Procesado de Materiales Compuestos PDF

PROCESOS INDUSTRIALES PROCESADO DE MATERIALES COMPUESTOS  Procesado de Materiales Compuestos Tema 9 PROCESADO DE MATERIALES COMPUESTOS 9.1 Introducción Además de los metales, cerámicos y polímeros, se puede distinguir una cu...

PROCESOS INDUSTRIALES PROCESADO DE MATERIALES COMPUESTOS  Procesado de Materiales Compuestos Tema 9 PROCESADO DE MATERIALES COMPUESTOS 9.1 Introducción Además de los metales, cerámicos y polímeros, se puede distinguir una cuarta categoría de materiales, los compuestos. Éstos se definen, de forma general, como una combinación de dos o más fases físicas distintas e insolubles, dispuestas de forma adecuada, cuya combinación produce propiedades conjuntas superiores a las que tienen sus constituyentes por separado. Cada una de sus fases retiene su identidad, es decir, no se disuelve ni se funde completamente y se puede separar mecánicamente, aunque actúan en conjunto. Normalmente, los componentes pueden ser físicamente identificados y exhiben una interfase de separación entre ellos. Estrictamente hablando, la idea de un material compuesto no es nueva, ni siquiera reciente. La naturaleza está llena de ejemplos. La madera es un ejemplo de material compuesto natural: fibras de celulosa, que poseen una gran resistencia mecánica y gran flexibilidad, en una matriz de lignina que las une. El hueso es otro ejemplo, formado por fibras cortas y poco resistentes de colágeno embebidas en una matriz de un mineral denominado hidroxiapatito. Además de estos materiales compuestos de origen natural, existen muchos otros artificiales, obtenidos a partir de componentes naturales; estos materiales compuestos artificiales han sido utilizados por el hombre desde sus orígenes (así por ejemplo, en la época de los egipcios se empleaba el adobe, formado por fibras vegetales en una matriz arcillosa). Por último, distinguimos los materiales compuestos sintéticos en los que sus componentes están fabricados por el hombre, no se encuentran en la naturaleza. Dichos componentes se producen de forma separada y luego se combinan bajo control para lograr la estructura, propiedades y geometría deseadas. Aunque la idea de material compuesto no es nueva, ha sido desde mediados del siglo pasado cuando se ha producido un importante desarrollo de éstos, originado por la creciente necesidad de contar, a nivel industrial, con materiales con un comportamiento cada vez más extremo y variado, por lo que ninguno de los convencionales disponibles era capaz de satisfacerlo simultáneamente. 9.2  Procesado de Materiales Compuestos 9.1.1 Ventajas e inconvenientes Entre las ventajas de los materiales compuestos, cabe destacar:  Flexibilidad en el diseño, lo cual implica que, partiendo del diseño más eficiente, se puede fabricar el material que permita construir dicho dispositivo  Posibilidad de lograr combinaciones de propiedades que no se pueden lograr con los metales, materiales cerámicos o los polímeros por sí solos (relación resistencia/peso elevada, resistencia a oxidación, comportamiento en fatiga, etc.)  Obtención de propiedades diseñadas en la dirección de la carga  Posibilidad de construir formas más o menos complejas.  Estabilidad dimensional También hay desventajas y limitaciones asociadas a estos materiales:  No existe tradición en el diseño, por tanto, falta información sobre su comportamiento  Sus propiedades pueden ser anisotrópicas  La materia prima y los procesos de fabricación de estos materiales son caros  Algunos de los métodos de fabricación para su conformado son lentos y/o requieren mucha mano de obra  En algunos casos, los procesos de fabricación pueden suponer riesgo para la salud 9.2 Fases del material compuesto Los materiales compuestos están constituidos por una fase primaria y otra secundaria. La fase primaria forma la matriz, o componente continuo, dentro de la cual se incorpora la segunda fase, como agente de refuerzo del compuesto. Cada una de estas fases está formada por un material homogéneo en el cuál todos los granos tienen la misma estructura cristalina. 9.2.1 Matriz La matriz es el componente continuo que da volumen al material compuesto. Está formada por uno de los tres tipos básicos de materiales (metálico, cerámico o polimérico). Entre sus funciones cabe destacar que:  suministra la forma masiva de la parte o producto hecho del material compuesto;  mantiene en su lugar a la fase incorporada, ocultándola frecuentemente;  al aplicar carga, la matriz transmite la mayor parte de la carga a la fase secundaria. En función de su composición, se pueden clasificar en: 1) Compuestos en Matriz Metálica 2) Compuestos en Matriz Cerámica 3) Compuestos en Matriz Polimérica (tanto termoestable como termoplástica). 