desarrollo del proceso de fabricaciÓn por doble...

UNIVERSIDAD METROPOLITANA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

DESARROLLO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN POR DOBLE CAPA (“TWIN SHEET”) REFORZADO CON TEJIDOS FIBROSOS, PARA LA

CONSTRUCCIÓN DE COMPONENTES DE INTERIORES DE AVIONES.

Leopoldo L. Pérez Barnola

Tutor académico: Prof. Frank Pietersz

Tutor industrial: Ing. Ronny Dehmel

Caracas, Marzo 2002

DERECHO DE AUTOR

Cedo a la Universidad Metropolitana el derecho de reproducir y

difundir el presente trabajo, con las únicas limitaciones que establece la

legislación vigente en materia de derecho de autor.

En la ciudad de Caracas, a los 15 días del mes de abril de 2002.

_______________________________

Leopoldo L. Pérez Barnola

APROBACIÓN

Considero que el Proyecto industrial titulado:



Elaborado por el ciudadano:

LEOPOLDO L. PÉREZ BARNOLA

Para optar al título de:

INGENIERO MECÁNICO

Reúne los requisitos exigidos por la Escuela de Ingeniería Mecánica

de la Universidad Metropolitana, y tiene méritos suficientes como para ser

sometido a la presentación y evaluación exhaustiva por parte del jurado

examinador que se designe.

En Alemania, a los 7 días del mes de Marzo de 2002.

________________________ _________________________

Ronny Dehmel Frank Pietersz

ACTA DE VEREDICTO

Nosotros, los abajo firmantes, constituidos como jurado examinador y

reunidos en Caracas, en abril de 2002, con el propósito de evaluar el

Proyecto Industrial titulado:



Presentado por el ciudadano:

LEOPOLDO L. PÉREZ BARNOLA

Para optar al título de:

INGENIERO MECÁNICO

Emitimos el siguiente veredicto:

Reprobado __

Aprobado __

Notable __

Sobresaliente __

Sobresaliente con Mención Honorífica __

Observaciones:

_____________________________________________________________

_____________________________________________________________

________________ _________________ __________________ Frank Pietersz Germán Crespo José Luis López

Universidad Metropolitana Aircabin GmbH Escuela de Ingeniería Mecánica EADS—Airbus Group Company

TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO ................................................................................ 5 ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS................................................................... 8 1. INTRODUCCIÓN.................................................................................. 14 2. JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ......................................................... 16

2.1 Limitación de la investigación y del trabajo ..................................... 16 2.2 Justificación del tema ...................................................................... 19

2.2.1 Identificación de las necesidades y problemas del proceso actual de manufactura. .................................................................................... 20 2.2.2 Mejoras y actualizaciones de los estándares para los componentes de los interiores de aviones............................................ 23 2.2.3 Política de la compañía.............................................................. 24

3. ESPECIFICACIONES Y OBJETIVOS .................................................. 27 3.1 Delineado del proyecto industrial..................................................... 28

4. CARACTERÍSTICAS METODOLÓGICAS GENERALES..................... 31 4.1 Planteamiento del problema............................................................ 31 4.2 Delimitación temática ...................................................................... 32

5. TEORÍA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS ................................ 37 5.1 Clasificación de los materiales compuestos .................................... 37

5.1.1 Metales reforzados..................................................................... 37 5.1.2 Cerámica reforzada.................................................................... 38 5.1.3 Polímeros reforzados ................................................................. 38

5.2 Materiales compuestos de matriz polimérica................................... 39 5.3 Comportamiento de los materiales compuestos bajo la acción de distintos tipos de cargas .......................................................................... 44

5.3.1 Tensión ...................................................................................... 44 5.3.2 Compresión................................................................................ 44 5.3.3 Corte .......................................................................................... 45 5.3.4 Flexión ....................................................................................... 45

5.4 Comparación de las propiedades mecánicas de los materiales compuestos con otros materiales estructurales....................................... 46

6. MATRIZ POLIMÉRICA O SISTEMA DE RESINA................................. 51 6.1 Introducción..................................................................................... 51 6.2 Propiedades requeridas para la selección de una buena matriz polimérica ................................................................................................ 51

6.2.1 Propiedades mecánicas de las resinas...................................... 52 6.2.2 Propiedades adhesivas de la resina .......................................... 53 6.2.3 Tenacidad del sistema resínico.................................................. 53 6.2.4 Propiedades ambientales del sistema resínico .......................... 54

6.3 Tipos de resinas .............................................................................. 54 6.3.1 Clasificación de los polímeros.................................................... 54

Leopoldo Pérez Barnola

5


6.4 Ventajas de las matrices termoplásticas sobre las termoendurecibles 56 6.5 Polieterimida propiedades (PEI) ...................................................... 58

6.5.1 Propiedades básicas del polímero ............................................. 58 7. REFUERZOS........................................................................................ 61

7.1 Propiedades de las fibras de refuerzo ............................................. 61 7.2 Propiedades mecánicas del laminado ............................................. 63 7.3 Fibra de vidrio como material de refuerzo ....................................... 65

7.3.1 Vidrio .......................................................................................... 65 7.4 Tipos de fibra de vidrio disponibles comercialmente ....................... 67

8. SÁNDWICHES TERMOPLÁSTICOS.................................................... 70 9. PROCESO DE TERMOFORMADO TWIN-SHEET............................... 74

9.1 Descripción del proceso Twin-Sheet ............................................... 74 10. SELECCIÓN DE LOS MATERIALES................................................. 79

10.1 Objetivos ......................................................................................... 79 10.2 Introducción..................................................................................... 79 10.3 Prueba preliminar de drapabilidad................................................... 96

10.3.1 Descripción del experimento y del equipo.................................. 96 10.4 Pruebas de tracción uniaxial en los preformados textiles secos. .. 101 10.5 Modelo para predecir el ángulo de bloqueo. ................................. 102 10.6 Pruebas de drapabilidad................................................................ 106 10.7 Resultados y discusión.................................................................. 109

10.7.1 Pruebas de tracción de los tejidos secos ................................. 109 10.7.2 Predicción del ángulo de bloqueo para tejidos tipo Woven ...... 113 10.7.3 Estudios de drapabilidad de los tejidos secos.......................... 114 10.7.4 Selección de los tejidos textiles que continuarán con la experimentación.................................................................................. 117

10.8 Conclusiones ................................................................................. 118 11. ANÁLISIS DE LOS MECANISMOS DE CONSOLIDACIÓN Y DESCONSOLIDACIÓN .............................................................................. 120

11.1 Introducción................................................................................... 120 11.1.1 Consolidación........................................................................... 121 11.1.2 Desconsolidación ..................................................................... 123

11.2 Análisis del fenómeno de consolidación........................................ 124 11.2.1 Análisis del proceso de impregnación...................................... 124 11.2.2 Modelo de consolidación.......................................................... 128 11.2.3 Experimentos de consolidación................................................ 131 11.2.4 Resultados y discusión del modelo de consolidación .............. 152

11.3 Conclusiones ................................................................................. 157 12. Simulación del Precalentamiento para la etapa de formación.......... 159

12.1 Introducción................................................................................... 159 12.2 Transferencia de calor................................................................... 162

12.2.1 Posibilidades de calentamiento................................................ 163 12.3 Conclusiones ................................................................................. 168


6


13. SISTEMA AUTOMATIZADO DE ESTIMACIóN DE COSTOS PARA DESARROLLOS CON MATERIALES CompuestoS................................... 170

13.1 Características generales del modelo planteado........................... 172 13.2 Diferencias entre el modelo propuesto y los modelos convencionales de estimación de costos ........................................................................ 173 13.3 Desarrollo del modelo.................................................................... 175

13.3.1 Escalamiento para el tamaño de la parte................................. 175 13.4 Escalamiento para la complejidad de la forma de la pieza............ 177 13.5 Modelo de costos total y diseño por proceso de manufactura....... 180 13.6 Conclusiones ................................................................................. 181

14. Conclusiones Finales ....................................................................... 182 15. RECOMENDACIONES .................................................................... 190

15.1 Recomendaciones sobre los Materiales........................................ 190 15.1.1 Matriz Polimérica...................................................................... 190 15.1.2 Sistema de Refuerzos.............................................................. 191

15.2 Del proceso de laminación ............................................................ 193 15.2.1 Uso de agentes de engomado o Sizing ................................... 193 15.2.2 Secado..................................................................................... 193 15.2.3 Técnica de Laminación ............................................................ 193 15.2.4 Limitación de la Fracción Volumétrica de fibra......................... 194

15.3 Proceso de conformación por Twin-Sheet..................................... 195 16. GLOSARIO ...................................................................................... 197 17. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................ 204 18. Anexos ............................................................................................. 209

18.1 Anexo # 1 Propiedades de la Polieterimida................................... 209


7


ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS

FIGURAS Figura 2-1 Dibujo computarizado del nuevo avión que planea lanzar la

compañía para el año 2006 ................................................................... 16 Figura 2-2 Diagrama del sistema de ductos del aire acondicionado para el

A380 ...................................................................................................... 17 Figura 2-3 Análisis de la estructura de costos, para la fabricación de los

componentes de interiores de aviones, fuente: Departamento Administrativo Airbus. ............................................................................ 19

Figura 2-4 Pieza y equipo de soporte para la fabricación de ductos de aire acondicionado, por laminado manual. ................................................... 22

Figura 2-5 Prototipo de la cabina de pasajeros para la zona SuperVIP de un A380 ...................................................................................................... 23

Figura 2-6 Edificio sede del Centro de Prototipos de la Compañía............... 24 Figura 2-7 Prototipo a escala natural de la parte frontal de la cabina de un

A380 ...................................................................................................... 25 Figura 2-8 Montaje de un prototipo de cabina a escala natural para un A380

............................................................................................................... 25Figura 2-9 Fotografía del Centro de Desarrollo de Cabinas ......................... 26 Figura 2-10 Diseño de la cabina clase económica para el A380 .................. 26 Figura 3-1 Metodología seguida para el desarrollo del trabajo, dividido en

tópicos y mecanismos investigados, colocando la ubicación dentro de los mismos en sus respectivos capítulos. ................................................... 29

Figura 4-1 Hangar de producción del modelo A3400-600 ............................ 31 Figura 4-2 Hangar de producción del modelo A340-600, sección de la cabina

............................................................................................................... 32Figura 4-3 ..................................................................................................... 32 Figura 4-4 Diagrama esquemático de la sección en 3-D de un A380. .......... 34 Figura 4-5 Modelo en CAD de difusor de aire acondicionado del A380,

modelo clase 1....................................................................................... 34 Figura 4-6 Diseño panel lateral, del A380..................................................... 35 Figura 5-1 Tejido tipo Woven, hecho con hebras de fibras de Vidrio y Carbón

............................................................................................................... 37Figura 5-2 Micrografía SEM de materiales compuestos de matriz metálica 38Figura 5-3 Micrografía SEM de un Compuesto de matriz cerámica.............. 38 Figura 5-4 Micrografía tipo SEM, de un material compuesto de matriz

polimérica .............................................................................................. 39 Figura 5-5 Materiales de refuerzos más comunes para materiales

compuestos, fibra de vidrio, fibras de carbón y de aramida................... 39


8


Figura 5-6 Diagrama esfuerzo deformación para los componentes individuales y el material compuesto reforzado.¡Error! Marcador no definido.

Figura 5-7 Efecto de las cargas de tensión sobre los materiales compuestos............................................................................................................... 44

Figura 5-8 Efecto de las cargas de compresión sobre el material compuesto................................................................................................................ 44

Figura 5-9 Diagrama del efecto de las fuerzas de corte sobre un material compuesto. ............................................................................................ 45

Figura 5-10 Diagrama de un material compuesto bajo un estado de cargas flexionantes............................................................................................ 45

Figura 5-11 Diagrama comparativo de la resistencia a la tracción para diferentes materiales ............................................................................. 47

Figura 5-12 Diagrama comparativo del Módulo de elasticidad para diferentes materiales .............................................................................................. 47

Figura 5-13 Diagrama comparativo de los rangos de densidad para distintos materiales .............................................................................................. 48

Figura 5-14 Diagrama comparativo de los valores específicos de resistencia a la tracción ........................................................................................... 49

Figura 5-15 Diagrama comparativo de los valores del Módulo específico para diferentes materiales ............................................................................. 49

Figura 6-1 Diagrama esfuerzo deformación para un sistema de resina ideal52Figura 6-2 Deformación a la falla para algunos materiales usados

comúnmente como refuerzos, tomado del manual de GE Plastics “Composites Basics”.............................................................................. 53

Figura 6-3 Estructura del monómero de la polieterimida .............................. 58 Figura 6-4 Film de PEI, de GE Plastics®, serie Ultem 1000. ......................... 60 Figura 7-1 Propiedades mecánicas de los principales tipos de refuerzo. .... 64 Figura 7-2 Resistencia al impacto para diferentes tipos de refuerzos........... 64 Figura 7-3 Diagrama de costos para los tejidos de refuerzo por m2 de tejido

para tejidos livianos ............................................................................... 65 Figura 8-1 Sándwich estructural. .................................................................. 70 Figura 8-2 Almas o núcleos tipo paneles de abeja o Honeycomb. ............... 70 Figura 8-3 Fotos de Partes construidas con estructuras tipo Sándwich. La

primera es una estructura con curvatura compleja, mientras la segunda es una parte con curvatura simple......................................................... 71

Figura 9-1 Fotografía equipo Twin-Sheet ..................................................... 75 Figura 9-2 Fotografía, Etapa de enfriamiento del proceso de Conformado .. 76 Figura 10-1 Defectos encontrados generalmente en piezas hechas por un

proceso de termoformado con material de refuerzo, Arrugas y fallas locales de las fibras de refuerzo ............................................................ 81

Figura 10-2 Logotipo de la F.A.A .................................................................. 83 Figura 10-3 Clasificación de los preformados textiles (tomado de Chou, T;

Textile Structural Composites)............................................................... 85 Figura 10-4 Tejidos Braided, tipo plano, circular y en 3-D. .......................... 86


9


Figura 10-5 Fotografía de una estructura Braided tubular, y diagrama de una estructura Braided 3-D, tomado de Manual de 3-Tex®. ......................... 87

Figura 10-6 Fotografías de tejidos tipo Woven ............................................. 87 Figura 10-7 Diferentes tipos de tejidos Woven. ............................................ 88 Figura 10-8 Tejidos tipo Woven estilo Satin.................................................. 88 Figura 10-9 Fotografías de tejido Knitted...................................................... 89 Figura 10-10 Diagrama de un tejido tipo Weft Knitted plano........................ 89 Figura 10-11 Diagrama de un tejido Warp Knitted plano .............................. 90 Figura 10-12 Diagrama de tejidos Knitted planos especiales, que son

producidos al variar la forma del entrelazado entre los bucles. ............. 90 Figura 10-13 Diagrama paso a paso del proceso de deformación de un

laminado plano en una forma hemisférica. ............................................ 93 Figura 10-14 Modos de deformación observados para el proceso de drapeo

de tejidos tipo Woven ............................................................................ 94 Figura 10-15 Configuración pieza de madera para estudio de drapabilidad. 97Figura 10-16 Fotografía del equipo para el estudio preliminar de drapabilidad

............................................................................................................... 98Figura 10-17 Esquinas de la forma de madera. ............................................ 99 Figura 10-18 Forma de madera colocada a 45° ......................................... 100 Figura 10-19 Fotografías del drapeo de las esquinas con el tejido Knitted. 100 Figura 10-20 Prueba de drapabilidad con un tejido Knitted, sobre el tejido se

marcan los errores y las aristas de la pieza de madera....................... 100 Figura 10-21 Configuración inicial de las fibras de un tejido Woven, antes de

cualquier deformación ......................................................................... 103 Figura 10-22 Configuración de las fibras durante el proceso de deformación

para un ángulo mayor que el de bloqueo ............................................ 103 Figura 10-23 Configuración de las fibras cuando la deformación en el plano

alcanza el ángulo de bloqueo. ............................................................. 104 Figura 10-24 Arrugamiento de las fibras debido a deformaciones más allá del

ángulo de bloqueo ............................................................................... 104 Figura 10-25 Equipo para el Tomado de Micrografías tipo SEM ................ 106 Figura 10-26 Diagrama del equipo, para la medición de la drapabilidad .... 107 Figura 10-27 Fotografía del equipo utilizado en las pruebas de Drapabilidad

............................................................................................................. 107Figura 10-28 Diagrama Esfuerzo-Deformación para el tejido Woven 7, en las

direcciones principales de las fibras .................................................... 109 Figura 10-29 Diagrama esfuerzo deformación para el tejido Woven 7 en la

dirección del sesgo .............................................................................. 110 Figura 10-30 Diagrama esfuerzo deformación para el Tejido Warp Knitted 4

en sus diferentes direcciones, comparada con la dirección de máxima deformación del tejido W7 .................................................................. 111

Figura 10-31 Gráfica comparativa entre el ángulo de bloqueo calculado y el medido................................................................................................. 114

Figura 10-32 Fracción superficial es estiramiento para los tejidos tipo Woven............................................................................................................. 115


10


Figura 11-1 Esquema del método de impregnación por mojado con solución polimérica ............................................................................................ 123

Figura 11-2 Diagrama esquemático de la distribución de las fibras para los distintos tipos de tejidos....................................................................... 127

Figura 11-3 Diagrama esquemático de la forma de la sección transversal de un tejido Knitted, así como su correspondencia para el modelo.......... 129

Figura 11-4 Condiciones borde creadas al aplicar un estudio factorial para la optimización de las variables siguiendo un proceso de disminución de las pérdidas de calidad. ....................................................................... 132

Figura 11-5 Micrografía de un tejido tipo Woven ........................................ 134 Figura 11-6 equipo para la medición de la viscosidad de soluciones

poliméricas........................................................................................... 136 Figura 11-7 Viscosidad dinámica de la PEI para distintas temperaturas .... 137 Figura 11-8 Ángulo de contacto y diagrama de las Energías superficiales. 141 Figura 11-9 Posibles geometrías de las gotas sobre una superficie cilíndrica.

............................................................................................................. 142Figura 11-10 Micrografía de una gota tipo Shell-Clam, de PEI depositada

sobre una fibra de vidrio ...................................................................... 145 Figura 11-11 Comparación de los resultados de la compañía suplidora con

los resultados experimentales. ............................................................ 156 Figura 12-1 Diagrama esquemático de las ventanas de procesamiento

térmicas para los componentes de una estructura tipo sándwich, con laminados reforzados en las caras y alma de material termoplástico espumado. ........................................................................................... 160

Figura 12-2 Estructura de un Preformado tipo sándwich termoplástico, constituido por el núcleo y los dos laminados...................................... 161

Figura 12-3 Diagrama de las temperaturas registradas al calentar la estructura usando placas calientes...................................................... 164

Figura 12-4 Fotografía de la maya de calentadores IR en el equipo Twin-Sheet ................................................................................................... 167

Figura 12-5 Espectro de absorción del PEI y sus diferentes materiales compuestos ......................................................................................... 168

Figura 13-1 Mapa de fibras hecho con FiberSim® ...................................... 179 Figura 13-2 Correlación del tiempo total de fabricación de la parte ............ 180 Figura 13-3 Diagrama de bloques del programa para la estimación de costos

............................................................................................................. 181Figura 14-1 Micrografías del núcleo de PEI espumado en distintas etapas,

desde intacto a estructura completamente colapsada respectivamente............................................................................................................. 188

Figura 15-1 Equipos, materiales y Muestra del procedimiento de termoformado por Twin-Sheet a escala laboratorio. ............................ 196

TABLAS Tabla 1 Propiedades mecánicas básicas para algunos materiales............... 62


11


Tabla 2 Características de los tejidos Woven seleccionados para los estudios............................................................................................................... 92

Tabla 3 Características de los tejidos Knitted seleccionados para los estudios............................................................................................................... 92

Tabla 4 Tiempo requerido para el contacto íntimo en función de la temperatura ......................................................................................... 126

Tabla 5 Resultado de los parámetros según el modelo Power Law y el de Carreau, para el cálculo de la viscosidad ............................................ 139

Tabla 6 Ángulo de mojado con distintos agentes de engomado................. 146 Tabla 7 de los parámetros limitativos del proceso de termoformado de las

estructuras tipo sándwich .................................................................... 161


12


RESUMEN

DESARROLLO DEL PROCESO DE FABRICACIÓN POR DOBLE CAPA (“TWIN SHEET”) REFORZADO CON MATERIALES FIBROSOS, PARA LA


Autor: Ing. Leopoldo L. Pérez Barnola Caracas, abril 2002 Tutor Académico: Prof. Frank Pietersz Tutor Industrial: Ing. Ronny Dehmel

El objetivo primordial del presente trabajo, fue el de definir y desarrollar un proceso o método de fabricación alternativo, tomando como base el ya existente y conocido “Twin Sheet” o de doble capa, con el cual se pudiesen generar componentes para los interiores de aviones con material compuesto reforzado (usando una matriz termoplástica y refuerzos textiles de materiales como la fibra de vidrio o carbón). Este proceso de fabricación sustituiría el arreglo manual por capas o Hand Lay-Up usado actualmente para la fabricación de un 80% de las partes que se producen en la empresa. Este cambio en el proceso de producción, generaría grandes ventajas con respecto al método actual como: la reducción significativa en la duración de los ciclos de fabricación, la disminución del efecto del factor humano dentro del proceso productivo, al sustituir la fabricación manual de las partes por fabricación semi- o completamente automatizada. Reduciendo de esta manera los costos de producción de los componentes, mejorando la calidad de los mismos, e incrementando los valores de reproducibilidad de los componentes fabricados.

Debemos notar que el trabajo fue llevado a cabo tomando en cuenta en todo momento el uso final de las piezas a ser fabricadas (componentes para los interiores de las cabinas de aviones). Y haciendo esta referencia, nos vemos en la obligación de mencionar que el trabajo se desarrolló cumpliendo y con el propósito de poder cumplir a futuro con todas las normativas establecidas que regulan la industria aeronáutica mundial, en lo que se refiere a los requerimientos y calificación de los materiales y componentes de interiores de aviones.


13


1. INTRODUCCIÓN

La industria aeronáutica, y especialmente las compañías que

producen aviones para uso comercial, han sufrido grandes cambios luego de

los ataques terroristas ocurridos en los Estados Unidos de Norte América, el

11 de septiembre de 2001, estos sucesos cambiaron drásticamente el

panorama de la industria aeronáutica y todo lo que está alrededor de la

misma. Airbus (compañía donde se realizó el presente trabajo) estaba hasta

ese momento haciendo su mejor esfuerzo por incrementar la capacidad de

producción, ordenando más materiales para la fabricación de sus aviones,

incluyendo materiales compuestos para sus estructuras y componentes.

Luego de estos sucesos se vio en la obligación de replantear sus objetivos,

políticas y estrategias.

Esto condujo a que la gerencia de la compañía replanteara su

estrategia de crecimiento, que hasta ese momento contemplaba el aumento

de la capacidad de producción utilizando las mismas técnicas y desarrollos, a

una estrategia alterna donde se le preste mayor atención a nuevos

desarrollos que conduzcan hacia la consecución de los dos objetivos

primordiales planteados por la empresa, para lograr superar esta difícil época

con el mayor éxito posible.

El primer objetivo planteado es la aplicación constante de medidas

que guíen hacia una reducción en los costos de producción. Y el segundo es

la decisión de aumentar la seguridad de los aviones, a partir de mejoras en la

seguridad de los componentes y equipos que son usados en la fabricación

de los mismos, incluyendo los componentes de los interiores de la cabina.

En este sentido, el presente trabajo está enfocado en el desarrollo de

un proceso de fabricación para componentes de interiores de aviones que


14


permita simultáneamente la reducción de los costos de producción y el

aumento del rendimiento de las partes en materia de seguridad.

Para lograr alcanzar estos objetivos el trabajo debió abarcar desde la

evaluación y selección de los nuevos materiales a ser usados como materia

prima, hasta la definición de las ventanas operacionales para la

conformación de partes finales por termoformado, así como una alternativa

posible para la implementación industrial del proceso desarrollado. El trabajo

incluye también el desarrollo de un modelo que permite evaluar los costos de

producción de distintos procesos para la fabricación de estructuras finales

hechas con material compuesto.


15


2. JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO

El presente trabajo está destinado, al desarrollo del proceso de

fabricación de componentes de interiores de cabinas de aviones usando

materiales termoplásticos reforzados con fibras, basado en el proceso Twin-

Sheet o de doble capa.

2.1 LIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN Y DEL TRABAJO

La necesidad de disminuir los costos de producción de los aviones

incluyendo los componentes y partes de los interiores de la cabina, ha sido

una de las asignaciones claves hechas por la gerencia al equipo de

desarrollo de productos de la compañía, para ser manejado y tomado en

cuenta en la construcción de las nuevas generaciones de aviones.

En este sentido se han implementado desde las fases iniciales del

diseño del nuevo modelo planeado para ser lanzado por la Airbus en el 2006,

el A380 (Figura 2-1), una serie de medidas que pueden ayudar a reducir los

costos de una manera significativa.

