MATERIALES COMPUESTOS POR MATRIZ POLIMERICA

MATERIALES COMPUESTOS POR MATRIZ POLIMERICA

Materias primas

Las materias primas son dos: un polímero y una fase de refuerzo.

Se procesan separadamente antes de convertirse en fases del compuesto. Consideraremos cómo se producen estos materiales, antes de combinarse para formar la parte compuesta

Combinación de la Matriz y el refuerzo

La incorporación de los agentes de refuerzo a la matriz polimérica ocurre durante el proceso de conformado o antes.

Existen compuestos prefabricados que llegan listos para usarse en los procesos de formado que son:

Matriz Polimérica

Se usan como matrices los tres tipos de polímeros básicos:

• Termoplásticos (TP): Son materiales compuestos que incluyen rellenos o agentes de refuerzo

• Termofijos: Son las matrices más comunes, y son de material rígido que tienen una estructura molecular compleja del tipo red. Los principales son los fenólicos, los poliésteres insaturados y los epóxicos. Los fenólicos se asocian con el uso de fases de refuerzo particuladas, mientras que los poliésteres y los epóxicos se asocian más estrechamente con los reforzados con fibra

• Elastómeros: Los elastómeros son aquellos tipos de compuestos que no contienen metales en ellos, y que muestran un comportamiento elástico (hule)

Prepregs

Compuestos de moldeo

Se diseñan para usarse en operaciones de moldeo, de tal manera que puedan fluir, al menos hasta cierto grado. La mayoría de los compuestos de moldeo para el procesado de los compuestos son polímeros termofijos.

Laminas

Volumetrico

Consisten en fibras impregnadas con resinas termofijas parcialmente curadas para facilitar el proceso de formado.

El curado completo debe realizarse durante y/o después del formado.

Los prepregs se disponen en forma de cintas y láminas aplicadas transversalmente o algún substrato. La ventaja de los prepregs es que se fabrican con filamentos continuos, incrementando así la resisten­cia y el módulo. Las cintas y láminas se asocian con compuestos avanzados, así como con fibras de vidrio.

Son una combinación de resina de polímero termofijo, rellenos, otros aditivos y fibras de vidrio cortadas, que se laminan a un espesor tipico (0,250pulg)

La resina más común es el poliéster insaturado. Los rellenos son generalmente polvos minerales como talco, sílice y piedra caliza

Los compuestos de moldeo para láminas se producen y surten generalmente entre capas 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 partes moldeadas

Consisten en ingredientes similares a los de laminas pero el polímero compuesto se hace en forma de barra en lugar de lámina.

Las fibras son más cortas, debido a la mayor fluidez requerida en las operaciones de moldeo para las cuales se diseñan estos materiales.

Los procesos para producir moldeo volumetrico son similares a los de laminas excepto que se usa la extrusión para obtener la forma final de la barra.

Proceso para producir el compuesto de moldeo para lamina

Procesos en molde abierto

Aplicado Manual

La aplicación manual se presta generalmente para productos de gran tamaño fabricados en baja cantidad. Aparte de los cascos de bote, este procedimiento se usa para producir albercas, tan­ques grandes de almacenamiento, pantallas, figuras para escenarios y otras formas laminadas. También se hacen partes automotrices, pero el método no es económico para la alta producción

Procedimiento de Aplicacion Manual

Procesos en molde cerrado

Curado

(1) se limpia el molde y se trata con un agente antiadherente; (2) se aplica un recubrimiento delgado de gel (resina, posiblemente pigmentada) que se convertirá en la superficie externa de la pieza; (3) después que el recubrimiento de gel ha cuajado parcialmente, se aplican capas sucesivas de fibra y resina en la fibra en forma de estera o tela; a cada capa se le pasa un rodillo para impregnar completamente la fibra con la resina y remover las burbujas de aire;(4) se cura la pieza, y (5) se retira del molde la parte completamente endurecida

Se requiere el curado 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 liquida 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 atomización donde se usan resinas TF, el curado ocurre normalmente a temperatura ambiente. Las piezas moldeadas hechas por estos procesos generalmente son grandes (por ejemplo, cascos de botes) y el calentamiento suele dificultarse. En algunos casos se requieren días antes de que se complete el curado a temperatura ambiente para retirar la parte. Cuando es posible, se puede suministrar calor para acelerar la reacción de curado.

El calentamiento se realiza de varias maneras. Las estufas de curado suministran calor a temperaturas estrechamente controladas; algunas cuentan con equipos para practicar el vacio parcial.

El calentamiento con rayos infrarrojos se puede aplicar donde es impráctico o inconveniente poner la parte moldeada en una estufa. En el moldeo con bolsa se usan frecuentemente temperaturas elevadas para reducir el tiempo de curado

Las operaciones en molde cerrado se realizan en moldes que consisten en dos secciones que se abren y cierran durante cada ciclo de moldeo.