9.2.2 La fase de refuerzo La fase secundaria juega el papel de refuerzo de la fase primaria. También está formada por uno de los tres tipos básicos de materiales (metálico, cerámico o polimérico) o incluso puede ser un elemento químico, como el Boro o Carbono. Según sea su geometría, se existen 9.3  Procesado de Materiales Compuestos materiales compuestos con refuerzos particulados, fibrosos o laminados. 9.2.2.1 Partículas de refuerzo La distribución de las partículas de refuerzo en la matriz es aleatoria y, por tanto, la resisten- cia y otras propiedades del material compuesto son generalmente isotrópicas. Su tamaño fluctúa desde el microscópico al macroscópico. Son una forma importante de refuerzo para metales y cerámicos. Un ejemplo clásico es el hormigón, que consiste en partículas de arena y grava rodeadas de cemento. Otro ejemplo es el carburo sinterizado, en el que se dispersan partículas de carburo de wolframio en cobalto. Muchos productos pulvimetalúrgicos son materiales compuestos con refuerzo particulado. 9.2.2.2 Fibras de refuerzo Las fibras de refuerzo son las que brindan la mejor oportunidad para aumentar la resistencia de las estructuras compuestas. Poseen un diámetro que no supera 0,1 mm, y pueden tener sección circular, triangular o irregular. La industria produce los diversos tipos de fibras y tejidos, formados a base de monofilamentos en grupos de 50 a 400, o más. Durante su formación se obtienen hilos, que a su vez se reúnen en cantidad variable, con torsión o sin ella, mediante sucesivas operaciones de paralelizado, doblado y retorcido. Según su configuración, se pueden clasificar en [Figura 9.1.]: Figura 9.1. Configuraciones de fibras de refuerzo  Mechas: hilos de fibra unidos en haces paralelos o enrollados, presentados en forma de bobinas. Son empleados para producir fibras cortas, para realizar tejidos o bien para procesos de estratificación como pultrusión o bobinado.  Fibras cortas: fibras cortadas entre 2 a 50 mm, en diferentes longitudes, para ser pulverizados con resina o para ser añadidos como ingrediente a polímeros.  Fieltro: hilos continuos o discontinuos que unidos por un adhesivo soluble o insoluble, forman una estera o fieltro. Se adaptan mejor a las formas complicadas pero son menos resistentes que los tejidos. La resistencia que ofrecen es igual en todas las direcciones.  Cinta unidireccional: hilos de fibra dispuestos paralelos en forma unidireccional. 9.4  Procesado de Materiales Compuestos  Tejido o Tela: hilos entrecruzados ortogonalmente según una trama y urdimbre de un orden. Los tejidos no son aptos para adaptarse a formas complicadas. Su precio es más elevado que el de las esteras pero, como beneficio, proporcionan la mayor resistencia de todas las formas fibrosas. Por tanto, en función de la orientación de las fibras, se puede distinguir [Figura 9.2.]: a) refuerzo unidimensional, fibras continuas dispuestas en una dirección, en la cual se obtiene la máxima resistencia y rigidez; b) refuerzo planar, en la que las fibras continuas están tejidas (dos dimensiones); c) al azar o tridimensional, empleando fibras discontinuas, tendiendo el material compuesto a poseer propiedades isotrópicas. Figura 9.2. Orientación de las fibras: (a) unidimensional; (b) planar; (c) aleatoria. 9.2.2.3 Estructura laminar compuesta Consiste en dos o más capas unidas para formar una pieza integral [Figura 9.3.(a)]. Normalmente las capas son lo suficiente gruesas como para identificar fácilmente al compuesto. En un compuesto laminar, muchas veces se utilizan diferentes materiales en sus capas para obtener mayores ventajas al combinar las propiedades particulares de cada una. En algunos casos, las propias capas pueden ser de materiales compuestos. También se considera, como caso especial de estructura laminar compuesta, la estructura tipo sándwich, que consiste en un corazón (parte central) relativamente grueso de material de baja densidad unido en ambas caras con hojas delgadas de un material diferente. El centro de baja densidad puede ser un material espumoso [Figura 9.3.(b)] o uno en forma de panal [Figura 9.3.(c)]. La razón de usar una estructura sándwich es la obtención de un material con una alta relación de resistencia y rigidez al peso. Figura 9.3. Estructuras laminares compuestas: (a) estructura laminar convencional, (b) estructura sándwich con corazón de espuma y (c) estructura sándwich de panal 9.5  Procesado de Materiales Compuestos 9.2.3 La interfase Siempre hay una interfase entre las fases de un material compuesto. Éstas deben formar enlace en las zonas de unión para que el compuesto funcione correctamente. En algunos casos, hay una unión directa entre los dos ingredientes [Figura 9.4.(a)]. En otros se añade un tercer ingrediente (por ejemplo, un adhesivo) para favorecer esta unión, resultando, en este caso, dos interfases [Figura 9.4.