Proceso de Formado para Materiales Compuestos de Matriz Polimrica

Un compuesto con matriz polimtrica (PMC) consiste en un polmero incorporado a fase de refuerzo de fibra o polvos. Estos materiales especialmente los polmeros reforzados con fibra (FRP) se usas crecientemente a nivel tecnolgico y comercial. Los compuestos de FRP pueden disearse con relaciones muy altas de resistencia y rigidez a peso, estos los hace atractivos para construir aviones, automviles, barcos y equipos deportivos.

Las tcnicas para formar compuestos son menos eficientes que los procesos de manufactura para otros materiales, ya que los materiales compuestos son ms complejos y las tecnologas de procesamientos para estos no han sido mejorados y refinados desde hace varios aos. Los procesos de formacin de compuestos de FRP pueden dividirse en 5 categoras 1) procesos en moldes abiertos, 2) procesos en moldes cerrados, 3) bobinado de filamentos, 4) procesos de pultrusin, 5) otros.Procesos Con Molde Abierto

Este proceso se caracteriza por el uso de una sola superficie de molde positivo o negativo para producir estructuras laminadas de FRP. Los materiales iniciales (resinas, fibras, esteras y mechas tejidas) se aplican al molde en capas para construir el espesor deseado. Despus contina el curado y el retiro de la pieza. Las piezas moldeadas generalmente son grandes (por ejemplo cascos para lancha). El costo de este molde es mucho menor que si se usara moldes acoplados.

Hay varios proceso de molde abierto para FRP y se diferencia en los mtodos para aplicar las capas al molde, las tcnicas de curado alternativo y otras modificaciones. La familia de procesos de molde abierto para dar forma a los plsticos reforzados con fibra consta de: 1) aplicado manual, 2) aspersin, 3) mquinas de aplicacin automatizada con cinta, 4) moldeo con bolsa. El aplicado manual es el proceso bsico y los otros son modificaciones y refinamientos.

Aplicado Manual

El aplicado manual es el mtodo en molde abierto ms antiguo, es tambin el mtodo que tiene mayor intensidad en mano de obra ya que en este se aplica manualmente capas sucesivas de resina y refuerzos en un molde abierto para construir la estructura compuesta.El procedimiento bsico consiste en 5 pasos: 1) se limpia el molde y se trata con un agente antiadherente; 2) se aplica un recubrimiento delgado de gel (resina) que se convertir en la superficie externa de la pieza; 3) cuando el recubrimiento de gel a cuajado parcialmente, se aplica 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; 4) se cura la pieza y 5) Se retira del molde la pieza completamente endurecida.

En general se requieren estos mismo 5 pasos en todos los procesos de molde abierto. Las diferencias ocurren en los pasos 3 y 4 como se ver a continuacin. Las capas de refuerzo colocadas sobre el molde en el paso 3 estn secas. Se vaca entonces la resina liquida o se aplica con brocha o con aspersin. A esta aplicacin se le conoce como aplicacin hmeda.La aplicacin manual se presta generalmente para productos de gran tamao fabricados en baja cantidad. Adems de los cascos de lancha este procedimiento se usa para producir albercas, escenarios de utilera, tanques grandes de almacenamiento, y otras formas laminadas. Tambin se hacen piezas automotrices, pero el mtodo no es econmico para la alta produccin.

Aplicado por aspersin

La aspersin es un intento de mecanizar la aplicacin de capaz de resina y fibra. En el mtodo por aspersin la resina liquida y las resinas cortadas se rocan sobre un molde abierto para construir capaz sucesivas de FRP. La aspersin se puede realizar manualmente usando una pistola porttil o mediante un maquina automatizada. La pistola aspersor est equipada con un mecanismo de corte alimentado con una mecha de filamentos que corta en fibras, las cuales se incorporan a la corriente de resina a la salida de boquilla. La accin mezcladora genera una orientacin aleatoria de las fibras en la capa, a diferencia de la aplicacin manual en la cual los filamentos pueden orientarse como se quieran.

Debido a que tienen fibras cortas orientadas aleatoriamente, los productos hechos por aspersin no son tan fuertes como los hechos con aplicacin manual cuyas fibras son continuas y dirigidas. Alguno producto hecho con el mtodo de aspersin son: cascos para lanchas, tinas de bao, casetas para ducha entre otros

Mquinas de aplicacin Automatizada con Cinta

Tambin es un intento de automatizar y acelerar en el procedimiento manual. Estas mquinas operan con aplicador de cinta de productos pre-impregnados sobre un molde abierto siguiendo una ruta programada. Cada capa se forma por una serie de recorridos hacia adelante y hacia atrs, a travs de la superficie del molde hasta completar las capa de cintas paralelas.