Figura 2-1 Dibujo computarizado del nuevo avión que planea lanzar la compañía para el año 2006


16


La aplicación de un diseño modular para muchos nuevos

componentes y partes, que en diseños anteriores eran únicos, o solo se

utilizaban en un número reducido dentro del interior de cada aeronave, ha

dado la posibilidad de evaluar nuevas alternativas para la construcción de

dichos componentes, usando procesos automáticos, que hasta entonces

estaban restringidos, debido a la naturaleza casi única de la mayoría de las

partes, lo que convertía a la manufactura manual en la manera más

adecuada de fabricación. Como ejemplo de este tipo de diseño modular se

puede observar el diseño del sistema de ductos para aire acondicionado en

el avión A380 Figura 2-2.

Figura 2-2 Diagrama del sistema de ductos del aire acondicionado para el A380

La experiencia obtenida por años de trabajo de la compañía con los

procesos manuales utilizados actualmente, ha logrado llevar casi hasta el

límite la eficiencia de los mismos, por lo que grandes mejoras en cuanto a

calidad, reducciones de costo etc. No podrán ser alcanzadas agregando

pequeñas mejoras o actualizaciones a dichos procesos. Ya que la tecnología


17


ha llegado a su punto máximo, requiriéndose entonces del desarrollo de

nuevos procesos que puedan cumplir con estos nuevos requerimientos.

En este sentido la selección de los materiales (termoplásticos) y el

proceso (Twin-Sheet) elegidos como base para el desarrollo de la

investigación, son producto de dichas iniciativas. Basándose en las ventajas

que estos ofrecen.

Una limitación importante en cuanto a la selección de los materiales,

es la creada por las regulaciones internacionales en cuanto a las

propiedades de los materiales a ser usados dentro de los interiores de las

cabinas de los aviones. En esta sección no se va a dar una explicación

completa de estas regulaciones sino que nos vamos a limitar a decir que

estas regulaciones fueron tomadas en cuenta para la selección de los

materiales seleccionados y probados.

En cuanto a la selección del proceso de termoformado, a ser usado

como base para el desarrollo, se seleccionó el proceso Twin-Sheet o de

doble capa (para más información sobre este proceso refiérase a la página

74 punto 9), esta selección fue el resultado de un análisis comparativo entre

las distintas posibilidades, analizando las ventajas y desventajas que ofrecen

cada uno de los procesos existentes, con respecto a las necesidades de la

empresa.

Este proceso por su concepción posibilitaría la creación de partes

cerradas completas en un solo paso rápido y eficiente, sin la necesidad de

costosas y derrochadoras de tiempo operaciones intermedias, además la

posibilidad del uso aplicaciones entre las capas exteriores permitiría la

creación de estructuras tipo sándwich en un conveniente paso único.


18


2.2 JUSTIFICACIÓN DEL TEMA

Un análisis de la estructura de costos, llevado a cabo en agosto del

año pasado, arrojó los siguientes resultados en cuanto a la distribución de los

costos en la fabricación de los interiores de aviones.

29%17%

10%

11%

11%11%

3%

8%

Labor

Material

Equipo de Manufactura

Facilidades de Manufactura

Herramientas

Desarrollo

Soporte al Cliente

Figura 2-3 Análisis de la estructura de costos, para la fabricación de los componentes de interiores de

aviones, fuente: Departamento Administrativo Airbus.

Estos resultados muestran el gran peso que tiene la labor manual en

el proceso de manufactura, así como los materiales que juntos totalizan un

46% de los costos totales. Considerando ahora que el proceso con el que se

fabrican las partes actualmente, ha llegado a casi su tope en cuanto a

reducción de costos y optimización de recursos, la mejor opción para

disminuir entonces los costos de fabricación es desarrollando nuevos

métodos de producción que permitan reducir los costos de manera eficiente

sin afectar la calidad de los productos terminados.

Los trágicos sucesos ocurridos en los Estados Unidos de Norte

América el 11 de septiembre de 2001; donde miles de personas perdieron su

vida, cuando 4 aviones fueron secuestrados por aeropiratas y luego

estrellados, tres de ellos contra objetivos claves, y un último en un bosque en

las cercanías de Pennsylvania.

Siendo los objetivos de los ataque ambas torres gemelas del World

Trade Center (New York), que fueron destruidas luego de ser impactadas


19


cada una por un avión secuestrado, y objetivo restante fue un ala del edificio

del Pentágono causando severos daños a la estructura del mismo.

Estos sucesos generaron una reacción en la compañía, que hizo que

la misma cambiara sus normativas de seguridad, estas modificaciones

incluyen varias secciones que se refieren a mejoras en cuanto a las

propiedades y materiales de los componentes de los interiores de las

cabinas.

Resumiendo tenemos entonces que la empresa tiene la necesidad de

reducir sus costos de producción pero a la vez de aumentar la calidad de sus

productos, lo que queda demostrado con las nuevas especificaciones para

los componentes y partes de los interiores de los aviones.

2.2.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES Y PROBLEMAS DEL PROCESO ACTUAL DE MANUFACTURA.

Dentro de este punto se quieren destacar algunas de las condiciones

o características del proceso actual, identificadas como generadoras de

gastos extras en el proceso productivo, que podrían ser atacados en este

trabajo.

Los procedimientos actuales usan compuestos termoendurecibles

como materia prima, lo que tiene las siguientes desventajas con respecto al

uso de compuestos termoplásticos:

La necesidad de mantener refrigerados (-18°C) a los materiales

termoendurecibles durante su almacenamiento, eleva los costos de

almacenamiento enormemente.

Su periodo de vida de almacenamiento, es también otro problema

donde los materiales termoendurecibles solo pueden ser almacenados por

un máximo de 6 meses, ya que la resina sufre lentamente un proceso de


20


autopolimerización no reversible, en el cual al final la resina se transforma en

un gel (antes era una resina líquida) y que además dicho gel no puede ser

procesado, ya que la resina ya no tiene las posiciones reactivas en su

estructura que eran los lugares donde se iba a efectuar la polimerización en

el proceso de curado de la misma.

La disminución de los desperdicios, la compañía ha aplicado por años

técnicas para la disminución de los desperdicios, pero los valores siguen

siendo altos debido a que gran parte del material de trabajo es cortado a los

tamaños necesitados a partir de láminas rectangulares, lo que genera

grandes desperdicios de material con sus respectivos costos asociados. Ya

que los mismos no pueden ser reprocesados o reciclados al estar hechos de

material termoseteable.

Los altos valores de los ciclos de producción es algo que también

representa un problema para la compañía, los largos tiempos utilizados en

los procesos de laminado manual de las piezas (Figura 2-4) y del curado y

post-curado de las piezas, da como resultados valores de los ciclos de

producción mayores a las 6 horas para muchas piezas, lo cual representa

valores inaceptables, si se quieren alcanzar las metas de producción

propuestas para las nuevas cabinas del A380.


21


Figura 2-4 Pieza y equipo de soporte para la fabricación de ductos de aire acondicionado, por

laminado manual.

La reducción de costos es una necesidad que engloba a todos los puntos que se tocaron anteriormente, en éste sentido al eliminar los problemas que se plantearon anteriormente disminuirán automáticamente los costos de producción.


22


Figura 2-5 Prototipo de la cabina de pasajeros para la zona SuperVIP de un A380

2.2.2 MEJORAS Y ACTUALIZACIONES DE LOS ESTÁNDARES PARA LOS COMPONENTES DE LOS INTERIORES DE AVIONES.

La compañía adelantándose a posibles medidas que podrían ser

adoptadas por la reglamentación aeronáutica mundial en un futuro cercano, a

decidido por iniciativa propia aumentar (hacer más estrictas) sus normas

internas, para que de esta manera estos nuevos valores sean utilizados

desde el comienzo en el diseño de sus nuevos aviones, y así evitar grandes

retrabajos en un futuro.

Muchas de estas normas que fueron modificadas implican cambios

con respecto a los valores anteriores que se tenían para los componentes de

los interiores de la cabina del avión de más de un 50%, en este sentido el

presente trabajo debe también adaptarse y cumplir con estas nuevas

normas.


23


La aplicación de estas normas, podría influir radicalmente en la

apariencia y en la estética de muchos de estos componentes, por este

motivo la compañía ha invertido fuertes sumas de dinero en la realización de

prototipos, para evaluar el desempeño de estos nuevos diseños. A

continuación se muestran una serie de fotografías tomadas del centro de

Prototipos de la compañía.

2.2.3 POLÍTICA DE LA COMPAÑÍA

La compañía Airbus tiene una política sumamente estricta, referida a

la calidad de los productos que fabrica, uno de los principales elementos que

aplican sobre el diseño y la fabricación de los interiores de los aviones es la

fabricación desde tempranas fases de diseño de prototipos a escalas reales.

La compañía cuenta con un centro de desarrollo específico para la

creación de estos prototipos.

Figura 2-6 Edificio sede del Centro de Prototipos de la Compañía

La oportunidad brindada por la compañía, de participar en el montaje de uno de estos prototipos, usando componentes creados con los nuevos


24


métodos y desarrollos. Brindó la oportunidad de evaluar la aceptación y el desempeño de los componentes bajo condiciones reales de prueba.

Figura 2-7 Prototipo a escala natural de la parte frontal de la cabina de un A380

Figura 2-8 Montaje de un prototipo de cabina a escala natural para un A380


25


Figura 2-9 Fotografía del Centro de Desarrollo de Cabinas

Figura 2-10 Diseño de la cabina clase económica para el A380


26


3. ESPECIFICACIONES Y OBJETIVOS

Los objetivos tecnológicos y científicos de este trabajo están enmarcados dentro de las siguientes áreas:

Desarrollo y caracterización de los materiales

Desarrollo de los procesos de fabricación

Desarrollo de un modelo de estimación de costos

Los objetivos científicos del trabajo pueden ser sumariados de la siguiente manera:

Estudiar la drapabilidad de varios tipos de preformados textiles, entre

los cuales se encuentran tejidos tipo Woven y Knitted, en relación con

los parámetros de la arquitectura textil de las fibras constituyentes.

Seleccionar los preformados con mejor drapabilidad para con ellos

continuar el desarrollo del proceso de estudio.

Investigar el mecanismo de impregnación de los tejitos tanto Woven

como Knitted con una matriz termoplástica y determinar si existe

alguna diferencia para ambos tipos de tejidos.

Desarrollar un modelo de consolidación, tomando en cuenta los datos

obtenidos en el mecanismo de impregnación.

Caracterizar las condiciones mecánicas para la conformación de los

distintos tipos de preformados, así como del resto de los materiales

en orden de fijar las ventanas de procesamiento (bordes de

operatividad).


27


Desarrollar el proceso de manufactura en orden de alcanzar la

conformación de partes en 3-D, siguiendo los parámetros de

calentamiento óptimos.

Fabricación de prototipos funcionales de los componentes de

interiores de aviones seleccionados por la empresa para su

desarrollo

Comparar los resultados en base a un estudio costo-beneficio de la

técnica de conformación desarrollada con respecto a la existente.

3.1 DELINEADO DEL PROYECTO INDUSTRIAL

El desarrollo del proyecto industrial se enfoca en el desarrollo de tres

grandes áreas especificas separadas entre si. Las cuales identificamos a

continuación:

1. Propiedades de los materiales.

2. Procesamiento de los materiales.

3. Implementación de los materiales y procesos dentro del sistema de

producción.

En la Figura 3-1, se muestra la metodología seguida durante el

desarrollo del trabajo, así como la ubicación del material referente a los

mecanismos investigados y las dificultades tecnológicas encontradas durante

los estudios realizados.


28


Metodología Desarrollo Metodológico

Materiales

Refuerzos Textiles • Ángulo de Bloqueo • Arrugado de los textiles • Drapabilidad • Energía de formación

Matriz Termoplástica • Viscosidad • Temperatura • Tensión superficial • Regulaciones FAR

Figura 3-1 Metodología seguida para el desarrollo del trabajo, dividido en tópicos y mecanismos investigados, colocando la ubicación dentro de los mismos en sus respectivos capítulos.

Fenómeno de Impregnación • Impregnación por: - Mojado con solución polimérica (Woven) - Apilamiento de láminas en moldeado a presión (Knitted) • Parámetros de procesamiento • Modelo cinético para la consolidación • Fenómeno de Desconsolidación

Impregnación

Propiedades

Generación del núcleo de estructuras tipo Sandwich con material termoplástico • Comportamiento variables

Operacionales - Presión

- Temperatura - Tiempo • Colapso y rotura de la

estructura del núcleo

Laminado del Compósito • Propiedades a temperatura

ambiente y temperatura de conformado

• Arrugado • Desgarrado • Fracción de estirado • Variables operacionales

Ventanas Operacionales o de Procesamiento • Parámetros de Procesamiento requeridos • Estudio de la transferencia de calor durante el proceso de

fabricación • Estudios para estructuras tipo sándwich y laminados simples • Generación de prototipos funcionales. • Simulación del proceso

Ventanas de Procesamiento

Costos

Estudio Costo-Efectividad del proceso desarrollado • Parámetros de Procesamiento requeridos • Costos de Material • Costos de Capital • Costos de Labor


29


En el Capítulo 10 SELECCIÓN DE LOS MATERIALES, se comienza

con el estudio de la drapabilidad de las arquitecturas textiles usadas como

refuerzos fibrosos. Se continúa luego con la evaluación del desempeño de

dichas arquitecturas en la conformación de preformados. Luego de esto se

realiza un estudio para cuantificar la energía de formación de los

preformados así como la ocurrencia de arrugas en el mismo. Obteniendo

como resultado de ese capítulo la demostración de las buenas propiedades

de drapabilidad para los tejidos tipo Knitted; quedando su uso justificado para

el resto del trabajo.

Un modelo de impregnación desarrollado por observaciones

microscópicas de la distribución de las fibras es presentado en el Capítulo

11.

Y los parámetros obtenidos de este modelo de impregnación son

utilizados para la manufactura de las laminaciones de los tejidos Knitted con

Polieterimida PEI.

Las propiedades térmicas y mecánicas de los preformados son

discutidas en los capítulos 10 y 12. En este sentido se busca alcanzar los

mejores valores costo-efectividad para la manufactura de las partes, para

lograr esto los preformados deben ser desarrollados a las menores

temperaturas y presiones posibles, usando también los valores del ciclo de

procesamiento más corto posible sin afectar el rendimiento mecánico de las

partes a ser termoformadas. La naturaleza heterogénea de las estructuras a

ser fabricadas requiere un preciso control sobre las variables de las ventanas

de procesamiento en términos de temperatura, tiempo y presión. En este

sentido varios estudios fueron realizados, la discusión de los mismos.

En el Capítulo 13, se desarrolla un modelo para la estimación de los

costos de fabricación de partes hechas con material compuesto.


30


4. CARACTERÍSTICAS METODOLÓGICAS GENERALES

4.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La disminución de los costos de fabricación es una tarea común para

todas las empresas que deseen ser competitivas en la actualidad.

Normalmente el objetivo es la búsqueda de grandes ahorros aplicando

pequeños cambios en la forma o estructura productiva actual de la empresa,

y que estos cambios no representen grandes complicaciones en el proceso

productivo.

Esta tarea de buscar pequeños cambios para lograr grandes ahorros,

puede llegar un punto en el que se transforma en una asignación difícil por

no decir imposible de lograr, debido a que se han agotado (utilizado) todas

las posibilidades. En estas situaciones especiales se requieren entonces de

mayores cambios, lo que podría ser considerado como reingeniería del o los

procesos productivos, donde nuevas técnicas y procesos deberán ser

desarrollados para lograr mejores resultados.

Figura 4-1 Hangar de producción del modelo A3400-600


31


Figura 4-2 Hangar de producción del modelo A340-600, sección de la cabina

Figura 4-3

Este es el caso en el que se trabaja en este proyecto, donde la

empresa en búsqueda de mejores resultados, se ve en la necesidad de

aplicar métodos completamente nuevos, para poder de esta manera reducir

sus costos, ya que los métodos actuales han agotado las posibilidades de

grandes reducciones de costos.

La búsqueda de esta nueva forma o método, representa también un

reto para la empresa, ya que al estar cambiando su forma tradicional de

manufactura, la empresa no cuenta entonces con el soporte ni la experiencia

que tiene con los métodos o técnicas actuales, destrezas que facilitarían las

labores de evaluación y desarrollo de cambios en un proceso.

4.2 DELIMITACIÓN TEMÁTICA

El presente trabajo, se desarrolló entre los meses de octubre de 2001

y marzo del año 2002.

En el mismo se evalúa la factibilidad técnica de la fabricación de

componentes para interiores de aviones, basado en el método Twin-Sheet


32


con material termoplástico reforzado. Para realizar esta evaluación, se

desarrollaron las etapas del proceso de fabricación de inicio a fin, incluyendo

cada uno de los pasos intermedios como la etapa de consolidación de los

materiales (resina-tejido), la laminación de los mismos, el precalentamiento

del laminado ya consolidado, el conformado a la geometría deseada y el

enfriamiento del componente o parte terminada, todos estos pasos juntos

representan el proceso de fabricación para la elaboración de la pieza final.

En este sentido, se establecen y definen las mejores alternativas

funcionales incluyendo la selección de los materiales, las modificaciones en

el proceso original, las técnicas y los métodos para la fabricación del

producto, se establecen también las ventanas operacionales y los valores

óptimos de operación, que garantizan la funcionalidad y eficiencia del

sistema.

Los estudios y test tendrán un fin comparativo y evaluativo, más no

serán usados como validadores de resultados, por lo que otros estudios que

generen resultados validatorios deberán ser corridos posteriormente para

verificar los valores obtenidos en situaciones reales a mayor escala.

Se seleccionaron dos tipos de componentes para ser estudiados en el

presente trabajo, que a su vez representan dos tipos de estructuras

generales bien diferenciadas.

Las primeras, son estructuras huecas que por su forma pueden ser

manufacturadas con el proceso Twin-Sheet, estas pueden ser estructuras

tubulares, o cualquier otro tipo de tuberías o ductos, recipientes etc. En este

sentido la empresa tomó como pieza ejemplo para ser estudiada un difusor

del sistema de aire acondicionado del avión A380.


33


Figura 4-4 Diagrama esquemático de la sección en 3-D de un A380.

El diseño modular de este avión hace que se utilicen 106 de estas

piezas en cada avión, si estimamos una producción de 50 aviones anuales

se requerirán entonces de 5.300 piezas anuales, por lo que se podría

considerar una producción baja pero si consideramos que existen muchas

otras piezas que podrían ser fabricadas en el mismo equipo con solo cambiar

la herramienta utilizada, podríamos entonces considerar que el equipo

trabajaría bajo un esquema de alta producción, lo que justificaría la

automatización de los procesos.

Figura 4-5 Modelo en CAD de difusor de aire acondicionado del A380, modelo clase 1

El segundo tipo de estructuras consideradas para ser producidas

usando el método Twin-Sheet, fueron las estructuras tipo sándwich, donde


34


dos caras de material reforzado laminado son adheridas térmicamente a los

extremos de un núcleo liviano.

Figura 4-6 Diseño panel lateral, del A380

Se debe prestar mucha atención a que aunque el desarrollo se basa

en el método Twin-Sheet, esto no significa que se vaya hacer una copia del

mismo, en este sentido sería de utilidad remarcar que la idea de basarse en

el método Twin-Sheet es para lograr la conformación de partes cerradas o

huecas con geometrías complicadas y buena calidad de las mismas en un

paso único de termoformado.


35


Marco Teórico


36


5. TEORÍA DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

En la forma más básica un material compuesto es uno que está

compuesto de al menos dos elementos que trabajan juntos para producir un

material cuyas propiedades son distintas a las de los componentes

originales. En la práctica, la mayoría de los materiales compuesto cuentan

con un material de relleno también llamado matriz y un refuerzo de algún

tipo, añadido primordialmente para aumentar la resistencia y la dureza de la

matriz [1].

Estos refuerzos son utilizados generalmente en forma de fibras.

Figura 5-1 Tejido tipo Woven, hecho con hebras de fibras de Vidrio y Carbón

5.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales compuestos pueden ser clasificados en tres categorías

generales, dependiendo del tipo de matriz utilizada.

5.1.1 METALES REFORZADOS

El uso de los compuestos de matriz metálica, o por sus siglas en

inglés MMC (Metal Matrix Composite); se a ido incrementando en los últimos

años en la industria automotriz. En este tipo de compuesto un metal como el


37


Aluminio se usa como matriz y se refuerza con algún tipo de fibras como por

ejemplo las de carburo de sílice para aumentar su resistencia.

Figura 5-2 Micrografía SEM de materiales compuestos de matriz metálica

5.1.2 CERÁMICA REFORZADA

Los compuestos de matriz cerámica, o por sus siglas en inglés CMC

(Ceramic Matrix Composite); son utilizadas en aplicaciones que trabajan a

muy altas temperaturas de servicio, estos materiales usan la cerámica como

matriz y son reforzadas con fibras cortas como los producidos por carburo de

sílice o nitrato de boro.

Figura 5-3 Micrografía SEM de un Compuesto de matriz cerámica

5.1.3 POLÍMEROS REFORZADOS

Los compuestos de matriz polimérica o por sus siglas en Inglés PMC

(Polymer Matrix Composite), son los más comunes y son el tipo de material

compuesto que se estudia en el presente trabajo. Este tipo de material es

también conocido como Plástico o Polímero reforzado con fibras, o por sus

siglas en inglés FRP (Fibre Reinforced Polymer or Plastic).


38


Figura 5-4 Micrografía tipo SEM, de un material compuesto de matriz polimérica

En este tipo de compuestos se usa una resina de base polimérica

como matriz y existe una gran variedad de materiales que pueden ser

usados como refuerzos, pero los más comunes son la fibra de vidrio, fibra de

carbón y la aramida.

Figura 5-5 Materiales de refuerzos más comunes para materiales compuestos, fibra de vidrio, fibras de carbón y de aramida.

5.2 MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA

Los sistemas resinaos tipo epóxicos o de poliésteres, tienen por si

mismos un uso muy limitado en la manufactura de estructuras cuando son

usados sin ningún tipo de refuerzo, ya que estos materiales presentan


39


propiedades mecánicas pobres cuando estas son comparadas por ejemplo

con la de la mayoría de los metales. Sin embargo tienen otras propiedades

que son de gran interés como lo son su facilidad de tomar formas complejas

con relativa facilidad.

En cambio algunos materiales como el vidrio, la aramida o el boro

poseen valores para sus propiedades mecánicas realmente altos como por

ejemplo los valores de resistencia a la tensión y a la compresión, pero en sus

estados “sólidos” estas propiedades no son aparentes, debido a que cuando

estos sólidos son estresados de alguna manera, los defectos aleatorios que

posee el material en su superficie (micro-fisuras) forman grietas, las cuales

causan que el material falle mucho antes de su punto de ruptura teórico.

Para solucionar este problema, estos materiales pueden ser

producidos en forma de fibras, por lo que si apareciera un número igual de

defectos superficiales estos estarían limitados a un número pequeño de

fibras, por lo que el resto reflejaría su resistencia teórica. Como resultado un

grupo de fibras de este material tendría un desempeño mecánico mucho

mejor, acercándose al valor teórico del mismo.

Ahí es cuando un sistema polimérico de resina combinado con fibras

de un material de refuerzo como el vidrio, el carbón o las aramidas, obtiene

unas propiedades excepcionales no conseguidas por ninguno de los

materiales por separado.

La matriz polimérica formada por la resina reparte la carga aplicada

sobre el material compuesto entre cada una de las fibras individuales y

además protege a las mismas de la abrasión y de los impactos, a los cuales

estas fibras son sumamente sensibles.

El resultado es entonces la generación de un material único que

posee excelentes propiedades mecánicas como una alta resistencia y


40


dureza, que es fácil de moldear en formas complicadas, que posee también

una alta inocuidad a los factores ambientales externos, así como una baja

densidad lo que hace de estos materiales compuestos la mejor opción para

muchas aplicaciones.

En la siguiente figura se representa el diagrama esfuerzo deformación

para un material compuesto así como para sus materiales constituyentes.

Deformación

Esfu

erzo

Fibras Compuesto reforzado Resina

Figura 5-6 Diagrama esfuerzo deformación para los componentes individuales y el material compuesto reforzado.

Las propiedades generales del material compuesto están

determinadas por los siguientes factores:

i) Las propiedades de las fibras usadas como refuerzo.

ii) Las propiedades de la resina.

iii) La fracción fibra-resina dentro del material

compuesto.


41


iv) La geometría y la orientación de las fibras dentro del

material compuesto final.

La fracción fibra resina dentro del material compuesto se deriva de la

cantidad de fibra que se incorpora dentro de la matriz para generar el

material compuesto final. Este valor va a estar limitado en gran medida por el

proceso de manufactura usado para combinar la resina con las fibras, por

este motivo este punto será discutido también en la sección referente al

proceso de laminado del material compuesto.

Sin embargo esta relación fibra/resina, está también influenciada por

el tipo de fibra y de resina que se está utilizando y la forma en la cual las

fibras son incorporadas dentro de la matriz polimérica.

En general, debido a que las fibras poseen propiedades mecánicas

más altas que las de la matriz polimérica, mientras mayor es la fracción

fibra/resina mayor es la resistencia del material compuesto generado, pero

esta relación tiene límites prácticos ya que las fibras necesitan estar

totalmente cubiertas por la resina para que estas funcionen de manera

efectiva.

