Manufactura con Fibra Seca

La fabricación mediante fibra seca se fundamenta en dos pilares principales:

1. Combinación del moldeo por inyección con el uso de preformas de fibra.
2. Aplicación de resina en película sólida entre láminas de refuerzo.

Conceptos Fundamentales

• Refuerzo: Agrupación de mechas formando un elemento textil de geometría simple, generalmente bidimensional.
• Preforma: Agrupación de refuerzos de fibra seca con geometría y espesor cercanos a los de la pieza final. Se pueden obtener a partir de las fibras de refuerzo mediante diversos procedimientos.
• Tejidos 2D: Son refuerzos formados por mechas que se entrelazan dando lugar a láminas bidimensionales.

Técnicas de Integración de Refuerzos

Stitching (Cosido)

El stitching es un método de integración de refuerzos y preformas que permite fabricar formas complejas o integrar componentes como rigidizadores y revestimientos. El proceso de cosido consiste en la unión de varias capas de material o fibras unidireccionales con hilos que atraviesan estas capas en dirección Z.

Braiding (Trenzado)

El trenzado es un tejido de mechas mediante el giro en dirección contraria de al menos dos grupos de bobinas, produciendo la intersección de los hilos en una estructura textil. La colocación de los hilos se puede modificar, controlando así la compactación y la dirección de los mismos.

Ventajas y Desventajas de las Preformas

• Ventajas:
  • Obtención de preformas de geometría muy compleja.
  • Propiedades específicas en direcciones determinadas para soportar cargas críticas.
  • Reducción de costes de producción mediante la automatización.
• Desventajas:
  • Dificultad y alto coste para obtener preformas 3D cuasi-isótropas.
  • Propiedades generalmente inferiores a tracción, compresión, cortadura y torsión.
  • Falta de caracterización precisa en las propiedades de fallo en el plano.
  • Dificultad para determinar la influencia de los parámetros del tejido en la arquitectura final y modos de fallo.

Fenómenos en el Proceso de Curado

Durante el procesado, se producen tensiones internas que favorecen la aparición de porosidades y delaminaciones en el centro de la pieza. Aunque se consiga con temperaturas de procesado bajas, esta evolución del curado provoca tensiones de compresión en el centro y de tracción en la superficie.

Con métodos optimizados se disminuye el tiempo de procesado y se mejoran las propiedades mecánicas. Sin embargo, persiste el riesgo de un patrón de tensiones residuales no simétrico, lo que puede producir deformaciones o distorsiones geométricas en la pieza final.

Procesos de Inyección y Transferencia de Resina

Resin Transfer Molding (RTM)

• Ventajas:
  • Almacenaje económico de refuerzos (solo requiere refrigerar la resina).
  • Fácil automatización para series grandes.
  • Excelentes tolerancias dimensionales y acabado superficial (borde neto sin recanteado).
  • Alta capacidad de integración de subcomponentes.
  • Buen control de volumen de fibra/resina y baja porosidad.
  • Proceso robusto y repetitivo.
  • Tiempos de ciclo reducidos en comparación con preimpregnados.
• Desventajas:
  • Inversión inicial muy alta en utillaje.
  • Limitado a piezas pequeñas y medianas.
  • Puesta a punto larga y costosa.
  • Escasa variedad de resinas aptas y baja tenacidad asociada a la baja viscosidad necesaria.
  • Alto precio de preformas si el nivel de automatización es bajo.

Resin Liquid Infusion (RLI)

El RLI requiere dispositivos específicos como redes de distribución de resina y tubos en omega o espiral para asegurar un flujo constante y uniforme en el laminado.

• Ventajas:
  • Menor coste de materiales que los preimpregnados.
  • Capacidad para fabricar elementos de gran tamaño.
  • Tecnología auxiliar similar a la de los preimpregnados.
• Inconvenientes:
  • Necesidad de resinas de muy baja viscosidad.
  • Dificultad para simular el llenado debido a la frontera móvil.
  • Peor control del volumen fibra/resina.
  • Dificultad para automatizar preformas en grandes dimensiones.

