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7AM5 BOBINADO FILAMENTARIO

Docente: Honorio Ortíz Hernández Discentes: •

Maldonado González Edgar Jesús

•

Mejía Lechuga Alan Misael

•

Méndez Hernández Jorge Iván

•

Méndez Rojas Aarón

•

Monsalvo Monroy Óscar

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ENROLLAMIENTO FILAMENTARIO Proceso ....................................................................................................................................................... 2 Patrones de bobinado ............................................................................................................................. 4 Materias primas ........................................................................................................................................ 6 Fibras ...................................................................................................................................................... 6 Resinas ................................................................................................................................................... 7 Métodos ...................................................................................................................................................... 8 Procedimiento vía Húmeda ........................................................................................................... 8 Procedimiento Vía seca................................................................................................................ 14 Aplicaciones ............................................................................................................................................ 15 Energía eólica ................................................................................................................................. 15 Edificación y construcción .......................................................................................................... 16 Transporte de masas ....................................................................................................................16 Infraestructura ................................................................................................................................16 Industria química ........................................................................................................................... 16 Industria aeronáutica, aeroespacial y de defensa................................................................. 16 Mandriles .................................................................................................................................................. 17 Tipos de Mandriles ................................................................................................................................18 Bibliografía............................................................................................................................................... 19

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El bobinado filamentario es un proceso de manufactura capaz de deponer un reforzamiento continuo a una alta velocidad y gran precisión. Este proceso consta en devanar una fibra continua, que se encuentra con resina impregnada sobre un mandril. Al variar los parámetros del proceso como la tensión en el devanado, ángulo de devanado y cantidad de resina durante la deposición de la fibra se pueden controlar el espesor y capas acumuladas. Es considerado que este proceso es poco versátil en comparación con otros procesos de manufactura, especialmente para superficies complicadas al momento de variar el espesor y la orientación de la fibra Este método es muy útil en superficies de revolución, se han logrado realizar superficies más complejas con ayuda de máquinas multiejes y sistemas de control avanzados

Proceso Una maquina básica de bobinado filamentario comprende un mandril, una cabeza de alimentación, un transporte, sistemas de dirección y una caja de control. El mandril es accionado por un motor así que, rota sobre su eje longitudinal, así como rota, empieza a tomar fibra de la cabeza de alimentación. Una maquina básica de bobinado filamentario comprende un mandril, una cabeza de alimentación, un transporte, sistemas de dirección y una caja de control. El mandril es accionado por un motor así que, rota sobre su eje longitudinal, así como rota, empieza a tomar fibra de la cabeza de alimentación. Existen dos procedimientos de moldeo mediante bobinado filamentario: • •

Vía Húmeda Vía Seca

La velocidad a la que gira el mandril y el giro del carro de alimentación determinan la orientación en que las fibras comienzan a deponerse, la tensión en las fibras controla el nivel de compactación en la parte herida. En el procedimiento de devanado húmedo, las fibras pasan a través de un baño de resina calentada previo a alcanzar la cabeza de alimentación y es depositada sobre el mandril; en esta situación los rodillos son usados para remover el exceso de resina, para forzar a la resina sobrante a entrar en la fibra, y aplanar el cable de remolque

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. Esquema del proceso de bobinado filamentario

Proceso de bobinado en un depósito cilíndrico

El ángulo de enrollado puede variar desde bajos ángulos longitudinales (0º) hasta altos ángulos circunferenciales (90º) con respecto al eje del mandril. Cualquier ángulo helicoidal puede ser enrollado.

En el caso del bobinado pre-preg, el baño de resina y rodillos no son requeridos, la libre pre-impregnada comienza a alimentarse directamente en la cabeza de alimentación desde los carretes y después colocado en el mandril. Para el bobinado pre-preg el mandril es generalmente calentado para facilitar la adherencia y flujo de la resina.