CuradoSe requiere (paso 4) para todas las resinas termo fijas que se usan en los compuestos laminados del FRP. En el curado ocurre el encadenamiento transversal del polmero, que pasa de una condicin liquida a un producto endurecido. En los procedimientos de aplicacin manual y aspersin el curado ocurre normalmente a temperatura ambiente. Las piezas hechas por este proceso generalmente son grandes y el calentamiento se dificulta. En algunos caso se requieren das antes de que se completes el curado para retirar la pieza. Cuando es posible se le puede suministrar calor para acelerar el curado.El calentamiento se realiza de varias maneras, algunas de ellas son el curado por horno, el calentamiento por rayos infrarrojos y el curado en una autoclave. Suele usarse el trmino moldeo en autoclave para referirse al curado de un laminado con productos pre-impregnados en autoclave, ese procedimiento es comnmente usado en la industria aeroespacial para producir componentes avanzados de muy alta calidad.

Proceso con Molde Cerrado

Estos procesos se realizan en moldes que consisten en dos secciones que se abren y cierran durante cada ciclo del moldeo. El termino moldeo en troqueles acoplados se utiliza para algunos de estos procesos. A pesar de su alto costo en comparacin del proceso con molde abierto, las ventajas del molde cerrado son: 1) buen acabado en todas las superficies de la pieza, 2) velocidades ms altas de produccin, 3) mayor control sobre las tolerancias, 4) posibilidad de formas tridimensionales ms complejas.

Los procesos de molde cerrado se dividen en tres clases con bases en sus equivalentes en el moldeo de plstico tradicional: 1) moldeo por compresin, 2) moldeo por transferencia y 3) moldeo por inyeccin.

Procesos de Moldeo por Compresin para PMC

En el moldeo por compresin de los compuestos se coloca material en la seccin inferior del molde y las dos secciones se cierran bajo presin para que el material tome la forma de la cavidad. Las dos mitades del molde se calientan para efectuar el curado del polmero termofijo, cuando la pieza est lo suficientemente curada se retira del molde.

Varios de los compuestos para moldeo de FRP, como lo son los compuestos para el moldeo de lminas (SMC), los compuestos para moldeo volumtrico (BMC), y los compuestos para moldeo grueso (TMC), pueden cortarse del tamao apropiado y usarse como material inicial del moldeo por compresin.

El moldeo por compresin que implica la colocacin de una estera precortada en la parte inferior de la seccin del molde junto a una porcin del polmetro se llama moldeo preformado. El moldeo por compresin con deposito elstico (ERM) consiste en un centro de espuma de polmero entre dos capas de fibra seca, este se coloca en la seccin inferior del molde y se prensa con el fin de mojar la fibra con la resina suelta. El curado produce una parte de peso ligero que consiste en un ncleo de baja densidad y revestimientos delgados de FRP.

Procesos de Moldeo por Transferencia para PMC

En el moldeo convencional por transferencia se coloca resina termofija en un deposito o cmara, en esta se calienta y se presiona por medio de un pistn hacia las cavidades del molde, este ltimo tambin se calienta para curar la resina. Se puede utilizar resinas TS cuyo relleno incluye fibras cortas para producir una pieza de FRT. Otro mtodo del moldeo por transferencia se llama moldeo por transferencia de resina (RTM), en el cual se coloca una estera preformada en la parte inferior del molde y se realiza el procedimiento anterior.

Procesos de Moldeo por Inyeccin para PMC

El moldeo por inyeccin se destaca por el bajo costo de produccin de las piezas de plstico en cantidades grandes. Se asocia ms cercanamente con los termoplsticos, pero puede adaptarse a los termofijos. Existen dos tipos, el moldeo por inyeccin convencional y el moldeo por inyeccin por reaccin reforzada.

Bobinado de Filamentos

El bobinado de filamentos es un proceso en el cual se enrollan fibras continuas impregnadas con resinas alrededor de un usillo giratorio, que tiene la forma interna del artculo de FRP que se quiere producir. En el proceso una banda de mecha de fibras se pasa a travs de un bao de resina antes de ser enredas de forma helicoidal sobre un husillo cilndrico. Continuando el patrn de bobinado se completa una capa superficial sobre el husillo de un filamento grueso. La operacin se repite para formar capas adicionales, cada una de estas con un patrn entrecruzado respecto al anterior hasta obtener el espesor adecuado.

Hay varios mtodos para impregnar la fibra con resina: 1) bobinado hmedo, el filamento pasa a travs de la resina liquida antes del bobinado; 2) bobinado con productos preimpregnados, los filamentos preimpregnados con resina parcialmente curada se enrollan en un husillo calentado; 3) post-impregnacin, los filamentos se enrollan en el husillo y luego se impregnan con resina.

