PROCESOS DE FORMADO PARA MATERIALES COMPUESTOS CON MATRIZ POLIMÉRICA
Algunos de los procesos de conformación descritos en este capítulo son lentos e intensivos en mano de obra. En general, las técnicas para formar compuestos son menos eficientes que los procesos de manufactura para otros materiales. Hay dos razones para esto: 1) los materiales compuestos son más complejos que otros materiales porque constan de dos o más fases, y en el caso de los plásticos reforzados con fibra, hay necesidad de orientar la fase de refuerzo; y 2) las tecnologías de procesamiento para los compuestos no han sido mejoradas y refinadas desde hace algunos años como los procesamientos para otros materiales.
La variedad de métodos de formado para polímeros reforzados con fibra es muchas veces abrumadora para estudiantes en su primera lectura. Un itinerario para el lector que entra a este nuevo territorio es el siguiente: los procesos de formación de compuestos de FRP pueden dividirse en cinco categorías, como se muestra en la figura 15.1: 1) procesos en molde abierto, 2) procesos en molde cerrado, 3) bobinado de filamentos, 4) procesos de pultrusión y 5) otros. Los procesos en molde abierto incluyen algunos de los procedimientos originales en los que se depositan manualmente resinas y fibras sobre una forma. Los procesos en molde cerrado son los mismos del moldeo de plásticos, el lector puede reconocer los nombres: moldeo por compresión, moldeo por transferencia, moldeo por inyección, aunque los nombres pueden cambiar algunas veces y se pueden hacer modificaciones para los PMC. En el bobinado de filamentos se enrollan filamentos continuos que han sido sumergidos en resina líquida alrededor de un mandril giratorio; cuando la resina es el agente de curado, se genera una forma cilíndrica rígida y hueca. La pultrusión es un proceso de formado para producir secciones largas y rectilíneas de sección transversal constante; es similar a la extrusión, solamente que adaptada para incluir refuerzos de fibra continua. La categoría de “otros” incluye varias operaciones que no encajan en las categorías previas.
Algunos de estos procesos se usan para formar compuestos con fibras continuas, mientras que otros se usan para PMC de fibras cortas. La figura 15.1 ofrece un resumen de los procesos en cada división. El estudio inicia explorando cómo se producen las fases individuales en un PMC y cómo se combinan estas fases con las materias primas para formado. Para obtener una visión completa de los procesos PMC, se recomienda que el lector revise el video titulado Materiales compuestos y manufactura.
MATERIAS PRIMAS PARA MATERIALES COMPUESTOS CON MATRIZ POLIMÉRICA (PMC)
En un PMC, las materias primas son un polímero y una fase de refuerzo. Se procesan separadamente antes de convertirse en fases del compuesto. En esta sección consideraremos cómo se producen estos materiales, antes de combinarse para formar la parte compuesta.Matriz polimérica
En los PMC se usan como matrices los tres tipos de polímeros básicos: termoplásticos, termofijos (o termoestables) y elastómeros. Los polímeros termofijos (en inglés, TS) son los materiales de las matrices más comunes. Los principales polímeros TS son los fenólicos, los poliésteres insaturados y los epóxicos. Los fenólicos se asocian con el uso de las fases de refuerzo particulado, en tanto que los poliésteres y los epóxicos se asocian más estrechamente con los FRP. Los polímeros termoplásticos (TP) se usan también en los PMC, y de hecho los compuestos de moldeo son materiales compuestos que incluyen rellenos o agentes de refuerzo. La mayoría de los elastómeros son ma teriales compuestos debido a que casi todos los cauchos se refuerzan con negro de humo. Los procesos de formación para caucho se cubren en el capítulo 14. Este capítulo se limita al procesamiento de PMC cuya matriz es un polímero termofijo o termoplástico. Muchos de los procesos de formado de polímeros revisados en el ca pítulo 13 se aplican a los compuestos en matriz polimérica. Sin embargo, la com bina ción del polímero con los agentes de refuerzo complica algunas veces las ope raciones.
Agentes reforzadores
La fase de refuerzo puede tener varias formas (fibras, partículas, hojuelas) y diversos materiales (cerámicos, metales, otros polímeros, o elementos como carbono o boro). El papel de la fase de refuerzo y algunas de sus características técnicas se analizaron en la sección 9.1.2.
Fibras Los materiales más comunes de fibra utilizados en los FRP son el vidrio, el carbono y el polímero Kevlar. Las fibras de estos materiales se fabrican mediante varias técnicas, algunas de las cuales se estudian en otros capítulos. Las fibras de vidrio se fabrican por el estiramiento a través de pequeños orificios (sección 12.2.3). En el caso del carbono, se lleva a cabo una serie de tratamientos térmicos para transformar el filamento precursor, que contiene un compuesto de carbono, en una forma más pura de ese elemento. El precursor puede estar fabricado de varias sustancias dentro de las que se incluyen el poliacrilonitrilo (PAN), pez (una resina negra de carbón formada en la destilación del alquitrán de carbón, alquitrán de madera, petróleo crudo, etc.) o rayón (celulosa). Las fibras de Kevlar se fabrican por medio de extrusión combinada con estirado a través de pequeños orificios en una hilera (sección 13.4).
