Procesos de Fabricación con Preimpregnados y Autoclave PDF

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Tema 3. Procesos de Fabricación con Preimpregnados y Autoclave. Apuntes recopilados el último año de docencia de la asignatura Materiales Compuestos de Ingeniería Aeronáutica en la ETSIA...

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TEMA 3. PROCESOS DE FABRICACION CON PREIMPREGNADOS Y AUTOCLAVE La tecnología actual permite contar con un gran número de materiales y procesos para la fabricación de estructuras de MtC. Todas ellas presentan sus particularidades, que los hacen más o menos adecuados para un determinado proceso en función de las características de la pieza a fabricar, de las propiedades mecánicas esperadas, el tamaño de la serie, etc. Existe una fuerte interrelación entre material/proceso de fabricación/criterios de diseño/coste del proceso.  Tipos de estructuras fabricadas con MtC. Tipos de integración. Configuraciones fabricables:  Estructuras monolíticas: constituidas por laminados sólidos (pieles y elementos rigidizadores y de refuerzo). Son conocidas como elementales. Son estructuras sometidas a grandes solicitaciones. Su aplicación principal son estructuras primarias. Los procesos de fabricación posibles para obtener componentes con este tipo de estructura son:  Proceso en una fase: todas las partes que forman parte de la estructura se obtienen en un único proceso que conforma la pieza final. En el caso de estructuras de MtC se trataría de piezas cocuradas.  Proceso multifase: las diferentes partes se fabrican por separado, encolándose posteriormente mediante adhesivo.

 Estructuras sándwich: constituidas por laminados sólidos y núcleos. Son estructuras ligeras con gran rigidez a flexión. Tienen muy buenas propiedades específicas. No requieren almacenajes especiales (lugar fresco y limpio y colocados en posición horizontal). Se utilizan en zonas que no requieran grandes solicitaciones mecánicas. Su aplicación principal son estructuras secundarias. Se consigue una gran reducción de tiempo y coste de fabricación. Consisten básicamente en dos revestimientos, inferior y superior, con un núcleo de baja densidad que los separa. Existen diferentes tipos de núcleo: fibra de vidrio, nomex, korex, espumas,… Uno de los más utilizados son los de nomex como de fibra de vidrio y celdilla de nido de abeja. Como en el caso de los laminados los procesos de fabricación para obtener componentes con estructura sándwich son procesos en una fase o procesos multifase. Las ventajas de estas estructuras son:  Soportan altas cargas a compresión y tracción (normales al panel)  Tienen excelente rigidez y resistencia específica.  Tienen la mejor relación rigidez/peso.  Tienen buena rigidez a torsión.  Tienen una excelente capacidad de aislamiento térmico acústico. Los inconvenientes:  Son altamente sensibles a la absorción de agua/humedad y otros líquidos.  Tienen baja resistencia al impacto. Pueden sufrir daños con una baja energía de impacto.  Son sensibles al pandeo.