(b)]. Finalmente, se puede obtener una tercera forma de interfase, constituida por su disolución, cuando los componentes de las dos fases no son completamente insolubles entre ellos [Figura 9.4.(c)]. Figura 9.4. Unión e interfases entre las fases de un material compuesto: (a) unión directa, (b) adición de un tercer componente y (c) formación de una interfase por disolución 9.3 Compuestos en matriz metálica (CMM) Los compuestos de matriz metálica consisten en una matriz metálica reforzada por una segunda fase. Las aleaciones más empleadas son las ligeras (aluminio, titanio y magnesio y sus aleaciones). Como fase de refuerzo, se suelen emplear fibras (cortas o largas) y partículas. Los materiales más empleados como refuerzo son el boro, alúmina y carburo de silicio. Dentro de esta familia, cabe destacar:  Cermets: material compuesto en el cual un cerámico está contenido en una matriz metálica. El cerámico domina frecuentemente la mezcla, algunas veces puede alcanzar hasta el 96% en volumen. Los cermets se pueden subdividir en: a) carburos cementados: comprenden uno o más compuestos de carburo enlazados con una matriz metálica. Un ejemplo es el carburo de tungsteno (WC), embebido en una matriz de partículas metálicas (cobalto, titanio, tántalo, vanadio, niobio, etc.), (véase tema Pulvimetalurgia), aplicándose cuando la dureza y la resistencia al desgaste son factores críticos. b) cermets basados en óxidos: la mayoría de estos compuestos utiliza el Al2O3 como fase particulada. Una matriz metálica común es el cromo. Sus aplicaciones incluyen herramientas de corte, sellos mecánicos y protectores de termopares.  CMM reforzados con fibras: combinan la alta resistencia a la tracción y el elevado módulo de elasticidad de una fibra con metales de baja densidad, logrando buenas relaciones resistencia/peso en el material compuesto resultante. Los metales típicos que se usan como matriz de baja densidad son el aluminio, el magnesio y el titanio. Algunos de los materiales fibrosos importantes usados en estos compuestos incluyen Al2O3, boro, carbono y SiC. Su mayor campo de aplicación se encuentra en los componentes de aviación y maquinaria de turbinas. 9.6  Procesado de Materiales Compuestos 9.4 Compuestos en matriz cerámica (CMC) Los CMC consisten en una fase cerámica primaria embebida con una segunda fase. A la fecha, los trabajos de desarrollo se han enfocado al uso de fibras como fase secundaria, pero no han tenido éxito. Las dificultades técnicas incluyen la compatibilidad térmica y química de los constituyentes en los CMC durante el procesamiento. Deben considerarse también, como en el caso de los materiales cerámicos, las limitaciones que impone la geometría del elemento. Entre los materiales cerámicos que se usan como matrices se incluyen la alúmina (Al2O3), carburo de boro (B4C), nitruro de boro (BN), carburo de silicio (SiC), carburo de titanio (TiC), etc. Varios de éstos se encuentran todavía en la etapa de desarrollo como matrices para los CMC. Los refuerzos incluyen al carbono, carburo de silicio y alúmina. Una aplicación comer- cial prometedora de los CMC está en las herramientas de corte de metales como un competidor de los carburos cementados. 9.5 Compuestos en matriz polimérica (CMP) Un compuesto de matriz polimérica (CMP) consiste en una matriz de polímero embebida con una fase secundaria a base de fibras, partículas u hojuelas (plaquetas). Dentro de esta familia de materiales, cabe destacar los polímeros reforzados con fibras (PRF), consistentes en una matriz de polímero incorporada con fibras de alta resistencia. Las fibras en los CMP pueden ser de varias formas: discontinuas, continuas o mallas. Los principales materiales fibrosos son el vidrio, el carbono y el Kevlar 49. Aplicaciones. Durante las tres últimas décadas, se ha producido un crecimiento en la aplicación de los polímeros reforzados con fibra (PRF) en productos que requieren alta resistencia y bajo peso, como sustitutos de metales. Su aplicación en la aviación comercial y militar se ha incrementado continuamente desde los años 60. La mayoría del peso estructural de éstos consiste en PRF [Figura 9.5.]. La industria automotriz es otro usuario importante, aplicándolos en los tableros de las carrocerías y en ciertas partes del chasis y del motor. Figura 9.5. Ejemplo de aplicación de materiales compuestos en aviación comercial 9.7  Procesado de Materiales Compuestos Salvo aplicaciones concretas, las matrices cerámicas y metálicas están en fase de desarrollo industrial debido a problemas de procesabilidad (por las altas temperaturas requeridas), adhesión y reactividad de las distintas fases. En este tema se estudiará el conformado de los materiales compuestos de matriz polimérica, por ser, aunque con excepciones, la tipología tecnológica y comercial más importante. 