Tecnología de prototipado rápido de materiales compuestos

En la actualidad, existen numerosos procesos de fabricación de estructuras de materiales compuestos que pueden aplicarse a la producción de diversas estructuras; sin embargo, dada la eficiencia de la producción industrial y el coste de producción en la producción aeroespacial para aeronaves civiles, es urgente mejorar el proceso de curado con el fin de disminuir el tiempo y los costes del proceso de curado. La tecnología de prototipado rápido ofrece un enfoque de bajo coste denominado moldeo discreto y apilado que ha demostrado su eficacia en numerosas ocasiones. A menudo se emplea la tecnología de prototipado rápido por prensado de moldes, la tecnología de conformado líquido y las tecnologías de conformado de compuestos termoplásticos.

Tecnología de prototipado rápido por moldeo

La tecnología de prototipado rápido por moldeo es un método de proceso en el que las piezas en bruto preimpregnadas se colocan en moldes para su densificación y curado mediante presurización por calor; la velocidad de moldeo es rápida; la precisión del tamaño del producto y la calidad uniforme pueden garantizarse mediante esta técnica; la tecnología de automatización proporciona una producción en masa a costes reducidos de piezas estructurales de compuestos de fibra de carbono en los campos de la aviación civil.

Principales etapas del moldeo:

1. Obtenga un molde metálico extremadamente resistente que se corresponda perfectamente con las dimensiones de las piezas a producir; colóquelo en una prensa, caliéntelo y cierre su tapa.
2. Dar forma y preformar el material compuesto requerido según su molde. El preformado es un paso integral que mejora el rendimiento de la pieza acabada.
3. Deslizar la pieza preformada en un molde calentado. Una vez calentada, comprimir a muy alta presión, entre 800 psi y 2000 psi, dependiendo del grosor de la pieza y del tipo de material utilizado (normalmente entre 800 psi y 2000 psi, dependiendo del grosor), hasta que se libere la presión; después de lo cual, extraer las piezas del molde tan pronto como se enfríen, teniendo cuidado de eliminar las rebabas.

Ventajas del moldeo por compresión:

El moldeo por compresión se ha convertido en una tecnología de prototipado rápido cada vez más popular debido a la variedad de ventajas que aporta. La principal de ellas es el uso de materiales compuestos, que suelen ser más fuertes, ligeros y resistentes a la corrosión que las piezas metálicas, creando objetos con propiedades mecánicas superiores a las de sus homólogos metálicos.

El moldeo por compresión ofrece otra clara ventaja en comparación con moldeo por inyección de plásticoproducción de piezas complejas. Aunque su velocidad de producción no iguala la del moldeo por inyección, el moldeo por compresión proporciona formas más geométricas que los compuestos laminados y permite fibras más largas que hacen que los materiales sean más resistentes; actúa como un paso intermedio entre el moldeo por inyección de plástico y los procesos de fabricación de compuestos laminados.

Proceso de moldeo de SMC

SMC son las siglas de Sheet Molded Compound (compuesto moldeado en láminas), un compuesto artificial formado mediante el moldeo de láminas. Sus principales materias primas son hilos especiales para SMC, resinas insaturadas con aditivos de baja contracción y cargas, así como diversos aditivos, que aparecieron por primera vez en Europa a principios de la década de 1960. A partir de 1965, tanto EE.UU. como Japón avanzaron independientemente en esta tecnología, antes de que China introdujera líneas de producción y procesos avanzados de SMC procedentes del extranjero a finales de los 80.

El SMC cuenta con excelentes propiedades eléctricas, resistencia a la corrosión, flexibilidad de diseño ligero, diseños de ingeniería sencillos y flexibles y tecnología de prototipado rápido de propiedades mecánicas comparables a las de algunos materiales metálicos, por lo que tiene amplias aplicaciones en los sectores del transporte, la construcción y la electrónica.

Proceso de moldeo BMC

En 1961, se lanzó el compuesto de moldeo de láminas de resina insaturada (SMC) desarrollado por Bayer Corporation en Alemania. En la década de 1960, comenzó a promocionarse el compuesto de moldeo a granel (BMC), también conocido como DMC (compuesto de moldeo de masa) en Europa. En su primera etapa (la década de 1950), no estaba espesado; sin embargo, según la definición de Estados Unidos, el BMC es BMC espesado. Tras aceptar la tecnología europea, Japón consiguió grandes logros en la aplicación y el desarrollo del BMC. En la década de 1980, la tecnología estaba muy madura. Hasta ahora, la matriz utilizada en el BMC ha sido siempre la resina de poliéster insaturado.

