Utillaje y Operaciones Especiales PDF

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Tema 6. Utillaje y Operaciones Especiales. Apuntes recopilados el último año de docencia de la asignatura Materiales Compuestos de Ingeniería Aeronáutica en la ETSIA...

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TEMA 6. UTILLAJE Y OPERACIONES AUXILIARES.  Utillaje. Introducción. Utillaje son todos los elementos que ayudan a la realización con éxito de cada una de las etapas de fabricación. A pesar de que también es utillaje el material fungible (por ejemplo, la bolsa de vacio), lo normal es que solo se consideren los elementos reutilizables. La regla de oro en el diseño de procesos de materiales compuestos es que el mejor utillaje es el que no es necesario usar. A la hora de seleccionar un proceso de fabricación el utillaje es clave debido a su influencia en los costes de fabricación directos y no recurrentes y en su disponibilidad. Su importancia en el proceso de fabricación y, especialmente, en la etapa de curado es tal que se puede decir que no es posible obtener una buena pieza con un mal utillaje. Las consideraciones para el diseño y la selección del utillaje son:  Tipo de proceso de fabricación: molde (abierto-cerrado, macho-hembra, etc.), temperatura de curado, rampas de calentamiento-enfriamiento, presión, accesorios (pisas, subcomponentes)…  Requisitos estructurales para la operación a alta temperatura: rigidez, resistencia, capacidad calorífica, coeficiente de expansión térmica, resistencia a impacto, número de ciclos, estabilidad dimensional, etc.  Tasas de fabricación y costes: número de piezas y/o conjuntos a fabricar, almacenamiento y operación, costes, suministradores.  Tolerancias: exigencias dimensionales. La tolerancia de fabricación de un útil suele ser 1/3 de la tolerancia de fabricación de la pieza final.  Características del utillaje para la fabricación de materiales compuestos. Los requisitos básicos para el utillaje de materiales compuestos son:  Estabilidad dimensional: las tolerancias geométricas de la pieza final corresponderán con las del útil durante el curado.  Mínima diferencia de dilatación entre el útil y la pieza: de lo contrario se inducirían esfuerzos residuales y distorsiones geométricas.  Permitir la libre dilatación térmica de los elementos a curar: de no ser así, sería imposible el encolado de componentes.  Ligeros: han de ser transportados durante todo el proceso de fabricación.  Absorber la disminución de espesores: en el caso de moldes cerrados.  Reparto uniforme de presiones.  Acabado superficial del útil en aquellas zonas de contacto directo con el material compuesto: condición importante en el caso de superficies aerodinámicas.  Prolongado tiempo de servicio con mínimo mantenimiento.  Excelentes condiciones de estanqueidad.  Facilitar las tareas de laminado y desmoldeo. La importancia de las propiedades a considerar en el utillaje es: Precisión dimensional

5

Facilidad de fabricación

3

Estabilidad dimensional Durabilidad

5 5

Fácil de reparar Peso del útil

3 3

Propiedades térmicas

4

Fácil de inspeccionar

2

Fácil de reproducir Uniformidad de temperaturas

3 3

Resistencia al manejo (logística) Fácil de implementar termopares

2 1

Costo del material 3 Compatible con los agentes de desmoldeo. 1 Tipos de útil:  Útil macho: el más comúnmente utilizado. Bajo precio. Bajo coste en la operación de montaje de capas. Control superficial en una sola cara. Problemas en radios pequeños.  Útil hembra: alto coste en la operación de montaje de capas. Problemas de puenteo y descuelgue de resina en radios pequeños. Control superficial en una sola cara.  Útil macho-hembra: mejor control de espesores. Útil caro. Moderado coste del montaje de capas. Alta precisión y libertad de desplazamiento durante su trabajo