En los filamentos continuos, las fibras se combinan con la matriz polimérica en varias formas, dependiendo de las propiedades que se desean en el material y de los métodos de procesamiento utilizados para formar el compuesto. En algunos procesos los filamentos son continuos, mientras que en otros se trozan en fibras cortas. En la forma continua, se dispone de filamentos individuales en forma de mechas. Una mecha es una colección no torcida de fibras continuas (paralelas); es una forma conveniente para manejar y procesar. Las mechas típicas contienen de 12 a 120 fibras individuales. Por el contrario, un hilo es una colección torcida de filamentos. Las mechas continuas se usan en varios procesos de PMC, incluidos el bobinado de filamentos y la pultrusión.
La forma más familiar de fibra continua es una tela o trama tejida de hilos. El tejido de mechas, muy similar a una tela, pero distinguido en este contexto, consiste en filamentos no torcidos en lugar de hilos. Los tejidos de mechas se pueden producir con números desiguales de fibras en dos direcciones, de manera que su resistencia sea más grande en una dirección que en la otra. Dicho tejido unidireccional de mechas se prefiere muchas veces para los compuestos laminados de FRP.
Las fibras pueden prepararse también en forma de esteras, un fieltro que consiste en fibras cortas orientadas aleatoriamente y aglomeradas holgadamente con un aglutinante, algunas veces en una tela portadora. Se dispone comercialmente de las esteras como mantas de varios pesos, espesores y anchos. Las esteras se pueden cortar y conformar para usarse como preformas en algunos procesos en molde cerrado. Durante el moldeado, las resinas impregnan la preforma y luego se las curan, produciendo así una parte moldeada con refuerzo de fibra.
Partículas y hojuelas Las partículas y las hojuelas caen realmente en una sola clase. Las hojuelas son partículas cuyo ancho y largo son mayores que su espesor. Se analizarán éstos y otros aspectos sobre la caracterización de los polvos de ingeniería en la sección 16.1. Los métodos de producción de polvos metálicos se estudiarán en la sección 16.2 y las técnicas para producir polvos cerámicos, en la sección 17.1.1.
Combinación de la matriz y el refuerzo
La incorporación del agente de refuerzo a la matriz polimérica ocurre durante el proceso de conformado o antes. En el primer caso, los materiales iniciales (materia prima) llegan a la operación de fabricación en entidades separadas y se combinan dentro del compuesto durante el formado. Ejemplos de este caso son el bobinado de filamentos y la pultrusión. El refuerzo inicial en este proceso consiste en fibras continuas. En el segundo caso, los dos materiales componentes se combinan en una forma preliminar que se usa convenientemente en el proceso de formado. Casi todos los termoplásticos y termofijos (termoestables) que se usan en los procesos de conformado de plástico son, de hecho, polímeros combinados con rellenos (sección 8.1.5). Los rellenos o rellenadores son fibras cortas o particulados (incluidas hojuelas).
Las formas iniciales que se usan en los procesos de formado, diseñados específicamente para compuestos de FRP, son los de mayor interés en este capítulo. Estas formas iniciales son compuestos prefabricados que llegan listos para usarse en los procesos de formado, son compuestos de moldeo y productos preimpregnados.
Los compuestos para el moldeo de láminas (SMC, por sus siglas en inglés) son una combinación de resina de polímero termofijo, rellenos, fibras de vidrio cortadas y otros aditivos (orientadas al azar), que se laminan a un espesor típico de 6.5 mm (0.250 in). La resina más común es el poliéster insaturado. Los rellenos son generalmente polvos minerales como talco, sílice y piedra caliza; y las fibras de vidrio tienen una longitud típica de 12 a 75 mm (0.5 a 3 in); esto representa cerca de 30% del SMC en volumen. Es muy conveniente manejar y cortar al tamaño adecuado los SMC como cargas de moldeo. Los compuestos de moldeo para láminas se producen y surten generalmente entre cargas delgadas de polietileno para limitar la evaporación de los ingredientes volátiles de la resina termofija. El recubrimiento protector mejora también el acabado de la superficie y por consiguiente de las piezas moldeadas. En la figura 15.2 se describe el proceso para la fabricación de los SMC continuos.
Los compuestos para moldeo volumétrico (BMC, por sus siglas en inglés) consisten en ingredientes similares a los de los SMC, pero el polímero compuesto se hace en forma de barra en lugar de lámina. Las fibras en los BMC son más cortas, típicamente de 2 a 12 mm (0.1 a 0.15 in), debido a la mayor fluidez requerida en las operaciones de moldeo para las cuales se diseñan estos materiales. El diámetro de las barras es generalmente de 25 a 50 mm (1 a 2 in). Los procesos para producir BMC son similares a los de SMC, excepto que se usa la extrusión para obtener la forma final de la barra. Los BMC se conocen también como compuestos para moldeo en pasta (DCM, por sus siglas en inglés) debido a su consistencia pastosa. Otros compuestos para moldeo de FRP son el compuesto para moldeo grueso (TMC, por sus siglas en inglés), que es similar al SMC pero más grueso, alcanza hasta 50 mm (2 in); y los compuestos para moldeo paletizado, que son básicamente compuestos para el moldeo convencional de plásticos que contienen fibras cortas.