9.6 Materias primas para CMP Como ya se ha comentado, en un CMP, las materias primas son un polímero y una fase de refuerzo. La materia prima polimérica procederá de la empresa productora de plásticos en la composición y forma descritas en temas anteriores (Procesado de Polímeros). Respecto a la fase de refuerzo, cabe destacar:  Fibras de vidrio, de gran resistencia a tracción, duras y resistentes al ataque químico. Se elaboran a partir de la sílice, al que se le añaden otros componentes en función de las propiedades deseadas, mediante extrusión, a modo de filamentos de pequeño diámetro.  Fibras de carbono, de muy alta resistencia y rigidez. Se fabrica a partir de mezclas de poliacrilonitrilo (PAN) con otros polímeros, sometidas a ciclos de calentamiento. La fibra de carbono se produce por la combustión controlada de oxígeno con nitrógeno y demás elementos, dejando sólo el carbono en el material. Posteriormente es trefilado en filamentos cinco veces más delgados que un cabello humano.  Fibras orgánicas, obtenidas a partir de polímeros. La más utilizada es la poliaramida kevlar ® de DuPont. La síntesis de este polímero se lleva a cabo a través de una polimerización por pasos a partir de la p-fenilendiamina y el dicloruro del ácido tereftálico. Posteriormente, el polímero se disuelve en ácido sulfúrico concentrado formando una solución cristalina que se emplea para precipitar las fibras a la vez que se estiran mediante un sistema de hilado. Dependiendo de la forma deseada, estas fibras deberán ser agrupadas, con torsión o sin ella, mediante sucesivas operaciones de paralelizado, doblado y retorcido, para posteriormente ser empleadas de forma continua o cortadas, tejidas según necesidades. Tanto la matriz como la fase de refuerzo se pueden procesar por separado, para combinarse durante el conformado: los materiales iniciales llegan a la operación de fabricación en entidades separadas y se unen durante su conformado. Sin embargo, también se pueden combinar previamente en una forma preliminar para su posterior conformado. Estas formas preliminares se pueden presentar como:  Fibras Preimpregnadas o Prepregs: son filamentos unidimensionales impregnados con resina termoestable, parcialmente polimerizada para facilitar el proceso de conformado.  Compuestos para moldeo de lámina (CML), también denominados cintas prepregs. Existen dos posibilidades: un proceso que contempla la combinación de dos láminas de polímero termoestable, entre las cuales se deposita fibras cortas con orientación aleatoria, prensadas entre rodillos [Figura 9.6.] o una segunda posibilidad que implica la inmersión de una fibra tejida en un baño de resina termoestable líquida. 9.8  Procesado de Materiales Compuestos Figura 9.6. Esquema de un proceso de fabricación de CML  Compuestos para moldeo volumétrico (CMV): tienen forma de palanquilla y están formados por una mezcla de material plástico con refuerzos de fibra corta. 9.7 Procesado de CMP La variedad de métodos de conformado para CMP es muy amplia, pudiéndose dividir en: 1) Procesos en molde abierto: procedimientos en los que se depositan capas de resinas y fibras sobre la superficie de un molde. 2) Procesos en molde cerrado: son parecidos a los de moldeo de plásticos: moldeo por compresión, moldeo por transferencia, moldeo por inyección 3) Bobinado de filamentos: proceso que implica el enrollado de filamentos continuos (que han sido sumergidos en resina líquida alrededor de un mandril giratorio). Cuando polimeriza la resina, se obtiene una pieza cilíndrica rígida y hueca. 4) Procesos de pultrusión: proceso de conformado para producir secciones largas y rectilíneas de sección transversal constante. Es similar a la extrusión, aunque adaptada para incluir refuerzos de fibra continua. 5) Otros, como colada centrífuga, laminado de tubos o soplado. 9.8 Procesos de molde abierto También pueden llamarse moldeo por contacto o al aire y tienen como característica distintiva el uso de una sola superficie de molde, positivo o negativo, [Figura 9.7.] para producir estructuras laminadas. Figura 9.7. Tipos de molde abierto: (a) positivo y (b) negativo Los materiales iniciales (resinas y fibras continuas o discontinuas) se aplican al molde en capas que se acumulan hasta el espesor deseado, seguido del curado y la retirada de la 9.9  Procesado de Materiales Compuestos pieza. La matriz más común para este tipo de procesos es de polímeros termoestables, usando fibra de vidrio como refuerzo. Las piezas moldeadas suelen ser grandes como, por ejemplo, cascos para barcos. La ventaja de usar moldes abiertos es que el coste del molde es mucho menor que si se usara una pareja de moldes. La desventaja es que solamente la superficie de la parte en contacto con el molde es la superficie acabada, quedando la otra superficie áspera. El molde en sí, debe ser muy liso para un mejor acabado de la superficie en contacto de la pieza. Se pueden distinguir varios procesos, según se apliquen las capas al molde: 1) aplicación manual, 2) aspersión, 3) máquinas automáticas de aplicación [Figura 9.8.]