En adición el proceso de manufactura usado para combinar las fibras

con las resinas trae como resultado la generación de una serie de

imperfecciones y de inclusiones de aire dentro del nuevo material recién

formado. En general se fijan ciertos límites para la relación fibra/resina para

cada tipo de proceso, para el caso donde se desarrolla el presente trabajo

(Industria Aeroespacial), donde se utilizan los métodos más sofisticados,

precisos y costosos, el límite de la fracción fibra/resina está situado cerca del

70%. Mientras que en otras industrias como la de construcción de

embarcaciones donde los procesos son menos efectivos esta relación está

situada entre un 30 y un 40%.


42


La geometría de las fibras dentro del material es también importante;

ya que las fibras exhiben mayores propiedades mecánicas a lo largo de su

longitud, que a través de su ancho. Esto trae como consecuencia las altas

propiedades anisotrópicas que exhiben generalmente los materiales

compuestos reforzados con fibras continuas, que al contrario de los metales,

sus propiedades mecánicas tienden a ser muy diferentes en distintas

direcciones.

Por este motivo es muy importante conocer las magnitudes y las

direcciones de las cargas a ser aplicadas en las fases de diseño. Ya que

cuando estas son calculadas y trabajadas de manera adecuada, estas

propiedades anisotrópicas pueden ser muy ventajosas, permitiendo la

colocación del material de refuerzo solo donde este es realmente necesario y

evitando la colocación de material redundante, con la consiguiente reducción

de peso del componente.

Es también importante hacer la siguiente referencia, así como las

propiedades de los metales son en gran medida determinadas por el suplidor

del material y es poco lo que la persona que fabrica una estructura con el

metal puede hacer para modificarlas, sucede lo contrario con los materiales

compuestos en donde las propiedades son determinadas al mismo tiempo

que la estructura está siendo fabricada, por lo que la persona o la manera en

la que se está creando la estructura o componente está también

determinando las propiedades del material compuesto que está generando.

Por este motivo el proceso de manufactura de los materiales compuestos

juega un papel crítico inusual, dentro del desempeño de la estructura

resultante.


43


5.3 COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS BAJO LA ACCIÓN DE DISTINTOS TIPOS DE CARGAS

Existen cuatro tipo de cargas directas, estas son: tensión, compresión,

corte y flexión; a continuación se describe la forma en la que actúa un

material compuesto frente a cada una de estas cargas.

5.3.1 TENSIÓN

La respuesta de los materiales compuestos a las cargas de tensión

axiales depende en gran medida de las propiedades de las fibras de refuerzo

utilizadas en la constitución del mismo, ya que las propiedades de estas

fibras son mucho mayores que las de la matriz polimérica en si. Por este

motivo es importante la selección de un material de refuerzo acorde con las

cargas de tensión a las que va a ser sometida la pieza final

Figura 5-7 Efecto de las cargas de tensión sobre los materiales compuestos

5.3.2 COMPRESIÓN

La siguiente figura muestra un compuesto bajo la acción de una carga

compresiva. En este caso las propiedades adhesivas y la dureza de la resina

son cruciales, ya que esta debe mantener las fibras derechas como unas

columnas rectas para evitar que las fibras se enrollen y el material falle.

Figura 5-8 Efecto de las cargas de compresión sobre el material compuesto.


44


5.3.3 CORTE

La figura que se muestra a continuación muestra un material

compuesto bajo la acción de una carga de corte. Este tipo de carga trata de

deslizar capas adyacentes de fibras unas sobre otras. Bajo la acción de

cargas de corte la resina juega el papel primordial trasfiriendo los esfuerzos a

través del material compuesto. Para que un compuesto pueda trabajar bien

bajo cargas de corte la resina no solo debe exhibir buenas propiedades

mecánicas sino que además debe proveer buena adhesión con los refuerzos

fibrosos.

Figura 5-9 Diagrama del efecto de las fuerzas de corte sobre un material compuesto.

5.3.4 FLEXIÓN

Las cargas de flexión son realmente una combinación de cargas de

tensión, compresión y corte, cuando una muestra soporta cargas flexionantes

como se muestra en la Figura 5-10, se puede decir que la parte superior de

la muestra está trabajando bajo compresión, la parte inferior a tensión y la

parte central experimenta cargas cortantes.

Figura 5-10 Diagrama de un material compuesto bajo un estado de cargas flexionantes


45


5.4 COMPARACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS CON OTROS MATERIALES ESTRUCTURALES

Debido a la cantidad de factores que influyen en la generación de las

propiedades mecánicas de los materiales compuestos, un rango muy amplio

de propiedades mecánicas pueden ser alcanzadas, aún considerando que no

se varíen los materiales constituyentes del mismo, sino solo algunos de los

factores que influyen en las propiedades como la fracción volumétrica de

fibra o la orientación de las mismas dentro de la matriz termoplástica, se

pueden obtener entonces variaciones que difieren en sus propiedades en

más de un orden de magnitud, lo que significaría que variaciones mucho

mayores podrían ser obtenidas si se modificaran otras propiedades.

Las comparaciones que se hacen a continuación, muestran los rangos

básicos de las propiedades mecánicas para distintos materiales compuestos,

donde los menores valores de la propiedad para cada material están

asociados a los procesos de manufactura más simples y menos eficientes

como por ejemplo el aplicado por rociado de fibra picadas de vidrio, y los

valores más altos de las propiedades están asociados a los procesos de

manufactura de alta tecnología como el moldeado en autoclaves con material

reforzado con fibras unidireccionales usando laminados preconformados.

Para los otros materiales (no compuestos) mostrados el rango

representa las propiedades para distintas clases o aleaciones como en el

caso de los metales.


46


Rangos de Resistencia a la Tracción para distintos materiales

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

MaderaAluminio

TitanioAcero

Compósito de Fibra de Vidrio-E

Compósito de Fibra de Vidrio-S

Compósito de Aramida

Compósito de Fibra Carbono-HS

Compósito de Fibra Carbono-IM

Res

iste

ncia

a la

Tra

cció

n (M

pa)

Figura 5-11 Diagrama comparativo de la resistencia a la tracción para diferentes materiales

Rangos del Módulo de Tensión para distintos materiales

0

30

60

90

120

150

180

210

Madera

AluminioTitanio

Acero






Mod

ulo

de E

last

icid

ad (G

pa)

Figura 5-12 Diagrama comparativo del Módulo de elasticidad para diferentes materiales


47


Rangos para la Densidad de distintos materiales

0

1

2

3

4

5

6

7

8

MaderaAluminio

TitanioAcero






Den

sida

d (g

/cm

3 )

Figura 5-13 Diagrama comparativo de los rangos de densidad para distintos materiales

Las figuras anteriores muestran claramente el rango de propiedades

en las que pueden diferenciarse los materiales compuestos. Estas

propiedades pueden ser clasificadas como altos materiales con altas

resistencias y durezas, combinado con bajas densidades, esta combinación

es la que hace de los materiales compuestos los materiales ideales para la

construcción de estructuras donde el peso juega un papel fundamental, esto

es particularmente cierto para aquellas aplicaciones que implican

movimiento, como es el caso de carros, trenes y aviones. Donde una

estructura más liviana juega un papel importante en hacer dichas

aplicaciones más eficientes.

Esta relación de alta dureza y resistencia frente al bajo peso puede

ser mejor ilustrada si graficamos las propiedades específicas de los

materiales. Estas propiedades específicas se obtienen simplemente al dividir

la propiedad del material entre su densidad. Generalmente los valores de las


48


propiedades más altos de los materiales se obtienen con las variantes más

densas del material, esto es tomado en cuenta en las gráficas.

Rangos de Resistencia a la Tensión específica para distintos Mat.

0250500750

10001250150017502000

Madera

AluminioTitanio

Acero





Compósito de Fibra Carbono-IMRes

iste

ncia

esp

ecífi

ca a

la T

racc

ión

Figura 5-14 Diagrama comparativo de los valores específicos de resistencia a la tracción

Rangos del Módulo Específico de Tensión para distintos materiales

0102030405060708090

100110120

Madera

AluminioTitanio

Acero






Mód

ulo

Esp

ecífi

co d

e E

last

icid

ad

Figura 5-15 Diagrama comparativo de los valores del Módulo específico para diferentes materiales


49


Otras gráficas comparativas de propiedades para distintos materiales

son presentadas en la sección de refuerzos capítulo 7.


50


6. MATRIZ POLIMÉRICA O SISTEMA DE RESINA

6.1 INTRODUCCIÓN

Los materiales compuestos, combinan las propiedades específicas de

sus componentes individuales con el propósito de obtener unas

características únicas por sinergia. Sus propiedades mecánicas y

características de diseño les han permitido a estos materiales su desarrollo

en una amplia variedad de aplicaciones innovadoras donde se requieren de

muy altos rendimientos. Aunque todavía su uso en aplicaciones sencillas

está limitado debido a las complicaciones de manufactura y elevados costos,

producto de largos ciclos de producción y elevados costos de manufactura.

Aunque en el sector de los materiales compuestos, las matrices

termoendurecibles han dominado tradicionalmente el mercado. En los

últimos años las matrices de materiales termoplásticos han ido ganando

terreno.

6.2 PROPIEDADES REQUERIDAS PARA LA SELECCIÓN DE UNA BUENA MATRIZ POLIMÉRICA

Para que un material compuesto presente buenas propiedades, se

debe seleccionar una matriz polimérica que cumpla con ciertos

requerimientos, entre los mismos podemos citar:

1. Buenas propiedades mecánicas.

2. Buenas propiedades adhesivas.

3. Buenas propiedades resistivas


51


4. Buena resistencia a sufrir degradaciones por el contacto con el

medio donde se va a utilizar.

6.2.1 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS RESINAS

La Figura 6-1 muestra la curva esfuerzo-deformación para un sistema

de resínico ideal. En dicha figura se presenta una resina que muestra un alto

valor para el esfuerzo último y una alta rigidez indicada por la pendiente

inicial de la curva y el alto valor de deformación para la falla. Esto indica que

la resina es inicialmente rígida pero que a la vez no falla por fragilidad.

Figura 6-1 Diagrama esfuerzo deformación para un sistema de resina ideal

Se debe notar que cuando un sistema compuesto es cargado en

tensión, para que la totalidad de las propiedades mecánicas de las fibras

sean alcanzadas, la resina debe de ser capaz de deformarse al menos la

misma cantidad que lo que lo hace la fibra. La siguiente figura muestra la

deformación a la falla para algunos materiales que usados como refuerzos

comúnmente.


52


Figura 6-2 Deformación a la falla para algunos materiales usados comúnmente como refuerzos,

tomado del manual de GE Plastics “Composites Basics”

Aquí se puede ver por ejemplo que para constituir un sistema

compuesto adecuado la fibra de vidrio clase S (con un porcentaje de

elongación para la falla de 5,5%), va a requerir de una resina que falle con un

porcentaje de elongación similar o superior a dicho valor para de esta

manera poder alcanzar los máximos valores de resistencia en sus

propiedades tensiles antes de fallar.

6.2.2 PROPIEDADES ADHESIVAS DE LA RESINA

Una buena adhesión entre la resina y las fibras es de vital importancia,

esto asegura la que las cargas son transmitidas eficiente y uniformemente a

los largo de todas las fibras, previniendo la fractura de fibras por sobrecarga

puntuales o el despegado de las fibras de la matriz cuando el sistema es

sometido a cargas. Los agentes de engomado o Sizing, son utilizados

comúnmente para incrementar esta propiedad.

6.2.3 TENACIDAD DEL SISTEMA RESÍNICO

La tenacidad es una medida de la resistencia de los materiales a la

propagación de fracturas, pero en los materiales compuestos esta es una

propiedad difícil de medir, de todas maneras de la curva de esfuerzo-

deformación de la matriz polimérica mencionada anteriormente se pueden

obtener indicaciones de la tenacidad del material.


53


Generalmente mientras más deformación acepte el material antes de

fallar, más tenaz y más resistente a las fallas será la resina. Contrariamente

un sistema polimérico que falla con una baja deformación tenderá a crear

compuestos frágiles que fallarán fácilmente. Por este motivo es muy

importante igualar esta propiedad con las propiedades de elongación de las

fibras a se usadas como refuerzo.

6.2.4 PROPIEDADES AMBIENTALES DEL SISTEMA RESÍNICO

Una buena resistencia o inocuidad al medio que rodeará a la pieza

cuando esta esté en servicio, es también otro factor importante que debe

considerarse para la selección de la matriz polimérica.

La resina debe ser capaz de resistir los ciclos de cargas a los cuales

va a ser sometida, más el estrés adicional que podrían causar las

condiciones externas donde se utilizará la pieza como por ejemplo el servicio

a muy altas o bajas temperaturas, o el contacto con sustancias agresivas

como líquidos hidráulicos, fluido de frenos o el agua.

6.3 TIPOS DE RESINAS

Las resinas utilizadas en la formación de los materiales compuestos

reforzados son polímeros y como tales tienen una importante propiedad en

común, todos están formados por grandes moléculas formadas por pequeñas

unidades repetidas que están encadenadas entre si.

6.3.1 CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS

Los polímeros pueden ser clasificados según su proveniencia, en

sintéticos o naturales si estos son hechos por el hombre o se de forma libre

en la naturaleza, pero esta clasificación carece de mucha importancia, en

cambio la clasificación por sus propiedades representa mayor interés, y


54


según esta los polímeros están clasificados en Termoplásticos y

Termoendurecibles.

6.3.1.1 Polímeros Termoplásticos

Estos polímeros al igual que los metales se ablandan con el calor y

eventualmente se derriten, endureciéndose nuevamente cuando se enfrían.

Este proceso de cruzar el punto de ablandamiento o de fusión/solidificación

subiendo o bajando la temperatura puede ser realizado infinidad de veces sin

ocasionar cambios apreciables en las propiedades del polímero en

cualquiera de sus estados.

6.3.1.2 Polímeros Termoendurecibles

La manufactura de este tipo de polímeros debe ser realizada In-Situ,

en donde la resina y el catalizador o la resina y el endurecedor son

mezclados y llevan a cabo una reacción química irreversible, para formar un

producto duro e infusible, la reacción de los polímeros termoendurecibles

puede ser llevada a cabo de dos maneras distintas dependiendo del tipo de

resina. El primer tipo de resina produce el compuesto termoseteable por una

reacción de condensación, donde sustancias volátiles son obtenidas como

subproductos de reacción dentro de este tipo de resinas se encuentran las

resinas fenólicas. El segundo tipo de resina se lleva a cabo por una reacción

de adición facilitando el proceso al no generar subproductos que deban ser

removidos dentro de este tipo de resinas se encuentran los poliésteres y los

epóxidos.

El proceso en el que ocurre la reacción que endurece la resina se

llama curado y es irreversible, los compuestos termoendurecibles no se

vuelven líquidos de nuevo si son calentados por lo que este tipo de resinas

no es reprocesable ni reciclable. Aunque sobre cierto valor de temperatura

(temperatura del punto de transición del vidrio) las propiedades mecánicas

de estos polímeros pueden disminuir significativamente.


55


Esta temperatura varía considerablemente para cada tipo de resina, el

grado de curado efectuado y si la mezcla resina–catalizador o endurecedor

fue realizada correctamente.

Por encima de la temperatura de transición de vidrio la estructura del

polímero varía de una rígida y cristalina a una amorfa y más flexible donde

las propiedades mecánicas se ven reducidas notoriamente, propiedades

como la rigidez y la resistencia al corte y a fuerzas compresivas se ven

seriamente afectadas, otras propiedades pueden ser también afectadas pero

en menor grado como la resistencia química frente a otras sustancias o la

estabilidad cromática del material.

El desarrollo del presente trabajo está basado en el uso de materiales

compuestos basados en un sistema resínico termoplástico, en la sección 6.4

se presentó una lista con las ventajas de trabajar con polímeros

termoplásticos sobre polímeros termoendurecibles.

El polímero termoplástico seleccionado para conformar la matriz

resínica en el desarrollo fue la Polieterimida, en la siguiente sección

estudiaremos algunas de sus propiedades, beneficios y limitaciones.

6.4 VENTAJAS DE LAS MATRICES TERMOPLÁSTICAS SOBRE LAS TERMOENDURECIBLES

Los materiales compuestos de matrices termoplásticas ofrecen una

serie de ventajas frente a los de matrices termoendurecibles como las

siguientes:

-Menores costos de almacenamiento, al no tener ningún

requerimiento especial, al contrario de los termoendurecibles donde


56


el material debe ser almacenado bajo condiciones especiales de

refrigeración.

-Los materiales termoplásticos, pueden ser almacenados por

periodos ilimitados. No así los termoendurecibles que tienen un

periodo de vida útil, después del cual las propiedades finales del

producto se ven afectadas.

Los termoplásticos pueden ser procesados con mayor velocidad

debido a la ausencia de periodos de curado necesarios para los

termoendurecibles.

-Para los materiales termoplásticos, procesos como la

postconformación y unión de partes para formar ensambles es

posible sin ninguna complicación, no así para los termoendurecibles,

en los cuales una vez realizado el proceso de curado, ya no pueden

ser conformados nuevamente.

-Con los materiales termoplásticos el material sobrante o defectuoso

puede ser reciclado o reprocesado evitando pérdidas mayores en

desperdicio, cosa que no puede ser hecha con los materiales

termoendurecibles.

Aunque se debe decir también que para poder obtener los mayores

beneficios de estos materiales termoplásticos, son requeridas mejores e

innovadoras técnicas de procesamiento, ya que los procesos y tecnologías

disponibles hasta los momentos no logran satisfacer las demandas de diseño

requeridas para la fabricación de partes con geometrías complicadas a base

de material termoplástico reforzado con material fibroso continuo.


57


6.5 POLIETERIMIDA PROPIEDADES (PEI)

La Polieterimida o por su nombre en inglés Polyetherimide (PEI), es el

polímero termoplástico seleccionado para conformar el sistema resínico del

presente trabajo.

Esta realizar la selección del polímero se tomaron en cuenta las

propiedades mecánicas, así como algunas condiciones de procesamiento

entre las cuales se encuentra la facilidad de termoformar el polímero y la

amplitud de su rango de operación.

También se tomaron en cuenta las normativas regulatorias existentes

para la selección de materiales a ser usados en la construcción de

componentes de interiores de aviones.

La Polieterimida es un polímero amorfo de alto desempeño, que está

caracterizado por unas excelentes propiedades térmicas, una buena

resistencia química, y una propiedad inherente de actuar como retardante de

llama.

Este polímero es normalmente manufacturado por la policondensación

del siguiente monómero.

Figura 6-3 Estructura del monómero de la polieterimida

6.5.1 PROPIEDADES BÁSICAS DEL POLÍMERO

Las propiedades básicas del polímero son las siguientes y decimos

básicas porque las mismas pueden ser mejoradas con la introducción de

aditivos en pequeñas cantidades para mejorar alguna propiedad específica.


58


• Alta y duradera resistencia térmica, el polímero exhibe una

temperatura de transición de vidrio de 217°C.

• Retardante de llama intrínseco, con baja evolución de humo,

cumpliendo con los requerimientos regulatorios en materia de

seguridad ampliamente.

• Resistencia y módulo excepcionalmente altos a temperaturas

elevadas.

• Buena resistencia a una gran cantidad de químicos, como

soluciones acuosas, soluciones de alcoholes, hidrocarburos

completamente hidrogenados, fluidos hidráulicos y otros.

• Constante dieléctrica y factor disipativo estable bajo una amplia

variedad de rangos de temperaturas y frecuencias.

• Exhibe transparencia a la luz visible, luz infrarroja y microondas.

• Excelente estabilidad dimensional. Coeficiente de expansión

térmico bajo y uniforme.

Los datos de las propiedades reportadas por el fabricante del polímero

se encuentran incluidos en el Anexo 1, los valores reportados fueron

validados por el equipo de analítica de la compañía, generando al final un

reporte donde hacía constar que las propiedades que anunciaba el fabricante

eran cumplidas en su totalidad por el producto suministrado.


59


Figura 6-4 Film de PEI, de GE Plastics®, serie Ultem 1000.


60


7. REFUERZOS

El rol de un refuerzo en un material compuesto es fundamentalmente

el incrementar las propiedades mecánicas del sistema resínico. En los

materiales compuestos generalmente se usan refuerzos en forma de fibras,

ya sea continuas o con un cierto tamaño que varia desde micras hasta un par

de centímetros. Cada tipo de fibra posee propiedades diferentes, y por este

motivo contribuye de manera distinta en las propiedades del material

compuesto final que forma.

En esta sección se presentan las propiedades y características de los

tipos más generales de fibras usadas como refuerzos.

Para ayudar en el manejo de las fibras las mismas son comúnmente

arregladas en forma de hojas o laminaciones, estas laminaciones pueden ser

ensambladas en una variedad de formas de las cuales hablaremos más

adelante, estas formas ordenadas en las cuales se ordenan las fibras se

llaman tejidos, que dependiendo de sus propiedades y tipo, pueden variar en

gran medida las propiedades del material compuesto que generan.

7.1 PROPIEDADES DE LAS FIBRAS DE REFUERZO

Las propiedades mecánicas de las fibras de refuerzo son en forma

general considerablemente más altas que las del sistema resínico sin

refuerzo. Y las propiedades del material compuesto generado están entonces

dominadas por la contribución de las fibras a el material compuesto.

Los principales factores que gobiernan la contribución de las fibras en

las propiedades del material compuesto final son los siguientes:

1. Propiedades mecánicas básicas de la fibra por si misma.


61


2. La interacción superficial de la fibra con la resina (la interfase).

3. La cantidad de fibra en el material compuesto (fracción volumétrica

de fibra).

4. La orientación de las fibras en el material compuesto.

Las propiedades mecánicas básicas de los tipos de fibras de refuerzos

más comunes son presentadas a continuación en la siguiente tabla. La

interacción superficial es controlada por el grado de pegado o adherencia

que existe entre la resina y la fibra, este grado de pegado está altamente

influenciado por el tratamiento dado a la superficie de la fibra, una

descripción de los diferentes tipos de tratamientos y acabados también se

presenta más adelante.

Tipo de Material Resistencia a la tracción (Mpa)

Módulo de tensión (Gpa)

Densidad Típica (gr./ml.)

Módulo específico

carbón HS 3500 160 – 270 1,8 90 - 150 carbón IM 5300 270 – 325 1,8 150 – 180 carbón HM 3500 325 – 440 1,8 180 – 240 carbón UHM 2000 440+ 2,0 200+ Aramida LM 3600 60 1,45 40 Aramida HM 3100 120 1,45 80 Aramida UHM 3400 180 1,47 120 Vidrio E 2400 69 2,5 27 Vidrio S2 3450 86 2,5 34 Vidrio Cuarzo 3700 69 2,2 31 Alea. Aluminio 7020 400 10-69 2,7 26 Titanio 950 110 4,5 24 Acero dulce (grado 55) 450 205 7,8 26 Acero inox (A5-80) 800 196 7,8 25 Acero HS (17/4 H900) 1241 197 7,8 25

Tabla 1 Propiedades mecánicas básicas para algunos materiales

La cantidad de fibra que es posible introducir como refuerzo en la

matriz resínica está altamente gobernada por el proceso de manufactura

usado. Pero tejidos con fibras empacadas de una manera más cercana

darán como resultado fracciones volumétricas de fibra mayores que si se

seleccionaran tejidos con grupos de fibras más dispersos y con mayores

espacios vacíos.


62


El diámetro de la fibra es también otro factor importante, donde la

inclusión de fibras con un menor diámetro pero en una fracción volumétrica

igual de fibra favorecerá las propiedades mecánicas del material compuesto

final, debido al aumento del área de contacto que esparcirá mejor las cargas

interfaciales matriz-resina.

Como una regla general la resistencia y la dureza del material

compuesto generado se incrementan en proporción a la fracción volumétrica

de fibra incluida en el sistema, hasta un límite entre el 60 y 70% dependiendo

del proceso de introducción de las fibras usado. A partir de estos valores

aunque los resultados de las pruebas de tracción continúan aumentando, la

resistencia del laminado comienza a disminuir debido a la falta de resina que

mantenga las fibras unidas adecuadamente.

Finalmente las fibras tienen la particularidad de que ellas exhiben

buenos valores en sus propiedades mecánicas solo cuando estas son

medidas a lo largo de la fibra, no así cuando estas propiedades son medidas

a lo ancho. Por este motivo las fibras de refuerzo pueden ser orientadas para

que las cargas sean soportadas a lo largo de las fibras y no a lo ancho, esta

peculiaridad le da a los materiales compuestos generalmente una anisotropía

que si se sabe aprovechar puede ser beneficiosa, ya que permite eliminar

cualquier exceso de material que no esté cumpliendo función alguna debido

a que no soporta ninguna carga.

7.2 PROPIEDADES MECÁNICAS DEL LAMINADO

Las propiedades de las fibras sólo muestran parte del panorama

completo, ya que las propiedades del material compuesto producido van a

depender de las propiedades mecánicas de ambas partes la resina y la fibra,

la orientación de las fibras en la matriz polimérica, la fracción de fibra dentro

de la matriz y de la manera en que interactúan la matriz y las fibras.


63


Los siguientes diagramas muestran las propiedades tensiles y de

compresión de los principales tipos de refuerzos encontrados en el mercado

para una fracción volumétrica de 55% (valor comúnmente encontrado en la

industria aeroespacial) usando los refuerzos orientados unidireccionalmente

en el sentido de las cargas.