Productos preimpregnados Otra forma prefabricada para operaciones de formado de FRP son los productos preimpregnados, que consisten en fibras impregnadas con resinas termofijas parcialmente curadas para facilitar el proceso de formado. El curado completo debe realizarse durante o después del formado (o ambas). Los productos preimpregnados se disponen en forma de cintas, láminas o telas aplicadas transversalmente. La ventaja de los productos preimpregnados es que se fabrican con filamentos continuos más que con fibras recortadas aleatoriamente, incrementando así la resistencia y el módulo del producto final. Las cintas y láminas con productos preimpregnados se asocian con compuestos avanzados (reforzados con boro, carbono-grafito y Kevlar), así como con fibras de vidrio.
PROCESOS CON MOLDE ABIERTO
La característica distintiva de esta familia de procesos de formado de FRP es el uso de una sola superficie de molde positivo o negativo (véase la figura 15.3) para producir estructuras laminadas de FRP. El proceso en molde abierto también se conoce con otros nombres, como laminación por contacto y moldeo por contacto. Los materiales iniciales (resinas, fibras, esteras y mechas tejidas) se aplican al molde en capas para constituir el espesor deseado. Después continúa el curado y el retiro de la pieza. Las resinas comunes para estos procesos son poliésteres insaturados y epóxicos, usando fibra de vidrio como refuerzo. Las piezas moldeadas generalmente son grandes (por ejemplo, cascos para lanchas). La ventaja de usar moldes abiertos es que el costo del molde es mucho menor que si se usaran moldes acoplados. La desventaja es que solamente la superficie de la pieza en contacto con el molde es una superficie acabada; el otro lado queda áspero. El molde en sí debe ser muy liso para un mejor acabado de la superficie de la pieza.
Hay varios procesos importantes de molde abierto para FRP. Las diferencias están en los métodos para aplicar las capas al molde, las técnicas de curado alternativo y otras modificaciones. En esta sección describimos la familia de procesos de molde abierto para dar forma a los plásticos reforzados con fibra: 1) aplicado manual, 2) aspersión, 3) máquinas de aplicación automatizada con cinta y 4) moldeo con bolsa. El aplicado manual es el proceso básico y los otros son modificaciones y refinamientos.
Aplicado manual
El aplicado manual es el método en molde abierto más antiguo para laminados de FRP; se remonta a la década de 1940, cuando se usó por primera vez para fabricar cascos de lanchas. Es también el método que tiene mayor intensidad de mano de obra. Como su nombre indica, el aplicado manual es un método en el cual se aplican manualmente capas sucesivas de resina y refuerzo en un molde abierto para construir la estructura compuesta del FRP laminado. El procedimiento básico consiste en cinco pasos, como se ilustra en la figura 15.4. La pieza terminada se debe recortar generalmente con una sierra mecánica para dimensionar los bordes exteriores. En general se requieren estos mismos cinco pasos en todos los procesos de molde abierto; las diferencias entre los diversos métodos ocurren en los pasos 3 y 4, como se verá a continuación.
Cada capa de refuerzo de fibra está seca en el paso 3, cuando se coloca sobre el molde. Se vacía entonces la resina líquida (no curada), o se aplica con brocha o por aspersión. El impregnado de la estera o tela de fibra se hace con rodillos de mano. A esta operación se le conoce como aplicación húmeda. Un procedimiento alternativo se realiza mediante el uso de productos preimpregnados donde primero se preparan las capas impregnadas de refuerzo de fibra y luego se colocan en la superficie del molde. Las ventajas que se atribuyen a los productos preimpregnados son un control más estrecho sobre la mezcla de fibra y resina, y métodos más eficientes para agregar las capas [10].
Los moldes para laminar por contacto en molde abierto se pueden hacer de yeso, metal, plásticos reforzados con fibra de vidrio u otros materiales. La selección del material depende de la economía, la calidad de la superficie y otros factores técnicos. Para la fabricación de prototipos donde se produce solamente una pieza se usa moldes de yeso. Para cantidades medias, los moldes se pueden hacer de plástico reforzado con fibra de vidrio. La alta producción requiere generalmente moldes metálicos. Se usa algunas veces el aluminio, el acero y el níquel con las superficies de la cara del molde endurecidas, para resistir el desgaste. Una ventaja del metal, además de su durabilidad, es su alta conductividad térmica que permite instrumentar sistemas de curado por calor, o simplemente disipar el calor de la laminación mientras ésta se cura a temperatura ambiente.
La aplicación manual se presta generalmente para productos de gran tamaño fabricados en baja cantidad. Aparte de los cascos de lanchas, este procedimiento se usa para producir albercas, tanques grandes de almacenamiento, escenarios de utilería, cúpulas de antena de radar y otras formas laminadas. También se hacen piezas automotrices, pero el método no es económico para la alta producción. Las piezas moldeadas más grandes que se han hecho con este proceso fueron unos cascos de 85 m (280 ft) de largo para la British Royal Navy[1].