. Además, en función de la técnica empleada, se puede realizar el curado: a) a temperatura ambiente, b) mediante aplicación de calor local, c) con bolsa, d) en autoclave. Figura 9.8. Procesos en molde abierto 9.8.1 Aplicación manual La aplicación manual es el método en molde abierto más antiguo para laminados de CMP, remontándose a los años cuarenta, cuando se usó por primera vez para fabricar cascos de barcos. Es también el método que requiere de mayor mano de obra. Consiste en la aplicación manual de capas sucesivas de resina y refuerzo en un molde abierto para construir la estructura laminada compuesta. El procedimiento básico consiste en 5 pasos [Figura 9.9.]: Figura 9.9. Procedimiento de aplicación manual 9.10  Procesado de Materiales Compuestos 1) Se limpia el molde y se trata con un agente antiadherente; 2) Se aplica manualmente (con brocha) un recubrimiento delgado de resina con catalizador para que tenga lugar la polimerización hasta un estado pastoso denominado gel, que se convertirá en la superficie externa de la pieza. A esta operación se le conoce como aplicación húmeda. 3) Cuando el recubrimiento de gel ha curado parcialmente, se aplica la capa de refuerzo planar (fibras tejidas) con rodillos de mano. A esta capa de refuerzo, que está seca cuando se coloca en el molde, se le pasa un rodillo, a fin de impregnarla completamente con la resina y eliminar las burbujas de aire. Los pasos 2 y 3 se repiten tantas veces como sea necesario hasta obtener el espesor deseado. A este proceso, en el que sucesivas capas de resina y refuerzo se colocan de forma manual en un molde, se le denomina apilamiento manual. 4) La pieza resultante se termina de curar. 5) Se retira del molde. La pieza terminada se recorta, para eliminar 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). Un procedimiento alternativo a éste se realiza usando prepregs: primero se preparan las capas refuerzo impregnadas en polímero y luego se colocan en la superficie del molde. Entre las ventajas que se atribuyen a los prepregs cabe destacar que permiten un control más estrecho sobre la mezcla de fibra y resina y más eficiencia en el proceso de apilamiento de las capas. Los moldes se pueden hacer de yeso, metal, plásticos reforzados con fibra de vidrio u otros materiales. La selección del material depende principalmente de la economía y la calidad de la superficie, entre otros. La aplicación manual se presta generalmente para pequeñas-medias producciones de piezas de gran tamaño. Aparte de los cascos de barco, este procedimiento se usa para producir albercas, tanques grandes, figuras para escenarios y otras formas laminadas, pero el método no es económico para alta producción. 9.8.2 Aplicación por atomización (aspersión) En la aspersión, deposición por proyección o recubrimiento a pistola, se puede pulverizar, de forma simultánea, la resina, el catalizador y la fibra cortada sobre el molde. La aspersión representa 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 [Figura 9.10.]. 9.11  Procesado de Materiales Compuestos Figura 9.10. Método de aplicación por atomización La pistola aspersora está equipada con un mecanismo de corte alimentado con fibras continuas que las corta a longitudes de 25 a 75 mm, las cuales se incorporan a la corriente de resina a la salida de la boquilla. La acción mezcladora genera una orientación aleatoria de las fibras, a diferencia de la aplicación manual, en la que los filamentos pueden orientarse como se desee. Debido a que tienen fibras cortas orientadas al azar, los productos hechos por aspersión no son tan fuertes como los hechos por aplicación manual de capas cuyas fibras son continuas y dirigidas. Además, 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). Los productos hechos con el método de atomización incluyen cascos para barcos, bañeras, partes para carrocerías de automóviles, muebles, paneles estructurales grandes y contenedores. 9.8.3 Máquinas de aplicación automatizada La aspersión se puede realizar manualmente o de forma automática. Algunas de las emisiones volátiles de las resinas líquidas son tóxicas por lo que resulta conveniente el empleo de máquinas de ruta controlada que operen en áreas cerradas sin presencia humana. Estas máquinas automáticas operan con un aplicador de cintas prepreg sobre un molde abierto siguiendo una ruta programada. La máquina 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 un dispositivo de corte para cortar la cinta al final de cada ruta. 