Existe una variante similar al RLI que utiliza resinas de mayor tenacidad para elementos de gran tamaño, aunque está limitada a geometrías sencillas y presenta costes de preformas elevados.

Tecnología de Preimpregnados (Prepreg)

• Ventajas:
  • Formulación de resina precisa y ausencia de volátiles.
  • Propiedades del material altamente repetitivas.
  • Excelente pegajosidad (tack) para el posicionado.
• Desventajas:
  • Requiere almacenamiento a temperaturas críticas (-18ºC).
  • Necesidad de salas limpias, bolsas de vacío y procesos en autoclave.

Procesos de Fabricación Continua

• Devanado (Filament Winding): Procedimiento empleado para la fabricación de piezas de geometría de revolución con mechas individuales continuas.
• Pultrusión: Fabricación de piezas lineales de sección constante a partir de mechas o cintas continuas. Utiliza resinas específicas de curado rápido, aunque presenta una mala optimización estructural al no poder modificar el espesor.

Consolidación mediante Bolsa de Vacío

Las ventajas de este método de fabricación son:

• Presión uniforme, ratios fibra/resina constantes y buenas tolerancias.
• Bajos niveles de porosidad gracias al vacío durante el curado.
• Versatilidad para todo tipo de materiales y geometrías (planas o complejas).
• Adaptabilidad a laminados de espesor variable.
• Utilidad tanto para el curado final como para compactaciones intermedias.

Criterios de un Laminado de Alta Calidad

Un laminado bien fabricado debe cumplir con: correcta orientación de capas, relación fibra/resina óptima, buena compactación, espesor preciso, baja porosidad y grado de curado completo. Los factores de selección incluyen:

• Características mecánicas, tamaño y geometría.
• Restricciones de diseño y experiencia previa.
• Volumen de la serie, coste por kilogramo y peso final.

El Uso del Autoclave en el Curado

El autoclave permite aplicar ciclos térmicos uniformes y altas presiones hidrostáticas en piezas complejas. En combinación con la bolsa de vacío, facilita la extracción de volátiles y es compatible con la contracción de la resina (shrinkage), garantizando la máxima calidad.

Objetivos del Ciclo de Curado

• Curado completo y uniforme de la resina.
• Control de temperatura para evitar la degradación térmica.
• Alcanzar el porcentaje de volumen de fibra/resina deseado.
• Contenido de poros inferior al 2%.
• Optimización económica mediante ciclos lo más cortos posible.

Control de Volátiles y Porosidad

• Antes del curado: Controlar volátiles en la resina, evitar aditivos problemáticos, asegurar una buena distribución de fibras, controlar la humedad y evitar el atrapamiento de aire mediante compactaciones intermedias.
• Durante el curado: Mantener el vacío, coordinar la presión del autoclave con el ciclo térmico y realizar un adecuado sangrado de la resina.

Conformado en Caliente (Hot Forming)

Permite obtener geometrías sencillas a partir de laminados planos mediante presión y temperatura. Se realiza comúnmente con prensas de membrana (simple o doble) que conforman el material contra un molde mediante vacío.

Criterios de Selección de Materiales para Utillaje

• Invar: Excelente estabilidad térmica, pero de alto coste.
• Acero: Ideal para piezas de tamaño medio.
• Aluminio: Bajo coste, pero alto coeficiente de expansión térmica (CTE); limitado a piezas pequeñas.
• Material Compuesto: Buena estabilidad, pero vida útil limitada a pocos ciclos.
• Níquel Electroconformado: Óptimo para geometrías complejas.
• Cerámicos: Específicos para procesos de alta temperatura.

Distorsiones Geométricas en la Fabricación

Las distorsiones pueden manifestarse de tres formas:

1. Alargamiento.
2. Recuperación elástica (Spring-back): Distorsión angular entre el útil y la pieza (técnicamente un spring-in en compuestos).
3. Abarquillamiento: Encorvamiento del conjunto. Es un fenómeno complejo influenciado por el diseño, el proceso y el material del utillaje.

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