Aplicado por aspersión
La aspersión es un intento de mecanizar la aplicación de capas de resina y fibra, así como para reducir el tiempo de la operación. Es una alternativa para el paso 3 en el procedimiento manual. En el método por aspersión la resina líquida y las fibras cortadas se rocían sobre un molde abierto para construir capas sucesivas de FRP, como se muestra en la figura 15.5.
La pistola aspersora está equipada con un mecanismo de corte alimentado con una mecha de filamentos que corta en fibras cuyas longitudes van de 25 a 75 mm (1 a 3 in), los cuales se incorporan a la corriente de resina a la salida de la boquilla. La acción mezcladora genera una orientación aleatoria de las fibras en la capa, a diferencia de la aplicación manual en la cual los filamentos pueden orientarse como se quiera. Otra diferencia es que el contenido de fibra en la aspersión se limita a cerca de 35% (comparado con un máximo de cerca de 65% en el aplicado manual). Ésta es una deficiencia de los procesos de aspersión y mezclado.
La aspersión se puede realizar manualmente usando una pistola portátil o mediante una máquina automatizada, en la cual se programa y controla la ruta de la pistola aspersora por una computadora. El procedimiento automatizado es ventajoso para la eficiencia del trabajo y la protección ambiental. Las máquinas de ruta controlada pueden operar en áreas selladas sin la presencia de seres humanos, ya que algunas de las emisiones volátiles de las resinas líquidas son peligrosas. Sin embargo, generalmente se requiere el impregnado con rodillos para cada capa, como en el procedimiento manual.
Los productos hechos con el método de aspersión incluyen cascos para lanchas, tinas de baño, casetas para ducha, piezas para carrocerías de automóviles y camiones, componentes de vehículos recreativos, muebles, paneles estructurales grandes y contenedores. Las pantallas para cine y escenarios de utilería se hacen algunas veces con este método. Debido a que tienen fibras cortas orientadas aleatoriamente, los productos hechos por aspersión no son tan fuertes como los hechos por aplicación manual de capas cuyas fibras son continuas y dirigidas
Máquinas de aplicación automatizada con cinta
Éste es otro intento de automatizar y acelerar el paso 3 en el procedimiento manual. Las máquinas de aplicación automatizada con cinta operan con un aplicador de cinta de productos preimpregnados sobre un molde abierto siguiendo una ruta programada. La máquina típica consiste en un pórtico transversal móvil al cual se le ha acoplado una cabeza surtidora como se muestra en la figura 15.6. El pórtico permite que la cabeza recorra la superficie del molde en las direcciones x-y-z para tomar posiciones y seguir una trayectoria continua definida. La cabeza tiene varios ejes de rotación, más un dispositivo de corte para cortar la cinta al final de cada ruta. El ancho de la cinta de productos preimpregnados es comúnmente de 75 mm (3 in), aunque se han reportado anchos de 300 mm (12 in), [9]; el espesor es cercano a 0.13 mm (0.005 in). Los rollos colocados en la cabeza surten la cinta que se va adhiriendo a la superficie a lo largo de la ruta definida. Cada capa se forma por una serie de recorridos hacia adelante y hacia atrás, a través de la superficie del molde hasta completar la capa de filas paralelas.
Gran parte del trabajo para perfeccionar las máquinas de aplicación automatizada de cinta la ha realizado la industria de la aviación, en su afán de ahorrar costos de mano de obra y lograr al mismo tiempo la más alta uniformidad y calidad posibles en la manufactura de sus componentes. La desventaja de ésta y de otras máquinas controladas numéricamente por computadora es que necesitan ser programadas, y la programación toma tiempo.
Curado
Se requiere el curado (paso 4) para todas las resinas termofijas que se usan en los compuestos laminados de FRP. En el curado tiene lugar el encadenamiento transversal del polímero, que pasa de una condición líquida o altamente plástica a un producto endurecido. Hay tres parámetros principales en el proceso de curado: tiempo, temperatura y presión.
En los procedimientos de aplicación manual y aspersión donde se usan resinas TS, el curado ocurre normalmente a temperatura ambiente. Las piezas moldeadas hechas por estos procesos generalmente son grandes (por ejemplo, cascos de barcos) y el calentamiento suele dificultarse. En algunos casos se requieren días antes de que se complete el curado a temperatura ambiente para retirar la pieza. Cuando es posible, se puede suministrar calor para acelerar la reacción de curado. El calentamiento se realiza de varias maneras. El curado por horno suministra calor a temperaturas estrechamente controladas; algunos hornos cuentan con equipos para practicar el vacío parcial.
El calentamiento con rayos infrarrojos se puede aplicar donde es impráctico o inconveniente poner la pieza moldeada en un horno.
El curado en un autoclave provee control sobre la temperatura y la presión. Un autoclave es una cámara cerrada que está diseñada para aplicar calor y presión a niveles controlados. En el procesamiento de compuestos de FRP, usualmente es un cilindro grande horizontal con puertas en ambos extremos. Algunas veces se usa el término moldeo en autoclave para referirse al curado de un laminado con productos preimpregnados en autoclave. Este procedimiento se usa extensamente en la industria aeroespacial para producir componentes avanzados de muy alta calidad.