 Pueden aparecer problemas en las reparaciones remachadas. El tipo de integración estructural va a tener una incidencia en el diseño, cálculo, fabricación, utillaje y montaje.  Fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica. Todos los procesos de fabricación de elementos de material compuesto, y en particular los de matriz polimérica, presentan una serie de etapas o subprocesos comunes:  Preparación del utillaje o molde (define la geometría final del elemento) y material auxiliar.  Limpieza de útiles para eliminar restos de resina y materiales auxiliares de ciclos anteriores.  Aplicación de una película desmoldeante (barniz o film) para permitir el desmoldeo.  Preparación de refuerzo y resina. Dependerá de la técnica de fabricación empleada. El material deberá quedar en condiciones de realizar el apilado sobre el útil de moldeo, lo que puede incluir operaciones de preparación de la resina y el refuerzo (corte de patrones), preparación del material preimpregnado (atemperamiento) y corte de patrones, ….  Molde de refuerzo y resina. Apilado de refuerzo y resina sobre el útil de moldeo: manual o automática.  Preparación para la consolidación. Dependerá del proceso de fabricación: colocación de material auxiliar, colocación de útiles adiciones, pisas, preparación de bolsa de vacío,…  Consolidación (presión y temperatura) Dependerá del proceso de fabricación (en termoplásticos puede haberse realizado durante el moldeo). Aplicación de temperatura para conseguir la consolidación (termoplásticos) o el curado de la resina (termoestables), y favorecer la eliminación de volátiles y la extracción de aire mediante vacío y presión: prensas de platos calientes, bolsa de vacío+estufa, autoclave+estufa,..  Desmoldeo y terminación. Los procesos más comunes en la fabricación de MtC avanzados con matriz termoestable son fabricación por método húmedo, por infusión de resina, con preimpregnados por método seco (moldeo manual de preimpregnados, encintado automático de preimpregnados, devanado de filamentos y pultrusión). Los procesos más comunes en la fabricación de MtC avanzados con matriz termoplástica son procesos con semi-preg y procesos con prepreg. Los criterios para la selección de materiales y procesos son:  Características mecánicas a obtener.  Tamaño y geometría del elemento a fabricar.  Restricciones de diseño: detalles de geometría, ambientales (temperatura, humedad, ataque químico, rayos), tolerancia al daño, reparabilidad,…  Experiencia previa de diseño y fabricación.  Tamaño de la serie y factores que afecten al control de la producción.  Coste/kg  Peso. Las posibilidades de selección son:  Carbono vs otros materiales.  Resinas termoestables vs termoplásticos: las matrices termoestables son actualmente estándar en los procesos de fabricación de MtC avanzados. Aplicabilidad en estructuras que requieran elevada tolerancia al daño, inflamabilidad, baja emisión de tóxicos,… Razones a favor del uso de termoplásticos:  No requiere condiciones especiales de almacenaje, vida ilimitada.  No hay cambios químicos en la matriz durante el proceso.  Capacidad de soldadura y reconformado (reparabilidad)  Resistencia al impacto, tenacidad a fractura, fatiga, tolerancia al daño.  Resistencia al fuego (no inflamables, humos no tóxicos) y a altas temperaturas (hasta 280º)  Resistencia a ataque químico.  Baja absorción de humedad.

Razones en contra del uso de termoplásticos:  Falta de experiencia para su uso  Elevado coste del material  Elevado coste del proceso (materiales auxiliares, útiles, maquinas) por la elevada temperatura del proceso.  Difícil procesabilidad y calidad del producto final (distribución de la resina, porosidad)  Difícil fabricación y reparación con adhesivos.  Fibra continua vs fibra corta  Fibra unidireccional vs tejido  Fibra seca vs preimpregnado.  Presión de autoclave vs presión mecánica o solo vacío.  Procesos manuales vs automáticos.  Procesos de gran integración vs montaje convencional. Los requerimientos de los materiales compuestos para la industria aeronáutica son buenas propiedades específicas (carbono vs vidrio, fibra continua vs fibra corta, fibra unidireccional vs tejido), alta uniformidad y bajo nivel de defectos (termoestables vs termoplásticos y autoclave vs curado sin presión). La solución es, por tanto, preimpregnados.  Introducción a la fabricación mediante preimpregnados. Se distinguirán tres tipos de proceso por la forma de impregnación del refuerzo con la resina.  Fabricación por método húmedo: las materias primas (resina y refuerzo) se presentan separados en el momento inicial de la fabricación de la pieza, y la impregnación con la resina húmeda se realiza de manera continua (procesos automáticos: moldeo por proyección, devanado de filamentos, pultrusión) o alternativa (apilado manual o hand lay up) durante el proceso de fabricación. Las particularidades del proceso de moldeo son:  Sobre el molde se aplica una capa de barniz desmoldeante.  Se aplica con brocha, rodillo o pistola una capa de resina.  Se aplican capaz alternativas de refuerzo y resina. Las fases del proceso de fabricación son:  Preparación del utillaje y material auxiliar.  Corte del refuerzo.  Preparación de la resina (mezcla del endurecedor, resina y cargas)  Moldeo de refuerzo e impregnación de resina.  Preparación para el curado.  Ciclo de curado (presión y temperatura)  Desmoldeo y terminación (recanteado o mecanizado, inspección,…)

Características generales:  Baja inversión inicial, alto coste de mano de obra.  Técnica versátil, permite trabajar con gran variedad de materiales.  Muy difícil controlar la cantidad de resina aplicada y los volátiles introducidos.  Calidad baja y volumen de fibra alto, porosidad remanente muy alta. Poco repetitivo.

