Materiales Compuestos Parte 3

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Métodos de fabricación

Los métodos que pueden usarse en construcción naval:

-Moldeo por contacto - Laminación por contacto - Proyección simultánea - Impregnadores

- Moldeo asistido por vacío - Laminación por contacto asistido por vacío - Preimpregnados - Preimpregnados parciales

- Moldeo por vía líquida - Moldeo por transferencia de resina (RTM) - Moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) - Infusión

- Moldeo con autoclave

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Técnicas de moldeo por contacto: Laminado manual

Aplicación sucesiva de capas de material de refuerzo sobre un molde, para impregnarlas con resina mediante un rodillo o brocha. Presión de compactación (0-0,1 kg/m2), difícil aplicar siempre la misma 2 tipos de rodillos lana: No sufre ataque química resina metálico: Eliminar burbujas de aire Brochas: Extender resina en lugares estrechos Se pueden usar la mayoría de matrices poliéster, viniléster y epoxi Aquellas sin necesidad de postcurado Se pueden usar todos los tejidos, ensamblados, fieltros o mat de núcleo

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Técnicas de moldeo por contacto: Laminado manual (II)

VENTAJAS 1) Bajo coste de materiales y equipos. 2) Buena adaptación a la construcción de estructuras sándwich y monolíticas utilizando todo tipo de resinas y estructuras textiles. 3) No existe límite de tamaño de pieza a fabricar. 4) No son necesarios costosos procesos térmicos posteriores. 5) Es el proceso ideal para producciones bajas o unitarias. INCONVENIENTES 1) Los laminados obtenidos no suelen ser muy homogéneos, con contenidos bajos de refuerzo (25-35%). 2) Es necesaria una numerosa mano de obra. 3) La calidad final depende de la acción del hombre y factores ambientales como temperatura y humedad. Son necesarios estrictos controles de calidad. 4) Se producen elevadas emisiones de COV. 5) Se producen una gran cantidad de desperdicios.

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Técnicas de moldeo por contacto: Proyección simultánea

Proyección de fibra cortada entre chorros de resina catalizada Compactado mediante rodillos mejorar impregnación y eliminar aire Etapa importante mucho aire atrapado Presión 0-01 kg/m2

Evolución laminado manual Mayor productividad, fabricación de piezas de grandes dimensiones (pesqueros y embarcaciones de pasaje)

Pistola de proyección: Filamentos de fibra de 20 a 50 mm Mezcla interna: Resina+acelerador, resina+catalizador Mezcla externa:Resina+acelerador, catalizador

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Técnicas de moldeo por contacto: Proyección simultánea (II)

Ventajas 1) + productivo que laminado manual (30%) Ideal para producir

pocas piezas de gran tamaño o muchas de tamaño medio 2) Mismos moldes que laminado manual, estructuras sándwich y

monolíticas 3) Todo tipo de resinas, equipos resina epoxi especiales 4) Coste refuerzo menor (hilos roving) 5) No requiere procesos térmicos postcurado (como laminado manual)

Inconvenientes 1) Coste y mantenimiento del equipo elevado 2) Calidad laminado muy irregular y ↓ contenido de refuerzo (20-30%) 3) No se pueden usar estructuras textiles (tejidos, mallados,

ensamblados) 4) Mano de obra numerosa 5) Grandes emisiones de VOC Método de fabricación + contaminante

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Técnicas de moldeo por contacto: Moldeo con impregnadores

Impregnación estructura textil en baño resina catalizada Eliminación exceso resina mediante rodillos Pieza impregnada Se coloca en el molde Compactación manual mediante rodillos

Distintos tipos de impregnadores: - Móviles - Estacionarios - Montados sobre rieles

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Técnicas de moldeo por contacto: Moldeo con impregnadores (II)

Ventajas 1) Mayor contenido de refuerzo (35-55%) 2) Alta velocidad de fabricación (6 m lineal/min) 3) Laminados de mejor calidad y más homogéneos 4) No se necesitan moldes especiales estruc. sándwich y monolítica 5) Se puede usar cualquier material textil 6) Emisión COV muy localizada

Inconvenientes 1) Equipos y mantenimiento caros 2) Mano de obra muy cualificada 3) Gran cantidad de mano de obra desburbujeo y compactación 4) Limitación en cuanto a la viscosidad de la resina

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Técnicas de moldeo asistidas por vacio: Moldeo por vacío-laminado