Figura 7-1 Propiedades mecánicas de los principales tipos de refuerzo.

Estos dos gráficos muestran las resistencias y las máximas

deformaciones a la falla, para diferentes materiales de refuerzo, La pendiente

de cada curva representa también el módulo de rigidez del material

compuesto desarrollado, mientas mayor es la pendiente mayor es la rigidez.

La gráfica también muestra como algunas fibras (por ejemplo aramida) tienen

propiedades distintas cuando son cargadas a compresión o a tracción.

En la siguiente Figura 7-2 se presentan las propiedades de impacto

para diferentes tipos de laminados usando el mismo tipo de resina,

cambiando el tipo de refuerzo.

0

50

100

150

200

250

300

Res

iste

ncia

al i

mpa

cto

(ft.lb

s/in

2 )

Fibra deVidrio-E

Fibra deVidrio-S

Fibra deAramida

Fibra deCarbón-HS

Figura 7-2 Resistencia al impacto para diferentes tipos de refuerzos


64


El daño por impacto puede causar graves problemas cuando se usan

fibras de materiales de alta dureza especialmente en laminados delgados.

Pero en algunas estructuras como las tipo sándwich, donde se usan almas,

el laminado puede ser de menos de 0,3mm de espesor. Y tener buenas

resistencias al impacto. Otros factores también afectan la resistencia al

impacto como la orientación de las fibras y el estilo de tejido.

0

10

20

30

40

50

60

70

Cos

tos

tipic

os e

n U

S$ p

or m

2 de

tejid

o

wov

en d

e 30

0gr/m

2

Fibra deVidrio-ERoving

Fibra deVidrio-E Hilos

Fibra deVidrio-S Hilos

Fibra deAramida

Fibra deCarbón-HS

Fibra deCarbón IM

Figura 7-3 Diagrama de costos para los tejidos de refuerzo por m2 de tejido para tejidos livianos

Para los sistemas de tejidos pesados de más de 900gr/m2, los valores

de los costos se acercan mucho más entre si.

7.3 FIBRA DE VIDRIO COMO MATERIAL DE REFUERZO

7.3.1 VIDRIO

Mezclando las materias primas (productos de cantera: arena, caolina,

piedra caliza, roca silícea) a 1.600°C, se forma vidrio líquido, este se pasa a

través de rejillas microfinas y es enfriado simultáneamente para formar los

filamentos de fibra de vidrio con un diámetro que varía desde 5 a 24µ. Los

filamentos son entonces halados y unidos de distintas maneras según lo que


65


se busque, desde la formación de hebras compactas para formar hilos, hasta

otras formas que constituyen más bien un grupo con poca adherencia y

vagamente asociados, estas hebras o hilos son tratadas con un agente de

encolado para proveer la cohesión necesaria a los filamentos y proteger al

vidrio de la abrasión.

Con variaciones de la fórmula, diferentes tipos de vidrio pueden ser

producidos, los más usados para la construcción de refuerzos estructurales

son los siguientes:

7.3.1.1 Tipos de vidrio usados como refuerzos estructurales

1. Vidrio-E (Electric), vidrio de bajo contenido alcalino, más

fuerte que el vidrio-A (alcalino), buena dureza y resistencia a

la tracción y a la compresión, buena resistencia eléctrica y

relativos bajos costos 1,5-3 US$/Kg., resistencia al impacto

pobre. Es el tipo más común de vidrio usado como fibras de

refuerzo en materiales compuestos.

2. Vidrio-C (Chemical), vidrio con mayor resistencia a los

ataques químicos. Mayormente usado como superficie de

recubrimiento en la capa exterior de laminados usados en

tanques y tuberías para almacenar químicos o agua.

3. Vidrio R, S o T, vidrios con nombres registrados los cuales

poseen mayor resistencia y módulo de tracción que el vidrio

tipo E; además de una mejor retención de la resistencia.

Mejores propiedades de mojado, alcanzadas a través de

menores diámetros de los filamentos. Este tipo de vidrio es

usado en aplicaciones de alta exigencia, los bajos volúmenes

de producción se traducen en altos precios, donde el costo

de este material puede estar entre 25-30 US$/Kg.


66


7.4 TIPOS DE FIBRA DE VIDRIO DISPONIBLES COMERCIALMENTE

Las hebras de fibra de vidrio consisten en un grupo de filamentos finos

e individuales que son producidos continuamente, mientras son halados de

un horno con vidrio derretido.

El diámetro del filamento es el factor determinante de propiedades

como: la resistencia y la procesabilidad de las hebras. Por lo general el

diámetro de los filamentos está entre 4 y 24µm. Durante el proceso de

fabricación de los filamentos, éstos se unen para formar una hebra. Para

lograr excelencia en la manufacturación de las hebras a las mismas se les

aplica un ligero enroscado para protegerlas.

Para mayor protección y para asegurar la integridad del producto, a

las hebras se les agrega un agente de engomado. Este producto protege al

material de daños debido a influencias mecánicas durante los procesos de

producción posteriores.

Básicamente hay dos tipos de agentes engomantes: El agente de

engomado textil y el agente de engomado plástico.

El agente de engomado textil está constituido de manera que la hebra

pueda ser desengomada térmicamente o enjuagándola con agua. Los

contenidos residuales del agente deben estar por debajo del 0,1%. Esto es

esencial para las aplicaciones en las que el pegamento afectaría

negativamente la unión entre el filamento y la matriz, la cual se aplica

posteriormente. Los agentes de engomado plásticos ya contienen un agente

de conexión, que endurece la unión entre el filamento y el material de la

matriz. Las hebras que contienen agentes de engomado plástico pueden ser

utilizadas justo después de haber sido entretejidas sin necesidad de

desengomarlas o de cualquier otro proceso final.


67


Una cualidad generalmente diferencial de la hebra es la densidad

lineal que se especifica mediante la unidad física Tex (1 Tex= 1g/1000m)

Para cada aplicación se usan diferentes tipos de hebras, que le dan al

tejido la estructura y las propiedades requeridas. Los diferentes tipos de

fibras se producen al reprocesar las fibras básicas.

Las fibras de hilo pueden ser procesadas fácilmente gracias al ligero

enroscamiento que se les da al momento de la producción, éstas tienen

también una muy buena recepción de la resina. Las fibras de capas, las

cuales consisten en dos o más fibras de hilo entrelazadas, son de alguna

manera más densas y compactas que éstas. La selección correcta del tipo

de fibra a ser utilizada es crítica para los procesos posteriores y para el éxito

en su uso final. Cada aplicación requiere de características específicas.

Fibra de hilo: Se produce con varios filamentos seguidos e

individuales. En general se les enrosca ligeramente a manera protectora.

Fibra de capas: Consiste en dos o más hilos individuales, los

cuales se enroscan en conjunto.

Fibra ensamblada: Consiste en dos o más hilos, colocados

paralelos entre sí, sin enroscarlos.


68


Fibra Roving: Consiste en varios filamentos juntos sin

enroscar, que tienen goma.

Fibra suelta: Consiste en varias fibras de diferentes

decímetros en longitud, las cuales se enroscan todas para formar un bulto. El

gran volumen de fibra es su mayor ventaja.

Fibra texturizada: Se expande con salidas de aire durante

los procesos mecánicos, para así lograr un tipo abultado. Se puede

estabilizar al rociársele grandes cantidades de spray.


69


8. SÁNDWICHES TERMOPLÁSTICOS

Un sándwich estructural puede ser definido como una forma especial

de material compuesto laminado, donde dos caras delgadas y duras son

pegadas a un alma o núcleo grueso y liviano (Figura 8-1). Esta tecnología es

usada en aplicaciones que requieren una alta resistencia a la flexión

combinada con bajo peso.

Figura 8-1 Sándwich estructural.

En la industria del transporte, el peso es un factor de vital importancia,

y se ha demostrado que hasta un 75% de la energía que consume un

vehículo está relacionada con el peso [3]. Entonces las Estructuras tipo

sándwich son las preferidas para la fabricación de componentes en donde el

peso y la dureza juegan un papel crucial.

El primer material usado para la fabricación de núcleos fue la madera

Balsa, usada durante la Segunda Guerra Mundial en la fabricación de partes

para el avión "Mosquito" [4]. Actualmente las almas o núcleos tipo paneles de

abeja ofrecen los mejores radios de resistencia y dureza por peso de

material, ver la Figura 8-2.

Figura 8-2 Almas o núcleos tipo paneles de abeja o Honeycomb.


70


Pero este tipo de núcleos también tiene dos grandes desventajas, la

primera es que aunque los paneles planos son fácilmente manufacturados,

obtener curvaturas es una tarea difícil, y las alternativas de manufactura para

paneles curvos son limitadas y especialmente laboriosas, mucho más para

aquellas que envuelven múltiples curvaturas (Figura 8-3-a), por este motivo

la mayoría de las partes tipo sándwich son planas o poseen curvaturas

limitadas (Figura 8-3-b). Como segunda desventaja está su alto costo, lo cual

ha restringido la aplicación principalmente a producciones de tamaño

mediano como las encontradas dentro de la industria aeroespacial.

Figura 8-3 Fotos de Partes construidas con estructuras tipo Sándwich. La primera es una estructura

con curvatura compleja, mientras la segunda es una parte con curvatura simple.

El actual desarrollo de estructuras tipo sándwich está motivado por la

necesidad de incrementar las libertades de diseño, el reducir la labor manual

y el de disminuir el costo de las partes.

La manufactura de partes de doble curvatura usando sándwich como

los vistos en los paneles interiores de cabinas (Figura 8-3-a) es todavía

llevado a cabo por laminación manual, resultando así en altos costos de

manufactura y largos ciclos de producción, los cuales son sólo aceptables

para pequeñas series de producción.

Para poder solventar las debilidades mencionadas anteriormente, es

necesaria la correcta selección de los materiales que conformaran

posteriormente el sándwich, tanto internos (el alma o núcleo) como externos

(las caras), ya que el diseño del sándwich estructural no se podrá llevar a


71


cabo por separado del diseño y desarrollo de sus partes constituyentes.

Como ejemplo podemos tomar el siguiente: La facilidad en la manufactura de

componentes con doble curvatura va a depender de la formabilidad de cada

uno de los constituyentes del sistema; si alguno de los materiales

constituyentes del mismo no permite ser formado a la forma deseada,

entonces el propio componente no podrá ser manufacturado.

Nuevos sistemas materiales han sido desarrollados, como las

confecciones tipo Knitted en tres dimensiones que integran las caras y el

núcleo en un solo sistema, pero estos están restringidos al uso con resinas

termoendurecibles únicamente, lo que limita sus aplicaciones debido a sus

altos costos y largos ciclos de manufactura.

El desarrollo de núcleos o almas, hechos con la misma resina

termoplástica espumada (Foam) que compone las caras, es también un

avance para la formabilidad de piezas complejas, aunque el material tenga

un costo más elevado que el Nomex® usado en los Honeycomb, la reducción

de los costos asociados de procesamiento así como los menores ciclos de

producción apuntan hacia una reducción de los costos totales, de la

fabricación de la parte final.

El termoformado usando el método Twin-Sheet ofrece la posibilidad de

reducir el tiempo de los ciclos de operación, un factor importante a la hora de

requerir de medianos a altos volúmenes de operación para los equipos.

Aunque este es un proceso que no es usado en la conformación de piezas

con material reforzado hasta los momentos, la posibilidad que ofrece de

conformar piezas terminadas en un simple y rápido paso, genera un

particular interés, a partir del cual surge el presente trabajo.

El desarrollo de preformados termoplásticos tipo sándwich para el uso

en conformados en tres dimensiones (3-D) representa un avance importante

en la ciencia de manufactura que podría abrir nuevos mercados con un gran


72


potencial. Dicho desarrollo requiere la ampliación de los estudios en distintos

campos como:

Estudios de drapabilidad para distintos preformados textiles.

Modelado de la cinética de impregnación de los tejidos.

Modelado de la cinética de termoformado de las partes y la

estructura completa del componente.

Evaluación de los costos de manufactura, entre otros.


73


9. PROCESO DE TERMOFORMADO TWIN-SHEET

El termoformado es un término genérico que cubre las distintas

técnicas para producir plástico o material compuesto a partir de láminas

planas. En la manera más sencilla envuelve el cubrimiento de una lámina

ablandada por el efecto del calor sobre un molde bajo el efecto de una

presión ejercida [13].

Estas técnicas fueron originalmente desarrolladas para dar forma y

rigidez a láminas termoplásticas sin refuerzo. La adición de materiales

reforzantes, complica seriamente el proceso, debido a la naturaleza

heterogénea del material, pero brinda ventajas únicas en cuanto a la mejora

de las propiedades mecánicas finales obtenidas.

A continuación se presenta una breve explicación del proceso de

termoformado Twin-Sheet.

9.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO TWIN-SHEET

Este un proceso de moldeado cuya característica principal es que

consta de dos moldes, uno inferior y uno superior, en los cuales se van a

conformar simultáneamente dos laminados, para que una vez que alcancen

la forma deseada sean pegados, al unir los dos laminados calientes al utilizar

una presión hidráulica sobre las herramientas.

El proceso puede utilizar para dar forma al laminado presión, vacío, o

una combinación de ambas, para el caso de conformación de materiales

compuestos, las altas energías de conformación hacen que la presión sea un

requerimiento necesario para poder lograr el conformado, más el vacío sigue


74


siendo opcional y dependerá de la aplicación en especial para determinar su

necesidad o no.

A continuación se presenta una serie de imágenes de un equipo

Twin-Sheet, el objetivo es el de dar a conocer las partes que integran el

equipo así como su función.

Figura 9-1 Fotografía equipo Twin-Sheet


75


Figura 9-2 Fotografía, Etapa de enfriamiento del proceso de Conformado

Los moldes del equipo Twin-Sheet, pueden ser internamente enfriados

o calentados según la necesidad y el caso. Esta técnica permite la

manufactura de piezas y formas de geometrías complicadas a presiones

medias, de que pueden llegar hasta los 20bar, con dimensiones precisas y

buen acabado superficial. Este método se puede usar en conjunto con la

inserción de aplicaciones, materiales u otras piezas para formar un

componente final ensamblado en un solo paso.

Está técnica procesa piezas con geometrías huecas con material

delgado y de grosor uniforme, puedo también utilizarse con material de

relleno, pero esto complica las condiciones de procesamiento, este método

no es apto para la conformación de piezas sólidas.

Los preformados deben ser precalentados, en otra etapa antes del

conformado para evitar ciclos de procesamiento excesivamente largos.

Los preformados son sujetados por un sistema de marcos, este

sistema brinda la estanqueidad necesaria, para evitar la fuga de presión por

un lado o de vacío por el otro, al momento de la conformación (cuando el

material alcanza la temperatura de procesamiento). Los sistemas de marcos

existentes en el mercado no permiten el deslizamiento del material, cosa que


76


podría resultar de utilidad para la conformación de partes complicadas que

requieran de altas deformaciones del tejido.

El proceso Twin-Sheet es un proceso general que puede ser

modificado a conveniencia para lograr los objetivos deseados, utilizando

partes, equipos o condiciones de otros procesos de termoformado para su

aplicación.

El sistema Twin-Sheet permite altas temperaturas de procesamiento,

condición útil, para el conformado de la polieterimida debe ser procesada a

valores cercanos a las 340°C.


77


Desarrollo


78


10. SELECCIÓN DE LOS MATERIALES

Este capítulo está enfocado, en la influencia que tiene la arquitectura

textil de los preformados con refuerzos de fibra, sobre la drapabilidad. Siendo

ésta a su vez la variable más influyente del proceso de conformación de los

componentes.

10.1 OBJETIVOS

Estudiar la drapabilidad de distintos tejidos Knitted y Woven y sus

propiedades mecánicas relacionadas.

Relacionar el desempeño de los distintos parámetros de las

arquitecturas textiles en función de su drapabilidad.

Seleccionar los preformados textiles con mejor drapabilidad para el

uso en los siguientes estudios.

10.2 INTRODUCCIÓN

En la actualidad los requerimientos en el campo de los materiales

compuestos, no están enfocados solamente en las propiedades mecánicas

como hace 10 o 15 años atrás, sino que también en su procesabilidad, su

habilidad para lograr las formas deseadas y su costo total [1]. Uno de los

principales métodos para la manufactura de componentes complejos, como

partes con doble curvatura sigue siendo el laminado manual con

preconformados termoendurecibles. Sin embargo este método requiere de

un trabajo manual intenso, lo que conduce a una repetibilidad limitada. Así

como uno largos ciclos de producción por el requerimiento de largos tiempo

para el curado de las resinas termoendurecibles. Esto conduce

indudablemente a altos costos de fabricación, difíciles de mantener para


79


volúmenes de producción medianos o altos. Por este motivo, el presente

trabajo está enfocado en la creación de nuevos materiales y procesos que

permitan el procesamiento de partes complicadas con materiales

termoplásticos para poder satisfacer altos volúmenes de producción.

Las técnicas actuales de conformado están siendo adaptadas para

lograr mayores volúmenes de producción [3], el termoformado es una de

estas técnicas, y ésta genera un particular interés ya que permite la

conformación de partes complejas a partir de preformados inicialmente

planos. En el termoformado las láminas de preformado inicialmente planas se

calientan a temperaturas por encima del punto de ablandamiento de la

matriz, lo que permite por alguna de las distintas opciones (para nuestro caso

termoformado por el método Twin-Sheet, se aplica presión y vacío como

energía para la conformación) la deformación del material dentro de la(s)

herramienta(s) en la forma deseada, para entonces enfriarlo y desmoldearlo,

pero el uso de esta tecnología con materiales y refuerzos textiles continuos

es un nuevo reto, ya que el comportamiento del material es muy diferente a

aquellos sin refuerzos o con fibras cortas de material de refuerzo.

En adición a las propiedades del material y a los parámetros

geométricos de la parte, la arquitectura de las fibras juega un papel

fundamental en la drapabilidad de los preformados textiles [7-11].

Problemas durante el conformado son frecuentemente observados,

como por ejemplo la formación de arrugas o fallas locales de las fibras de

refuerzo. Estos problemas son el resultado de falta de control sobre la

deformación local o la tensión interna sobre las fibras.


80


Figura 10-1 Defectos encontrados generalmente en piezas hechas por un proceso de termoformado

con material de refuerzo, Arrugas y fallas locales de las fibras de refuerzo

La aceptación de un proceso de termoformado para la fabricación de

componentes complejos con material reforzado por fibras dependerá de la

posibilidad de predecir y evitar dichos defectos. Un material con una buena

conformabilidad requerirá de menores presiones para su conformación lo que

guiará a una disminución en la aparición de los citados defectos.

En adición a las propiedades de desempeño mecánico e integridad

estructural, la facilidad de conformación y la disponibilidad de fabricación a

un precio razonable son requerimientos claves para la fabricación eficiente

de altos volúmenes de producción de partes con geometrías complejas.

Un tipo de tejido que tiene el potencial, para poder satisfacer los

requerimientos descritos anteriormente son los tejidos tipo Knitted. Estos

exhiben una gran drapabilidad y versatilidad, sacrificando solo una pequeña

porción de las propiedades mecánicas al compararse con tejidos tipo Woven.

Para comenzar fue necesario realizar algunos experimentos para

determinar las propiedades de los preformados textiles a ser usados, para

crear un panorama general del efecto de la arquitectura sobre dichas

propiedades.


81


Pruebas de tracción uniaxial fueron realizadas a los distintos tejidos

secos (sin la matriz termoplástica) en diferentes direcciones, para determinar

la máxima elongación axial así como su resistencia etc.

Se calculó el ángulo de bloqueo para los textiles tipo Woven. Un

modelo basado en la geometría de las uniones articuladas fue desarrollado

para calcular el ángulo de bloqueo; y como en el modelo propuesto por

Prodromou [2], el ancho de las hebras y el espaciado entre los mismos son

usados como parámetros de entrada, pero en este modelo toma en cuenta

también las discrepancias observadas normalmente entre los valores del

Warp y del Weft. Fue desarrollado un experimento en el cual se relaciona la

drapabilidad con la energía de conformación para las distintas arquitecturas

de preformados de fibra de vidrio y otros materiales.

Con los resultados obtenidos del experimento anterior se

seleccionaron los tejidos a formar parte en los siguientes estudios como

refuerzos textiles.

2.2 Materiales

La selección de los materiales fue considerada un factor de vital

importancia dentro del estudio, se seleccionaron las mejores materias primas

tomando en cuentas varios parámetros para ser usados en los siguientes

desarrollos.

Entre los parámetros que fueron tomados en cuenta están las

regulaciones de seguridad para la utilización de materiales en los interiores

de los aviones, las que fueron utilizadas como un factor excluyente. Los

costos de la materia prima y el desempeño mecánico final del componente,

fueron otros parámetros tomados en cuenta para la selección.


82


Siendo las regulaciones aeronáuticas, un factor excluyente para la

selección de los materiales a ser incluidos en el estudio, se presenta a

continuación una pequeña introducción sobre las mismas.

10.2.1.1 Regulaciones Aeronáuticas

Las rigurosas especificaciones de la industria aeronáutica,

especificadas es las Federal Aircraft Regulation F.A.R. fueron usadas para la

selección de los materiales en el presente trabajo, incluyendo la selección de

la matriz termoplástica y el material a ser usado como refuerzo.

Estas regulaciones limitan el número de posibles materiales a ser

usados como materia prima para la fabricación de los componentes de los

interiores de aviones.

La F.A.A. (Federal Aviation Administration) es el organismo federal de

los Estados Unidos de Norte América que lidera mundialmente en este

sentido con sus normas las F.A.R. (Federal Aircraft Regulations).

Figura 10-2 Logotipo de la F.A.A

Estas normas son seguidas como estándares por el resto de los

países a nivel mundial y usadas en muchos casos como normas por defecto

(en aquellos países que no tienes normas propias). Para mayor información

sobre la F.A.A. visite su página en la Internet en la siguiente dirección

www.faa.gov.

En nuestro caso la compañía (Airbus) tiene sus propias normas

internas, las cuales son actualizadas de manera continua para que las

mismas se mantengan siempre tan o más estrictas que las de la F.A.A.


83


Nota: Por motivos de confidencialidad y para salvaguardar

información que la compañía considera sensible para sus intereses, al

nombrar valores de normas etc., nos referiremos en el presente trabajo a las

de la F.A.R., aunque el trabajo haya sido desarrollado para cumplir con las

normas internas de la compañía.

El primer resultado obtenido del análisis de estas normas en conjunto

con las propiedades físico-químicas y mecánicas fue la selección del

compuesto termoplástico a ser utilizado como matriz en el sistema, donde la

Polieterimida PEI (Polyetherimide) resultó ser el compuesto que mejor se

adapta a las necesidades al cumplir con todos los criterios y normas

previstas por la F.A.R. incluyendo las más críticas como lo son las de

resistencia al fuego, baja toxicidad, baja emisión de humo y altas

temperatura de servicio, además de brindar altas propiedades mecánicas, la

PEI es un polímero termoplástico que por sus propiedades específicas

cumple completamente con las normativas vigentes y futuras a ser aplicadas

para el año 2006 por la F.A.R. Para todas las aeronaves que se fabriquen

con más de 20 puestos de capacidad incluyendo tripulantes.

2.2.1 Preformado Textil Seco

El refuerzo textil es el material que soporta las cargas a las cuales el

compuesto está sujeto. Él determina la resistencia y la dureza del compuesto

en buena medida. Ya que debemos recordar que las propiedades del

material compuesto provienen de la sinergia entre las propiedades de todos

sus constituyentes.

La fibra es la unidad fundamental del refuerzo textil y las puede haber

naturales o sintéticas. Las fibras de vidrio dominan el mercado de los

compuestos en volumen debido a su ventajosa combinación de buenas

propiedades y bajo costo.


84


Aunque la mayoría de los refuerzos fibrosos son producidos como

hilos de fibras continuos, son también encontrados en forma de tejidos

textiles [22]. Por definición un tejido textil es un arreglo manufacturado de

fibras y/o hilos, que ocupa un área superficial grande con respecto a su

grosor y que posee la suficiente resistencia para ofrecerle al arreglo una

cohesión inherente. Como se muestra en la Figura 10-3, están disponibles

preformados textiles en 2 y 3 dimensiones. La gran mayoría de los tejidos

que se encuentran disponibles para ser usados como refuerzos en

aplicaciones para materiales compuestos están en la forma de textiles tipo

Woven, Braided o Knitted [23].

Figura 10-3 Clasificación de los preformados textiles (tomado de Chou, T; Textile Structural

Composites)

Preformado 2-D

Woven

Braid

Knit

Nonwoven

Combinaciones

Tejido Biaxial

Tejido Triaxial

Trenzado Circular

Weft Knitting

Proceso Mecánico

Proceso Químico

Combinaciones

Woven

Braid

Stitched

Tejido Biaxial

Tejido Triaxial

Tejido Multiaxial

Trenzado Plano

Trenzado Circular

Stitch de cadena

Braid 4 pasos

Braid Sólido

Braid 2 pasos

Stitch bloqueado

Braid

Warp Knitting

Trenzado Plano

Preform 3-D

Preformado Textil


85


La diferencia entre los distintos tipos de tejidos está en la manera

cómo las fibras están interconectadas. Textiles tipo Woven son producidos

por el tejido de fibras continuas, mientras que los textiles tipo Knitted tienen

una estructura formada por el entrelazado o entrecruzado de los bucles

conformados por los hilos de fibras. Los textiles tipo Braided son obtenidos

por el entrelazado de tres o más, hilos o hebras, de tal manera que se crucen

unos con otros y se quedan juntos en una formación diagonal. Estas

estructuras tipo Braided pueden ser encontradas en distintas formas desde

una cinta plana, una estructura tubular o una forma de Braid triaxial, en la

Figura 10-4 se muestran los diagramas de algunos tejidos tipo Braided y la

Figura 10-5 muestra una fotografía de un tejido Braid tubular y un diagrama

de una estructura Braid 3-D. Las mayores diferencias de los tejidos Braided

con respecto a los tejidos tipo Woven están en su alta conformabilidad y baja

resistencia cortante [1].