PROCESOS CON MOLDE CERRADO
Estas operaciones de moldeo se realizan en moldes que consisten en dos secciones que se abren y cierran durante cada ciclo de moldeo. El nombre moldeo en troqueles acoplados se usa para algunos de estos procesos. Se podría pensar que el costo de un molde cerrado es el doble de un molde abierto; sin embargo, el costo de las herramientas es aún más grande debido al equipo más complejo que se requiere en este proceso. A pesar de su alto costo, las ventajas del molde cerrado son: 1) buen acabado en todas las superficies de la pieza, 2) velocidades más altas de producción, 3) mayor control sobre las tolerancias y 4) posibilidad de formas tridimensionales más complejas.
Los procesos de molde cerrado se dividen en tres clases con base en sus equivalentes en el moldeo de plásticos convencional, a pesar de que la terminología puede diferir cuando se moldean compuestos en matriz polimérica: 1) moldeo por compresión, 2) moldeo por transferencia y 3) moldeo por inyección
Procesos de moldeo por compresión para PMC
En el moldeo por compresión de los compuestos de moldeo convencionales (sección 13.7.1) se coloca una carga en la sección inferior del molde y las dos secciones se cierran bajo presión, para que la carga tome la forma de la cavidad. Las dos mitades del molde se calientan para efectuar el curado del polímero termofijo. Cuando la pieza moldeada se ha curado lo suficiente, se abre el molde y se retira la pieza. Hay varios procesos de formado para PMC basados en el moldeo por compresión; la forma de los materiales iniciales es la diferencia principal. Los factores críticos durante el moldeo por compresión para compuestos de FRP son el flujo de la resina, las fibras y los otros ingredientes.
Moldeo de SMC, TMC y BMC Varios de los compuestos para moldeo de FRP, como son los compuestos para moldeo de láminas (SMC), los compuestos para moldeo volumétrico (BMC) y los compuestos para moldeo grueso (TMC), pueden cortarse al tamaño apropiado y usarse como carga inicial en moldeo por compresión. Frecuentemente se requiere refrigeración para almacenar estos materiales antes de su procesamiento. Los nombres de los procesos de moldeo se basan en el compuesto de moldeo inicial (es decir, el moldeo de SMC se refiere a una operación de moldeo donde la carga inicial es un compuesto de moldeo en lámina precortada, el moldeo BMC usa como carga un BMC cortado al tamaño y así sucesivamente).
Moldeo preformado Otra forma de moldeo por compresión, llamada moldeo preformado [10], implica la colocación de una estera precortada en la parte inferior de la sección del molde junto con una carga de resina de polímero (por ejemplo, pelets o lámina). Los materiales se presionan entre las mitades calientes del molde, ocasionando que la resina fluya e impregne la fibra de la estera para producir un moldeado reforzado con fibras. Las variantes del proceso pueden usar polímeros termoplásticos o termofijos.
Moldeo con depósito elástico La carga inicial en el moldeo con depósito elástico (ERM) es un sándwich que consiste en un centro de espuma de polímero entre dos capas de fibra seca. El núcleo de espuma es comúnmente un poliuretano de celda abierta impregnada con resina líquida como un epóxico o poliéster, y las capas de fibras seca pueden ser tela, mecha tejida u otra forma de material fibroso. Como se muestra en la figura 15.7, el sándwich se coloca en la sección inferior del molde y se prensa a presión moderada, alrededor de 0.7 MPa (100 lb/in2 ). Al comprimirse el núcleo, éste suelta la resina para mojar la superficie seca de las capas. El curado produce una parte de peso ligero que consiste en un núcleo de baja densidad y revestimientos delgados de FRP.
Procesos de moldeo por transferencia para PMC
En el moldeo convencional por transferencia (sección 13.7.2), se coloca una carga de resina termofija en un depósito o cámara, se calienta y se presiona por medio de un pisón dentro de una o más cavidades del molde. El molde se calienta para curar la resina. El proceso deriva su nombre de la transferencia del polímero fluido desde el depósito al molde. Se puede usar para moldear resinas TS cuyos rellenos incluyen fibras cortas para producir una pieza compuesta de FRP. Otra forma de moldeo por transferencia para PMC se llama moldeo por transferencia de resina (RTM, por sus siglas en inglés) [3], [10]; se refiere a un proceso en molde cerrado en el cual se coloca una estera preformada en la parte inferior del molde, el molde se cierra y la resina termofija (por ejemplo, una resina de poliéster) se transfiere dentro de la cavidad a presión moderada para impregnar el preformado. Como causa de confusiones, algunas veces al RTM se le conoce como moldeo por inyección de resina [3], [11]; (no obstante, la distinción entre moldeo por transferencia y moldeo por inyección de cualquier manera es confusa, como ya el lector puede haberlo notado en el capítulo 13). El RTM ha sido utilizado para producir piezas como tinas de baño, cascarones de albercas, bancos, sillas y cascos para pequeños botes.Se han creado varias mejoras al proceso básico de RTM [4]. Una de ellas, llamada RTM avanzado, usa polímeros de alta resistencia, como resinas epóxicas y refuerzos de fibra continua, en lugar de esteras. Las aplicaciones incluyen componentes aeroespaciales, aletas de proyectiles y esquís para nieve. Dos procesos adicionales son el moldeo por transferencia de resina con expansión térmica y la inyección de resinas termofijas reforzadas al último. El moldeo por transferencia de resina con expansión térmica (TERTM, por sus siglas en inglés) es un proceso patentado por TERMT, Inc., que consiste en los siguientes pasos [4]: 1) se forma un preformado con espuma rígida de polímero (por ejemplo, poliuretano); 2) el preformado se envuelve en un esfuerzo de tela y se coloca en un molde cerrado; 3) una resina termofija (epoxi, por ejemplo) se inyecta en el molde para impregnar la tela y rodear la espuma y 4) el molde se calienta para expandir la espuma, llenar la cavidad del molde y curar la resina [4]. La inyección de resina termofija reforzada al último (URTRI, por sus siglas en inglés) es similar al proceso de TERTM, excepto que el núcleo de espuma inicial es un epóxico vaciado incorporado con esferas en miniatura de vidrio hueco.