Se aplica presión al finalizar el laminado Resina sin gelificar Son precisos materiales fungibles: • Tejidos pelables (peel-plies): Poliamidas o poliéster (60-80g/m2) • Films separadores: Perforados para permitir el paso de la resina • Manta de absorción: Permiten circulación aire y absorber resina Poliéster reciclado (140g/m2) • Film de nylon: Es recomendable una H.R.>55% • Masillas de cierre (tacky-tape): Caucho sintético, cargas inertes,

plastificantes y aditivos

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Son precisos materiales fungibles: • Tejidos pelables (peel-plies) • Films separadores • Manta de absorción • Film de nylon • Masillas de cierre (tacky-tape) Laminados bajo peso buenas propiedades mecánicas

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Usos: Construcción de embarcaciones de competición, militares o fines específicos

Ventajas 1) Mejor calidad laminados, 40-55% refuerzo, ↑ densidad y ↓ porosidad 2) No tiene limitaciones respecto al tamaño de pieza 3) Materiales de uso frecuente, preferiblemente resinas epoxi 4) Se pueden emplear todo tipo de estructuras textiles. 5) Emisiones de COV se ven especialmente reducidas durante el curado

Inconvenientes 1) Proceso elaboración más largo, bajando la productividad 2) Coste es ligeramente superior, aunque inferior a prepregs 3) Mano de obra muy capacitada y mucha durante laminado 4) Las resinas deben poseer tiempos de gel largos 5) Son necesarios moldes especialmente diseñados 6) Se necesitan procesos térmicos posteriores.

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Técnicas de moldeo asistidas por vacio: Laminado de preimpregnados

Piezas cortadas e impregnadas previamente Fácil colocación en molde Si el laminado es muy grueso (1000 g/m2) Moldeados parciales Es necesario aumento presión y Tª final Curado final En construcción naval el ↑ presión es por vacío Tamaño piezas Mejores resultados que en las técnicas anteriores Sólo se usa en embarcaciones de altas prestaciones alto coste

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Las piezas impregnadas se mantienen a ↓ Tª (-10 a -20ºC) Tiempo de almacenamiento hasta 6 meses Alto y preciso contenido en fibra Caros Resinas epoxi y fenólicas Tipos de preimpregnados: • Alta Tª: Mejores props. físicas y mecánicas, Tª curado 180ºC • Media Tª: Tª curado 120ºC • Baja Tª: 60 < Tª curado < 120ºC Usado en construcción naval Descongelado lento hasta Tª ambiente Posición horizontal Mismo materiales fungibles que en laminado asistido por vacío

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Ventajas 1) aminados con mejores propiedades físicas y mecánicas (65-70%

refuerzo, ↓ porosidad, ↑ homogeneidad) 2) Valido para estructuras sándwich como monolíticas 3) Extensos tiempos de gel organizar mejor las distintas operaciones,

con una manipulación del material más sencilla y limpia, ↓ residuos y ↓ emisiones de COV.

Inconvenientes 1) ↑ precio del material, coste de los equipos e infraestructura 2) ↑ cualificación mano de obra y la productividad es menor 3) Preimpregnados con resinas epoxi, fenólicas y en menor medida

viniléster. 4) Moldes especiales 5) Es necesario realizar compactados previos antes del curado final

Las fibras son impregnadas sólo en determinadas zonas el aire se puede extraer por la zona de fibras secas y al realizar el curado se produce la impregnación total Sólo hay preimpregnados con resina epoxi embarcaciones alto valor

Ventajas 1) Laminados buena calidad, 60-65% refuerzo, ↓ coste prepregs 2) No son necesarios los compactados intermedios ↓ Tiempo 3) Mantienen el resto de ventajas de la laminación de preimpregnados

Inconvenientes 1) Mismos que prepregs 2) Pueden aparecer defectos superficiales 3) Sólo hay disponibles impregnados parciales en resinas epoxi 4) Proceso en fase de desarrollo para el sector naval

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Técnicas de moldeo asistidas por vacio: Preimpregnados parciales

Refuerzos secos en molde cerrado y presión inyección resina catalizada Presión cierre molde 2-10 bar y resina 1,5-10 bar moldes robustos (acero, Al, Cu o resina epoxi) Tª para reducir tiempo curado

Equipos necesarios: - Sistema de inyección de resina - Moldes especialmente diseñados para el proceso - Cabinas de proyección de gelcoat - Equipos auxiliares para preparación y corte de refuerzos secos - Equipos y zonas para mecanización de piezas - Sistema de vacío - Zona de polimerización

Resinas ↑ tiempo de gel ( epoxi, uretanos, viniléster, iso y ortoftálicas)

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Técnicas moldeo vía líquida: Moldeo por transferencia de resina

Refuerzos Mats hilos continuos, hilos GF, rovings, estructuras textiles con ligantes termoplásticos

Ventajas 1) Piezas buen acabado superficial por ambas caras 2) Productividad elevada (hasta 3 piezas por día por molde) 3) Laminados con buenas propiedades mecánicas 4) Pérdidas de material y las emisiones de COV son bajas 5) Válido para estructuras monolíticas como sándwich.