 Proceso obsoleto, no empleado en la fabricación en serie. El moldeo por proyección es barato y muy rápido, pero se consiguen malas propiedades mecánicas al desaprovechar las propiedades direccionales de la fibra. Tiene una proporción irregular de fibra y resina. No proporciona calidades aeronáuticas.  Fabricación por infusión de resina (con preformas secas): las materias primas (resina y refuerzo) se presentan separados en el momento inicial de fabricación de la pieza. Se obtiene una preforma completa de refuerzo seco que se impregna posteriormente mediante un proceso de infusión de la resina. La infusión puede realizarse empleando resina liquida (RTM) o resina solida integrada junto con el refuerzo seco durante el proceso de apilado (RFI)  Fabricación con preimpregnados: el refuerzo aparece impregnado con la resina de fabrica y la fabricación se limita al apilado de dicho material. Las operaciones de fabricación (corte, apilado, conformado) se realizan con un material semielaborado Ventajas:  Al hacerse en origen, la formulación de la resina es muy precisa y los volátiles atrapados en la misma prácticamente inexistentes.  La proporción de fibra y resina está muy controlada.  Los parámetros del material son muy repetitivos, lo que permite la homogeneización de propiedades en la fabricación en serie.  Fácil de manipular (corte y apilado), permite trabajar con cinta unidireccional. La resina actúa de elemento ligante para las fibras.  La pegajosidad del preimpregnado (tacking) facilita la automatización del proceso de moldeo. Inconvenientes:  El empleo de resinas premezcladas obliga a su almacenamiento a bajas temperaturas (-18º). El material caduca. El material se almacena en congeladores, manteniendo siempre una trazabilidad del mismo. El tiempo de almacenamiento suele ser entre 6 y 12 meses y el de uso inferior a un mes.  El coste del proceso es mayor que el empleo de refuerzo y resina por separado. Fases del proceso de fabricación:  Preparación de utillaje y material auxiliar.  Preparación y corte del material preimpregnado.  Apilado o moldeo del material preimpregnado.  Preparación para el ciclo de curado.  Ciclo de curado (presión y temperatura)  Desmoldeo y terminación (recanteado o mecanizado, inspección)

El tack life es el máximo tiempo que puede permanecer el material a temperatura ambiente conservando pegajosidad que provoque problemas en el laminado. Aprox 10 días. El out life es el tiempo máximo que puede permanecer un material fuera de la nevera antes de ser curado. Aprox 21 días. El shelf life es el máximo tiempo que se puede almacenar el prepreg de forma continua, en un embalaje aislante de la humedad a -18º. Aprox 12 meses.