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 cintas paralelas. 9.8.4 Curado El curado o polimerización, definido anteriormente, consiste en el encadenamiento y/o entrecruzamiento transversal, pasando el monómero o polímero de una condición líquida o altamente plástica a un producto sólido. Puede haber sido necesario el empleo de catalizadores, con o sin aplicación de calor y/o presión. Hay tres parámetros principales a tener en cuenta en el proceso de curado: tiempo, temperatura y presión. En los procedimientos de aplicación manual y atomización, donde se usan polímeros termoestables, el curado se suele realizar a temperatura ambiente. Las piezas moldeadas por estos procesos suelen ser grandes, por lo que el calentamiento puede ser difícil. Cuando 9.12  Procesado de Materiales Compuestos es posible, se suministra calor mediante estufas de curado, que suministran calor a tem- peraturas estrechamente controladas. El calentamiento con rayos infrarrojos se puede aplicar cuando es inviable poner la parte moldeada en una estufa. 9.8.4.1 Curado con bolsa El moldeo con bolsa incluye dos procedimientos alternativos para el curado con bolsa en los procesos de aplicación manual o por aspersión [Figura 9.11.]: (a) moldeo con bolsa a vacío y (b) moldeo con bolsa a presión. Mediante ambos, se busca compactar la laminación y expulsar las sustancias volátiles. Figura 9.11. Procedimientos de moldeo con bolsa: (a) a vacío y (b) a presión En el moldeo con bolsa a vacío se usa una lámina de plástico flexible para cubrir la pieza una vez que se han aplicado las capas manualmente o por atomización. Se sellan los bordes y se practica el vacío para presionar la bolsa contra el molde mientras se cura. La limitación de la técnica es la presión máxima que se puede alcanzar (una atmósfera). En el moldeo con bolsa a presión se usa presión positiva de aire para inflar una bolsa de elastómero contra el molde, mientras se está curando. De esta manera se pueden aplicar varias atmósferas. Frecuentemente se añade calor en ambos procedimientos para acelerar el curado. 9.8.4.2 Curado en autoclave El curado también se puede realizar en una cámara cerrada en la que se controla el calor y presión aplicados, denominada autoclave [Figura 9.12.]. Para el curado de CMP, consta de un cilindro grande horizontal con puertas en ambos extremos. Algunas veces se usa el término moldeo en autoclave para referirse a un proceso similar al moldeo con bolsa, excepto que el vacío se practica dentro de la bolsa mientras el calor y la presión se aplican simultáneamente desde afuera. Este procedimiento se usa ampliamente en la industria aeroespacial para Figura 9.12. Autoclave producir componentes avanzados de alta calidad. 9.13  Procesado de Materiales Compuestos 9.9 Procesos de molde cerrado Las operaciones en molde cerrado se realizan en moldes formados por dos secciones que se abren y cierran durante cada ciclo de moldeo. El coste de un molde cerrado es el doble de un molde abierto, siendo aún mayor el de las herramientas, debido al equipo más complejo que se requiere en este proceso. A pesar de su alto coste, 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) posibilidad de formas tridimensionales más complejas. Los procesos de molde cerrado están basados en el moldeo de plásticos convencionales, ya descrito en el tema precedente, pudiéndose clasificar en: 1) moldeo por inyección, 2) moldeo por compresión y 3) moldeo por transferencia. 9.9.1 Procesos de moldeo por inyección para CMP En el moldeo por inyección de polímeros se calienta un polímero hasta un estado altamente plástico y se hace fluir bajo alta presión dentro de la cavidad de un molde donde posteriormente solidifica. En el proceso de formado de CMP, se usa el moldeo por inyección para termoplásticos y termoestables. Se deben usar fibras cortas: si se usaran fibras continuas, su longitud podría verse afectada 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. Si bien los compuestos de moldeo termoplásticos se calientan y luego se inyectan en un molde frío, los polímeros termoestables se inyectan en un molde caliente para curarse. El control del proceso, en este segundo caso, es complicado debido al riesgo del encadenamiento transversal prematuro en la cámara de inyección. 9.9.2 Procesos de moldeo por compresión para CMP En el moldeo por compresión de polímeros termoestables se coloca el material en la sección inferior del molde caliente y después se cierra bajo presión, para que tome la forma de su cavidad. Cuando la pieza moldeada se ha curado lo suficiente, se abre el molde y se retira. Para el conformado de CMP hay dos posibilidades, según cuando se combinen las fases:  Antes del conformado: se emplean tejidos prepreg o compuestos para moldeo laminar o volumétrico. Los factores críticos durante el moldeo son el flujo de la resina, las fibras y los otros ingredientes.  