Procesos de moldeo por inyección para PMC
El moldeo por inyección es notable por el bajo costo de producción de las piezas de plástico en cantidades grandes. Aunque se asocia más cercanamente con los termoplásticos, el proceso puede también adaptarse a los termofijos (sección 13.6.6).
Moldeo por inyección convencional En el proceso de formado de PMC, se usa el moldeo por inyección para ambos tipos de FRP, los TP (termoplásticos) y los TS (termofijos). Prácticamente todos los polímeros termoplásticos pueden reforzarse con fibras. Se debe usar fibras cortadas; si se usaran fibras continuas, éstas podrían de cualquier manera reducir su longitud por la acción del tornillo en el cilindro. Durante la inyección de la cámara a la cavidad del molde, las fibras tienden a quedar alineadas al pasar a través de la boquilla. Los diseñadores pueden algunas veces explotar esta característica optimizando las propiedades direccionales mediente el diseño de las piezas, la localización de las puertas y la orientación de la cavidad respecto a la puerta [7].
Si bien los compuestos de moldeo TP se calientan y luego se inyectan en un molde frío, los polímeros TS se inyectan en un molde caliente para curarse. El control del proceso con los termofijos es complicado debido al riesgo del encadenamiento transversal prematuro en la cámara de inyección. Sujeto al mismo riesgo, el moldeo por inyección puede aplicarse a plásticos TS reforzados con fibra en forma de compuestos para moldeo peletizado y en pasta.
Moldeo por inyección con reacción reforzada Algunos termofijos se curan por reacción química en lugar de calor; estas resinas se pueden moldear por inyección con reacción (RIM, por sus siglas en inglés) (sección 13.6.6). En el RIM se mezclan los dos ingredientes reactivos y se inyectan inmediatamente dentro de la cavidad de un molde donde se curan y ocurre rápidamente la solidificación de los componentes. Un proceso estrechamente relacionado incluye en la mezcla fibras de refuerzo, típicamente el vidrio. El proceso se llama en este caso, moldeo por inyección con reacción reforzada (RRIM, por sus siglas en inglés). Sus ventajas son similares a las del RIM, con el beneficio adicional del refuerzo con fibra. El RRIM se usa extensamente en aplicaciones en parachoques de carrocerías de autos y cabinas de camiones, defensas y otras partes de la carrocería.
BOBINADO DE FILAMENTOS
El bobinado de filamentos es un proceso en el cual se enrollan fibras continuas im pregnadas con resina alrededor de un husillo giratorio, que tiene la forma interna del artícu lo de FRP que se quiere producir. La resina se cura después y el husillo se retira. Se producen componentes huecos de simetría axial (usualmente circular en sección transversal), así como formas irregulares. La forma más común del proceso se describe en la figura 15.8. Una banda de mecha de fibras se pasa a través de un baño de resina inmediatamente antes de ser enredada en forma helicoidal sobre un husillo cilíndrico. Continuando el patrón de bobinado se completa finalmente una capa superficial sobre el husillo de un filamento grueso. La operación se repite para formar capas adicionales, cada una de éstas con un patrón entrecruzado respecto a la anterior, hasta obtener el espesor adecuado.
Hay varios métodos para impregnar las fibras con resina: 1) bobinado húmedo, en el cual el filamento pasa a través de la resina líquida solamente antes del bobinado, como en la figura; 2) bobinado con productos preimpregnados (también llamado bobinado seco), en el cual los filamentos preimpregnados con resina parcialmente curada se enrollan alrededor de un husillo calentado; y 3) postimpregnación, en el cual los filamentos se enrollan en el husillo y luego se impregnan con resina por medio de brocha o alguna otra técnica.