El costo de un molde cerrado es el doble de un molde abierto, el de las herramientas es aun 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 parte. 2) velocidades más altas de producción, 3) mayor control sobre las tolerancias y 4) son posibles formas tridimensionales más complejas.

Dividimos los procesos de molde cerrado en tres clases:

1) moldeo por compresión, 2) moldeo por transferencia y 3) moldeo por inyección.

Aplicado por atomización (aspersión)

La aspersión representa un intento de mecanizar la aplicación de capas de resina y fibra, y reducir el tiempo de la operación. En el mismo la resina líquida y las fibras cortadas se rocían sobre un molde abierto para construir capas sucesivas

La pistola aspersora está equipada con un mecanismo de corte alimentado con una mecha de filamentos que corta en fibras. 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 atomización se limita a cerca del 35% (comparado con un máximo de cerca de 65% en el aplicado manual)

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 para 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.

Las pantallas para cine y escenarios se hacen algunas veces por este método.

Moldeo con bolsa

El termino moldeo con bolsa incluye dos procedimientos alternativos por medio de los cuales se presionan las resinas no curadas contra el molde a fin de compactar la laminación y expulsar las sustancias volátiles.

Los dos métodos son:

Maquinas de aplicación automatizada

Procesos de moldeo por compresión

Moldeo con bolsa al vacio

En el moldeo con bolsa al vacio se usa una lámina de plástico flexible para cubrir la parte una vez que se ha aplicado manualmente o por atomización. Se sellan los bordes y se practica el vacio para presionar la bolsa contra la parte mientras se cura

Moldeo con bolsa a presion

En el moldeo con bolsa a presión se usa presión positiva de aire para inflar una bolsa de elastómero contra la parte laminada, mientras esta se encuentra suave y el curado está en proceso. De esta manera se pueden aplicar varias atmosferas. El procedimiento parece más apropiado para hacer formas huecas complejas usando prepregs como material inicial. Frecuentemente se añade calor para acelerar el proceso de curado.

Cualquier método puede usarse como un suplemento para curado en los procesos de aplicación manual o por aspersión.

Procesos de moldeo por inyección para PMC

En el moldeo por compresión de los compuestos de moldeo convencionales 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 parte moldeada se ha curado lo suficiente, se abre el molde y se retira la parte. 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

Las maquinas de aplicación automática operan con un aplicador de cinta prepreg sobre un molde abierto siguiendo una ruta programada. La maquina típica consiste en un puente transversal móvil al cual se le ha acoplado una cabeza aplicadora, el puente 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. 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, atraves de la superficie del molde hasta completar la capa de cintas paralelas

Moldeo con reserva elástica

Moldeo de SMC, TMC y BMC

Procesos de moldeado por transferencia para PMC

La carga inicial en el moldeo con reserva elástica (MRE) es un sándwich que consiste en un polímero espumado central entre dos capas de fibra. El corazón de espuma es comúnmente un poliuretano de celda abierta con resina liquida como un epoxico o poliéster, y las capas de fibra seca pueden ser tela, mecha tejida u otra forma de material fibroso. El sándwich se coloca en la sección inferior del molde y se prensa a presión moderada, alrededor de 100 lb/pulg2 (0.7 MPa). Al comprimirse el corazón, esta 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 paredes de FRP.

Moldeo por inyección con reacción reforzada

Moldeo preformado

Moldeo por inyección convencional

Varios de los compuestos para moldeo de FRP. Como son los compuestos para moldeo de laminas (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; el moldeo de SMC se refiere a una operación de moldeo donde la carga inicial es un compuesto de moldeo en lamina precortada; el moldeo BMC usa como carga un BMC cortado al tamaño, y así sucesivamente.

En el moldeo convencional por transferencia se coloca una carga de resina termofija en un deposito 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 TF cuyos rellenos incluyen fibras cortas para producir una pieza compuesta de FRP. Otro proceso de moldeo por transferencia para PMC se llama moldeo por transferencia de resina.

El moldeo preformado, 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 lamina).

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.

En el proceso de formado de PMC, se usa el moldeo por inyección para ambos tipos de FRP, los TP (termoplasticos) y los TS (termofijos). Prácticamente todos los polímeros termoplasticos pueden reforzarse con fibras. Se deben usar fibras cortadas: si se usaran fibras continuas, estas 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 a través del diseño de las partes, la localización de las puertas y la orientación de la cavidad con respecto a la puerta. Si bien los compuestos de moldeo TP se calientan y luego se inyectan en un molde frio, 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 en pelets y en pasta.

Algunos termofijos se curan por reacción química en lugar de calor, estas resinas se pueden moldear por inyección con reacción. En el MIR (en ingles, R1M), 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 de vidrio. El proceso se llama en este caso, moldeo por inyección con reacción reforzada, MIRR (en ingles, RRIM). Sus ventajas son similares a las del RIM, con el beneficio adicional del refuerzo con fibra. El RRIM se usa extensamente en aplicaciones para cabinas de autos y camiones, topes, defensas y otras partes.