Durante el conformado: cuando se combinan la resina y la fase de refuerzo en el proceso de conformado, implicando la colocación de fibra tejida precortada en la parte inferior de la sección del molde, junto con la resina de polímero. Los materiales se presionan entre las mitades calientes del molde, ocasionando que la resina fluya e impregne la fibra para producir un moldeado reforzado con fibras. Las variantes del proceso pueden usar polímeros termoplásticos o termoestables. 9.14  Procesado de Materiales Compuestos 9.9.3 Procesos de moldeo por transferencia para CMP Para el moldeo por transferencia de polímeros se coloca la resina termoestable en una cámara previa al molde, se calienta y se presiona por medio de un pistón dentro de una o más cavidades del molde, que también debe estar caliente. Para materiales compuestos, se puede usar para moldear polímeros termoestables cuyos componentes incluyen fibras cortas. Otro proceso de moldeo por transferencia para CMP se denomina moldeo por transferencia de resina (MTR), que consiste en un proceso en molde cerrado en el cual se coloca fibra tejida en el hueco del molde, mientras que la resina termoestable, que se encuentra en la cámara previa, se transfiere dentro de la cavidad a presión moderada, a fin de impregnar la fibra. 9.10 Bobinado de filamentos El bobinado o enrollado de filamentos es un proceso para producción de piezas huecas con geometría de revolución mediante el enrollado de fibras continuas impregnadas con resina alrededor de un mandril giratorio que tiene la forma interna de la pieza que se quiere producir. La forma más común del proceso se describe en la Figura 9.13. La fibra continua pasa a través de un baño de resina, inmediatamente antes de ser enrollada sobre un mandril cilíndrico. Una vez seleccionado el patrón de bobinado, se completa una primera capa sobre el mandril, con el filamento impregnado. La operación se repite para formar las capas adicionales, teniendo cada una de éstas un patrón entrecruzado distinto con respecto a la anterior, hasta obtener el espesor adecuado. Una vez se ha curado la resina, el mandril se debe plegar para poder ser retirado. Para ello, existen varios diseños, incluyendo mandriles inflables, mandriles metálicos plegables y mandriles hechos de yeso o de sales solubles. Hay varios métodos para impregnar las fibras con resina: 1) bobinado húmedo, en el cual el filamento pasa a través de la resina líquida justo antes del bobinado. En el proceso de enrollado se elimina el exceso de matriz de resina y aire atrapado, 2) bobinado prepreg, también llamado bobinado seco, en el cual los filamentos preimpregnados con resina, parcialmente curada, se enrollan alrededor de un mandril calentado 3) postimpregnación, en la cual los filamentos se enrollan en el mandril y luego se impregnan con resina por medio de brocha u otra técnica. 9.15  Procesado de Materiales Compuestos Figura 9.13. Bobinado de filamentos Se usan dos patrones básicos de bobinado del filamento [Figura 9.14.]: a) bobinado helicoidal, la banda de filamentos se aplica en una forma espiral alrededor del mandril con un ángulo de hélice  [Figura 9.14.(a)]. Si la banda se bobina con un ángulo de hélice que se aproxima a los 90° 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 mandril. b) bobinado polar, el filamento se enrolla alrededor del eje mayor del mandril [Figura 9.14.(b)]; después de cada revolución longitudinal, el mandril gira parcialmente en un ancho de Figura 9.14. Dos patrones básicos banda, de manera que se va creando de bobinado de filamentos: (a) gradualmente la forma hueca. helicoidal; (b) polar Los patrones polares y de aro se pueden combinar en bobinados sucesivos del mandril, para producir capas adyacentes con direcciones del filamento aproximadamente perpendiculares, denominándose bobinado biaxial. La ventaja del bobinado de filamentos es que permite al diseñador colocar refuerzos en zonas sometidas a mayor tensión. Entre los ejemplos de aplicación, se incluyen recipientes a presión, boyas submarinas, depósitos de almacenamiento, etc. 9.11 Procesos de pultrusión La pultrusión es un proceso para la obtención de piezas rectas de sección transversal constante. El proceso básico de pultrusión se desarrolló alrededor de 1950 para fabricar cañas de pescar de polímero reforzado con fibra de vidrio. 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). El proceso básico de pultrusión consiste en hacer pasar, mediante tracción, un conjunto de fibras continuas impregnadas en resina, a través de una matriz, en la que la resina impregnada polimeriza [Figura 9.15.]