durante el proceso. Buena terminación superficial por ambas caras. Requisitos para la selección de los materiales en el utillaje:  Requisitos de la pieza de producción: temperatura de curado, tamaño y forma, tolerancias, compatibilidad física con el material compuesto, manejo, rigidez.  Características del material del útil: coeficiente de expansión térmico, estanqueidad al vacio, temperatura de utilización, durabilidad, calidad superficial, estabilidad dimensional.  Limitaciones de fabricación: costes de producción y de mantenimiento, disponibilidad del material, instalaciones.  Materiales utilizados en el utillaje de materiales compuestos. Características. La electrodeposición es la producción o reproducción de piezas por electrodeposición sobre un modelo. Para el electroconformado se sumerge en el baño electrolítico un ánodo de níquel y un cátodo formado por el modelo, previamente impermeabilizado y cubierto mediante pintura conductora de plata química. El material del utillaje va a condicionar el resultado de la pieza a fabricar, en tanto la acompaña durante el curado de la matriz. Las dimensiones finales de la pieza y sus tolerancias dependen del tipo de utillaje empleado. Las características de dilatación térmica del material de utillaje son fundamentales para la obtención de las tolerancias (la mayoría de los procesos de polimerización se realizan con calor). El historial térmico que se proporciona a la unidad se proporciona al utillaje así como a la pieza, por lo que el utillaje ha de ser compatible con el proceso térmico al que se someta la resina. Las dimensiones finales de la pieza son las dimensiones que prevalecerán a la temperatura de gelificación final de la resina. Los materiales más comunes en el utillaje de materiales compuestos curados a alta temperatura (superior a 120º) son: invar, acero, aluminio, electroconformado de níquel y materiales compuestos. Útiles Invar

Acero

Aluminio

Electroconformado de níquel

Material compuesto CFRP y GFRP

Ventajas Muy alta estabilidad dimensional. Bajo coeficiente térmico de expansión. Alta conductividad térmica. Alta durabilidad. Buena estabilidad dimensional. Alta conductividad térmica. Soldable. Permite altas velocidades de calentamiento. Bajo coste del material. Fácil de mecanizar. Alta conductividad térmica. Baja densidad. Soldable. Permite muy altas velocidades de calentamiento. Bajo coste del material. Porosidad cero. Buena conductividad térmica. Estanqueidad perfecta. Menos coste que el acero. Resistencia a la corrosión. Buena estabilidad dimensional. Buena velocidad de subida de temperatura. Ligeros. Buena resistencia química. Posibilidad de seleccionar la orientación de las capas para evitar problemas de dilatación.

Desventajas Muy alto coste del material. Muy alto coste de fabricación. Escasa disponibilidad. Peso. No muy buena estabilidad dimensional a alta temperatura. Incompatible CTE Alta densidad.

Pierde rigidez por encima de los 180º Incompatible CTE

Mala estabilidad a altas temperaturas. CTE del orden del acero. Alto coste. Vida de utilización limitada a altas temperaturas. Requiere estrictos procesos de control durante su fabricación. Toxicidad. Necesidad de un modelo para su fabricación.

Cerámicos

Carbón/carbón

Silicona (utillaje auxiliar) Madera

Bajo CTE. Resistencia a altas temperaturas (1100º)

Bajo CTE. Conductividad térmica. Resistencia mecánica. Temperatura de utilización. Capacidad de moldeo de geometrías complicadas. Coste. Coste

Alto coste. Mecanizado difícil. Baja conductividad térmica: largos tiempos de calentamiento y enfriamiento. Mala manipulación. Frágil. Difícil de reparar. Alto coste. Mecanizado difícil. Mala manipulación. Fragilidad Baja durabilidad (inferior a 20 ciclos) Difícil control adimensional durante el curado. Bajo nivel de estanqueidad Baja durabilidad.

Como conclusión de materiales para el utillaje:  Invar: buena estabilidad a altas temperaturas, alto coste.  Acero: requisitos adecuados para piezas de tamaño medio.  Aluminio: alto CTE, bajo coste.  Material compuesto: pocos ciclos.  Electrodeposición de níquel: muy apropiado para geometrías complejas.  Resto: aplicaciones muy específicas.  Tipos de utillaje. El utillaje no solo se encarga de servir de molde durante el proceso de fabricación, sino que además ha de facilitar el resto de las operaciones, previas y posteriores al curado, además de servir de referencia. Las partes principales de un útil de moldear son:  Estructura soporte: tipos.  Caja de huevos.  Cajón.  Tubular.  Superficie de trabajo.  Componentes móviles y retenedores.  Materiales auxiliares. Variedad de útiles según el proceso de fabricación:  Autoclave.  Procesos fuera de autoclave (ouf of autoclave)  Mandriles duros (hard mandril)  Mandriles eliminables (washout mandril)  Mandriles inflables (inflatables mandril)  Gomas de silicona (silicone rubber)  Conformado por prensa (press forming)  Conformado por doble diafragma (diaphragm forming)  Presión mecánica (mechanical pressure)  Procesos por sistemas autocalefactables (integrally heated tools)  Conformado por elastómeros (elastomeric tooling) 1. Utillaje para laminado manual: características:  Ergonomía: necesaria para el trabajo y considerada desde el diseño.  Referencias: marcas visuales que sirven para conocer orientaciones y posiciones de los patrones.  Posibilidad de trabajar con posicionadores láser. Mediante unas referencias sobre el marco del útil es posible visualizar la posición y la identificación de cada patrón. 2. Utillaje para laminado automático (ATL y FP). Características:

Puntos de referencia respecto al cabezal de la maquina. Superficie adicional para las operaciones del cabezal. La superficie del útil ha de entrar dentro de los admisibles de la maquina. En el caso de FP, el utillaje ha de ser diseñado de acuerdo a la bancada, ya que se integra en ella y llega a tener un grado de libertad. 3. Utillaje para conformado en caliente.  Baja densidad.  Alta conductividad térmica.  Los materiales típicos son madera y poliuretanos. 4. Curado.  Su principal función es la molde: proporcionar la forma final a la pieza curada.  Durante el proceso de curado ha de transferir el calor de acuerdo a los requisitos de la resina. buena transferencia de calor.  Incorporan termopares para el control de la temperatura del útil.  Ha de asegurar la estanqueidad a lo largo de toda la superficie del útil: incorporan distribuidores de vacío.  No ha de interrumpir o perturbar el ciclo de aire del autoclave.  Ha de permitir la realización de referencias y taladros. Macizados.  Debido a su tamaño y peso, existen diferentes medios para mover las piezas, que van a condicionar las dimensiones y los medios de la factoría: mediante puente grúa y cáncamos, mediante forklift, mediante ruedas y mediante bolsas de aire. 5. Curado: pisas (caul plates)  Su principal función es transmitir presión de forma uniforme a la pieza a través de la cara bolsa.  Se encuentra dentro de la bolsa de vacío, en contacto con la pieza.  La superficie tiene una calidad mejor y más uniforme. 6. Volteadores: buenas tolerancias en la posición relativa entre los elementos que se van a voltear.    

7. Elementos auxiliares: peines y posicionadores. Siempre se unirán al utillaje de curado, ya que este

se emplea como referencia 8. Transporte o transferencia. Características:  No dañar el útil durante los procesos de desmoldeo y transferencia entre etapas.  No producir defectos en la pieza si se encuentra sin curar. 9. Mecanizado. Características.  Servir de referencia  Evitar delaminaciones. 10. NDT. Características.  Requieren el acceso por uno o dos partes.  Se han de soportar normalmente por marcos.  Han de ser resistentes a la oxidación. Las consideraciones de diseño para el curado de los moldes son:  CTE compatible con las piezas producidas.  Capaz de resistir severas condiciones de temperatura y presión sin deterioro.  Estabilidad dimensional.  Durabilidad.  Bajo coste.  Reproducir con una alta fiabilidad dimensional el diseño.  Mantener las propiedades mecánicas a alta temperatura. Para lograr la geometría requerida, se realizan variaciones en a geometría nominal según factores de corrección. Los factores de corrección son función del tamaño y forma de la pieza, orientación de las capas, método de fabricación y material del útil. Las distorsiones geométricas pueden originar tres tipos de problemas: alargamiento, recuperación elástica o abarquillamiento. El abarquillamiento es un encorvamiento del conjunto pero sin llegar a enrollarse. Depende de tres factores: diseño del conjunto, proceso de fabricación y material del útil. El

factor de corrección debido a la expansión térmica multiplica a la dimensión nominal de la pieza a temperatura ambiente.

En el caso de la recuperación elástica, los factores de corrección están basados en la experiencia. Depende del material útil. El alabeo está relacionado con el material del utillaje. Escaso conocimiento de la naturaleza del fenómeno debido a los múltiples factores implicados.  Mecanizado de materiales compuestos. El mecanizado de los MtC impone requerimientos diferentes del mecanizado de metales:  Mecanizado por abrasión (excepto aramidas). Alto desgaste.  Temperaturas limitadas por la resina. Termoestables...