Ing. Gastón Bonet - Ing. Cristian Bottero - Ing. Marco Fontana
Estructuras de Materiales Compuestos
Procesos de fabricación
Wet lay-up
• Piezas de baja performance
• Baja fracción volumétrica de fibra
• Método más utilizado en piezas de baja responsabilidad
• Bajo costo
• Altas emisiones tóxicas (estireno – poliéster)
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Estructuras de Materiales Compuestos - Procesos de Fabricación
Curso 2012 – Facultad de Ingeniería - UNLP
Spray-up
• Cost-effective
• Propiedades mecánicas muy bajas
• Compactación manual
• Costo relativamente bajo
• Altas emisiones tóxicas (estireno – poliéster)
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Autoclave
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Autoclave
• Recipiente a presión calefaccionado (gas, eléctrico, vapor, etc).
• Sistema de convección forzada
• Sistema de control del proceso incorporado
• Altamente versátil
• Limitación: tamaño –> compromiso costo de operación
• Capacidad de curar una pieza grande o múltiples pequeñas en racks
• Influencia del diseño del herramental
• Generalmente fabricado a medida
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Ciclos de curado
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Resina epoxi 350°F
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Ciclos de curado
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Resina epoxi 350°F
Presión: provee compactación y evita la formación de porosidad.
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Ciclos de curado
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Tooling
• En producción, las piezas son a lo sumo, tan buenas como el molde
• Alto costo no recurrente
• Complejos
• Basado en la experiencia - knowhow
• Requisitos posibles a la hora de seleccionar el material:
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Tooling: métodos más utilizados
• Autoclave
• Mandril rígido (colapsable)
• Mandril perdido
• Mandril inflable
• Recipiente a presión
• Molde de silicona
• Formado por presión/ diafragma
• Herramental auto-calefaccionado
• Elastoméricos
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Tooling
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Tooling
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Tooling
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Vacuum bag wet lay-up• Remueve aire de la pieza
• Mantiene la preforma o las telas en su lugar
• Permite la remoción del exceso de resina
• Provee cierta compactación de la pieza para el curado. (5-10% porosidad sin autoclave, 1-2% con autoclave)
• Alto desperdicio de material auxiliar:o Nylon de bolsa de vacio
o Cinta sellado
o Breather/bleeder
o Film perforado
o Desmoldante
o Peel-ply
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Vacuum bag wet lay-up
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Vacuum bag wet lay-up
Release film – Agente desmoldante
• Previene la adherencia de la pieza al molde
• También se suele utilizar para prevenir la adherencia entre otros elementos dentro de la bolsa de vacío
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Vacuum bag wet lay-up
Peel Ply – lámina de desprendimiento
• Material poroso que frena el flujo de resina.
• Permite determinar una rugosidad superficial, adecuada para uniones pegadas.
• Generalmente no se remueve hasta el momento del pegado para evitar contaminación de la superficie.
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Vacuum bag wet lay-up
Vacuum bag – bolsa de vacío
• Generalmente nylon del orden de 50 micrones.
• Puede ser elástica para una mejor terminación superficial (evitar pliegues)
• Se venden de acuerdo a la temperatura de servicio.
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Vacuum bag wet lay-up
Perforated release film – film perforado
• Evita la adherencia de del bleeder/breather a la pieza, permitiendo la salida de resina excedente.
• Existen diferentes configuraciones de agujeros, con diferentes diámetros y separaciones entre agujeros.
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Vacuum bag wet lay-up
Breather/Bleeder – material de respiración/sangrado
• Permite la dispersión del vacío (evita estrangulamiento de la bolsa)
• Absorbe el exceso de resina que atraviesa el film perforado
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Cortado de telas
El cortado de las telas se puede realizar manualmente en pequeños lotes o prototipos. Generalmente se utilizan moldes de chapa.
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Automatic ply cutters
Cuando se trata de producción, métodos más automatizados y eficientes se utilizan para el cortado:
• Ultrasónicos
• Mecánicos
• Laser
• Water jet
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Nesting optimization
Una de las ventajas de la automatización fue la incorporación de optimizadores automáticos de corte
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Labeling and alignment
En laminados que contienen cientos de láminas, resulta necesario distinguir las láminas y conocer su orientación precisa en el molde.