. Como en la extrusión, las piezas tienen una sección transversal constante y un perfil determinado por la forma de la abertura de la matriz. 9.16  Procesado de Materiales Compuestos Puede utilizarse tanto para matrices de termoplásticos como de termoestables:  En el caso de los termoplásticos, se parte de un preimpregnado, que se calienta hasta una temperatura próxima a la de fusión del termoplástico. A continuación entra en una matriz calefactada, que le da forma a la vez que va eliminando el aire que pueda haber retenido. Posteriormente, el material entra en la zona final de la matriz, que está refrigerada al objeto de mantener la forma al salir de ésta.  Si la matriz empleada es termoestable, se suele partir de bobinas secas que se sumergen en un baño de resina catalizada; la mezcla humedecida se hace pasar a través de una matriz inicial, donde se expulsa el exceso de resina. A continuación, pasa por la matriz calefactada, donde se produce el curado. La parte final de la matriz puede estar refrigerada. Los productos obtenidos por pultrusión incluyen varillas sólidas, tuberías, perfiles estructurales (como canales, ángulos y vigas compuestas), herramientas para trabajo para alto voltaje y cubiertas para la barra-guía de trenes subterráneos. Figura 9.15. Proceso de pultrusión (matriz termoestable) 9.11.1 Pulformado Los procesos de pultrusión se limitan a piezas rectas de sección transversal constante. Si se necesita conformar piezas curvas largas, reforzadas con fibra continua, cuya sección transversal varíe a través de su longitud, se recomienda el proceso de pulformado. Éste se puede definir como una pultrusión con pasos adicionales para conformar un contorno semicircular y alterar la sección transversal en uno o más puntos a lo largo de la pieza [Figura 9.16.]. 9.17  Procesado de Materiales Compuestos Figura 9.16. Proceso de pulformado (no se muestra la operación de corte) El equipo es semejante al de pultrusión pero, después de salir de la matriz, la pieza continua se alimenta dentro de una mesa giratoria con moldes negativos, colocados en su periferia. La pieza se fuerza dentro de las cavidades de los moldes por medio de zapatas que aprietan la sección transversal en varios puntos y forma la curvatura. El diámetro de la mesa determina el radio de la pieza. Conforme ésta sale de aquella, 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 automóviles. 9.12 Otros procesos de conformado para CMP Además de los procesos descritos, cabe también mencionar otros igualmente empleados para dar forma a los CMP entre los que se incluyen la colada centrífuga o el laminado de tubos. Además, muchos de los procesos tradicionales de conformado de termoplásticos también son aplicables, como es el caso del moldeo por soplado o el termoconformado. 9.12.1 Colada centrífuga Este proceso es ideal para productos cilíndricos como tubos y tanques. El proceso es similar al de la fundición metálica. La resina líquida combinada con fibra corta se vacía en un molde cilíndrico que gira rápidamente. La fuerza centrífuga presiona la mezcla contra la pared del molde donde tiene lugar la polimerización. La superficie interna que resulta es bastante lisa. La contracción de la pieza permite su expulsión [Figura 9.17.]. Figura 9.17. Equipo para colada centrífuga 9.18  Procesado de Materiales Compuestos 9.12.2 Laminado de tubos Los tubos de PRF se pueden fabricar a partir de cintas prepreg por una técnica de laminado, que se muestra en la Figura 9.18. Dichos tubos se usan en cuadros de bicicletas y armaduras espaciales. En el proceso, se envuelve varias veces una cinta prepreg precortada, alrededor de un mandril cilíndrico, para obtener la pared de un tubo con un espesor formado de múltiples capas. Figura 9.18. (a) Ejemplo de un sistema de envoltura de una cinta prepreg de FRP alrededor del mandril, y (b) el tubo terminado después del polimerizado y retirada del mandril La lámina enrollada se encierra en una camisa que se contrae al calentarse y polimeriza en estufa. Cuando la camisa se contrae, atrapa los gases y los expulsa por los extremos del tubo. Cuando se completa el polimerizado, se retira el mandril para dejar un tubo laminado de PRF. La operación es simple y el coste de las herramientas es bajo. El proceso puede variar según los diferentes métodos de envoltura y el uso de moldes de acero para encerrar el rollo de cinta prepreg, obteniendo así un mejor control dimensional. 9.12.3 Moldeo por soplado Este proceso consiste en añadir el refuerzo a la película soplada. Una vez obtenido el tubo de película delgada, se pulveriza fibra corta en el interior de ésta mientras está caliente para posteriormente prensar la película de material compuesto mediante rodillos de presión. 9.19