Figura 10-4 Tejidos Braided, tipo plano, circular y en 3-D.


86


Figura 10-5 Fotografía de una estructura Braided tubular, y diagrama de una estructura Braided 3-D,

tomado de Manual de 3-Tex®.

Textiles tipo Woven son producidos por el tejido de dos juegos de

hilos o hebras derechas, llamadas Warp en la dirección longitudinal y Weft en

la dirección transversal. Ellos se cruzan y se entretejen, formando ángulos

rectos entre cada uno, vea la Figura 10-6. Este tipo de tejido es el más usado

en aplicaciones con compuestos. En compuestos, los tejidos Woven son

caracterizados por el rizado que es una medida de la tejibilidad. Un alto valor

del rizado significa un mayor número de entrelazados Warp-Weft por área

superficial que resisten el corte. Existen diferentes tipos de tejidos Woven

desde planos hasta complejos como el satén, que pueden ser producidos

variando la secuencia de entrelazado.

Figura 10-6 Fotografías de tejidos tipo Woven

El tejido plano es el más común. En este tipo de configuración una

hebra Weft es pasada repetitivamente una por encima y una por debajo de

las hebras Warp Figura 10-7 a. En los tejidos Woven cruzados, cada hilo o


87


hebra del Warp pasa primero sobre N1 hilos o hebras del Weft consecutivos y

luego bajo N2 hilos o hebras del Weft consecutivos. La nomenclatura para

describir este tipo de tejidos es la siguiente Woven N1/N2, (Figura 10-7 b, c,

d). Consecuentemente los tejidos Woven cruzados tienen secuencias de

entrelazado más débiles que los tejidos Woven sencillos o planos y están

caracterizadas por un arreglo de líneas diagonales que aparecen sobre la

cara del tejido.

Figura 10-7 Diferentes tipos de tejidos Woven.

En tejidos Woven tipo satén, cada hebra o hilo del Warp pasa sobre N

fibras o hilos del Weft y luego pasa bajo una, a estos arreglos se les llama

con el nombre W(N+1) Satin (Figura 10-8). La flexibilidad y drapabilidad del

tejido se incrementa cuando el entrelazado y el rizado son reducidos.

Figura 10-8 Tejidos tipo Woven estilo Satin.

Los tejidos tipo Knitted o de tejido de tramas es una manera

alternativa de producir tejidos. Las tramas son producidas entrelazando los


88


hilos para formar bucles. Una gran variedad de tejidos Knitted pueden ser

producidos desde planos hasta 3-D y cada uno con sus propias

características que pueden ser manejadas para cumplir los requerimientos de

uso final.

Figura 10-9 Fotografías de tejido Knitted.

Dos tipos de estructuras Knitted pueden ser encontradas, La primeras

llamadas tejidos Weft-Knitted (Figura 10-10) que son obtenidas por el

entrelazado de los bucles a lo ancho del tejido. Mientras que el segundo tipo

es llamado Warp-Knitted (Figura 10-11) y es producido por el entrelazado de

los hilos a lo largo del tejido. El tejido Weft-Knitted o de punto por trama

produce tejidos más suave y flexibles que los producidos por el tejido Warp-

Knitted o tejido a lanzadera.

Figura 10-10 Diagrama de un tejido tipo Weft Knitted plano


89


Figura 10-11 Diagrama de un tejido Warp Knitted plano

Como se muestra en la Figura 10-10b, las agujas (A, B, C, D) son

alimentadas alternativamente con la misma Weft durante un ciclo Weft-

Knitting. En una maquina de Warp-Knitting, la alimentación de los hilos o

hebras y la formación del bucle ocurren en cada aguja por separado, usando

la respectiva barra de la aguja (E, F, G, H) durante el mismo ciclo Knitting

(Figura 10-11-b).

Figura 10-12 Diagrama de tejidos Knitted planos especiales, que son producidos al variar la forma del

entrelazado entre los bucles.

La facilidad de estirarse de los tejidos tipo Knitted debido al ajuste

(alargamiento o reducción) de los bucles formados, ayuda a conseguir

mejores propiedades de conformación.

Generalmente el alargamiento de los tejidos Warp-Knitted es menor

que el de los Weft-Knitted los cuales no forman nudos en su estructura. Más

allá los tejidos Warp-Knitted generalmente muestran una rigidez y una

estabilidad dimensional y una opacidad que está entre las de los tejidos

Woven y los Weft-Knitted.


90


2.2.2 Materiales investigados

En el presente trabajo fueron investigados numerosos tejidos tipo

Woven y Knitted producidos con diferentes materiales en la fase inicial, de

éstos materiales se realizó una preselección usando un estudio preliminar de

drapabilidad, con los resultados de este estudio se seleccionaron 11 tejidos

tipo Woven y 6 tipo Knitted para pasar a las siguientes fases de la

investigación, se debe notar que todos los tejidos seleccionados estaban

hechos de fibra de vidrio, ya que los tejidos producidos con los otros

materiales siendo más costosos que los de fibra de vidrio, presentaron

valores inferiores de drapabilidad.

La preselección inicial de los tejidos se realizó de acuerdo al siguiente

criterio:

1. El número de Tex, que es la medida de la densidad lineal del hilo o

hebra en gramos por 1.000 metros de longitud del mismo, fue

fijado en 68gr./1.000m. para poder estudiar la influencia de la

configuración del tejido sobre la drapabilidad.

2. La densidad superficial fue limitada a un máximo de 600gr./m2 para

de esta manera evitar cualquier exceso de peso en el producto

final.

Los parámetros básicos estructurales y características de los tejidos

tipo Woven y Knitted, que fueron seleccionados para continuar en los

estudios, se encuentran en la tabla 2 y 3 respectivamente. En las siguientes

secciones la letra W será designada para denotar tejidos Woven, las letras

Kwe y Kwa para designar los tejidos Knitted tipo Weft y Warp

respectivamente.


91


Designación del tejido Tipo Hilos (TEX) Densidad

Super (g/m2) Vf (%)

W1 Plano 68 x 68 200 38,5 W2 Twill 2/2 69 x 68 165 38,5 W3 Twill 2/2 22 x 22 180 23,3 W4 Twill 2/2 68 x 68 163 34,9 W5 4HS 68 x 68 195 37,5 W6 4HS 68 x 68 305 41,6 W7 8HS 68 x 68 300 38,5 W8 8HS 34 x2 – 34 x2 296 37,8 W9 8HS 68 x 68 296 32,5

W10 Twill 3/1 irreg - 600 31,0 W11 3-D - 340 8,9

Tabla 2 Características de los tejidos Woven seleccionados para los estudios

Designación del tejido Tipo

Wale + Course= Densi. trama

Densidad Super (g/m2) Vf (%)

KWe1 Jersey simple 15,2 + 25,4 350 18,4 KWe2 Jersey simple 11 + 6,8 597 20 Kwa1 1/1 Warp 9,8 +13,4 321 18 Kwa2 2/1 Warp 6,5 + 8,3 333 25 Kwa3 Doble Warp 10,2 + 9 730 32 Kwa4 Doble Warp 28 + 18 500 26

Tabla 3 Características de los tejidos Knitted seleccionados para los estudios

Nota: Kwe1 y Kwe2 son estructuras tipo Weft Knitted y tienen una alta

tendencia a enroscarse en las orillas del tejido. Kwa1 y Kwa2 son estructuras

Warp Knitted sencillas. Y Kwa3 y Kwa4 son estructuras tipo Warp Knitted pero

de doble cara o estructuras balanceadas en las que se observa una

secuencia regular de puntadas. Estas estructuras son más estables ya que

no presentan la tendencia a enroscarse en los extremos, lo cual facilita

mucho el proceso de impregnación que será discutido más adelante en el

Capítulo 11 ANÁLISIS DE LOS MECANISMOS DE CONSOLIDACIÓN Y

DESCONSOLIDACIÓN.

El termoformado de formas complicadas, como las generadas por

geometrías con doble curvatura, envuelve complejos modos de deformación


92


del preformado textil. Para ilustrar estos mecanismos se presenta la Figura

10-13 que muestra esquemáticamente el proceso de deformación de un

segmento plano A y en un segmento hemisférico completo D.

Figura 10-13 Diagrama paso a paso del proceso de deformación de un laminado plano en una forma hemisférica.

Es de gran importancia notar que el ancho del arco de la sección se

va haciendo más pequeño a medida que la sección se va introduciendo

dentro de la cavidad. Consecuentemente el conformado en 3-D guía a la

aparición de fuerzas de compresión en donde el material todavía está plano,

si estas fuerzas de compresión exceden el esfuerzo crítico de arrugado,

entonces aparecerán arrugas y distorsiones a lo largo de las esquina y de la

periferia de la cavidad. Se tendrá entonces que utilizar un sistema de agarre

para contrarrestar estas fuerzas creando fuerzas de fricción en el sistema.

Cinco modos de deformaciones en el plano pueden observarse

durante el drapeo de preformados tipo Woven, cada uno de estos tipos de

deformación se puede observar en la siguiente Figura 10-14.


93


Figura 10-14 Modos de deformación observados para el proceso de drapeo de tejidos tipo Woven

La deformación por alargamiento de las fibras debido a cargas de

tensión sobre las mismas en el proceso de drapeado, tienen poca

importancia para nuestro desarrollo ya que las fibras que se usan en nuestra

investigación poseen altos módulos de deformación (mirar el punto 7.1 donde

se presentan las propiedades de los distintos tipos de fibras de refuerzos).

El estiramiento de las fibras, que es equivalente a una reducción en el

rizado, tiene más importancia que el alargamiento de las fibras. Aunque

como las fibras de uso técnico (nuestro caso) muestran poco rizado, este

modo carece también de mucha importancia.

El deslizamiento por corte es un tipo de deformación indeseable en el

cual las hebras son haladas de su alineación creando discontinuidades en su

distribución a lo largo de la resina, este tipo de deformación es observado

frecuentemente en puntos con altos valores de esfuerzos cortantes como las

esquinas.

Fuerzas de compresión desarrolladas a lo largo de una fibra durante el

drapeo pueden causar un doblez en la misma. Este tipo de deformación

puede guiar a arrugas o incluso dobleces que no son deseables y deben

prevenirse.

Fuerzas de halado en la dirección oblicua a las fibras principales

pueden causar deformaciones en el plano por corte. La capacidad de los


94


tejidos tipo Woven de deformarse en el plano es la principal característica

que permite a este tipo de tejidos adaptarse sobre una superficie de doble

curvatura, cosa que no pasa con materiales como el papel que no pueden

ser deformado en el plano, por lo que no pueden adaptarse a superficies de

doble curvatura sin arrugarse.

La fracción volumétrica efectiva de fibra para los tejidos secos Vf es

calculada de la siguiente manera:

EspesorV

fibra

erff ⋅

=ρ

ρsup Ecuación 10-1

Donde Vf es la fracción volumétrica efectiva,

ρsuperf es el gramaje del material o densidad superficial,

ρsuperf es la densidad de la fibra y Espesor es el grosor del preformado.

La Vf de los tejidos investigados se encuentra para los tejidos Knitted

entre 0,2 y 0,3 y para los tejidos tipo Woven entre 0,3 y 0,4.

Los tejidos tipo Knitted tienen una estructura más abierta que la de los

tejidos tipo Woven debido a la configuración en bucles y este es el motivo de

la diferencia en la fracción volumétrica efectiva.

Para los tejidos tipo Knitted el principal tipo de deformación es el

alargamiento de los bucles presentes en la estructura. Como cada bucle

puede ser deformado sin afectar al vecino, las deformaciones locales son

posibles.

Tres criterios son importantes a la hora de seleccionar refuerzos tipo

Knitted.

1. La deformabilidad del bucle, donde esta propiedad está

directamente relacionada a su drapabilidad.


95


2. Facilidad en el manejo del preformado, ya que el enrollamiento

excesivo puede ser problemático en la producción del compuesto.

3. Las propiedades mecánicas finales, en término del desarrollo del

entorno isotrópico para el preformado seco.

10.3 PRUEBA PRELIMINAR DE DRAPABILIDAD

Una prueba preliminar de la drapabilidad de los tejidos, fue realizada

para hacer una preselección de los tejidos que continuarían siendo

estudiados en el presente trabajo, esto fue motivado debido a la gran

cantidad de arquitecturas, formas y clases de tejidos que fueron obtenidos

inicialmente. La gran diversidad de muestras obtenidas, sirvió en gran

medida a crear un panorama general del comportamiento de los tejidos en

cuanto a su drapabilidad, al poder ser divididos por el material constituyente,

por el tipo de hebra o hilo que utiliza para formar el tejido etc., por su tipo de

arquitectura etc.

Con este estudio también se decidieron los parámetros de selección

para poder comparar de manera adecuada entre las diferentes arquitecturas

tales como el número de Tex, y la densidad superficial del tejido.

Este primer estudio de drapabilidad fue concebido de la manera más

sencilla posible, con el objetivo de poder evaluar de la manera más directa y

simple gran cantidad de materiales, y brindar respuestas rápidas sobre

cuales eran las mejores alternativas.

10.3.1 DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO Y DEL EQUIPO

El experimento consiste en la medición de los errores o fallas, que

surgen en forma de arrugas al tratar de cubrir la forma de prueba con el

tejido muestra, dicha forma es una pieza de madera que se fabricó de


96


manera tal que posee diferentes curvaturas a lo largo de su extensión. Figura

10-15, permitiendo evaluar entonces la calidad de drapeo que ofrece cada

tejido bajo diferentes condiciones.

Figura 10-15 Configuración pieza de madera para estudio de drapabilidad

La configuración del equipo permitía evaluar la propiedad de drapeo

también para los distintos ángulos del tejido, esto se lograba cambiando el

lugar donde asentaba la forma sobre la base de pruebas, permitiendo

entonces que se evaluaran las propiedades para los siguientes ángulos

0°,+45°,90°,-45°, con la evaluación de la drapabilidad para estos ángulos se

podía también entonces evaluar la isotropía del tejido, propiedad muy

buscada para los procesos de termoformado.

A continuación se presentan las figuras del equipo de trabajo, así

como otras partes explicativas.


97


Figura 10-16 Fotografía del equipo para el estudio preliminar de drapabilidad

El la figura anterior se puede observar el equipo utilizado en el estudio

preliminar de drapabilidad, en el mismo se puede observar la forma de

madera en la parte central, sobre la cual se va a colocar el tejido y haciendo

uso del marco de aluminio que se encuentra apoyado en la parte izquierda

del equipo se va a tratar de que el tejido tome la forma de la madera en todas

sus partes, se utilizaron sujetadores a lo largo de toda la longitud del tejido

para brindar al mismo un mejor soporte y evitar la entrada de material

sobrante por el marco que al final de la prueba constituyera arrugas.

A continuación se presentan con mayor detalle algunas imágenes de

las caras de la pieza de madera donde se puede notar la diferencia entre las

mismas.


98


Figura 10-17 Esquinas de la forma de madera.

El equipo podía ser cambiado de posición fácilmente para evaluar la

drapabilidad del tejido bajo diferentes ángulos de organización de las fibras,

en la siguiente figura se muestra la forma de madera en su colocación de

45°.


99


Figura 10-18 Forma de madera colocada a 45°

Figura 10-19 Fotografías del drapeo de las esquinas con el tejido Knitted

Figura 10-20 Prueba de drapabilidad con un tejido Knitted, sobre el tejido se marcan los errores y las

aristas de la pieza de madera


100


10.4 PRUEBAS DE TRACCIÓN UNIAXIAL EN LOS PREFORMADOS TEXTILES SECOS.

Pruebas de tracción fueron hechas con todos los tejidos

experimentales, en diferentes ángulos, 0°, 90°, +45°, -45°; tomando como 0°

la dirección de los hilos Warp, para ambos tipos de tejidos. Cinco muestras

fueron examinadas en cada dirección y tipo de tejido.

Para la realización de las pruebas de tracción se siguió la norma de la

ASTM D 1774-93, se cortaron entonces muestras de 100mm de ancho por

75mm de largo para las muestras a 0° y 90°, y muestras de 75mm de ancho

por 200mm de largo para las pruebas a +45° y -45°.

Los porta muestras fueron especialmente acondicionados para evitar

el deslizamiento de las fibras.

Una velocidad de 12mm/min. Fue usada en la realización de las

pruebas, las curvas de carga-desplazamiento fueron grabadas y el módulo

secante fue determinado para deformaciones longitudinales que varían

desde 0,05 a 0,5%.

Pruebas de tracción adicionales fueron realizadas para determinar el

Módulo de corte y el ángulo de bloqueo del tejido en el cual las fibras

comienzan a torcerse o enrollarse.

El esfuerzo cortante fue determinado por la siguiente formula:

2xστ = Ecuación 10-2


101


10.5 MODELO PARA PREDECIR EL ÁNGULO DE BLOQUEO.

Por definición el ángulo de bloqueo es el menor ángulo alcanzado

entre dos hilos adyacentes antes de que ocurra la interferencia y el bloqueo

entre las mismas.

Durante el proceso de formación de los preformados textiles en formas

complejas, el re-arreglo de las fibras esta dado principalmente por

deformaciones en el plano. El problema principal ocurre cuando las fibras

comienzan a doblarse guiando esto a la formación de arrugas. Esto ocurre

cuando el tejido Woven es estresado más allá de su límite físico llamado

ángulo de bloqueo.

Lo que se busca entonces en el presente análisis es el de relacionar el

arrugamiento de un tejido durante su conformación con el ángulo de bloqueo

usando un modelo matemático que integre las características geométricas de

los tejidos tipo Woven.

En este sentido basado en la estructura de los tejidos tipo Woven, se

desarrollo el modelo usando como base la geometría de un sistema

articulado.

En este tipo de geometría el tejido es representado entonces en un

arreglo rectangular de dos dimensiones donde las uniones están fijas. Las

hilos de los Warp y los Weft están entonces conectados por estas uniones

que les permiten girar más no desplazarse. Este modelo asume entonces

que los hilos no se estiran ni se comprimen y que se mantienen derechos.

Antes de que ocurra ninguna deformación, el ángulo inicial entre los

hilos Warp Y Weft es de 90°.


102


Figura 10-21 Configuración inicial de las fibras de un tejido Woven, antes de cualquier deformación

La deformación en el plano se va a conseguir entonces por la

aplicación de un fuerza F, esta fuerza va a comenzar a mover la estructura

completa cambiando el ángulo formado entre los hilos Warp y Weft, este

cambio de ángulo también va a generar un cambio en el área de la estructura

ver Figura 10-22.

Figura 10-22 Configuración de las fibras durante el proceso de deformación para un ángulo mayor que

el de bloqueo

El área libre del sistema se va a seguir reduciendo hasta que las fibras

hacen contacto llegando entonces el área libre a 0°. Limitando este contacto

una mayor rotación de las fibras, por este motivo se le conoce como ángulo

de bloqueo.


103


Figura 10-23 Configuración de las fibras cuando la deformación en el plano alcanza el ángulo de

bloqueo.

Cuando el sistema es deformado más allá de este punto, el mismo ya

no puede seguir compensando esta deformación con un cambio en el ángulo

entre sus fibras ya que este ya ha llegado a su máximo, por lo que tendrá

lugar una deformación fuera del plano que generará el doblado o

enrollamiento de las fibras que crearán las arrugas en el tejido. Ver Figura

10-24

Figura 10-24 Arrugamiento de las fibras debido a deformaciones más allá del ángulo de bloqueo

La geometría de los tejidos tipo Woven, es el factor dominante de su

drapabilidad.

Ya anteriormente se han propuestos modelos basados en un modelo

de sistema articulado, Prodromou propuso un modelo [53] tomando en

cuenta dos parámetros geométricos del tejido el grosor de la hebra, y el

espaciado entre las fibras, pero este modelo está limitado a arquitecturas de

tejidos simétricos y regulares. Este modelo trabaja bien para tejidos con

grosores de las hebras del Warp y Weft iguales que tengan además un

espaciado entre los hilos igual. Este tipo de tejidos era anteriormente muy

utilizado, pero en estos momentos la utilización de refuerzos direccionales

constituye una buena manera de ahorrar recursos que de otra manera serían


104


desperdiciados, por este motivo en la actualidad es muy común encontrar

diferentes tipos de tamaños y espaciados entre las hebras Warp and Weft.

Lo que confiere propiedades direccionales al tejido.

Por este motivo es necesaria la creación de un nuevo modelo, el cual

incluya nuevas variables que tomen en cuenta las diferencias entre los

filamentos Warp y Weft.

Nuestro modelo quedo entonces configurado de una manera, que

toma en cuenta estas diferencias entre las Weft y Warp. Como se explica a

continuación.

Este modelo toma como base que el ancho de los hilos del Weft t2 es

mayor que el de los hilos del Warp t1.

Quedando entonces el ángulo de bloqueo definido como:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=22

2

lttarcsenLθ Ecuación 10-3

Ambos parámetros t y l fueron medidos de las microfotografías

tomadas haciendo uso del equipo SEM


105


Figura 10-25 Equipo para el Tomado de Micrografías tipo SEM

Se calcularon entonces los ángulos de bloqueo 1 y 2, siendo estos

números la referencia para el Weft y Warp respectivamente, para cada uno

de estos tejidos, escogiéndose el mayor como limitante del tejido.

10.6 PRUEBAS DE DRAPABILIDAD.

Un experimento para reproducir los complejos modos de deformación

que se encuentran durante el termoformado fue desarrollado. La Figura

10-26, muestra un diagrama del sistema.


106


Figura 10-26 Diagrama del equipo, para la medición de la drapabilidad

En el mismo un preformado textil es deformado por el cabezal

hemisférico bajo condiciones específicas.

Figura 10-27 Fotografía del equipo utilizado en las pruebas de Drapabilidad

Los tejidos tipos Woven se deformaron bajo un sistema semi-

restringido en los bordes para permitir que las fibras se moviesen un poco.

Para los tejidos tipo Knitted en cambio se utilizó un sistema de soporte

totalmente restringido en los bordes ya que este tipo de tejido tiene la

habilidad de deformarse en los bucles de la estructura.

Muestras de los distintos tejidos fueron cortadas en cuadrados de

65mm. Dos cabezales distintos fueron utilizados, uno de 40mm de diámetro y

otro de 72. Para estudiar el efecto de la curvatura y de la fracción de

estiramiento del tejido.

Ambos cabezales tenían una sección cilíndrica en su parte superior de

10mm de altura que servia para su sujeción.


107


El máximo desplazamiento vertical de los cabezas estaba fijado como

30 y 46mm para los cabezales de 40 y 72mm respectivamente.

La posición inicial de los cabezales era fijada donde el mismo apenas

tocaba el preformado.

Para los tejidos Knitted, el área bajo las curvas fuerza-desplazamiento

en el máximo desplazamiento del cabezal fue medido y definido como la

energía de formación (Nm).

Para los tejidos tipo Woven se midió el máximo desplazamiento

alcanzado por el tejido y este era alcanzado cuando se presentaban arrugas

de 0,2mm. De alto en la circunferencia de tejido entre el marco y el cabezal.

Un extensómetro de los que se usan en las pruebas de tracción fue

modificado para medir el tamaño de las arrugas.

Finalmente en el desplazamiento límite del cabezal, se dibuja una

línea en el tejido alrededor de la circunferencia del cabezal, comparando el

tamaño recuperado por el tejido luego de ser descargado con el perímetro

fuera del plano inducido por el desplazamiento del cabezal. Se obtiene la

fracción lineal de estiramiento que es definido como la división entre la

longitud final por ejemplo el perímetro del cabezal en una dirección y la

longitud inicial o recuperada del tejido en la misma dirección.

Esta fracción lineal de estiramiento da una indicación de las mayores

deformaciones unidireccionales que el preformado puede resistir.

Otra medida de formabilidad es la fracción superficial de estiramiento

que se define como la división entre el área final y el área inicial, la misma

refleja la elongación biaxial global del preformado durante el conformado.


108


10.7 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

10.7.1 PRUEBAS DE TRACCIÓN DE LOS TEJIDOS SECOS

Pruebas de tracción fueron realizadas para todos los tipos de tejido

Woven y Knitted, además se realizaron pruebas con distintos ángulos de

orientación de las fibras.

10.7.1.1 Tejido tipo Woven

El comportamiento de un tejido tipo Woven, en la dirección de las

fibras y en la dirección del sesgo, es mostrado en la siguiente figura.

Aunque se desarrollaron experimento de tracción uniaxial, se

comprobó que varios mecanismos de deformación podían aparecer

dependiendo de la orientación seleccionada.