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Agrupado y conformado
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Resin transfer molding - RTM
Se coloca la preforma en un molde rígido cerrado y se inyecta resina a baja presión (≈100psi).
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• La pieza posee excelente terminación (de molde) en todas su caras.
• No hay desperdicio de material auxiliar
• Insertos, cuadernas, costillas pueden ser incorporadas a través del molde
• Proceso muy complejo
• Moldes costosos
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Resin transfer molding - RTM
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Resin transfer molding - RTM
• Proceso realizado a ciegas
• Minimiza operaciones de recorte
• Geometrías complejas
• Evita la necesidad de conservación refrigerada como los preimpregnados
• Alta complejidad de preformas
• Apto para producción media
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Vacuum assisted resin transfer molding - VARTM
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Vacuum assisted resin transfer molding - VARTM
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• Molde abierto, armado seco
• Impregnación forzada por el vacío
• Requiere resinas de baja viscosidad
• Excelente terminación del lado molde, Matriz económica
• Buena fracción volumétrica
• Utilización de tramados especiales para mejorar permeabilidad y acelerar impregnación.
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VARTM
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Resin film infusion
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Las telas se colocan secas intercaladas con láminas de resina semi-sólida. Se aplica una bolsa de vacío y se coloca en un horno o autoclave. El calor facilita la fluidez de la resina y el impregnado y luego se realiza el curado bajo la compactación de la bolsa.
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Automated tape laying - ATL
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Automated tape laying - ATL
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• Cinta de 3,6 o 12 pulgadas de ancho
• Superficies planas o con escasa curvatura
• Cabezales complejos con hasta 10 ejes
• Alto control de gaps y overlaps
• Corte de cinta incorporado en el cabezal
• Se utilizan rollos de tela preimpregnada
• Alto costo – Baja disponibilidad
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Automated fiber placement - AFP
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Automated fiber placement - AFP
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Automated fiber placement - AFP
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Automated fiber placement - AFP
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• Aplicaciones de mayor curvatura
• La cinta se compone de decenas de cintas angostas permitiendo copiar curvaturas mayores
• El cabezal aplica una presión significativa durante el laminado
• Las cintas se cortan individualmente
• Extremadamente costoso,
baja disponibilidad
• Mínimo desperdicio
de material
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Filament winding
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• Bobinado de cintas bajo una cierta tensión sobre un mandril.
• El mandril rota, mientras que el carro se desplaza horizontalmente
• El proceso suele estar controlado bajo control numérico
• Los cabezales pueden tener varios ejes de control.
• El proceso suele tener un etapa de impregnado justo antes de colocar las fibras.
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Filament winding
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• Alta repetibilidad
• Automatización
• Flexibilidad en el tamaño
• Sólo contornos convexos
• Curado generalmente en hornos, la compactación la proveen la expansión del mandril y la tensión de la fibra.
• Mandril puede ser colapsable, perdido, cónico, etc.
• Dificultad de lograr fibras longitudinales.
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Filament winding
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Operaciones
• Polar
• Helicoide
• Hoop
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Braiding
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• Un mandril sale del centro de la máquina a una velocidad constante mientras carreteles móviles se entrecruzan para formar una trenzado que lo envuelve
• Las preformas poseen excelente conformabilidad, rigidez torsional y resistencia al daño.
• Las fracciones volumétricas que se pueden lograr son menores que en filament winding
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Braiding
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Para lograr el entrecruzamiento, los carreteles deben viajar en caminos cruzados a medida que recorren el perímetro de la máquina.
Pueden contener desde 3 carreteles hasta 800.
Se puede lograr espesores mayores pasando sucesivamente por encima de la preforma.
No se pueden colocar las fibras a 90°, salvo que la maquina tenga incorporada operaciones de filamentwinding.
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Braiding
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Braiding
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Braiding
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Braiding
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Pultrusión
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Fibras continuas se impregnan y consolidan de manera continua en una matriz.
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Pultrusión
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• Primero se pasan las fibras impregnadas por una matriz de preforma que los alinea.
• Luego pasan por una matriz calefaccionada de sección constante donde el material se cura.
• La pieza ya rígida es traccionada por unos rodillos que mantienen el movimiento en el proceso continuo.
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