El BMC pertenece a los plásticos termoestables. Basándose en las propiedades del material, la temperatura de barril del moldeo por inyección máquina no puede ser demasiado alta, ya que debe facilitar el flujo de material. Por lo tanto, es importante controlar la temperatura del barril durante el proceso de moldeo por inyección de BMC. Debe implementarse un sistema de control para garantizar la temperatura adecuada, de modo que la temperatura desde la sección de alimentación hasta la boquilla alcance el estado óptimo.

Moldeo con poli(diciclopentadieno) (PDCPD).

El moldeo de poli(diciclopentadieno) (PDCPD) se compone normalmente de matrasa pura en lugar de plásticos reforzados, como el poliuretano (PU). El moldeo con PDCPD surgió como método de moldeo en 1984, en su forma actual, tanto en Estados Unidos como en Japón, como pioneros de esta tecnología.

La empresa Telene de Zeon Corporation en Bondues, Francia, ha logrado un éxito notable con la investigación, el desarrollo y la comercialización de principios de moldeo PDCPD (RIM). A continuación se muestra una representación esquemática de su principio de moldeo PDCPD (RIM).

Los procesos de moldeo RIM suelen ser más fáciles y rentables de automatizar que otras técnicas como la pulverización de FRP, el RTM o el moldeo SMC; los costes de utillaje de los moldes RIM de PDCPD suelen ser inferiores a los de sus homólogos SMC; por ejemplo, el molde del capó del Kenworth W900L utiliza una carcasa de níquel con núcleo de aluminio fundido que contiene resina de baja densidad con una gravedad específica de 1,03; esto no sólo reduce los costes, sino también el peso.

Conformado laminado directo de compuestos termoplásticos reforzados con fibra (LFT-D)

Alrededor de 1990, el LFT (Termoplásticos Reforzados con Fibra Larga-Directo) se introdujo en el mercado de Europa y Estados Unidos. CPI, una empresa estadounidense, es la primera empresa del mundo en desarrollar un equipo de moldeo de termoplásticos reforzados con fibra larga de compounding directo en línea y la correspondiente tecnología de prototipado rápido (LFT-D, Direct In Line Compounding). Comenzó a funcionar comercialmente en 1991 y es líder mundial en este campo. Diffenbarcher, una empresa alemana, comenzó a investigar la tecnología LFT-D en 1989.

En la actualidad, existen principalmente tecnologías de LFT D, LFT a medida (se puede conseguir un refuerzo local según la condición de tensión estructural), LFT-D de superficie avanzada (superficie visible, alta calidad de superficie). Desde la perspectiva de la línea de producción, el nivel de prensado de Diffenbarcher es muy alto. El sistema de extrusión D-LFT de la empresa alemana Coperion ocupa una posición de liderazgo internacional. El proceso de preparación del compuesto de moldeo LFT-D se muestra en la siguiente figura.

Tecnología de fabricación por colada sin patrón (PCM)

La Fabricación por Colada sin Patrón (PCM) ha sido desarrollada por la Prototipado rápido láser de la Universidad de Tsinghua. Aplica la tecnología de prototipado rápido a los procesos tradicionales de fundición en arena con resina. En primer lugar, se obtiene un modelo CAD de la pieza a partir del modelo CAD. El archivo STL del modelo CAD del molde se trocea para obtener información del perfil seccional y, a continuación, se genera información de control a partir de la información de las capas.

Durante el moldeo, la primera boquilla pulveriza con precisión adhesivo sobre la arena estratificada en cada capa bajo control informático, y la segunda boquilla pulveriza catalizador a lo largo de la misma trayectoria. El adhesivo y el catalizador reaccionan juntos, curando la arena capa a capa y acumulándola en una forma. La arena donde el adhesivo y el catalizador actúan juntos se solidifica, mientras que otras partes de la arena permanecen en estado granular.

Tras el curado de una capa, se adhiere la siguiente y, una vez adheridas todas las capas, se obtiene una entidad espacial. La arena original en las zonas donde no se pulveriza adhesivo sigue siendo arena seca, que es relativamente fácil de eliminar. Limpiando la arena seca no curada del centro se puede obtener un molde con un determinado grosor de pared, que se puede utilizar para verter metal después de recubrir o impregnar de pintura la superficie interior del molde.