Figura 10-28 Diagrama Esfuerzo-Deformación para el tejido Woven 7, en las direcciones principales

de las fibras

En la dirección de los hilos, un comportamiento lineal, en donde la

deformación es debida principalmente al enderezamiento de las fibras y el

alargamiento de las mismas, este fenómeno parcialmente elástico es llamado

desrizado, y depende del proceso de tejido y del diseño del textil, La cantidad

de extensión debido a este desrizado está cerca del 3%.


109


En la orientación del sesgo, el resultado de la prueba de tracción

genera una curva como muestra la Figura 10-29, esta curva puede ser

dividida en dos segmentos de recta, el primer segmento representa la

deformación debido al efecto de enrejado o Trellis Effect, que se genera

debido a la rotación de los hilos del Weft con respecto a los del Warp.

Durante este segmento un cambio continuo en el ángulo de entrelazado de

las fibras es observado al aplicar pequeñas cargas. El ángulo de la pendiente

de este primer segmento de recto fue medido ya que este representa la

fricción de los hilos superpuestos en los puntos de intersección. Este tipo de

deformación está limitado por el ángulo de bloqueo, que representa la

máxima deformación antes de que fibras adyacentes comiencen a interferirse

entre ellas mismas. Consecuentemente el segundo segmento de recta es

debido a deformaciones más allá del ángulo de bloqueo, por encima de un

estiramiento de 17% arrugas comienzan a aparecer y un incremento

sustancial de la carga es necesario para lograr pequeñas deformaciones

debido a que las fibras son reorientadas en la dirección de la carga y el único

modo para acomodar una mayor deformación de los filamentos es

arrugándose fuera del plano.

Figura 10-29 Diagrama esfuerzo deformación para el tejido Woven 7 en la dirección del sesgo


110


Como se muestra en la Figura 10-29, deformaciones de hasta 21%

pueden ser obtenidas. De las pruebas de tracción para los tejidos tipo Woven

se puede concluir que las propiedades de rigidez direccional dependen de la

orientación preferencial de las fibras dentro del tejido. Y que la concentración

de esfuerzos en los puntos de contacto entre los hilos tipo Warp y Weft

dependen del tipo de tejido utilizado.

10.7.1.2 Tejidos tipo Knitted

Curvas características de las pruebas de tracción para los tejidos tipo

Knitted están representadas en la Figura 10-30. Donde deformaciones muy

grandes, de más de un 60% son alcanzadas en todas las direcciones con

pequeñas fuerzas aplicadas.

Figura 10-30 Diagrama esfuerzo deformación para el Tejido Warp Knitted 4 en sus diferentes

direcciones, comparada con la dirección de máxima deformación del tejido W7

Las curvas de los tejidos tipo Knitted también están divididas en dos

partes, la primera parte es atribuida a la deformación de los bucles, en donde

se requieren de fuerzas muy bajas. Una vez que los bucles se deforman

completamente entonces las fibras tienden a alinearse en la dirección de la

carga actuando como fibras continuas, lo que resulta en pequeñas


111


deformaciones con grandes aumentos de la carga. Físicamente este

alineamiento se evidencia por el estrechamiento lateral de las fibras.

La fractura de los bucles ocurre en las uniones de los hilos debido a

concentraciones de cargas.

Los tejidos tipo Warp-Knitted exhiben curvas similares en los ángulos

de 0°, +45° y -45°, esto puede ser explicado debido a que en 0° y +-45° los

bucles estas orientados en la dirección de la carga. Consecuentemente los

bucles son estirados en su dirección preferencial, en cambio en 90° los

bucles son estirados a su ancho en donde las deformaciones son menores y

ofrecen mayor resistencia en esta dirección de estiramiento el segundo modo

de deformación por alineamiento de las fibras ocurre antes por lo que la

deformación es menor y ofrece mayor resistencia.

De todas manera los resultados comprueban que los tejidos tipo

Knitted poseen propiedades isotrópicas mientras los tejido tipo Woven

ortotrópicas.

El módulo de Young y el esfuerzo último de los tejidos tipo Woven y

Knitted se calcularon para las diferentes direcciones. Los resultados

expresaron que los tejidos Knitted exhiben valores casi idénticos, mientras

grandes diferencias son observadas en los tejidos tipo Woven. Estos

resultados refuerzan lo explicado anteriormente con respecto a la isotropía

de los tejidos Knitted y la ortotropía de los materiales Woven.

Se puede concluir entonces que los tejidos tipo Knitted pueden ser

deformados mucho más que los Woven y exhiben también propiedades

isotrópicas que los tejidos tipo Woven no ofrecen.

Esta isotropía mecánica buscada en los procesos de termoformado es

encontrada entonces en los tejidos tipo Knitted, pero se debe considerar que


112


las propiedades mecánicas de los tejido tipo Knitted son menores que las de

los Woven, aunque la diferencia en el módulo se verá reducida cuando el

tejido se encuentre impregnado dentro de la matriz termoplástica, ya que

esta limitará el movimiento de los bucles por lo que la resistencia de las fibras

será mejor utilizada [12, 31, 35].

Es más podría esperarse, que después del termoformado los

laminados con material reforzado con tejido tipo Knitted exhiban propiedades

mecánicas comparables a las encontradas con material tipo Woven ya que

las deformaciones locales distorsionarán la arquitectura de las fibras

causando cierto grado de orientación en las fibras lo que guiará a mayores

propiedades mecánicas.

10.7.2 PREDICCIÓN DEL ÁNGULO DE BLOQUEO PARA TEJIDOS TIPO WOVEN

El ángulo de bloqueo puede ser determinado también a partir de las

gráficas de esfuerzo deformación, a través de la siguiente ecuación:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +⋅⋅= −

2222 1 L

L Cos εθ Ecuación 10-4 Ecuación para el cálculo del ángulo de

bloqueo experimentalmente, a través de la curva esfuerzo-deformación para tejidos Woven.

εL representa la deformación medida en el sentido de la carga, en el

valor correspondiente para el ángulo de bloqueo, esta ecuación viene de

trabajar con la geometría del sistema.

Una comparación entre los ángulos de bloqueo obtenidos a través de

la ecuación 8-3 e indirectamente medidos por la ecuación 8-4, es mostrada

en la figura Figura 10-31. Como una deformación en el plano sin arrugas es

deseada para el proceso de termoformado, bajos ángulos de bloqueo son

necesarios.


113


En la grafica está representado el mayor de los ángulos de bloqueo

entre el Weft y el Warp.

La dispersión de los puntos calculados es debida en gran medida a

una variación en el ancho de los hilos a los largo de una dirección.

Figura 10-31 Gráfica comparativa entre el ángulo de bloqueo calculado y el medido

10.7.3 ESTUDIOS DE DRAPABILIDAD DE LOS TEJIDOS SECOS.

Los resultados obtenidos con el cabezal de 40mm sobre los tejidos

tipo Woven son presentados en la figura 2.19, la fracción superficial de

estiramiento, es graficada para todos los preformados tipo Woven.


114


11,005

1,011,015

1,021,025

1,03X

Sup

de e

stir

amie

nto

W9 W1 W5 W3 W8 W10 W2 W4 W11 W7Nominacion del tejido

Fraccion superficial de estiramiento

Figura 10-32 Fracción superficial es estiramiento para los tejidos tipo Woven

Con estos resultados podemos concluir que no es posible la

conformación de geometrías complicadas con el uso de tejidos tipo Woven

de la manera tradicional ya que el máximo valor obtenido para la fracción

superficial de estiramiento es de 1,03 lo que limita claramente este tipo de

tejidos.

De los tejidos estudiados el 8-Harness Satin denotado como W7

exhibe la mayor drapabilidad a pesar de que en los resultados previos del

ángulo de bloqueo era el W6 el que ofrecía el menor ángulo de bloqueo, este

fenómeno se puede explicar por el hecho de que en el experimento de

drapabilidad varios modos de deformación están envueltos mientras que la

prueba del ángulo de bloqueo solo envuelve el modo de deformación en el

plano.

Debido a que los experimento de drapabilidad toman en cuenta

diferentes parámetros y combinan sus efectos, y está más cercano al

proceso de conformado para el cual se está realizando la investigación,

serán los resultados de esta prueba los seleccionados como más apropiados

frente a los resultados del ángulo de bloqueo para la conformación del

material compuesto.


115


La energía de formación obtenida de la prueba de drapabilidad

usando el cabezal de 40mm. Fue utilizada para comparar las energías de

formación para los tejidos de estudio, incluyendo el mejor de los tejidos

Woven en cuanto a su drapabilidad.

De los resultados de estas energías de conformación, tenemos las

siguientes conclusiones.

Aunque el máximo desplazamiento del cabezal estaba predefinido en

30mm, los tejidos tipo Woven no pudieron lograr dicho desplazamiento para

el tejido tomado de ejemplo para la gráfica, el mismo se rompió a la mitad a

los 12mm de penetración del cabezal, en cambio todos los tejidos Knitted

llegaron al desplazamiento máximo de 30mm, lo que concluye que este tipo

de tejidos puede acomodar mayores deformaciones que los tejidos tipo

Woven, lo que esta de acuerdo con la conclusión de las pruebas de tracción

uniaxial.

De la gráfica se puede observar también que los tejidos tipo Knitted

requieren de hasta 25 veces menos energía para su formación, lo que

facilitaría el proceso de termoformado y ayudaría a reducir los costos de

fabricación.

Ninguno de los tejidos tipo Knitted mostró arrugas sobre la superficie

del tejido cuando es deformado, no sucede así con los tejidos tipo Woven

donde arrugas fueron siempre observadas.

La energía de formación puede ser asociada a la densidad de puntos

del tejido, es decir la sumatoria de los Wale y Course por centímetro de

tejido. Bajas energías de formación corresponden entonces a los tejidos

Knitted abiertos, mientras las energías más altas corresponden a tejidos con

tramados de mayor densidad.


116


10.7.4 SELECCIÓN DE LOS TEJIDOS TEXTILES QUE CONTINUARÁN CON LA EXPERIMENTACIÓN

Aunque los tejidos tipo Woven, deberían haber sido eliminados todos

por su bajo desempeño en las pruebas de drapabilidad, se seleccionó un

tejido de esta clase, para usarlo como elemento comparativo, el tejido Woven

W7 fue el seleccionado ya que dicho tejido fue el que presentó la mayor

drapabilidad de entre el resto de los tejidos de su clase.

Para la selección de los tejidos Knitted, fueron tomados en cuenta

tres criterios, la Drapabilidad, la Manufacturabilidad y las Propiedades

Mecánicas.

En este sentido de los resultados de la prueba de drapabilidad, la

energía de formación y la formabilidad con ambos tamaños de cabezal,

fueron tomadas en cuenta.

Para el segundo criterio, la facilidad de manejo del preformado

incluyendo la opacidad y la tendencia a enrollarse del tejido fueron tomadas

en cuenta.

Para el tercer criterio se tomaron en cuenta el módulo, las máximas

deformaciones y la contracción lateral máxima.

Luego de tomar en cuenta todos estos factores, se seleccionaron tres

tejidos tipo Knitted, todos resultaron de la clase Warp Knitted, ya que este

tipo de tejido presenta una mayor estabilidad, una menor tendencia a

enrrollarse y buenas propiedades mecánicas. Los tejidos seleccionados

fueron entonces los Kwa4, Kwa3, Kwa2.


117


10.8 CONCLUSIONES

El conformado de partes de geometrías complicadas depende

fuertemente de la drapabilidad del tejido que refuerza el preformado.

Las pruebas de tracción uniaxial realizadas en diferentes direcciones

del tejido demostraron que los tejidos tipo Woven son altamente

anisotrópicos, mientras los que los tejidos Knitted muestran una buena

isotropía y unas mayores deformaciones.

Durante el conformado de tejidos tipo Woven el reareglo de las fibras

para lograr una deformación está principalmente ligada al Trellis Effect. Una

vez alcanzado el ángulo de bloqueo no es posible lograr mayores

deformaciones en el plano, por lo que mayores deformaciones guiarán hacia

la formación de arrugas y dobleces en el tejido.

El modelo desarrollado basado en un arreglo de geometría articulada

logra predecir con buena eficacia el punto a partir del cual comienzan a surgir

las arrugas en un tejido Woven. Una buena correlación fue observada y

verificada entre la data experimental y la predicción del modelo para los

diferentes tipos de tejido.

Las deformaciones en los tejidos Knitted, se llevan a cabo por

deformaciones de los bucles estructurales, lo cual está en franca ventaja

sobre el tipo de deformación observada para los tejidos Woven. Aún más las

deformaciones de los bucles en los tejidos Knitted no afectan al resto de la

estructura y por ende pueden ser consideradas locales, no así para los

tejidos Woven, donde las deformaciones afectan a todo el tejido.

La sumatoria de todos los tipos de deformaciones más la sumatoria de

otros efectos combinados es determinada en las pruebas de drapabilidad,

además de que este tipo de prueba se asemeja más al proceso real al cual


118


será el tejido sometido durante la conformación, por lo que esta prueba será

la determinante por sobre las pruebas para el ángulo de bloqueo.


119


11. ANÁLISIS DE LOS MECANISMOS DE CONSOLIDACIÓN Y DESCONSOLIDACIÓN

Los tejidos secos escogidos anteriormente como se describió en el

Capítulo 10 página 79, deben ser entonces impregnados por la matriz

polimérica para obtener láminas del material. En este capítulo se presentan

primero los mecanismos disponibles en la industria para la impregnación de

la polieterimida (PEI) para la formación de láminas.

Una técnica apropiada de manufactura que envuelve el proceso de

impregnación y consolidación simultáneamente en un solo paso es

elaborado, y el desarrollo de un modelo analítico para predecir el estado de

consolidación es presentado; donde se puede determinar la influencia de los

parámetros sobre la calidad del laminado final, las predicciones del modelo

son comparadas con resultados experimentales para validar el mismo.

Los materiales consolidados en esta etapa bajo las condiciones y

parámetros definidos por el modelo serán entonces utilizados en el proceso

de termoformado.

El fenómeno de desconsolidación que se puede encontrar durante el

termoformado es estudiado para los laminados de materiales con refuerzo

tipo Woven y tipo Knitted. El objetivo es establecer las condiciones de

procesamiento en donde el relajamiento del laminado puede ser evitado.

11.1 INTRODUCCIÓN

En los últimos años el uso de resinas termoplásticas se ha venido

incrementando, usándose estas como una alternativa a las matrices

termoendurecibles, debido a sus ventajosas propiedades. Este crecimiento

ha guiado nuevos desarrollos, que han dado como resultados novedosas


120


técnicas de procesamiento para la creación de laminados. Estos nuevos

desarrollos influencian beneficiosamente la calidad de la consolidación y el

costo final de la parte. De todas maneras los métodos deben ser

cuidadosamente seleccionados y los parámetros de operación,

principalmente tiempo y presión, necesitan ser optimizados para cada

aplicación específica.

11.1.1 CONSOLIDACIÓN

El procesamiento de los materiales compuestos termoplásticos

engloba varios pasos: Fundición de la matriz termoplástica, impregnación de

las fibras con el material fundido, enfriado de la estructura compuesta. La

consolidación es entonces el proceso por medio del cual a partir de la resina

termoplástica y del tejido de refuerzo seco, obtenemos un material

compuesto libre de vacíos o burbujas en su estructura.

Este proceso consiste en la impregnación del lecho fibroso con la

matriz polimérica. Para lograr una consolidación con altas fracciones

volumétricas, los lechos fibrosos deben ser comprimidos bajo el efecto de

una presión externa aplicada. La presión sirve también para eliminar el aire

atrapado, suprimir los espacios vacíos y esparcir uniformemente las fibras.

Una optimización de las etapas y parámetros para este proceso es

necesaria para obtener buenas propiedades a un costo mínimo.

El estudio de parámetros como viscosidad de la matriz, permeabilidad

del preformado, encolado o pegado para incrementar la mojabilidad y la

adhesión, variación en la presión y el tiempo; Son requeridos para

seleccionar el proceso, la técnica así como la optimización de los

parámetros.


121


El reto principal al trabajar con resinas termoplásticas con material

compuesto reside en su dificultad para impregnar los refuerzos fibrosos

debido a sus altas viscosidades 100-500Pa.s., comparado con los valores de

0,2-2 para las resinas termoendurecibles antes del proceso de curado [2,3].

Cuando la viscosidad se incrementa, el tiempo requerido para la

impregnación del lecho se hace más largo, por este motivo varias técnicas de

manufactura han sido desarrolladas para solucionar este problema y reducir

los tiempos de procesamiento.

Una primera solución consiste en minimizar la distancia que la resina

debe fluir durante el proceso de impregnación, esto se logra distribuyendo

resina a lo largo de toda la extensión de las fibras antes de cualquier otro

procedimiento, la técnica de la impregnación por esparcimiento de polvo está

basada en este principio [4,7].

Una segunda solución es la disminución de la viscosidad de la matriz,

por cualquier vía, ya sea por el uso de un monómero de baja viscosidad el

cual polimerice in-Situ [9]. O disolviendo la matriz, facilitando entonces el

proceso de mojado e impregnación. Para lograr la impregnación usando la

última técnica descrita el refuerzo fibroso es halado a través de una solución

y secada luego para obtener el preformado, la Figura 11-1 esquematiza este

procedimiento. El N-metilpirolidona es un solvente comúnmente usado para

el procesamiento de la Polieterimida.


122


Figura 11-1 Esquema del método de impregnación por mojado con solución polimérica

Una tercera solución es usar una presión y una temperatura

suficientemente alta para incrementar el flujo de la resina y disminuir la

viscosidad da la misma. La técnica de superposición de láminas es

ampliamente usada, en esta técnica el refuerzo fibroso es colocado entre dos

láminas de material resínico; la consolidación se realiza en un molde cerrado

a alta presión y temperatura.

11.1.2 DESCONSOLIDACIÓN

Como se describió en el capítulo anteriormente, el proceso de

termoformado de las láminas consolidadas envuelve básicamente dos pasos,

llamados como precalentamiento y conformado.

Calentando el preformado sobre su temperatura de transición de vidrio

tv para las matrices amorfas (tv (PEI) = 217°C), o sobre la temperatura del

punto de fusión para matrices semicristalinas, un incremento significativo en

el volumen del conformado es observado y atribuido a la liberación de

energía elástica almacenada. A esta configuración generada se le llama

estructura relajada. La formación de espacios vacíos, y la falta de cohesión

del lecho fibroso son consecuencias de este proceso de desconsolidación

que afecta el desempeño mecánico y el acabado superficial de la parte. El

que los vacíos queden en la estructura de la parte ya finalizada, depende de

la presión aplicada durante el proceso de solidificación. Suficiente presión es

requerida para hacer estos vacíos desaparecer.


123


11.2 ANÁLISIS DEL FENÓMENO DE CONSOLIDACIÓN

En este estudio dos técnicas de consolidación fueron utilizadas:

La primera es la técnica de impregnación con solvente (Figura 11-1)

usada para los tejidos tipo Woven, estas impregnaciones se realizaron en las

instalaciones de la empresa Ten Cate Advanced Compuestos (Netherlands),

debido a la necesidad de equipos especiales no disponibles en la compañía,

y segundo debido a que el tejido Woven, está siendo solo para comparar sus

resultados con los de los tejidos Knitted y no como tejido de estudio

realmente.

Una segunda técnica de impregnación fue usada con los tejidos tipo

Knitted, basada en la técnica de superposición de láminas, estas

impregnaciones fueron realizadas en las instalaciones de la compañía.

La necesidad de utilizar dos técnicas distintas para el proceso de

consolidación de los tejidos tipo Woven y Knitted, radica en la alta

deformabilidad de los tejidos tipo Knitted, en donde la técnica de

impregnación con solvente (mucho más económica y eficiente) no es

adecuada para este tipo de tejidos ya que durante el proceso de halado

vertical en el equipo el preformado seria altamente deformado.

Un modelo para el proceso de consolidación por superposición de

láminas es desarrollado. Este modelo se basa principalmente en las

observaciones e investigaciones realizadas de sobre la micro-estructura y la

configuración del sistema de refuerzos fibrosos.

11.2.1 ANÁLISIS DEL PROCESO DE IMPREGNACIÓN

En el proceso de superposición de láminas los parámetros presión,

tiempo y temperatura, juegan un papel fundamental, y deben ser


124


cuidadosamente ajustados en orden de alcanzar una buena impregnación

del preformado textil.

El proceso por el que es lograda la impregnación del tejido. Posee

varios paso, un primer paso donde se calientan las láminas de la matriz y el

tejido hasta la temperatura de procesamiento (donde la matriz se funde y se

vuelve lo suficientemente fluida como para fluir dentro del lecho poroso de

fibra), un segundo paso donde una presión es aplicada para aumentar la

velocidad de este flujo, y al determinarse que ya el material ha sido

impregnado completamente el tejido comienza el tercer paso de

enfriamiento, y no es hasta que el material está por debajo de la temperatura

de transición de vidrio que se retira la presión del sistema.

Durante la etapa de consolidación, la presión aplicada comprime el

sistema y tres mecanismos principales son observados:

1. El contacto íntimo, durante el cual todos los espacios vacíos entre

las láminas y el tejido son eliminados.

2. La autoadhesión durante la cual las interfases son eliminadas por

un mecanismo de curado.

3. La impregnación de los grupo de fibras, durante el cual parte del

gradiente de presión lleva a la resina a fluir dentro de las hebras de fibras. La

otra parte del gradiente de presión es compensada por una compresión del

lecho de fibroso. Este último fenómeno es verificado por un decrecimiento del

espesor del laminado como una función del tiempo de consolidación.

El hecho de que los tejidos se encuentren inicialmente secos, es decir

no están preimpregnados, hace que se deba calcular el tiempo para lograr el

contacto íntimo. Pero estudios realizados anteriormente como los publicados

por Phillips donde estimó el tiempo requerido para completar el contacto


125


íntimo entre un tejido tipo Woven de fibra de carbón con Polieterimida. Ó el

de Bastien y Gillepsie que demostraron también que para un proceso de

moldeo por compresión, el tiempo requerido para el contacto íntimo es

despreciable frente al tiempo de procesamiento a la temperatura de

procesamiento.

Ellos determinaron experimentalmente este tiempo para diferentes

temperaturas (Tabla 4) y correlacionaron estos valores con los modelos

desarrollados para polímeros amorfos. La predicción del tiempo, versus la

temperatura toma la forma de la ecuación de Arrhenius:

( )Tr et 20275571032,3 ⋅⋅= −

Ecuación 11-1

Donde T es la temperatura en Kelvin.

Temperatura (°C) Tiempo para el contacto íntimo (seg.)

260 151,0

280 1,2

300 1,2*10-2

320 1,8*10-4

340 3,6*10-6

Tabla 4 Tiempo requerido para el contacto íntimo en función de la temperatura

Consecuentemente entonces la contribución al tiempo total de

procesamiento debido al contacto íntimo es despreciable en términos del

tiempo de procesamiento el cual está en el orden de las decenas de minutos.

Quedando entonces la impregnación del tejido como mecanismo

determinante del proceso.


126


Las leyes físicas que gobiernan el mecanismo de impregnación son

bien conocidas [3, 22, 23, 24]. La ecuación de Darcy es en general aplicable

y envuelve el concepto del tensor de permeabilidad K.

Varios modelos están disponibles para calcular el factor del tensor de

permeabilidad para sistemas con arreglos geométricos simples con fibras

dispersas, y estos modelos se ajustan a los resultados experimentales en

buena forma.

Pero estos modelos no son aplicables para nuestro caso, donde

nuestros refuerzos están organizados en grupos o hebras en vez de fibras

individuales, estas agrupaciones de las fibras en el tejido crea grandes

diferencias en la porosidad dentro y fuera del grupo de fibras (Figura 11-2).

Pero es obvio que bajo un gradiente de presión la resina va a fluir a través de

ambos espacios inter e intra-Tow, pero a distintas velocidades por lo que

cada uno tendrá su propia contribución.

Figura 11-2 Diagrama esquemático de la distribución de las fibras para los distintos tipos de tejidos

Un modelo analítico es propuesto entonces basado en el análisis de

las variaciones locales de la fracción volumétrica de fibra dentro del tejido, y

es comparado luego con los resultados experimentales para la consolidación

de materiales compuestos de PEI fibra de vidrio.


127


11.2.2 MODELO DE CONSOLIDACIÓN

Para la constitución del modelo se desprecian entonces el tiempo de

impregnación microscópico y el de contacto íntimo, como se discutió

anteriormente.

Y se asume que el proceso de impregnación del tejido se lleva a cabo

en dos tipos de fases distintas, como se ve de la Figura 11-2. Donde en la

parte de los bucles varios grupos de fibras son superpuestos, y estos se

comprimen aun más durante la aplicación de la presión lo que crea sitios de

una fracción volumétrica de fibra muy alta y otro grupo de fibras con una

fracción volumétrica más baja.

En los sitios donde la fracción volumétrica de fibra sea más baja la

resina fluirá más rápido y viceversa. Además se va a suponer que este

arreglo de alta concentración volumétrica y baja concentración volumétrica se

repite a lo largo de toda la profundidad de nuestro laminado. Por lo que

podremos trabajar con el corte de un área trasversal como si fuera

representativo del volumen del sistema.

Entonces para el modelo dividimos la sección transversal en dos

regiones rectangulares, de dos alturas distintas como se muestra en la Figura

11-3.


