanzar el espesor deseado, además de conseguir eliminar las posibles burbujas de aire generadas en la pieza. Las resinas termoestables más habitualmente empleadas son las resinas de poliéster, siendo por otra parte, la fibra de vidrio en forma de Mat el refuerzo normalmente empleado.

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2.4.2. Proyección Simultánea El moldeo por proyección simultánea supone una primera evolución del moldeo por contacto y se puede considerar, en principio, como un moldeo por contacto mecanizado. Consiste en proyectar sobre la superficie del molde la fibra de vidrio troceada, normalmente entre 2,5 y 4 cm, y la resina en forma de lluvia para dar lugar al estratificado. Se hace uso de rodillos o espátulas con el fin de eliminar el aire que haya podido quedar ocluido, y asegurar una total impregnación de las fibras por parte de la resina.

2.4.3. RTM (Resin Transfer Moulding - Moldeo por Transferencia de Resina) El moldeo por transferencia de resina o RTM, consiste en la inyección de resina termoestable en un molde, en ocasiones caliente, en el cual se han colocado previamente refuerzos de fibra e insertos, éstos últimos solo en el caso en que sean necesarios. El proceso de RTM es un proceso muy flexible en cuanto a la elección de materiales. Permite además, la fabricación de composites de formas complejas y simples, tanto de bajas como de altas prestaciones, y de diferentes tamaños. http://www.youtube.com/watch?v=bKr91XoSuWA&feature=player_detailpage

2.4.4. Moldeo SMC (Sheet moulding compound) El moldeo por compresión de preimpregnados termoestables o SMC consiste en rellenar la cavidad del molde con una lámina de fibra previamente cortada a las dimensiones requeridas. Mediante un proceso combinado de presión y temperatura, se obtiene la pieza final como consecuencia del curado de la resina. El moldeo de SMC es uno de los procesos más económicos para la fab ricación de grandes series de piezas de tamaño medio/grande además del más utilizado en la tecnología de los materiales compuestos en Europa Occidental. http://www.youtube.com/watch?v=B-dRNi_1DJw&feature=player_detailpage http://www.youtube.com/watch?v=IxaTwSBWz14&feature=player_detailpage

2.4.5. Moldeo GMT La estampación en caliente de GMT es un proceso de conformado de láminas de semielaborados de GMT. El proceso más utilizado para realizar el conformado de estos semielaborados es el moldeo por compresión o estampación. En este proceso, las láminas de termoplástico reforzado son reblandecidas y trasladadas a la prensa, que contiene moldes machos y hembras, que

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normalmente se encuentran fríos. Una vez las láminas están en la prensa, se aplica presión y la pieza queda conformada.

2.4.6.Pultrusión

El proceso de Pultrusión es una técnica en la cual un refuerzo continuo es impregnado por una resina y obligado, tirando de él, a salir por una boquilla caliente en donde cura la resina y el producto adquiere la forma final. Con este método se obtienen productos altamente reforzados en la direc ción de la pultrusión. En general, las resinas más utilizadas son las de poliéster, aunque en aquellas aplicaciones en las que se requiere unas prestaciones mecánicas más elevadas se utilizan las resinas epoxy. En el caso del refuerzo, lo más utilizado es el roving. http://www.youtube.com/watch?v=4MoHNZB5b_Y&feature=player_detailpage http://www.youtube.com/watch?v=9tlQn5_cko0&feature=player_detailpage http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=P9PHL4zgj8w

2.4.7.Enrollamiento Consiste en enrollar sobre un mandril una capa de hilos de vidrio continuos, que previamente han sido impregnados en resina termoestable. Dependiendo del movimiento del mandril y del sistema de alimentación se obtienen geometrías variables, ortogonal al eje, helicoidal y polar. La curación suele ser a temperatura ambiente. http://www.youtube.com/watch?v=UdMwo2Lyf8Y&feature=player_detailpage http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=sM61KFL5990