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El diseño de mandriles usado en bobinado filamentario es dependiente de las capacidades de la máquina de bobinado, los requerimientos estructurales de la parte y las características del proceso. Los mandriles son construidos generalmente de metal o aluminio, y para situaciones en las que el mandril es parte de una estructura o si una simple extracción es posible del mandril es posible, el mandril este hecho en una sola pieza. En el caso de que no se pueda retirar el mandril de manera simple, se requieren varios mandriles removibles que estén fabricados de materiales solubles, fusibles inflables, o plegables.

Patrones de bobinado Las estructuras que pueden ser fabricadas mediante bobinado filamentario son necesariamente de revolución, con simetría cilíndrica, esférica, cónica o con formas geodésicas, aunque existen otras formas que pueden ser enrolladas siempre que no tengan zonas cóncavas con curvaturas entrantes en donde el refuerzo no podría ser posicionado mediante este proceso y sería necesario usar métodos alternativos para terminar estas zonas.

Los tipos de patrones que son usados en el bobinado filamentario, son en aro, helicoidales y polar; el más simple de estos es el de aro o circunferencial, el cual implica un mandril que gira continuamente sobre un eje longitudinal mientras que un carro de alimentación avanza a lo largo del ancho de la banda después de cada eje de rotación del mandril. El bobinado circunferencial es un tipo de bobinado helicoidal de gran ángulo (90º) Cada rotación completa del mandril hace que el sistema de alimentación de fibra avance una anchura de banda completa. Los enrollados circunferenciales son usualmente combinados con bobinados longitudinales (helicoidales o polares) con objeto de obtener una estructura balanceada desde un punto de vista resistente. Los enrollados circunferenciales son aplicados a la zona cilíndrica de un depósito cerrado, mientras que los helicoidales o polares son aplicados tanto a la zona cilíndrica como a los fondos o cerramientos extremos del depósito

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Bobinado circunferencial El bobinado helicoidal usado comúnmente, es logrado cuando el mandril rota continuamente sobre un eje horizontal mientras el carro de alimentación recorre de adelante a atrás. Los valores de los ángulos de las fibras varían de 25- 80°.

Bobinado helicoidal El bobinado polar consiste en hacer rotar el mandril perpendicularmente a su eje longitudinal y mantenerse estático el brazo de alimentación de fibra, rota sobre el eje longitudinal con una fibra ancha. En este caso la fibra pasa tangencialmente a la apertura polar de uno de los extremos, cambia de dirección y pasa tangencialmente a la apertura del extremo contrario. Las fibras son provistas por un brazo giratorio que describe grandes círculos entorno al mandril que está inclinado un ángulo igual al de bobinado y que deposita las fibras sobre el mandril de forma plana. Debido a que el mandril está regulado para que gire justamente la anchura de banda, éstas son posicionadas por el brazo giratorio de forma adyacente

Bobinado polar

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Los patrones básicos de bobinado hacen posible que la fibra continua sea dipuesta sobre el mandril de manera longitudinal y direcciones de inclinación. La posibilidad de lograr estos patrones depende del tipo de filamento de bobinado que se use. Las maquina básicas de bobinado filamentario tienen dos ejes, por lo que las formas y patrones que se fabrican son limitados. Existen máquinas de control numérico que con ayuda de servomotores y varios ejes logran hacer patrones y superficies más complejas.

Materias primas Fibras La fibra más ampliamente usada es la fibra de vidrio. En la tabla 1. se presentan los distintos tipos usados para estructuras fabricadas mediante enrollamiento filamentario. El número de filamentos por hilo es importante a la hora de seleccionar una determinada fibra para un proceso de enrollamiento porque un alto de número de filamentos por hilo hace más fácil el manejo de la fibra para el proceso.