Se usan dos patrones básicos de bobinado del filamento: a) helicoidal y b) polar (figura 15.9). En el bobinado helicoidal, la banda de filamentos se aplica en una forma espiral alrededor del husillo con un ángulo de hélice. Si la banda se bobina con un ángulo de hélice que se aproxima a los 90º, y el avance del bobinado es un ancho de banda por revolución, se denomina bobinado de aro, ya que los filamentos forman aros casi circulares alrededor del husillo; es un caso especial de bobinado helicoidal. En el bobinado polar, el filamento se enrolla alrededor del eje mayor del husillo, como en la figura 15.9b; después de cada revolución longitudinal, el husillo se corre (gira parcialmente) en un ancho de banda de manera que se va creando gradualmente una forma hueca. Los patrones polares y de aro se pueden combinar en bobinados sucesivos del husillo para producir capas adyacentes con direcciones del filamento aproximadamente perpendiculares; a esto se le llama bobinado biaxial [1].
Las máquinas de bobinado de filamentos tienen capacidades de movimiento similares a las de un torno corriente (sección 22.1.3). La máquina típica tiene un motor que acciona el husillo y un mecanismo de alimentación de potencia que mueve el carro. El movimiento relativo entre el husillo y el carro se controla para generar un patrón dado de bobinado.
En un bobinado helicoidal, la relación entre el ángulo de la hélice y los parámetros de la máquina se pueden expresar como sigue:
Se disponen de varios niveles de sofisticación de control en las máquinas de bobinado de filamentos. Los dos tipos predominantes son: 1) control mecánico, que opera por medio del engranaje directo entre la transmisión del husillo y del carro; este tipo es el control más simple y menos costoso; y 2) control numérico computarizado (CNC), en el cual la rotación del husillo y la velocidad del carro se controlan independientemente para permitir mayores ajuste y flexibilidad de los movimientos relativos. El CNC es especialmente útil en bobinados helicoidales de formas contorneadas, como se muestra en la figura 15.10. La relación vc /DN, como se indica en la ecuación (15.1), debe permanecer fija para mantener un ángulo constante de hélice. Entonces, ya sea vc o N, deben ajustarse en línea para compensar los cambios en D.
El husillo es la herramienta especial que determina la geometría de la pieza bobinada con filamento. Éste debe ser capaz de plegarse después del bobinado y del curado de la pieza para poder retirarla. Son posibles varios diseños del husillo, incluido husillos inflables, husillos metálicos plegables y husillos hechos de yeso o de sales solubles.
Las aplicaciones del bobinado de filamentos se clasifican frecuentemente como aeroespaciales o comerciales [9], pero los requerimientos de ingeniería más exigentes son los de la primera categoría. Dentro de las aplicaciones aeroespaciales se incluyen las carcasas de motor de cohetes, cuerpos de proyectiles, aspas de helicópteros, secciones y estabilizadores de cola para aeroplanos. Estos componentes están fabricados con compuestos avanzados e híbridos (sección 9.4.1); los más comunes son las resinas epóxicas y reforzadas con fibras de carbono, boro, Kevlar y vidrio. Dentro de las aplicaciones comerciales se incluyen los tanques de almacenamiento, tubos reforzados y tubería, flechas motrices, alabes de turbinas de viento y barras pararrayos; éstas se encuentran fabricadas de FRP convencionales. Los polímeros incluyen resinas de poliéster, epóxicas y fenólicas; la fibra común para refuerzo es la de vidrio.
PROCESOS DE PULTRUSIÓN
El proceso básico de pultrusión se creó alrededor de 1950 para hacer cañas de pescar de polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP, por sus siglas en inglés). El proceso es similar a la extrusión (de aquí la similitud del nombre), pero implica el estirado de la pieza de trabajo (de aquí el prefijo inglés pul que se usa en lugar de ex). Como en la extrusión, la pultrusión produce secciones continuas, rectas de sección transversal constante. Se puede usar un proceso relacionado, llamado pulformado, para hacer piezas curvas, que además tengan variaciones en la sección recta a lo largo de la pieza.
Pulformado
Los procesos de pultrusión se limitan a secciones rectas de sección transversal constante. Hay también necesidad de piezas largas reforzadas con fibra continua, pero de forma más bien curva cuya sección transversal puede variar a través de su longitud. Para estas piezas menos regulares son apropiados los procesos de pulformado. El pulformado se puede definir como una pultrusión con pasos adicionales para formar un contorno semicircular y alterar la sección transversal en uno o más puntos a lo largo de su longitud. Un esquema del equipo se ilustra en la figura 15.12. Después de salir del troquel formador, la pieza continua de trabajo se alimenta dentro de una mesa giratoria con moldes negativos coloca dos en su periferia. El trabajo se fuerza dentro de las cavidades de los moldes por medio de un troquel de zapata que aprieta la sección transversal en varios puntos y forma la curva tura. El diámetro de la mesa determina el radio de la pieza. Conforme la pieza de trabajo sale de la mesa de troqueles, se corta a la longitud prevista para generar las piezas discretas. En el pulformado se utilizan también las resinas y fibras que se usan en la pultrusión. Una aplicación importante de este proceso es la producción de muelles de hoja para auto móviles.
OTROS PROCESOS DE FORMADO PARA PMC
Son dignos de mencionarse algunos procesos para dar forma a los PMC entre los que se incluyen el vaciado centrifugado, el laminado de tubos, el laminado continuo y el corte.