Para evitar la contaminación del material, en todo momento que se trabaje con preimpregnados, adhesivos o moldes, será necesario estar dentro de una sala limpia. Las operaciones de corte, apilado y preparación de la bolsa de vacío deberán realizarse dentro de una sala limpia con control de humedad y temperatura.  Técnicas de apilado de materiales preimpregnados.  Moldeo manual (hand lay up) Procedimiento empleado para la fabricación, generalmente con tejido preimpregnado, de piezas de tamaño pequeño/mediano y configuraciones de complejidad geometría pequeña a muy alta. Las características generales son:  Inversión moderada, elevado coste de mano de obra.  Técnica muy versátil, admite gran variedad de configuraciones de útiles y herramientas auxiliares para el corte del material, posicionamiento de las capas.  Calidad alta. Volúmenes de fibra altos y porosidad baja (dependiendo del procedimiento de curado). Buena repetitividad. Si el proceso de fabricación se realiza mediante moldeo manual, habrá una operación de preparación de material preimpregnado que consistirá en el corte de patrones. El corte de patrones, generalmente de tejido, se realizara de acuerdo manualmente (plantillas y cuchilla) o mediante corte automático de patrones (maquinas de corte textil, programa CN). En el caso de corte por CN, el programa parte de un modelo de capas (geometría y orientaciones), realizándose una optimización del posicionamiento de patrones en el rollo de materia prima (nesting).  Colocación de patrones con ayuda de plantillas (solidas, ploteadas sobre película indeformable o plantillas laser)  Cada 3-5 capas se hará una bolsa de compactación (bolsa de vacio a temperatura ambiente) para reducir el aire atrapado durante el moldeo.  Leyes de colocación de patrones:  Tejidos: tolerancias de posicionamiento 0.5mm, 5º en orientación.  Tejidos: uniones con solape de 12.5-25 mm, con decalados mínimos entre capas próximas de 25 m. Uniones a tope no permitidas.  Cinta: tolerancias de posicionamiento 0.5mm, 3º en orientación.  Cinta: uniones a solape no permitidas, uniones a tope con gaps máximos de 1mm, con decalados mínimos entre capas próximas de 25mm.  Encintado automático ATL (Automatic Tape Lay up) Procedimiento empleado para la fabricación, con cinta preimpregnada, de piezas de gran tamaño de pequeña curvatura, grandes espesores y apilados complejos. Las características generales son:  Inversión muy alta, bajo coste de mano de obra.  Técnica limitada a configuraciones de pequeña curvatura.  Calidad y repetitividad alta. Volumen de fibra alto y porosidad baja (bolsa de vacío/autoclave) El apilado o moldeo se realiza mediante un cabezal dotado de un rodillo de cinta preimpregnada que va depositado tiras de esta sobre un útil. El cabezal se haya montado en una maquina CN con múltiples ejes. Encintado a partir de un modelo de capas (geometría y orientaciones) realizándose modelo y programa de CN de encintado de capas.  Tolerancias de posicionamiento 1.25mm, 3º en orientación  Uniones a solape no permitidas, uniones a tope con gaps máximos de 2.5mm, con decalados mínimos entre capas próximas de 25mm.  Encintado automático FP (Fiber Placement) Procedimiento empleado para la fabricación, con cinta preimpregnada, de piezas de gran tamaño de gran curvatura, grandes espesores y apilados complejos. Las características generales son:  Inversión muy alta, coste de mano de obra moderado.  Capacidad de apilado automático de laminados de gran curvatura, útiles cilíndricos o de geometría compleja.  Calidad y repetitividad alta. Volumen de fibra altos y porosidad baja (bolsa de vacío/autoclave)  Muy alto aprovechamiento del material (no scrap)  No requiere compactación.

El apilado o moldeo se realiza mediante un cabezal dotado de múltiples rodillos con mechas preimpregnadas que va depositando tiras de manera independiente sobre el útil. El cabeza se haya montado en un máquina de CN con múltiples ejes.

