Fabricación de Materiales Compuestos: Métodos, Criterios y Parámetros de Proceso

La selección del método de fabricación adecuado para materiales compuestos es crucial y depende de diversos factores. A continuación, se detallan los criterios de selección y una clasificación de los métodos más comunes, junto con sus parámetros de proceso.

Criterios de Selección del Método a Emplear

• Especificaciones Técnicas: Requisitos de rendimiento y propiedades del material.
• Parámetros Productivos: Aspectos relacionados con la eficiencia y el coste de fabricación.

Coste por Pieza

El coste por pieza es un factor determinante y se ve influenciado por:

• Tiempo de preparación y puesta a punto.
• Necesidades de utillaje, equipo y recursos humanos.
• Cadencia de producción deseada.
• Coste de los materiales.
• Tamaño de la serie de producción.

Clasificación de Métodos de Fabricación de Materiales Compuestos

Moldeo por Contacto

Este método implica la aplicación de fibra y matriz en un molde abierto (de una sola cara). El material de partida puede ser:

• Fibra seca impregnada in situ con resina (vía húmeda).
• Fibra preimpregnada de resina con retardadores de curado.

Preimpregnados

Los preimpregnados son materiales ya mezclados y parcialmente curados, caracterizados por:

• Alto contenido de fibra (hasta 70% de fibra).
• Posibilidad de controlar la orientación de la fibra.
• Requieren corte preciso.
• Sensibilidad a la contaminación.
• Generalmente muy caros.
• Permiten la construcción de piezas con múltiples capas (ej. hasta 10 capas).
• Procesos asociados: vacío y autoclave.
• Existen alternativas actuales para su procesamiento.

Variantes del Moldeo por Contacto (para aumentar la cadencia de producción cuando los requisitos estructurales no son elevados)

1. Método de Proyección: La mezcla de fibra y resina se aplica mediante aire a presión. ¡Puede reducir en un 30% el tiempo de producción!
2. Método de Centrifugado: La proyección de la mezcla se realiza en el interior de un molde tubular giratorio.

Moldeo por Compresión

En este método, el refuerzo y la resina se colocan entre un molde y un contramolde, que se cierran con una prensa.

Variantes del Moldeo por Compresión

1. Compresión en Frío:
   • Curado a temperatura ambiente en pocos minutos.
   • El refuerzo suele ser en forma de fieltro.
   • Ofrece peor capacidad estructural.
2. Compresión en Caliente:
   • Utiliza moldes calefactados para un curado más rápido.
   • El refuerzo es un compound (compuesto).
   • Según el compound, pueden obtenerse buenas propiedades características, pero no necesariamente estructurales elevadas.

Pultrusión

La pultrusión es un proceso continuo ideal para la fabricación de perfiles y varillas. El sistema implica:

• Un sistema de tracción que tira de las fibras.
• Una bobina calefactada que cura la resina.
• Permite obtener excelentes características mecánicas.
• Es adecuado para series grandes de producción.

Bobinado de Filamentos

El bobinado es un proceso que permite la fabricación de estructuras huecas o cilíndricas. Implica:

• Control de la orientación de las fibras (ángulo alfa).
• Control de la temperatura (Tª).
• Uso de un mandril (número de ejes o movimientos, ej. 3).
• Posteriormente, se suele realizar un curado en autoclave.
• Las piezas obtenidas pueden ser altamente estructurales.

Moldeo por Inyección

El moldeo por inyección es un método versátil con varias aproximaciones:

1. La fibra seca se coloca en el molde, se cierra y se inyecta la resina catalizada.
2. En el molde cerrado se inyecta directamente un compuesto de fibra y resina.

Tipos de Moldeo por Inyección

• Moldeo por Inyección de Resina (RIM): Proceso de inyección de resina reactiva.
• Inyección de Compound: Permite obtener direcciones privilegiadas en las propiedades del material.
• Moldeo por Transferencia de Resina (RTM): Un proceso avanzado para piezas de alta complejidad.

Moldeo por Transferencia de Resina (RTM)

El RTM es una tecnología avanzada que permite la fabricación de piezas con geometrías complejas (3D x 3D), utilizando materiales como epoxi y fibra de carbono.

Proceso RTM

1. Preparación de la preforma 3D.
2. Colocación de la preforma en el molde.
3. Inyección de resina.
4. Aplicación de vacío.
5. Curado de la pieza.

Elementos Clave del Proceso RTM

• Preforma: El llenado es crítico y existen diversas soluciones para optimizarlo.
• Resina: Se refiere a las propiedades y formulaciones específicas de la resina.
• Molde: Generalmente de metal, debe estar bien sellado, con entradas y salidas controladas, sistema de calentamiento y facilidad de desmoldeo.
• Transferencia:
  • Inyección a baja presión (ej. 1 bar) para empapar la preforma.
  • Control de sobras de resina.
  • Curado.
  • Puede incluir inyección con sobrepresión (ej. 6 bar) o aplicación de vacío (ej. 5 mbar).

Comparación RTM vs. Preimpregnados

El RTM ofrece ventajas para:

• Fabricación de piezas estructurales complejas (3D vs. piezas laminadas por capas).
• Consideraciones de coste.
• Producción de piezas con caras acabadas.
• Adecuado para ciertas series de producción.

Parámetros de Proceso

Los parámetros de proceso son fundamentales para controlar la calidad y eficiencia de la fabricación de materiales compuestos.

Parámetros Productivos

• Coste de equipos.
• Coste de utillaje.
• Coste de materiales.
• Cadencia de producción.
• Tiempos de producción y puesta a punto.
• Mano de obra requerida.

Parámetros Tecnológicos

• Volumen de fibra (ej. hasta 70%).
• Volumen de poros (ej. idealmente 1% o menos).
• Orientación de fibras (ej. satén 5, tafetán y alta resistencia).
• Dimensiones y geometría de la pieza.
• Tolerancias dimensionales.
• Acabado superficial.
• Posibilidad de insertos en la pieza.
• Emisión de gases durante el proceso.