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2.5. ESTRUCTURA EN SANDWICH Se entiende por sandwich de materiales compuestos, aquella estructura compuesta por un núcleo (espuma de poliuretano, polispan o nido de abeja de fibra o aluminio) y dos laminados, uno a cada lado del núcleo. Este tipo de estructura es especialmente eficiente para solicitaciones de flexión y de compresión (pandeo). Existen importantes aplicaciones estructurales de sandwichs de materiales compuestos como por ejemplo en estructuras isotermas (aislantes térmicos), suelos de avión, suelos de autobús, etc. ESTRUCTURA EN SANDWICH

REQUISITOS 1. Las pieles deben tener un espesor suficiente para resistir los esfuerzos de tensión (tracción y compresión) y de cortadura inducidos por la carga de diseño. 2. La rigidez global de la estructura sandwich debe ser tal que no se produzca un pandeo global de la estructura. 3. El núcleo debe tener suficiente resistencia para resistir los esfuerzos de cortadura. Además el adhesivo debe tener una resistencia suficiente para transmitir los esfuerzos de cortadura al núcleo. 4,5,6. Tanto la piel como el núcleo deben tener suficiente resistencia al pandeo. 7. La resistencia a compresión del núcleo debe ser suficiente para resistir aplastamiento ante cargas de diseño que actúan perpendicularmente a la superficie de las pieles. 8. La estructura sándwich debe tener suficiente rigidez a cortadura y flexión para prevenir flechas excesivas.

2.6. DEFECTOS EN LOS MATERIALES COMPUESTOS POROSIDAD: Pequeños huecos dentro del material sólido. Este tipo de

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defectos se detectan sólo visualmente si están cerca de la superficie, de otra manera se tiene que hacer por RX o ultrasonidos. ALINEACIÓN INCORRECTA DE LAS FIBRAS: Sólo detección visual. 

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INCLUSIÓN DE MATERIAS EXTRAÑAS : Normalmente se detectan por RX y

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ultrasonidos.

AREAS CON EXCESO o DEFECTO DE RESINA: Sólo detectable por

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inspección visual.

ARRUGAS DEL TEJIDO COMBADO DEL TEJIDO DELAMINACIÓN: Es la separación de capas adyacentes dentro de una

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estructura multicapa. El método de detección es por ultrasonidos.

2.7.TRABAJAR CON FIBRA DE VIDRIO 2.7.1.Efectos en la salud Trabajar con fibra de vidrio en forma de fibras o polvo, puede provocar irritación a los ojos, nariz, garganta y piel. La Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC) ha clasificado la lana de vidrio como posible cancerígeno en humanos.

El filamento continuo El filamento continuo es demasiado grueso para llegar a los pulmones al ser respirado. Sin embargo pueden producirse elevados niveles de polvo cuando se cortan, o lijan plásticos reforzados con fibra de vidrio. El polvo y las fibras resultantes del trabajo con filamento de vidrio pueden producir irritación cuando entran en contacto con la piel, los ojos o la garganta, luego se disuelven o son expulsados por el cuerpo y no producen efectos a largo plazo. Los vapores de Estireno de las resinas de poliéster utilizadas en los productos de fibra de vidrio son, sin embargo, un peligro más serio, ya que pueden ocasionar irritación a corto plazo y daños el sistema nervioso a largo plazo.

Lana de vidrio para aislamiento Las fibras de la lana de vidrio para aislamiento pueden ocasionar también irritación de la piel, ojos y vías respiratorias altas a los trabajadores dedicados a su fabricación o instalación. La dimensión de estas fibras es de entre 5 y 10 micras de diámetro: Pero una pequeña proporción pueden ser tan finas (menos de 3 micras) que son capaces de llegar hasta el pulmón con la respiración. Los productos derivados del petróleo y las resinas utilizadas en la fabricación de lana de vidrio para endurecer y fijar las fibras pueden ocasionar también irritación.

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2.7.2.Medidas de prevención La persona que opere con estos productos debe establecer procedimientos de trabajo seguros (ventilación, extracción, etc.) para minimizar los peligros. Sin embargo, en los espacios cerrados o estrechos, donde se suelen instalar estos productos, los niveles de fibras en el ambiente suelen ser elevados y de difícil control. En estos casos deberá proveerse de equipos de protección personal: mascarillas, ropa de trabajo y guantes adecuados. Las mismas medidas de prevención deben proveerse en el trabajo de corte y lijado de productos con filamento de fibra de vidrio.

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