Hay dos patrones bsicos de bobinado de filamento: a) bobinado helicoidal, la banda de filamentos se aplica en una forma espiral con un ngulo de hlice; b) El filamento se enrolla en el eje mayor del husillo, despus de cada revolucin longitudinal el husillo se corre en un ancho de banda de manera que se va creando gradualmente una forma hueca.

Las mquinas de bobinado de filamentos tienen capacidades de movimientos similares a las de un torno corriente. Hay dos tipos predominantes se sofisticacin de control en las mquinas de bobinado de filamentos: 1) control mecnico, opera por medio de engranaje directo entre la transmisin del husillo y del carro; 2) control numrico computarizado (CNC), La rotacin del husillo y la velocidad del carro se controlan independientemente para permitir mayores ajuste y flexibilidad de los movimientos relativos.

Procesos de Pultrusin

El proceso es similar a la extrusin pero implica el estirado de la pieza de trabajo. La pultrusin produce secciones continuas, rectas de seccin transversal constante. El pulformado es un proceso relacionado que se usa para hacer piezas curvas, con variaciones en la seccin recta a lo largo de la pieza.

Pultrusin

La pultrusin es un proceso en el que se sumerge en un bao de resina una mecha continua de fibra y luego se tira de ellas a travs de un troquel formador donde se cura la resina impregnada. Estas secciones quedan reforzadas con fibras continuas en toda su longitud. Las piezas tienen una seccin transversal constante y un perfil determinado por la forma de la abertura del troquel.

El proceso consiste en cinco pasos: 1) alimentacin de filamentos, las fibras se surten de una estizola; 2) impregnacin con resina, la fibras se sumergen en la resina liquida no curada; 3) formado de un troquel previo, se da la forma aproximada de la seccin trasversal deseada a la coleccin de filamentos; 4) formado y curado, Se tira de las fibras impregnadas a travs del troquel caliente; 5) estirado y cortado, se usa rodillos tractores para extraer el troquel la longitud curada, despus de lo cual se corta con una rueda cortadora con granos de SiC o diamante.

Pulformado

El pulformado se define como un pultrusin con pasos adicionales para formar un contorno semicircular y alterar la seccin trasversal a lo largo de su longitud. Despus de salir del troquel formador la pieza continua de trabajo se alimenta dentro de una mesa giratoria con moldes negativos colocados en su periferia. El trabajo se fuerza dentro de las cavidades de los moldes por medio de un troquel de zapata que aprieta la seccin transversal y forma la curvatura. El dimetro 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.

Otros Procesos de Formados para PMC

Vaciado Centrifugado

Pequeos trozos de fibras combinados con resina liquida se vaca en un molde cilndrico que gira rpidamente. La fuerza centrfuga presiona los ingredientes contra la pared del molde donde tiene lugar el curado. La contraccin de la pieza o el uso de moldes hedidos permiten la remocin de la pieza.

Laminado de tubos

En el proceso, se envuelve alrededor de un husillo cilndrico y varias veces una lmina con productos preimpregnados, para obtener la pieza de un tubo de un espesor conformado de mltiples capas. La lamina enrollada se encierra en una camisa que se contrae al calentarse y se cura en horno, cuando se completa el curado se retira el husillo para dejar un tubo laminado de FRP

Laminado contino

En la construccin se usan paneles de plstico reforzado con fibra. Su produccin involucra varios procesos:1) impregnacin de capas de esteras de fibra de vidrio o tela tejida por inmersin de resina liquida o pasndola bajo un bistur, 2) unin entre pelculas de cubierta, 3) compactacin entre rodillos de presin y curado, 4) el currado se agrega por medio de rodillos de formado o zaparas de molde.

Mtodos de corte

Los compuestos laminados FRP se corta ya se en el estado curado o en el no curado. Las herramientas tpicas de corte para los materiales no curados incluyen navajas, tijeras y cizallas. Tambin se usan mtodos no tradicionales de corte. Los FRP curado son duros, tenses, abrasivos y difciles de cortar, pero es necesario cortarlo en muchos de los proceso de formado para eliminar el material en exceso, hacer agujeros y perfiles y para otros propsitos. Las herramientas de corte de carburo cementado y sierras de acero de alta velocidad se deben usar en estas ocasiones. Se usa tambin con buenos resultados el corte con chorro de agua en los FRP curados.

Bibliografa

Groover, Mikell P., Fundamentos de Manufactura Moderna, 3 Edicin, Mc Graw Hill.

Schrader, George F. & Singer, Morse B. Materiales y Procesos de. Manufactura para Ingenieros. 3 Edicin. Prentice Hall.