Además, muchos de los procesos tradicionales de formado de termoplásticos son aplicables a los FRP (de fibras cortas) basados en polímeros TP; éstos incluyen el moldeo por soplado, el termoformado y la extrusión.
Vaciado centrifugado Este proceso es ideal para productos cilíndricos como tubos y tanques. El proceso es el mismo que su contraparte en fundición metálica (sección 11.3.4). Pequeños trozos de fibras, combinados con resina líquida, se vacían en un molde cilíndrico que gira rápidamente. La fuerza centrífuga presiona los ingredientes contra la pared del molde donde tiene lugar el curado. La superficie interna que resulta es bastante lisa. La contracción de la pieza o el uso de moldes hendidos permiten la remoción de la pieza.
Laminado de tubos Los tubos de FRP se pueden fabricar a partir de láminas con productos preimpregnados por una técnica de laminado [6], que se muestra en la figura 15.13. Dichos tubos se usan en cuadros de bicicletas y armaduras especiales. En el proceso, se envuelve alrededor de un husillo cilíndrico y varias veces una lámina con productos preimpregnados precortada para obtener la pieza de un tubo de un espesor conformado de múltiples capas. La lámina enrollada se encierra en una camisa que se contrae al calentarse y se cura en horno. Cuando la camisa se contrae, los gases atrapados los expulsa por los extremos del tubo. Cuando se completa el curado se retira el husillo para dejar un tubo laminado de FRP. La operación es simple y el costo de las herramientas es bajo. El proceso puede variar en cuanto a los diferentes métodos de envoltura y en el uso de moldes de acero para encerrar el rollo de productos preimpregnados y tener así un mejor control dimensional.
Laminado continuo En la construcción se usan paneles de plástico reforzado con fibra, algunas veces translúcidos y corrugados. Su producción involucra varios procesos: 1) impregnación de capas de esteras de fibra de vidrio o tela tejida por inmersión en resina líquida o pasándola bajo un bisturí, 2) unión entre películas de cubierta (celofán, poliéster u otro polímero) y 3) compactación entre rodillos de presión y curado; 4) el corrugado se agrega por medio de rodillos de formado o zapatas de molde.
Métodos de corte Los compuestos laminados FRP se cortan ya sea en el estado curado o no curado. Los materiales no curados (productos preimpregnados, preformas, SMC y otras formas iniciales) se cortan al tamaño para aplicación de capas, moldeado, etc. Las herramientas típicas de corte incluyen navajas, tijeras, cizallas de potencia y cizallas manuales. También se usan métodos no tradicionales de corte, como corte por rayo láser y por chorro de agua (capítulo 26).
Los FRP curados son duros, tenaces, abrasivos y difíciles de cortar. Pero es necesario cortarlos en muchos de los procesos de formado de FRP para eliminar el material en exceso, hacer agujeros y perfiles y para otros propósitos. Las herramientas de corte de carburo cementado y sierras de acero de alta velocidad se deben usar para cortar plásticos reforzados con fibra de vidrio. En algunos compuestos avanzados (por ejemplo boro-epóxico), se obtienen mejores resultados con las herramientas de corte con diamante. Se usa también con buenos resultados el corte con chorro de agua en los FRP curados; este proceso reduce el polvo y los problemas de ruido asociados con los métodos convencionales de aserrado.
REFERENCIAS
[1] Bader, M. G., Smith, W., Isham, A. B., Rolston, J. A. y Metzner, A. B. Delaware Composites Design Encyclopedia, Vol. 3. Processing and Fabrication Technology. Technomic Publishing Co., Inc., Lancaster, P., 1990.[2] Chawla, K. K. Composite Materials: Science and Engineering. 2a. ed. Springer-Verlag, Nueva York, 1998.
[3] Charrier, J-M. Polymeric Materials and Processing. Oxford University Press, Nueva York, 1991.
[4] Coulter, J. P. “Resin Impregnation During the Manufacture of Composite Materials,” PhD Dissertation. University of Delaware, 1988.
[5] Engineering Materials Handbook. Vol. 1. Composites, ASM International, Metals Park, Ohio,1987.
[6] Mallick, P. K. Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing and Design. 2a. ed. Marcel Dekker, Inc., Nueva York, 1993.
[7] McCrum, N. G., Buckley, C. P. y Bucknall, C. B. Principles of Polymer Engineering. Oxford University Press, Inc., Oxford, U.K., 1988.
[8] Morton-Jones, D. H. Polymer Processing. Chapman and Hall, London, U.K., 1989.
[9] Schwartz, M. M. Composite Materials Handbook. 2a. ed. McGraw-Hill Company, Nueva York, 1992.
[10] Strong, A. B. Fundamentals of Composites Manufacturing: Materials, Methods and Applications. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1989.
[11] Wick, C., Benedict, J. T. y Veilleux, R. F. (eds.). Tool and Manufacturing Engineers Handbook. 4a. ed., vol. II. Forming, 1984.
[12] Wick, C. y Veilleux, R. F. (eds.). Tool and Manufacturing Engineers Handbook. 4a. ed., vol. III. Materials, Finishing and Coating, 1985.
Comentarios
Publicar un comentario