128


Figura 11-3 Diagrama esquemático de la forma de la sección transversal de un tejido Knitted, así como

su correspondencia para el modelo.

La Región 1, de ancho W1 y altura h1, corresponde al área entre los

bucles comprimidos, y la misma tiene una baja fracción volumétrica de fibra.

La Región 2 en cambio con ancho W2 y altura h2, corresponde a los bucles

localmente comprimidos, que tienen una fracción volumétrica de fibra alta.

En el modelo se asume que la resina fluye unidireccionalmente,

perpendicular al lecho de tejido, el flujo a través del preformado es entonces

gobernado por la ecuación de Darcy [27,31]

( )dZdPK

VdtdLq p

f ⋅−=−=η

1 Ecuación 11-2

Donde q es la rata de flujo medio a través del lecho fibroso, L es la

distancia de penetración, t es el tiempo, Kp es la permeabilidad del lecho

fibroso, η es la viscosidad de la matriz y dP/dZ es el gradiente de presión.

El problema ahora está en que las matrices termoplásticas pueden

exhibir también tendencias viscoelásticas, mientras que la ecuación de Darcy

en la manera descrita anteriormente asume que el fluido se comporta de

manera newtoniana.

Pero para el proceso que estamos tratando, son encontrados bajos

valores de corte y bajos valores del número de Deborah, por lo que la


129


implicación a un modelo de representación de flujo newtoniano queda

justificado [24].

Un balance microscópico del estado de momentos que la presión

aplica al sistema Pa es balanceado por 4 componentes:

1. Presión viscosa de la resina Pv

2. Presión capilar Pc

3. Presión elástica debida a la compresión del lecho fibroso Ps

4. Presión del gas presente en el frente del laminado Pg

Quedando entonces:

P P P P P gscva +++= Ecuación 11-3

La contribución de cada una de estas presiones será evaluada

experimentalmente más adelante.

Como se describió con la Figura 11-2, la impregnación ocurre en

ambas regiones o partes de la muestra al mismo tiempo. Y es distinta para

cada tipo de población de fibra.

La fracción volumétrica de espacios vacíos queda definida entonces

de la siguiente manera para cada uno de las partes:

1,

11

Tot

vv V

VX =

2,

22

Tot

vv V

VX = Ecuación 11-4

Donde Vv1 o Vv2 son el volumen vació para la población uno o dos

respectivamente. Y VTot1 o VTot2 son el volumen total de la región 1 o dos

respectivamente.


130


De los parámetros definidos anteriormente en la Figura 11-2 y

asumiendo un ancho constante de la partes, las ecuaciones 9.4 quedan:

( ) ( ) ( )11

111 12

fv Vh

tLhtX −⋅−

= ( ) ( ) ( 22

222 12

fv Vh

tLhtX −⋅−

= ) Ecuación 11-5

Donde h1 y h2 es el grosor de la región fibrosa para la parte 1 y 2; L1(t) y L2(t) es la longitud impregnada en función del tiempo para las partes 1 y 2,

y Vf1 y Vf2 es la fracción volumétrica de la fibra para la parte 1 y 2

respectivamente.

Finalmente asumiendo que la permeabilidad es constante en el tiempo

para área y que ∆P es también constante, L(t) puede ser expresado para

cada región de la siguiente manera.

( ) tV

PVKtL

f

fp

1

11 1

2)(

−⋅

∆⋅⋅⋅=

η ( ) t

VPVK

tLf

fp

2

22 1

2)(

−⋅

∆⋅⋅⋅=

η Ecuación 11-6

11.2.3 EXPERIMENTOS DE CONSOLIDACIÓN

Los experimentos realizados para el estudio de los mecanismos

involucrados en el proceso de consolidación son expuestos en la presente

sección. Los resultados necesarios para el mecanismo de consolidación son

presentados directamente mientras que la aplicación y validación del modelo

será presentado más adelante en el aparte de resultados.

11.2.3.1 Materiales

Los laminados de PEI Polieterimida con material reforzado de tejido

Knitted fueron manufacturados en tamaños de 140x60mm, siguiendo el

proceso de laminación con moldes coincidentes, dichos moldes estaban

equipados con dos termocuplas, y estaban montados en una prensa

(Fontyne, Modelo TP 50). Para la conformación del material consolidado se

introducía entonces el tejido seco entre dos láminas de PEI suministrado por


131


GE Plastic, clase Ultem 1000, de 300µ de espesor, todo el sándwich de

materiales era llevado a la temperatura de procesamiento bajo una presión

de 240kPa con un rango de calentamiento de 8°C/minuto. Una vez que el

equilibrio térmico era alcanzado la presión de conformación era aplicada

durante el tiempo de consolidación establecido y mantenido durante la fase

de enfriamiento 22°C/min. Para evitar la desconsolidación del material.

La presión de consolidación fue variada entre 2 a 6MPa. Para las

temperaturas de procesamiento de 300 y 350°C, y el tiempo de

procesamiento se varió entre 1,5 a 12,5 min. Las condiciones están listadas

en la Figura 11-4, dichas condiciones fueron obtenidas al aplicar las técnicas

de diseño de experimentos Dox, para un estudio factorial con tres variables.

Figura 11-4 Condiciones borde creadas al aplicar un estudio factorial para la optimización de las

variables siguiendo un proceso de disminución de las pérdidas de calidad.


132


En la realización del experimento anterior se aplicaron los principios

de diseño de experimentos Dox, para la realización de un diseño factorial

simple con tres variables, esto se logró realizando un análisis de las variables

de salida que afectan la calidad del producto, las cuales fueron graficadas en

Score Cards, luego para lograr una optimización de las variables de salida se

realizó un análisis estadístico de los resultados usando el paquete Stat

Man™. Con esto se logró minimizar la función de perdida de calidad para el

sistema

Obteniéndose los resultados óptimos para las variables del sistema,

estos resultados fueron usados luego para la conformación de los laminados

usados en los desarrollos siguientes, los valores de las variables optimizadas

son los siguientes:

Temperatura= 325°C

Presión= 4MPa

Tiempo= 2,5min

11.2.3.2 Distribución de las fibras a través del laminado.

Nuevas muestras fueron entonces consolidadas bajo los parámetros

óptimos de procesamiento, estas muestras fueron entonces cortadas de

forma transversal y sumergidas en una resina acrílica. Esta resina fue luego

pulida, para realizar observaciones de la sección transversal usando

microscopio y tomar microfotografías tipo SEM a la misma.


133


Figura 11-5 Micrografía de un tejido tipo Woven

El espesor final del Compuesto laminado formado es de

aproximadamente 800µ ±20.

Dos clases distintas de formaciones de tejido son fácilmente

identificables dentro de las fotografías, la primera lo constituyen grupos casi

rectos de fibras que están entre los bucles; Mientras que el segundo grupo

esta localizado en los sitios donde se superponen varios grupos de fibras

motivando una alta fracción volumétrica de las fibras en las mismas.

Para el análisis se tomaron un numero significativo de fotografías para

ambos tipos de arreglo de fibras, las cuales fueron analizadas una a una, el

resultado muestra entonces una media bastante representativa, que

corresponde a los siguientes valores

Zona de baja densidad de fibras: Vf1 = 0,45 ±0,02.

Zona de alta densidad de fibras Vf2 = 0,89 ±0,01.

Ahora se necesita determinar la proporción en la que ambas zonas se

encontraban dentro del laminado.

Esto se hizo con la ayuda de un programa de computadora que

determinaba la proporción de negro y blanco que tenia determinada imagen.

Lo que se hizo entonces fue tomar las imágenes SEM de los cortes

transversales y trabajarlas digitalmente para transformarlas en blanco y

negro donde todas las partes que representaban fibras quedaban color negro


134


y la parte de resina color blanco. Una primera medición era entonces hecha

por el programa determinando la relación entre negro blanco, lo que

representaba la fracción de fibra total en el sistema. Luego de esto se

tomaban las fotografías originales y manualmente se escondían las fibras

que correspondían a los bucles quedando entonces solamente las porciones

de las fibras de baja densidad, se realizaron nuevamente las mediciones de

la relación blanco negro en el programa.

El resultado fue entonces que la fracción superficial entre el primer y

segundo tipo de fibras es de 3:1 esta fracción fue usada entonces en la

representación del modelo donde W1 es entonces 3*W2.

Las alturas de las de las fibras fueron también medidas en diferentes

macrofotografías para cada zona encontrándose que las alturas son las

siguientes:

h1 = 530 ±5 µ

h2 = 690 ±8 µ

11.2.3.3 Determinación del espacio vació dentro del laminado.

La determinación de la fracción volumétrica de espacios vacíos

remanentes después de la consolidación fue llevada a cabo por el

departamento de analítica usando una técnica de inmersión (ASTM D792-

86). Cuando menos 5 medidas fueron tomadas en varias zonas aleatorias de

la muestra. Todas las muestras bajo las distintas condiciones de

procesamiento fueron analizadas, ya que los resultados de las mismas

representaban uno de los parámetros de calidad a medir para la

determinación del valor óptimo de procesamiento en el diseño factorial.


135


11.2.3.4 Medidas de viscosidad

Las láminas de PEI de 250µm. fueron suministradas por GE

PLASTICS®, de la clase Ultem-1000. Antes de realizar las pruebas el

material fue secado a 80°C y 50mbar en hornos de secado, esto para evitar

la formación de burbujas debido a la evaporación del agua presente dentro

del laminado. La viscosidad dinámica del PEI fundido fue determinada

usando un reómetro de dinámica rotacional, Marca Rheometrics® Modelo

RDA II, equipado con placas paralelas de 25mm. Las medidas fueron

llevadas a cabo para distintos rangos de temperatura y frecuencia con una

deformación constante de 5%.

Figura 11-6 equipo para la medición de la viscosidad de soluciones poliméricas

Las medidas de frecuencia se tomaron entre 1 y 100Rad./seg.

Las medidas de temperatura se tomaron entre 300 y 360°C con

intervalos de 5°C.

Los resultados obtenidos de la viscosidad dinámica se muestran en la

siguiente gráfica Figura 11-7.


136


0

5000

10000

15000

20000

25000

1 10 10Frecuencia (rad./seg.)

Visc

osid

ad d

inam

ica

(Pa.

s)

0

300°C310°C320°C330°C340°C350°C360°C

Figura 11-7 Viscosidad dinámica de la PEI para distintas temperaturas

La viscosidad para un fluido no Newtoniano puede expresarse en

forma de una ecuación exponencial Power-Law de la forma:

1−== nk γγτη &&

Ecuación 11-7

Donde k es una medida de la consistencia del fluido, y es función de

la temperatura; Mientras más alta es la k más viscoso es el fluido.

Y n es una medida del grado de lejanía del fluido al comportamiento

Newtoniano [39-41].

Para la Polieterimida el valor de n es menor que uno, por lo que la

viscosidad disminuye al incrementarse el valor del esfuerzo cortante.

Para altos valores de la rata de esfuerzo cortante, γ ≥1, la ecuación de

ecuación de potencia Power-Law se ajusta a los resultados experimentales

bastante bien, pero esta ecuación falla para describir los valores para bajas

ratas de esfuerzo cortante, donde los valores experimentales convergen a

una constante en vez de a infinito como lo hace la ecuación.


137


Se debe entonces redefinir el modelo Power-Law para poder describir

los resultados experimentales para las regiones con bajas ratas de esfuerzo

cortante, Cross (1965) propuso el siguiente modelo:

( ) ( )( )[ ] nTCTT −⋅⋅+

= 10

0

1,

γηηγη

&& Ecuación 11-8

Donde η0 es la viscosidad sin esfuerzo cortante, C es una constante

que tiene unidades dimensionales inversas a la presión (Pa-1). Y n es la

constante de la pendiente (índice de seudo-plasticidad). A ratas de esfuerzo

cortante bajas y como η0 es mucho mayor que η∞, η tiende a η0. Pero este

modelo falla para valores altos de la rata de esfuerzo cortante.

Para corregir esta deficiencia Yasuda y colaboradores presentaron el

siguiente modelo [42]:

( )[ ] ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

∞

∞ ⋅+=−− a

na

C

1

0

1 γληηηη

& Ecuación 11-9

Este es un modelo equivalente al de Cross que incluye un quinto

parámetro a; donde η∞ es la viscosidad para un valor infinito de la rata de

esfuerzo cortante, λc es el tiempo de relajación.

La ecuación anterior con un a = 2 es conocida como el Modelo de

Carreau y es la ecuación que vamos a utilizar para simular la viscosidad de la

PEI en el presente estudio.

Es importante observar como la temperatura de procesamiento para la

manufactura del laminado, determinada por el método de minimización de las

perdidas de calidad de 338°C, es corroborada por la forma de la curva de

viscosidad a dicha temperatura donde se nota que:

Para el rango de valores de frecuencia (1-10Hz) la viscosidad puede

aproximarse a una recta entre esos valores. Dicha viscosidad no disminuye


138


muy rápidamente para valores más elevados de temperatura; y el valor

obtenido para la viscosidad a esa temperatura y entre ese rango de

frecuencia es muy cercano al valor asintótico de la misma, condiciones que

demuestran que a dicha temperatura se aprovecha el gasto energético de

calentar el material en una manera eficiente.

Los resultados de los parámetros de la ecuación de Carreau, de tomar

dicha temperatura son presentados en la Tabla 5.

Modelo n K(s)/ λc(s) ηo (Pa.s)

Power Law 0,7715 2808 (-)

Carreau 0,7714 67385 35645 Tabla 5 Resultado de los parámetros según el modelo Power Law y el de Carreau, para el cálculo de la

viscosidad

11.2.3.5 Determinación del ángulo de contacto

Optimizando las propiedades de la interfase resina-fibra, se pueden

lograr mejoras significativas de las propiedades de mojado del preformado

durante la impregnación, que traerán como resultados finales disminuciones

de la fracción de espacios vacíos dentro del sistema, así como un incremento

de las propiedades mecánicas del preformado final. Cuando la adhesión

interfacial es incrementada, la transferencia de esfuerzos del sistema resínico

a las fibras a través de la interfase se ve mejorada [5].

Los dos parámetros de importancia en el estudio de las interfases de

los materiales compuestos son la energía interfacial y la rigidez interfacial

[43,44].

Dos test, ambos destructivos fueron aplicados para medir

experimentalmente la rigidez interfacial de la matriz (PEI) con las fibras de

refuerzo (fibra de vidrio), estos test conocidos como prueba de halado de

fibra simple y prueba de desprendimiento de microgotas.


139


La energía interfacial fue en cambio medida por las medidas del

ángulo de contacto, que están directamente asociadas a algunas

características de las propiedades de mojado.

Para que la adhesión ocurra durante el proceso de consolidación la

matriz y los refuerzos deben ponerse en contacto íntimo durante el proceso.

Este contacto íntimo entre la matriz y los refuerzos es conocido como

mojado, y este va a ocurrir si la viscosidad de la matriz no es muy alta y si la

energía libre asociada al sistema decrece con este mojado.

Todas las superficies tienen una energía libre asociada por unidad de

área γ. En términos de energías superficiales, el trabajo de adhesión es la

suma de las energías de las interfases que rodean el sistema. Esto es

representado por la ecuación de Duprè [45] que se presenta a continuación:

( )LV

SLSVWaγ

γγ −= Ecuación 11-10

Donde los subíndices S, L, V representan el estado de la sustancia

representada (Sólido, líquido, Vapor) respectivamente.

El mojado de equilibrio o ángulo de contacto θ, está determinado por

la ecuación de Young, obtenida por un balance horizontal de las fuerzas

representadas en la siguiente Figura 11-8[46,47].


140


Figura 11-8 Ángulo de contacto y diagrama de las Energías superficiales

Un mojado completo ocurrirá cuando θ = 0, esto ocurre cuando el

término γSV es mayor que la suma de los otros dos términos γLV y γSV.

El ángulo de contacto de una resina fundida θ, sobre una fibra es

entonces usada como una medida de la mojabilidad, esta puede variar desde

0° hasta 180°.

La medida del ángulo de contacto de gotas líquidas sobre una

superficie cilíndrica es complicada debido a las curvaturas involucradas. La

forma de la gota esparcida sobre una fibra puede tomar alguna de las

siguientes configuraciones:

Configuración estable geométricamente de un undoloide de simetría

axial.

Configuración metaestable de tipo concha de caracol “Clam Shell”.

La siguiente Figura 11-9 muestra la forma de ambas configuraciones.


141


Figura 11-9 Posibles geometrías de las gotas sobre una superficie cilíndrica.

El método de medición de la tangente óptica, no tiene buena precisión

para medir el ángulo de contacto en ninguno de los casos, debido a las

curvaturas de las superficies involucradas, por este motivo un método

analítico que depende de la geometría de la gota es más apropiado.

Soluciones numéricas han sido desarrolladas para la determinación

del ángulo de contacto para el caso de la gota de simetría axial [43, 49, 50].

En estos estudios se definen unos parámetros adimensionales, que son

usados en el cálculo del ángulo de contacto estos parámetros son:

Longitud reducida de la gota I:

RLI = Ecuación 11-11

Máxima altura reducida de la gota h:

RHh = Ecuación 11-12

Para la geometría metaestable de la gota, Walliser [51] propuso un

método semi-empírico. Para la gota en una superficie plana el ángulo de

contacto es independiente del volumen de la gota y el ángulo está dado por:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅=

lh2arctan2θ Ecuación 11-13

Donde h y l son las constantes adimensionales definidas

anteriormente.


142


Para este tipo de geometría la curva descrita por la longitud y altura

reducida de la gota, puede ser descrita por la siguiente relación:

lblah ⋅+⋅= 2 Ecuación 11-14

Donde a y b son obtenidos de los resultados de regresiones

estadísticas. Walliser observó que esta curva era tangente en el origen a la

curva lineal h-l obtenida por una gota sobre una superficie plana. Esta

condición es necesaria para poder asumir que la ecuación 11-14 es correcta

porque el origen de la misma está definido como el límite de la superficie

plana (donde h y l ambos tienden a 0).

El valor de la pendiente de la curva ajustada en el límite para la

superficie plana da como resultado b. Ahora sustituyendo este valor como la

fracción altura/anchura de la ecuación 11-13 obtenemos la siguiente

ecuación:

( b2arctan2 ⋅= )θ Ecuación 11-15

Entonces midiendo los parámetros geométricos de distintas gotas

formadas, es posible estimar el ángulo de mojado de la polieterimida sobre la

fibra de vidrio.

11.2.3.5.1 Materiales y experimentos

Los silanos son comúnmente empleados en la industria para unir los

grupos de oxido de silanol sobre una superficie de vidrio a las moléculas de

una matriz polimérica, lo que incrementa el pegado o la adhesión entre la

matriz polimérica y la fibra de vidrio [48]. La estructura general de un silano

es R'Si(OR)3, donde R' es un grupo que contiene un sustituyente orgánico

reactivo, y OR es un grupo alcohólico. El silano debe ser seleccionado de

manera que el grupo organofuncional R' sea capaz de reaccionar con el

polímero orgánico.


143


Cuatro tipos diferentes de tratamientos superficiales comerciales para

fibras de vidrio fueron probados. Todos los tratamientos estaban basados en

diferentes silanos. Para realizar el experimento se tomaron 5 muestras de

fibras de vidrio, 4 para ser tratadas cada una por uno de los agente de

engomado (Sizing) seleccionados, y la última para ser usada como patrón, y

por ende no fue tratada con ningún agente de Sizing y poder comparar si

existe una verdadera ventaja en el uso de los agentes.

Los agentes fueron aplicados siguiendo las indicaciones de cada uno

de los fabricantes respectivos, y removidos a 480°C por una hora como es

realizado en la industria [11].

Luego del tratamiento se cortaron y se abrieron unos pocos hilos de

cada sistema, un polvo fino de PEI (Ø = 100µ) fue espolvoreado sobre las

fibras.

Los especimenes fueron entonces puestos en un horno por una hora.

La temperatura del horno fue seleccionada basada en experimentos

anteriores realizados por Connor con fibras de carbón-PEI a 280°C [6];

Nelson a 295°C [12]; y Phillips a 300°C [22].

Se seleccionó entonces la temperatura de 300°C, solo por facilidad.

Luego de una hora en el horno las muestras fueron removidas y

colocadas a temperatura ambiente para solidificar las gotas formados sobre

las fibras de vidrio. Los parámetros H, L y R fueron entonces medidos

usando un microscopio óptico (Olympus BH2-UMA), en vez de un SEM

(Scanning Electron Microscope), que podría inducir una inclinación, que

conduciría a la toma de medidas erróneas; esto fue hecho por

recomendación del departamento de analítica de la compañía.


144


Diferentes gotas de diferentes tamaños fueron analizadas con el

objetivo de obtener una población significativa para poder ajustar la curva h-l, ver Figura 11-10 presentada más adelante.

El ángulo de contacto fue entonces calculado usando la ecuación

11.15.

11.2.3.5.2 Resultados y discusión

Todos los sistemas sin importar el tipo de tratamiento formaron

estructuras tipo Shell-Clam, ver Figura 11-10.

Figura 11-10 Micrografía de una gota tipo Shell-Clam, de PEI depositada sobre una fibra de vidrio

El promedio de los diámetros de las fibras medido es de 15µ.

Los resultados de la tabla 6 muestran los resultados del ángulo de

mojado para las distintas muestras estudiadas baja la acción de los distintos

agentes de engomado Sizing.


145


Agente de Engomado Sizing

Ángulo de mojado

Sin agente de engomado 112,3 PPG 2001 117,8

Vetrotex TD 22 109,6 OC C111 – AX 12 100,4

PPG 1383 100,3 Tabla 6 Ángulo de mojado con distintos agentes de engomado

De los resultados anteriores se observa que el mayor ángulo de

contacto lo tiene la muestra que no fue tratada con ningún tipo de agente de

Sizing, pero se debe notar también y hacer hincapié en que no todos los

agentes de Sizing obtuvieron una mejora realmente significativa con respecto

a la muestra sin tratamiento.

De esto se puede concluir que es importante la selección de un buen

agente de Sizing para el sistema en estudio (PEI-fibra de vidrio), ya que no

todos los agentes actúan de igual manera.

Los grandes ángulos de contacto obtenidos son explicados

principalmente por los efectos viscosos de los polímeros que tienen altas

viscosidades en el orden de los 100Pa.s [24].

Este es el caso de la PEI a 300°C, para esta resina el ángulo de

contacto se incrementa rápidamente por efectos de la viscosidad haciéndose

menos dependiente de los efectos de las energías superficiales [25,26].

De todas maneras se debe notar que estos altos ángulos de mojado

podrían ser explicados también por el hecho de que los pocos agentes de

Sizing probados, fueron desarrollados para ser usados con sistemas

epóxicos y no para el uso con sistemas termoplásticos, por lo que su efecto

no estaría optimizado para el sistema PEI-Fibra de Vidrio.


146


Se recomienda el estudio y desarrollo de nuevos agentes de Sizing

para sistemas Knitted optimizados para PEI-Fibra de vidrio que en estos

momentos no están disponibles en el mercado.

Se debe enfatizar también el hecho de que el fenómeno de mojado

analizado, da una indicación de la facilidad de impregnación y adhesión de la

matriz resínica con las fibras de refuerzo, pero este estudio no puede ser

asociado con resultados cuantitativos en parámetros de adhesión, ya que

esta también depende de reacciones químicas que ocurren entre el agente

de Sizing, la matriz termoplástica y las fibras.

11.2.3.6 Determinaciones de la presión capilar

La presión capilar Pc, puede ser teóricamente determinada usando la

ecuación de Young-Laplace

e

lvcP

φθγ cos4 ⋅⋅

= Ecuación 11-16

Donde γlv es la tensión superficial del líquido, θ es el ángulo de

contacto entre el sólido y el líquido, y Øequiv es el diámetro del canal hidráulico

equivalente. Para flujo transversal, De puede ser aproximado por la siguiente

ecuación:

f

ffe V

VDD

−=

12 Ecuación 11-17

Donde Df es el diámetro de las fibras y Vf es la fracción volumétrica de

las fibras en el arreglo.

La tensión superficial debe ser determinada a la temperatura de

procesamiento. Pero no es posible realizar mediciones a 338°C usando los

equipos estándar, así que basados en la ecuación propuesta por Van

Krevelen [27]:


147


4

)()( ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

TVPsTγ Ecuación 11-18

Esta ecuación permite estimar la tensión superficial como una función

de la temperatura. Donde Ps es una cantidad tabulada, independiente de la

temperatura, llamada el Parachor molar, que se obtiene de una relación

cuantitativa de las propiedades estructurales que depende de las

contribuciones atómicas y moleculares. Y V(T) es el volumen molar amorfo.

Cuando T >Tg ≥ 298K, V(T) esta dado por:

( )7,4442,1

(30,057,1)298()(

+−+

≈g

g

TTTT

CVTV o Ecuación 11-19

Para nuestra resina PEI (Ultem-1000) la temperatura de transición de

vidrio Tg = 217°C = 490,15K, Ps = 69,30(cm3/mol)*(N/cm.)1/4 y V(298K) =

463,3(cm3/mol). Donde Tg y V(298K) fueron tomados de los datos

suministrados por el suplidor de la resina y Ps fue buscado en las tablas

tabuladas encontradas en la bibliografía de Van Krevelen.