El punto de temperatura de curado típico del proceso PCM es de unos 170°C. La colocación y el desmoldeo en frío utilizados en el proceso PCM difieren ligeramente del moldeo. El laminado en frío y el desmoldeo en frío consisten en colocar gradualmente capas de preimpregnado en el molde de acuerdo con los requisitos de la estructura del producto cuando el molde se encuentra en el extremo frío y, a continuación, cerrar el molde con la prensa de conformado una vez finalizado el laminado para proporcionar una presión determinada.

En este momento, se utiliza la máquina de temperatura de moldes para calentar el molde, normalmente desde temperatura ambiente hasta 170°C, con una velocidad de calentamiento de 3-5°C/min, que puede ajustarse según los diferentes productos. La mayoría son productos de plástico. Cuando la temperatura de la tecnología de prototipado rápido alcanza la temperatura establecida, se inicia la conservación del calor y el mantenimiento de la presión para llevar a cabo el curado a alta temperatura del producto. Una vez finalizado el curado, es necesario bajar la temperatura del molde hasta la temperatura ambiente utilizando una máquina de temperatura de moldes, con una velocidad de calentamiento de 3-5°C/min, y después se puede abrir el molde para la extracción de las piezas.

Tecnología de formación de líquidos

La fabricación líquida de materiales compuestos (LCM) hace referencia a un conjunto de tecnologías de conformado de materiales compuestos en las que las preformas de fibra seca se ensamblan primero en cavidades de molde cerradas antes de la tecnología de prototipado rápido de resina líquida a presión en dichas cavidades, infiltrando cada fibra a través de infiltradores a presión y rellenando lentamente su hueco con fibras. Frente al moldeo en autoclave, el LCM ofrece muchas ventajas, como la producción de piezas con dimensiones precisas y formas complejas a costes de fabricación más bajos y con una mayor operatividad en comparación con los moldeadores en autoclave.

El HP-RTM (moldeo por transferencia de resina a alta presión) es una tecnología en evolución. moldeo por inserción técnica que utiliza alta presión para mezclar e inyectar resina en moldes herméticos al vacío cargados con materiales reforzados con fibras e insertos preinsertados, seguida del llenado de flujo de resina, la impregnación, el curado y el desmoldeo para fabricar productos compuestos. Al reducir los tiempos de inyección, debería ayudar a acortar significativamente los tiempos de fabricación y, al mismo tiempo, producir piezas de alto rendimiento y mayor contenido en fibra.

El proceso de moldeo HP-RTM es uno de los muchos procesos de moldeo de composites ampliamente utilizados en varias industrias, ya que ofrece ventajas de tecnología de prototipado rápido como costes bajos, tiempos de ciclo cortos y producción de piezas de calidad (buena calidad de la superficie de la pieza en comparación con los procesos RTM tradicionales). Como resultado, esta técnica se utiliza ampliamente en las industrias del automóvil, la construcción naval y aeronáutica, así como en instalaciones de producción de maquinaria agrícola, redes de transporte ferroviario y plantas de generación de energía eólica, entre otras.

Tecnología de moldeo de compuestos termoplásticos

Recientemente, los materiales compuestos termoplásticos se han convertido en el centro de atención de la investigación en fabricación de materiales compuestos, tanto dentro como fuera del país, debido a sus ventajas como tecnología de prototipado rápido de alta resistencia al impacto, tenacidad, tolerancia a los daños y buena resistencia al calor. La soldadura de los compuestos termoplásticos se está convirtiendo en un método clave para aumentar la eficacia de la producción y, al mismo tiempo simultáneamente Disminución de los costes; Airframer Collins Aerospace estima que las estructuras termoplásticas soldables sin autoclave podrían reducir los ciclos de fabricación 80% más rápidamente en comparación con los componentes metálicos y compuestos termoestables.

Utilizar la cantidad más adecuada y mínima de materiales, seleccionar la tecnología de prototipado rápido el proceso más económico, colocar el producto en el lugar adecuado, alcanzar el objetivo de diseño predeterminado y lograr la relación rendimiento-coste ideal para el producto son siempre los esfuerzos de los profesionales de los materiales compuestos. Se cree que en el futuro se desarrollarán más procesos de moldeo para satisfacer los requisitos de diseño de la producción.