Inconvenientes 1) ↑ coste en equipos, moldes y equipo bombeo de resina 2) Moldes específicos 3) Mano de obra altamente especializada 4) Limitaciones para realizar formas de grandes dimensiones 5) No apto para producciones medias y bajas

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Refuerzos Mats hilos continuos, hilos GF, rovings, estructuras textiles con ligantes termoplásticos

Ventajas 1) Piezas buen acabado superficial por ambas caras 2) Productividad elevada (hasta 3 piezas por día por molde) 3) Laminados con buenas propiedades mecánicas 4) Pérdidas de material y las emisiones de COV son bajas 5) Válido para estructuras monolíticas como sándwich

Inconvenientes 1) ↑ coste en equipos, moldes y equipo bombeo de resina 2) Moldes específicos 3) Mano de obra altamente especializada 4) Limitaciones para realizar formas de grandes dimensiones 5) No apto para producciones medias y bajas

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Variación simplificada del método anterior Resina introducida en el molde por bajas presiones o gravedad Ventajas 1) Moldes menos robustos y más baratos Bajas presiones

Inconvenientes 1) Moldes herméticos Sistema de junta dinámica

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Técnicas moldeo vía líquida: Moldeo por transferencia de resina por vacío

Etapas: • Aplicación gel coat (si es necesario) • Colocación refuerzo seco • Compactación mediante vacío para extraer el aire • Introducción de la resina circulación por huecos estructuras textiles • Curado a Tª ambiente o ↑ Tª

Se pueden utilizar moldes de otras técnicas, pero estancos y resistentes Resinas con viscosidad, tiempo de gel y reactividad adecuados (muchas) Combinaciones estructuras textiles (fluidez centro – resistencia extremos) No son necesarios films separadores y mantas de absorción

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Técnicas moldeo vía líquida: Moldeo por infusión

Ventajas 1) Método sencillo, rentable económicamente, con calidades de

laminado muy aceptables (porcentaje de refuerzo entre 40 y 55%), mejores que las de los procesos de moldeo por contacto.

2) Se pueden aprovechar muchas herramientas de otros métodos 3) Se producen menores emisiones de VOC 4) Menos mano de obra y uniones secundarias 5) Pueden utilizarse la mayoría de las estructuras textiles, estructuras

monolíticas como sándwich. 6) Mejor relación coste/calidad para piezas de gran tamaño

Inconvenientes 1) No es rentable para la producción de piezas pequeñas 2) Son necesarios materiales fungibles y de refuerzo específicos 3) Resinas de viscosidad muy baja 4) Mano de obra especializada 5) Productividad no es muy alta 6) Acabado superficial sólo es bueno por una de las dos caras

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Técnicas moldeo vía líquida: Moldeo por infusión

Recipiente cilíndrico presurizado de acero donde se introducen los laminados para aplicar presión de compactación y Tª de curado elevadas

20 bares presión Materiales + densos, - porosos, ↑ resistencia Aire 150ºC < Tª < 550ºC N2, CO2 < tiempo de curado, mejores props Piezas pequeñas (estructurales) palos, timones… Prepregs refuerzos carbono, kevlar, FG resinas epoxi, fenólicas

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Autoclave

Ventajas 1) Permite obtener laminados de altas propiedades físicas y químicas 2) Piezas mejor curadas, ↑densas y homogéneas y ↓ porosidad 3) Piezas de geometría compleja 4) Emisiones de COV se ven muy reducidas.

Inconvenientes 1) Estos equipos tienen ↑costes adquisición y mantenimiento. 2) Suele haber problemas de tamaño 3) Baja producción 4) Herramientas y útiles son específicos 5) Mano de obra altamente capacitado.

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Autoclave

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Criterios de selección: Métodos fabricación (I)

Se pueden utilizar distintos criterios: - Cantidad de refuerzo - Coste de herramientas y equipos - Cantidad de emisiones de COV - Nº de unidades a fabricar

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Criterios de selección: Métodos fabricación (II)

Coste de herramientas y equipos Los métodos más caros producen materiales con mejores propiedades

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Criterios de selección: Métodos fabricación (II)

Cantidad de emisiones de COV Estireno Dos etapas distintas: - Fase dinámica: Hasta gelificación Las mayores emisiones - Fase estática: Se producen emisiones debido al aumento de Tª

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Criterios de selección: Métodos fabricación (III)

Nº de unidades a fabricar Pequeños talleres y astilleros: Laminado por contacto manual, laminados por vacío y preimpregnados Grandes empresas: RTM-VARTM

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Materiales Compuestos Parte 3