La fibra de vidrio continúa siendo útil para enrollamiento filamentario por su bajo costo, estabilidad dimensional, alta resistencia, así como por su facilidad de manejo. Una debilidad es su baja rigidez comparada con la de otros materiales estructurales. La fibra de vidrio más ampliamente usada es la tipo E por su bajo costo. Las fibras R y S son usadas con menos frecuencia, sobre todo por la industria aeroespacial. La mayor variedad de módulos de rigidez y de resistencias puede ser obtenida con fibras de carbono. En la tabla 2 se presentan los distintos tipos de usados en enrollamiento continuo. Presentan módulos de rigidez entre 3 y 5 veces superiores a los de la fibra de vidrio, además de ser entre un 25 a un 35% más ligeras que éstas. La fibra de carbono puede ser entre 3 a 5 veces más caras que la de vidrio. Las fibras de aramida también son ampliamente usadas para la fabricación de piezas mediante enrollamiento continuo gracias a su alta rigidez y resistencias específicas y por sus importantes propiedades ante cargas de impacto y de choque. Sin embargo, tienen un comportamiento deficiente ante cargas de cortante y compresión por la naturaleza fibrilar de la aramida.

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Las fibras de polietileno, de naturaleza orgánica como las fibras de aramida, están siendo usadas en aplicaciones similares a las de las fibras de aramida. Poseen una densidad extremadamente baja y unos valores de rigidez y resistencia muy altos.

Resinas Existen algunos criterios de manejo de la resina propios del proceso de enrollamiento continuo: • • •

La viscosidad de la resina debe ser igual o inferior a 2 Pa*s. El tiempo de gel ha de ser tan largo como sea posible. (preferiblemente más de 6 horas). La toxicidad debe ser baja.

Las resinas más usualmente usadas para bobinado son: Resina de epoxi: tradicionalmente usada para aplicaciones aeroespaciales y militares. La selección de esta resina sobre la resina de poliéster, que es más barata, es debida a sus superiores propiedades mecánicas, comportamiento ante fatiga, resistencia térmica, fuerte unión al refuerzo y baja contracción durante el curado. La viscosidad oscila entre 3.5 y 15 Poises. Para piezas generales las temperaturas de curado varían entre 121135ºC, mientras que para piezas con requerimiento de resistencia al calor son curadas entre 177-191ºC. El post curado puede producirse a 205ºC. El rango de contracción varía entre 2-8% Resina de poliéster y vinil éster: Debido a su bajo coste y a sus equilibradas propiedades físicas, químicas y mecánicas, tienen un amplio uso en aplicaciones comerciales. El manejo de estas y la viscosidad del proceso, así como el tiempo de gel son fácilmente adaptables al proceso de enrollamiento filamentario. Se pueden curar en un rango de temperaturas muy amplio en función de los catalizadores seleccionados; desde temperatura ambiente hasta temperaturas en el rango de los 93-149ºC. Las propiedades mecánicas están poco influenciadas por el método catalítico usado, aunque sí se ve afectado el grado de resistencia a la corrosión. Su viscosidad varía entre 2501.000 cps y las temperaturas máximas de operación varían entre los 93-107ºC.

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Métodos En el proceso de Enrollamiento o Bobinado filamentario podemos encontrar dos procedimientos. La base del proceso es el enrollamiento sobre un mandril con la forma de la pieza a producir de una cinta de pre-impregnado (vía seca) o de fibras impregnadas en resina in situ (vía húmeda). • •

Procedimiento vía húmeda: Las fibras se sumergen en un baño de resina en el que se recubren con resina de bajo o medio peso molecular. Procedimiento vía seca: pre-impregnados como material comercial.

Sucesivas capas son aplicadas variando o no el ángulo de laminación hasta alcanzar al espesor deseado. En todo el proceso, el mandril se mantiene girando mientras el cabezal de aplicación lo recorre transversalmente cubriéndolo con las fibras. Las componentes principales son: •

Definir las velocidades del mandril y del cabezal de aplicación.

Estos dos movimientos definen el ángulo de laminación. Es decir, definen las propiedades del producto. La diferencia entre estos dos procedimientos estriba en el punto de vista operativo, originada por las diferentes materias primas utilizadas en cada procedimiento. Las resinas termofijas se han utilizado generalmente como aglutinantes para los refuerzos en productos de hilo filamentoso. Estas resinas se pueden aplicar a la mecha seca en el momento del bobinado (bobinado en húmedo) o pueden aplicarse previamente y gelificarse a una etapa B como preimpregnado. La fibra se puede impregnar y volver a enrollar sin pasar por la etapa B y se utiliza rápidamente o refrigerado.