Bobinado de Filamentos

Es un proceso en el cual se enrollan fibras continuas impregnadas con resinas alrededor de un mandril giratorio.

Esquema de Bobinado

Variantes del RTM

Moldeo por transferencia de resina

Una mejora, llamada RTM avanzado, hace uso de polímeros de alta resistencia como resinas epoxicas y refuerzos de fibra continua en lugar de esteras. Las aplicaciones incluyen componentes aeroespaciales, aletas de proyectiles y esquíes 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. MTRET (en ingles TERTM).

Es un proceso patentado por TERTM. Inc., que consiste en los siguientes pasos:

1) Se forma un preformado con espuma rígida de polímero (por ejemplo poliuretano).

2) el preformado se envuelve en un refuerzo 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.

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.

En el moldeo de partes compuestas, el termino moldeo por transferencia de resinas, MTR (en ingles, RTM), se refiere a un proceso en molde cerrado en el cual se coloca una estera (compuesto para moldear) preformada en la parte inferior del molde. El molde se cierra, y la resina termofija (por ejemplo una resina poliéster) se transfiere dentro de la cavidad a presión moderada para impregnar el preformado. Para evitar confusiones, se llama algunas veces RTM al moldeo por inyección de resina; El RTM ha sido utilizado para producir partes como tinas de baño, cascarones de albercas, bancos, sillas y cascos para pequeños botes.

Un compuesto con matriz polimérica

Es un material que consiste en un polímero incorporado a una fase de refuerzo como fibras o polvos.

La importancia tecnológica y comercial de los procesos descritos derivan del uso creciente de esta clase de materiales, especialmente los polímeros reforzados con fibra.

Popularmente los compuestos con matriz polimerica se asocian con los polimeros reforzados con fibra. Los mismos pueden diseñarse con relaciones muy altas de resistencia al peso. Estas características los hacen atractivos para aviones, automóviles, camiones, botes y equipos deportivos. Algunos de los procesos son lentos e intensivos en mano de obra.

Los procesos de formación de compuestos de polimeros reforzados con fibra pueden dividirse en cinco categorías:

1) procesos en molde abierto.

2) procesos en molde cerrado,

3) bobinado de filamentos.

4) procesos de pultrusión y

5) otros.

Métodos de Formado

Pasos del Proceso

1) Alimentación de filamento.

2) Impregnación con resinas.

3) Formado en un dado previo.

4) Formado y curado.

5) Estirado y cortado.

Pulformado

Pultrusión

Un proceso en el cual se sumerge en un baño de resinas una mecha continua y después de tira de ellas a través de un dado formador donde se cura la resina impregnada.

Tipos de Máquinas para el Bobinado de Filamentos

Los procesos de pultrusion se limitan a secciones rectas y transversal constante, existe también la necesidad de partes largas reforzadas con fibras continuas pero de forma curva cuya sección transversal puede variar a través de su longitud. Es una pultrusion con pasos adicionales para formar un contorno semicircular y alterar la sección transversal en uno o más puntos a lo largo de la pieza.

Patrones Básicos de

Bobinado del Filamento

Bobinado Helicoidal

La banda de filamentos se aplica en forma de espiral alrededor del mandril con angulo de hélice.

Otros métodos para el formado

Vaciado centrifugado

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.

Laminado de tubos

Se envuelve alrededor de un mandril cilíndrico varias veces una lámina prepreg precortada para obtener un espesor determinado de pared del tubo.

Bobinado de Aro

Es un caso especial de bobinado helicoidal en que el angulo de hélice Q se aproxima a 90 y el avance de bobinado es un ancho de banda por revolución.

Laminado Continuo

Se impregna la tela tejida por inmersión en resina líquida, se une entre dos películas de cubierta constituida de polímero, se compacta entre rodillos de presión curandose y finalmente se agrega el corrugado por medio de rodillos de formado o moldes de zapata.

Métodos de Cortado

Los compuestos laminados de polímero reforzado con fibra se cortan ya sea en el estado curado o no curado. Las herramientas tipicas de corte incluyen navajas, tijeras, cizallas de potencia y cizallas manuales.

Bobinado biaxial

Los patrones polares y de aro se pueden combinar en bobinados sucesivos del mandril, produciendo capas adyacentes con direcciones del filamento aproximadamente perpendiculares.

Control mecánico

Opera por medio de engranaje directo, entre la propulsión del mandril y el arco móvil (simple y de bajo costo)

Control numérico computarizado – CNC

La rotación del mandril y la velocidad de la corredera se controlan independientemente (más costoso, mejor ajuste ,mayor flexibilidad)

Bobinado Polar

El filamento se enrolla alrededor del eje mayor del mandril, después de cada revolución longitudinal el mandril se corre en un ancho de banda de manera que se va creando gradualmente una forma hueca.

FIN

Máquinas de Bobinado