 Devanado de filamentos (filament winding) Procedimiento empleado para la fabricación de piezas de geometría de revolución con mechas individuales continuas (preimpregnadas o impregnadas en un baño previo al devanado) depositadas por un cabeza robotizado (6 ejes) sobre un molde giratorio. La deposición y compactación del material se realiza exclusivamente por la tensión obtenida por la rotación del molde: las mechas deben seguir entonces trayectorias geodésicas. Las características generales son:  Inversión alta, coste de mano de obra bajo.  Alto coste de los mandriles.  Capacidad de apilado automático limitada a piezas de revolución.  Útiles carros, que pueden formar parte de la pieza final (estanqueidad)  Calidad media. Porosidad baja (bolsa de vacío/autoclave). Volumen de fibra y calidad superficial condicionada por la colocación de las mechas.  Requiere el uso de resinas de baja viscosidad.  Pultrusión. Procedimiento empleado para la fabricación de piezas lineales de sección constante a partir de mechas y/o cintas continuas (preimpregnadas o impregnadas en un baño previo al devanado) conformadas y compactadas de forma progresiva mediante un puente de rodillos o similar y curadas y cortadas de manera continua. Sus características generales son:  Inversión alta, coste de mano de obra bajo.  Capacidad de apilado automático limitada a piezas lineales continuas de sección constante.  Utillaje caro (puentes de conformado y moldes)  Calidad y repetitividad alta. Volumen de fibra alto y porosidad bajo.  Resinas específicas que requieren poco tiempo en el proceso de curado para eliminación de volátiles y consolidación.  Mala optimización estructural, al no poder modificar el espesor.  Compactación mediante bolsa de vacío. Para obtener componentes estructurales de gran calidad se necesitan laminados con un elevado volumen de fibra y baja porosidad (aire atrapado y volátiles). Dispositivos mecánicos como prensas de platos calientes permiten ejercer altas presiones. Sin embargo, no son aptas para piezas de gran tamaño (complejidad y costes asociados) ni geometrías complejas (desajustes entre el laminado y el útil provocan excesos o defectos locales de presión) y no permiten extraer el aire atrapado durante el apilado y los volátiles generados durante la consolidación del laminado. La función de la bolsa de vacío es aislar el laminado de la presión atmosférica para emplear dicha presión, que opera de forma hidrostática. La colocación de una bolsa sellada contra el molde que da forma a la pieza, y la extracción del aire de su interior, hace que la atmosfera ejerza una presión hidrostática sobre el laminado, permitiendo aplicar presión durante el curado y permitir la extracción de

gases. Los defectos que resultan de una incorrecta bolsa son arrugas, puenteos, sobresangrado o sangrado insuficiente, alto contenido de poros y dimensiones fuera de tolerancias. Los elementos de la bolsa de vacío son:  Películas de vacío: suelen ser películas de nylon que se colocan, sobre apilado en el útil, como envolventes de las bolsas de vacío.  Películas separadoras: sirven para separar los materiales preimpregnados del resto de materiales que forman la bolsa de vacío, también pueden emplearse como desmoldeantes.  Tejidos aireadores: facilitan la extracción del aire ocluido durante el proceso de apilamiento y lo volátiles producidos durante el curado. Suelen situarse entre la pieza y el material de la bolsa. No estarán en contacto con el preimpregnado.  Tejidos sangradores: permiten la eliminación del exceso de resina de los materiales preimpregnados en los procesos, que así se requiera, optimizando el porcentaje fibra/resina de la pieza final.  Tejidos pelables: se utilizan como protección superficial en aquellas piezas que pueden ser objeto de contaminación, o que lleven un proceso posterior de encolado o pintura, normalmente con un tratamiento posterior de lijado.  Retenedores: evitan el flujo excesivo de resina del elemento por su contorno, durante el ciclo de curado.  Pasta de vacío: es una cinta, de unos 15mm de anchura, utilizada en el sellado de la bolsa de vacío Las ventajas de este método de fabricación son:  Presión uniforme  Buena estabilidad dimensional  Se pueden procesar todo tipo de materiales, desde geometrías planas a contornos complejos.  Permiten adaptarse a laminados de espesor variable.  Se pueden emplear para el curado de la pieza o solo para su compactación. Las consideraciones a tener en cuenta son:  Utillaje complejo y caro.  El proceso de preparación de la bolsa es caro y requiere personal cualificado.  Un fallo de la bolsa durante el ciclo de curado puede acabar en la perdida de la pieza.  El tamaño de la pieza está limitado por el tamaño del autoclave.  Fabricación mediante autoclave de estructuras monolíticas y sándwich.

 Autoclave. Definición y necesidad de uso. Las características para un laminado bien fabricado son:  Correcta orientación de las capas: lay up.  Correcta relación fibra resina: uso de prepreg, viscosidad y flujo de resina adecuados, uso de sangradores, presión hidrostática y vacío adecuados.  Correcta compactación: pr...