Procedimiento vía Húmeda Al igual que la pultrusión, puede emplear sistemas de resina húmeda para dar lugar a estructuras compuestas potencialmente de menor costo. •

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El enrollado se efectúa a partir de hilos o conjuntos de hilos en paralelo (rovings) con un número de hilos determinado y una resina líquida, usualmente termoestable, que contiene los diferentes elementos necesarios para su curado. Hilos o rovings son desenrollados, impregnados en resina líquida por paso a través de un recipiente de impregnación, sometidos a un escurrido que limita la cantidad de resina impregnada. Después de la impregnación y a través de una serie de órganos de guiado, los hilos son depositados sobre el mandril portador de la estructura bobinada. Una vez terminado el bobinado, la estructura fabricada se deja a temperatura ambiente o se lleva a la estufa para favorecer el proceso de curado de la matriz

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termoestable. Se aconseja que aquellas piezas de compromiso estructural sean post-curadas en horno. Las materias primas deben ser seleccionadas particularmente: Rovings • No deben ser utilizados más que rovings elaborados especialmente para el moldeo por enrollado, tanto desde el punto de vista del ensimaje, como del punto de vista de presentación. • Sus características principales de estos son: o Número de cabos y título bien determinado para poder definir el número de capas para alcanzar el espesor de diseño. El título usual de los rovings varía entre 1100 a 4800 tex. o Buena integridad de la mecha para facilitar el trabajo. o Presentación sobre tubo-soporte generalmente en cartón, necesario para el enrollado de gran nivel de precisión. El desenrollado de los rovings debe hacerse por el exterior del tubosoporte para evitar torsiones en los hilos variables de 1 a 5 vueltas/metro, según el diámetro, que impide toda equitensión de los hilos. Para el caso de tubería para procesos químicos, agua potable, de impulsión, depósitos, etc., es posible la utilización de bobinas con desenrollado por el interior. Para incrementar las propiedades transversales del laminado, así como una mejora en su resistencia ante un esfuerzo cortante interlaminar durante los últimos años se han desarrollado refuerzos longitudinales con un hilo rizado o bucle íntimamente ligado con ellos. Estos hilos, conocidos como “Spum Roving” o “Bulky Roving”, de aspecto algodonoso. Peso de las bobinas: • •

Devanado por el exterior: entre 7/8 kg. Devanado por el interior: entre 20 y 25 kg.

En cuanto al número de hilos en el conjunto es función de la aplicación, aunque es usual el uso de hasta 100 hilos simultáneamente en la fabricación de tubería de gran diámetro. También es usual el uso de: • • •

Mats de superficie o velos (25 a 70 gr/m2) del tipo “insoluble” en estireno. Mats de hilos cortados (300 ó 450 gr/m2) del tipo ligante en polvo por su mayor resistencia a la tracción. Tejidos equilibrados o desequilibrados de bajo-medio gramaje para asegurar una correcta impregnación (200 a 550 gr/m2).

Resinas Epoxi, poliéster o viniléster son los casos más frecuentes. Sus principales características son:

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No deben presentar demasiada contracción ni microfisuraciones al momento de su endurecimiento. Viscosidad suficientemente baja para el impregnado correcto de las fibras a la velocidad de enrollamiento escogida, este parámetro es especialmente importante porqué las velocidades de enrollamiento dependen de él ya que en caso de tener menos viscosidad se pueden escurrir y resbalar del mandril posterior a la aplicación de la mecha. El rango típico de viscosidad para las resinas comúnmente utilizadas en enrollamiento continuo es de 5 a 30 poises a 20°C. La viscosidad puede ser momentáneamente reducida durante la impregnación, al adherir un diluyente apropiado o por un precalentamiento del baño. Su tolerancia para el rango alto de viscosidades son algunos metros/minuto mientras que para el rango bajo tienen más tolerancia y pueden variar algunas decenas de metros/minuto. El sistema endurecedor debe ser adaptado a las condiciones de trabajo: temperatura, duración del bobinado, posibilidad de polimerización, etc. Actualmente existen sistemas que permiten endurecimientos muy ráp...