Consecuentemente:

V(611,15K) = 622,9cm3/mol y

γ(611,15K) = 1,532*10-4 (N/cm.).

Más allá de los resultados obtenidos anteriormente sabemos que para

el sistema Fibra de vidrio-PEI el mejor ángulo de mojado es de 100,3° (ver

Tabla 6), y que el diámetro de la fibra es de 0,15µ determinado de las

observaciones con el microscopio óptico.

Tomando ahora las fracciones de fibra de los dos tipos de poblaciones

estudiados en la Experimentos de consolidación, página 131, Vf1 = 0,45 y Vf2

= 0,89, se calcula el diámetro del canal hidráulico para cada tipo de fracción

de fibra. Los resultados son:


148


Diámetro del canal hidráulico equivalente

Øequiv1 = 36,67*10-6m

Øequiv2 = 3,71*10-6m

Se calculan entonces las presiones capilares para cada caso

arrojando los siguientes resultados:

Pc1 = 2,99*10-4 MPa.

Pc2 = 2,96*10-3 MPa

Estos valores son considerablemente inferiores a los de la presión

aplicada en el proceso de consolidación (4MPa), por lo que su contribución

puede ser despreciada.

11.2.3.7 Determinaciones de la permeabilidad

El modelo basado en la ecuación de Darcy requiere los valores de la

permeabilidad de los preformados textiles para estimar las macro y micro

impregnaciones.

La macro-impregnación fue estudiada determinando

experimentalmente la permeabilidad K, de un flujo transversal a través del

lecho de material fibroso. Esto se hizo midiendo la rata de flujo a través de

una columna del material de refuerzo fibroso.

El lecho fibroso lo constituyeron 24 capas de tejido superpuestas,

unas sobre las otras, de 60mm de diámetro, estas capas se colocaron dentro

de un permeámetro, entre dos láminas de material estructural de tipo panal

de abeja (Honeycomb) de 20mm de espesor, con el objetivo de soportar las

capas y mantener el ancho del lecho fibroso constante.


149


La presión a la entrada del permeámetro es controlada por un

transductor de flujo colocado a la entrada del mismo. Una solución de

polietilénglicol (PEG) fue usada para la impregnación del material, esta

solución exhibe propiedades Newtonianas a temperaturas estándar. La

viscosidad de la solución es de 1,6Pa.s a la mencionada temperatura.

El método experimental consistió en medir la presión de entrada y

salida y el flujo volumétrico cuando el sistema alcanzaba el estado

estacionario, y luego variar la presión de entrada o el flujo volumétrico para

obtener otro grupo de datos.

Luego con estos datos y haciendo uso de la ecuación de Darcy

ecuación 9-2 Pág. 129, reordenada como se muestra a continuación para

nuestro grupo de condiciones se buscaba el valor de K:

Pnqk

∆⋅

= Ecuación 11-20

El promedio de los valores para la constante de permeabilidad para el

sistema fue de:

K = 1,52*10-11m2.

Ahora usando nuevamente la ecuación de Darcy, pero esta vez

buscando el tiempo:

Donde t representa el tiempo que es la variable a buscar.

L es la distancia de penetración del fluido que en nuestro caso es la

mitad de las alturas de nuestro modelo geométrico de consolidación, para

cada una de las fases, es decir:

L1 = 530 µ / 2 = 265µ

L2 = 690 µ / 2 = 345µ


150


Vf es la fracción volumétrica de fibra que varía para cada fase:

Vf1 = 0,45±0,03 y

Vf2 = 0,089±0,01

K es la constante de permeabilidad que acabamos de calcular.

P es la presión aplicada que nuestro sistema de optimización dio como

resultado 4Mpa.

Con estos datos entonces los valores del tiempo son:

t1 = 0,95 s

t2 = 0,32 s

Con estos resultados donde la macroimpregnación no toma ni siquiera

un segundo completo en ninguno de los dos casos, su contribución puede

ser entonces despreciada en comparación con los tiempos de la

microimpregnación.

La micropermeabilidad, va a ser estudiada usando un modelo que

describe la permeabilidad transversa de arreglos densos regulares de fibras

cilíndricas [25,27].

Este modelo tiene la ventaja de que toma en cuenta los arreglos de la

fibras, por este motivo no necesita ajustes paramétricos en comparación con

mediciones experimentales. La permeabilidad esta dada entonces por la

siguiente ecuación:


151


( ) 225

max, 169

2f

fi

ffi D

VV

VK ⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⋅⋅=

π Ecuación 11-21

Donde Vf,max es la fracción volumétrica máxima de fibra para el

arreglo, siguiendo los parámetros tabulados del modelo encontramos que

para nuestro caso:

32max,π

=fV Ecuación 11-22

Tomando ahora como diámetro de la fibra 15µ el mismo obtenido de

las observaciones microscópicas realizadas para las mediciones del ángulo

de mojado, y las fracciones volumétricas determinadas anteriormente

obtenemos que:

K(Vf1) = 7,41*10-13m2

K(Vf2)= 5,64*10-17m2

11.2.4 RESULTADOS Y DISCUSIÓN DEL MODELO DE CONSOLIDACIÓN

Diferentes laminados de material compuesto fueron procesados a la

presión y temperatura óptima determinada anteriormente, para distintos

tiempos de procesamiento. La evolución de la fracción volumétrica de vació

total fue medida por el departamento de analítica siguiendo el mismo método

utilizado anteriormente, dicha fracción fue también estimada por el modelo,

tomando y sin tomar en cuenta la presión del gas atrapado en los espacios

vacíos. Como la contribución de la macroimpregnación fue ignorada (ver

sección 11.2.3.7), el valor inicial de la fracción volumétrica de espacios

vacíos es la calculada sólo para la microimpregnación (los espacios vacíos

entre los grupos de fibras) esto justifica los valores relativamente bajos al

comienzo.


152


Las dos curvas modeladas son similares excepto al final del proceso

de consolidación, en el caso en que no se toma en cuenta los gases

atrapados predice un llenado completo de todos los vacíos, mientras que el

segundo modelo donde se toma en cuenta la presión de los gases

atrapados, la fracción residual del contenido de vacíos se estabiliza en un

valor de 2,3% para una presión de operación de 4MPa y una temperatura de

338°C.

Se debe observar también que los resultados experimentales están

siempre entre los resultados de ambas curvas, esto puede ser explicado de

la siguiente manera, algunos de los vacíos son eliminados debido a que el

gas atrapado dentro del mismo es absorbido por la matriz termoplástica, pero

no con todos pasa lo mismo, algunos de los espacios quedan remanentes en

el sistema debido a que la matriz llega a su punto de saturación.

Por eso podemos considerar a los dos modelos como los casos

extremos en los que los valores reales estarán siempre entre las curvas

modeladas.

En el caso de que se trabaje con el modelo que toma en cuenta las

presiones internas de los gases atrapados, se podrá indicar siempre

certeramente que la calidad obtenida será igual o superior a la determinada

para las condiciones de operación correspondientes.

La influencia de la temperatura de procesamiento sobre la evolución

de la consolidación para una presión aplicada de 4MPa. Se puede observar

como la temperatura tiene una gran influencia en los tiempos de

procesamiento para valores de temperatura menores de 315°C, además esta

influencia se hace cada vez más fuerte y notoria cuando seguimos

disminuyendo la temperatura.


153


Esta influencia es una consecuencia directa de la dependencia de la

viscosidad de la matriz con la temperatura en el rango de trabajo.

La asunción de un flujo newtoniano para nuestro desarrollo queda

justificada para valores de la temperatura mayores de 310°C, a sabiendas de

la matriz no es newtoniana, porque los tiempos de impregnación son largos y

los esfuerzos cortantes son muy pequeños, varían entre 5*10-2 a 5*10-1 s-1.

Se chequeó también el modelo para la consolidación a 300°C, donde

el fluido ya no se comporta newtonianamente, obteniéndose que se puede

concluir que el modelo se aleja un poco de los resultados experimentales

para la primera parte de la curva que corresponde a la parte de la

impregnación de los grupos de fibras con baja fracción volumétrica, la

impregnación de los grupos con alta fracción volumétrica de fibra es

representada por la segunda parte de la curva, en esta parte de la curva el

proceso se hace más lento cada vez como consecuencia de la reducción de

la presión efectiva debido al balance de las contrapresiones de los espacios

restantes llenos de gas. Pero se puede observar entonces que el modelo se

alinea apropiadamente para la estimación de la fracción de vacíos remanente

en el sistema.

Los experimentos fueron realizados a 300°C, a sabiendas de que a

esta temperatura, el fluido no se comporta de manera Newtoniana, pero se

estaba buscando alargar un poco el tiempo necesario para la consolidación

de manera de poder realizar las mediciones experimentales y evitar un poco

el solapamiento de los procesos de calentamiento y enfriamiento.

Una buena correlación entre los resultados predichos por el modelo y

las mediciones experimentales fueron obtenidas (tomando en cuenta el

hecho de la falta de newtoneanidad del fluido a la temperatura de

experimentación). El incremento de la presión de operación tiene una mayor

influencia a presiones de de procesamiento por debajo de 4MPa que por


154


encima de él como se puede notar en la gráfica, esto ratifica la optimización

hecha a través del método de disminución de las pérdidas de calidad donde

se seleccionó como presión óptima de operación 4MPa.

El hecho de que la cinética de impregnación es más afectada por la

presión interna de los espacios vacíos para presiones menores, trae como

resultado una mayor correspondencia para los valores del modelo para las

altas presiones que para las bajas presiones.

Durante la primera parte de la consolidación el modelo tiende a sobre

estimar la rata de consolidación, como resultado de la reducción del tiempo

de impregnación correspondiente debido a la superposición de los tiempos

de calentamiento y enfriamiento para los cortos ciclos de operación, de todas

maneras se puede notar como el modelo predice de una manera adecuada

la rata de impregnación con respecto a los cambios de presión.

En conclusión las predicciones del modelo de consolidación muestran

una buena concordancia con la data experimental.

A continuación se presenta la gráfica suministrada por el fabricante de

la resina para la consolidación de la misma con fibra de vidrio, el modelo que

utiliza el fabricante no toma en cuenta la configuración de las fibras dentro

del sistema. Los parámetros que fueron entregados a la empresa suplidora

para la corrida de su modelo son los siguientes:

Altura de la población 570µ, obtenida de la ponderación de las alturas

de la fracción 1 y la fracción 2, como se ve a continuación:

( ) ( ) µµ 5704

69053034

3 21 =+⋅

=+⋅

=hhHmed Ecuación 11-23

Fracción volumétrica total de fibra Vftot


155


( ) ( ) 56,04

89,045,034

3 21 =+⋅

=+⋅

= ffftot

VVV Ecuación 11-24

Permeabilidad para el sistema Ksist = 2,52*10-13 m2

Calculada con la fórmula que se usó anteriormente, con una fracción

volumétrica de fibra de 56%

Modelo de consolidación de la companía suplidora

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Tiempo en segundos

Frac

ción

de

espa

cios

vac

ios

Modelo sin GasModelo con GasExperimentales

Figura 11-11 Comparación de los resultados de la compañía suplidora con los resultados experimentales.

Los resultados obtenidos por el suplidor sugieren para el caso de que

no se tome en cuenta la presión del gas en los espacios vacíos una

consolidación completa del sistema y tomando en cuenta el gas de los

espacios vacíos una fracción de espacios vacíos máxima de 0,4%, muy

alejado de los valores experimentales medidos para el sistema.

En este sentido se puede concluir que una precisa descripción de la

configuración de las fibras dentro del sistema es necesaria para estudiar de

buena manera la cinética del proceso de consolidación paras arreglos no

uniformes como los de los tejidos Knitted, ver Figura 11-2.


156


El fenómeno de micro-impregnación domina sobre el fenómeno de

meso-impregnación el cual ocurre muy rápido.

El modelo desarrollado predice para nuestro consolidado de prueba

que un laminado de alta calidad puede ser alcanzado con una presión de

operación de 4MPa, una temperatura de operación de 338°C y un tiempo de

procesamiento de 2,5 minutos, donde la fracción volumétrica de espacios

vacíos casi llega a su mínimo, debido a la cinética de la consolidación,

aunque la consolidación va a continuar pero a velocidades sumamente bajas

hasta los 7 minutos donde las contrapresiones generadas por los gases

atrapados en los espacios vacíos equilibra la presión aplicada, deteniendo

entonces el proceso de consolidación.

11.3 CONCLUSIONES

Una revisión de las técnicas de impregnación para la manufactura de

un laminado de PEI reforzado con fibra de vidrio para textiles tipo Knitted y

Woven fue presentado.

Se desarrolló un sistema para el modelado de la cinética de la

consolidación usando el método de apilamiento de láminas.

Se obtuvieron y comprobaron los valores óptimos para los parámetros

de operación del proceso de consolidación arrojando como resultado los

siguientes valores:

Temperatura = 338°C,

Presión = 4MPa

Tiempo = 2,5min


157


También se demostró que el modelo predice de manera adecuada la

influencia de los parámetros de operación en el contenido final de espacios

vacíos para el laminado. No así los modelos clásicos que no toman en

cuenta los parámetros geométricos del arreglo fibroso.

La determinación de los valores de presión capilar, presión viscosa, y

presión de resorte almacenada en el lecho fibroso, fue realizada y

demostraron que el factor principal que se opone a la presión ejercida sobre

el sistema es la presión viscosa.

Se demostró también que para lograr un modelado adecuado del

fenómeno de consolidación para arreglos fibrosos poco uniformes es

necesaria la utilización de un modelo que tome en cuenta el ordenamiento de

las fibras como el desarrollado en el presente capítulo.

Dos tipos de arreglos de fibras pueden ser claramente identificados

para los textiles Knitted, donde cada uno de estos arreglos posee su propia

fracción volumétrica a de fibra. El arreglo de baja fracción volumétrica se

presenta en forma de líneas casi rectas, estas partes representan en el tejido

las partes entre los bucles. El arreglo de alta fracción volumétrica de fibras se

presenta en la región donde se unen los bucles para conformar el tejido.


158


12. SIMULACIÓN DEL PRECALENTAMIENTO PARA LA ETAPA DE FORMACIÓN

El proceso de termoformado puede ser dividido en tres partes o pasos

principales:

Etapa de calentamiento de los preformados.

Etapa de conformado, usando los preformados suavizados por

el efecto de la temperatura.

Etapa de enfriamiento de la parte ya constituida.

Durante el paso del conformado, las dimensiones y forma del

preformado cambian mientras que la temperatura casi permanece invariable.

En cambio durante los pasos de enfriamiento y calentamiento, las

dimensiones y forma del preformado cambian muy poco, mientras la

temperatura cambia constantemente. Por este motivo, las etapas de

calentamiento o enfriamiento pueden ser estudiadas por separado de la

etapa de conformado.

En este capítulo nos vamos a enfocar en las etapas de calentamiento

de preformados para la constitución de sándwiches termoplásticos, ya que

estas estructuras son más delicadas y sensibles para la etapa de

calentamiento que las partes hechas o constituidas por laminados

exclusivamente.

12.1 INTRODUCCIÓN

Varios estudios han sido publicados que abordan el tema de la

predicción de la temperatura de materiales compuestos laminados durante el


159


precalentamiento [1-4], pero muy poca información fue encontrada sobre el

calentamiento de estructuras tipo sándwich.

La sensibilidad de las estructuras tipo sándwich se explica y se

diferencia, de la conformación de partes que no poseen el núcleo

termoplástico en que la estructura del núcleo o alma termoplástica es

especialmente sensible a la temperatura de conformación, teniendo una

ventana de procesamiento limitada a una temperatura inferior que la del

laminado. Ver la Figura 12-1, donde se presenta una gráfica con los valores

de procesamiento para el laminado y para el núcleo.

Diagrama esquemático de las ventanas de procesamiento térmico para una estructura tipo sándwich

150

170

190

210

230

250

270

290

310

330

350

370

Tem

pera

tura

o C

Ventana de procesabilidad del laminadoVentana de procesabilidad del nucleo

Temperatura de Transición de Vidrio para la Polieterimida

Figura 12-1 Diagrama esquemático de las ventanas de procesamiento térmicas para los componentes

de una estructura tipo sándwich, con laminados reforzados en las caras y alma de material termoplástico espumado.

En la siguiente figura se muestra un preformado tipo sándwich

constituido por dos capas de laminado adheridas a un núcleo termoplástico.


160


Figura 12-2 Estructura de un Preformado tipo sándwich termoplástico, constituido por el núcleo y los

dos laminados.

Estas estructuras tipo sándwich presentan buenas propiedades

aislantes, lo que complica el control del proceso de calentamiento. Aún más

al estar los sándwiches hechos con el mismo material termoplástico en el

laminado que en el núcleo, hace que el sistema de calentamiento sea aún

más crítico, en la siguiente tabla se listan los resultados de los parámetros de

operación limitantes del proceso de termoformado.

Componente del Sándwich

Resultados Principales Técnica de Caracterización

Mínima temperatura= 165°C Prueba de Tracción

Máxima temperatura= 185°C Prueba de Compresión Núcleo espumado

Máxima Presión= 110kPa Prueba de Compresión

Mínima temperatura= 280°C Prueba de desconsolidación

Temperatura de relajamiento= 255°C Prueba de desconsolidación

Presión antirelajamiento= 86kPa Pruebas de desconsolidación Laminado

Knitted

Formabilidad, Fracción de estiramiento= 1,5 Prueba de tracción

Mínima temperatura= 280°C Prueba de desconsolidación

Temperatura de relajamiento= 259°C Prueba de desconsolidación

Presión antirelajamiento= 27kPa Pruebas de desconsolidación Laminado

Woven

Formabilidad, Fracción de estiramiento= 1,05 Prueba de tracción Tabla 7 de los parámetros limitativos del proceso de termoformado de las estructuras tipo

sándwich

De la Tabla 7, se puede observar que dos requerimientos opuestos

deben ser satisfechos para poder alcanzar una conformación de alta calidad

del sándwich termoplástico, el primer requerimiento es que la temperatura del


161


laminado debe estar por encima del punto de transición de vidrio de la matriz

termoplástica es decir 217°C al momento del conformado, y el segundo

requerimiento es que la temperatura del núcleo no debe llegar a la

temperatura de transición de vidrio para evitar el colapsamiento de las

unidades del núcleo termoplástico.

Esto conduce a que el proceso de calentamiento deberá ser un

proceso sumamente rápido para evitar la transferencia de calor excesiva por

conducción del laminado al núcleo termoplástico.

Para determinar las condiciones óptimas de precalentamiento y evitar

realizar innumerables pruebas experimentales de ensayo y error para

determinar dichas condiciones, donde las medidas In-situ de las

temperaturas de las caras y del núcleo, se prefirió el uso de los modelos

matemáticos disponibles en la compañía para la simulación del sistema y

calcular los perfiles de temperatura de los sándwiches termoplásticos.

Pero para medir las propiedades termofísicas de las caras y del núcleo

así como las condiciones de borde resultantes del tipo de contacto de

calentamiento o del enfriamiento con el aire durante el trasporte de la zona

de calentamiento que son requeridos como parámetros de entrada del

programa de modelado un número pequeño de pruebas fueron realizadas

12.2 TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor puede ocurrir a través de tres fenómenos

distintos, conducción, convección o radiación que pueden o no ser

concurrentes [9,10]. A continuación se presenta una pequeña explicación de

los tres fenómenos enfocada a nuestro desarrollo.


162


12.2.1 POSIBILIDADES DE CALENTAMIENTO

12.2.1.1 Conducción

La conducción es alcanzada, a través de fases sólidas en contacto y

es comúnmente realizada en la industria a través del uso de placas calientes.

En este método el flujo de calor q, a través de los dos sólidos en

contacto A y B es proporcional a la diferencia de temperatura entre las dos

superficies:

( BA TThq −⋅= ) Ecuación 12-1

Donde h representa el coeficiente de transferencia de calor, el cual

depende principalmente de la presión ejercida entre los dos materiales y de

los materiales en si. El uso con materiales termoplásticos puede traer

algunos problemas prácticos ya que los mismos se pueden poner pegajosos

a las temperaturas de conformado lo que podría causar el adherimiento a la

las placas calientes.

Experimentos de calentamiento usando placas calientes fueron

desarrollados con sándwiches termoplásticos, se midieron entonces las

temperaturas del laminado y del núcleo. El espesor de los sándwiches

utilizados en estos experimentos fue de 1cm. Las termocuplas utilizadas

fueron de tipo K con ganancia, de 250µ de diámetro, siguiendo las

recomendaciones del departamento de control de la compañía para la

necesidad planteada.

El perfil de temperatura es graficado en la Figura 12-3, en dicho

gráfico se puede observar que este modo de transferencia provee un modo

eficiente de calentamiento de las caras, y un alto gradiente de temperatura a

través del ancho del sándwich logrado gracias a la alta rata de transferencia

de calor entre las caras y la placa caliente. El más importante resultado al


163


utilizar este método de calentamiento es que cuando se alcanza la

temperatura de procesabilidad de las caras, el material del núcleo alcanza

también el límite inferior de procesabilidad, por lo que ambas partes se

encuentran dentro de su ventana operacional al mismo tiempo.

Figura 12-3 Diagrama de las temperaturas registradas al calentar la estructura usando placas

calientes.

Resultando entonces que el calentamiento del laminado usando el

fenómeno de conducción ofrece una manera satisfactoria de lograr los

requerimientos de temperatura impuestos para la conformación.

12.2.1.2 Convección

La convección es un modo de transferencia de calor que se lleva a

cabo entre la fase gaseosa y el material. Este modo de transferencia requiere

largos períodos de calentamiento, debido al bajo coeficiente convectivo del

aire dentro de un horno [3,4]. En este caso la transferencia de calor por


164


convección q, es proporcional a la diferenció a de temperatura entre el

material Ts y la fase gaseosa Tgas,

( )gasS TThq −−= Ecuación 12-2

Donde h representa el coeficiente convectivo de transferencia de calor

promedio. La principal característica de este método es que brinda una

distribución de temperatura muy uniforme dentro del material, esto

representa una ventaja para los sistemas de materiales compuestos

estándar, pero que para nuestro caso de estructuras tipo sándwich

representa una seria desventaja ya que se requiere un alto gradiente entre la

temperatura de las caras y la del núcleo.

12.2.1.3 Radiación

La radiación se presenta a través de un intercambio de energía

electromagnética, entre la fuente caliente y el material, Calentadores

Infrarrojos IR, son normalmente usados y pueden ser un método muy

efectivo de calentamiento. Es también un método flexible modular la

distribución de temperaturas sobre un panel, sin embargo la eficiencia de la

transferencia energética depende de la habilidad relativa de la fuente y del

material de transferir la energía eficientemente. La absortividad y la

emisividad son los términos que describen esta eficiencia. El flujo radiante

neto por unidad de área q, está determinado por:

( )44AA TTFq −= ∞ Ecuación 12-3

Donde FA incluye la emisividad del material y los factores de vista, T∞

es la temperatura de la fuente y TA es la temperatura del material. La longitud

de onda a la cual el calentador emite el máximo de radiación es la longitud

de onda característica y esta depende de la temperatura a la que trabajan el

emisor. Para lograr un calentamiento eficiente el espectro emisivo debe

coincidir o parecerse al espectro absortito de la sustancia que se quiere se


165


desea calentar. Los calentadores IR pueden funcionar a diferentes longitudes

de onda:

Cortas que trabajan a una longitud de onda de 1,2µ, cuyos

calentadores se fabrican comúnmente en cuarzo, y trabajan a una

temperatura de 2200°C.

Medianas que trabajan a una longitud de onda de 2,4 a 3,0µ, y cuyos

calentadores se fabrican comúnmente en cerámica, y trabajan a una

temperatura de 980°C.

Largas que trabajan con longitudes de onda de mayores de 3,0µ, y

cuyos calentadores están hechos comúnmente con material

cerámico, y trabajan a una temperatura que está entre los 600 y

700°C.

Experimentos de calentamiento se llevaron a cabo para longitudes de

onda mediana y corta, no se desarrollaron experimentos para longitudes de

onda larga ya que estas ofrecen calentamientos lentos que no son

recomendados para nuestra aplicación.

Para los experimentos realizados se utilizaron emisores de Carbón ya

que estos ofrecen una respuesta de calentamiento más rápida, requerida

para los altos flujos calóricos buscados.


166


Figura 12-4 Fotografía de la maya de calentadores IR en el equipo Twin-Sheet

La temperatura fue registrada durante el calentamiento en las caras

del laminado y en el núcleo. Para ambas longitudes de onda el calentamiento

fue bajo e ineficiente, como una consecuencia de la baja transferencia

calórica.

En este sentido la temperatura del núcleo había sobrepasado las

condiciones de la ventana de procesamiento cuando las caras alcanzaban

las temperaturas de conformación.

En orden de entender el motivo de esta lenta transferencia calórica,

obtenida con los emisores IR, se midieron las absortividades para distintas

longitudes de onda, de los materiales compuestos, usando un equipo de

espectroscopía infrarroja, el cual mide la intensidad con la que son

absorbidas las radiaciones electromagnéticas para distintas longitudes de

onda. Los resultados de estas pruebas se presentan en la siguiente figura.


167


Figura 12-5 Espectro de absorción del PEI y sus diferentes materiales compuestos

Del análisis de las gráficas podemos extraer que para longitudes de

onda menores a los 5,5µ los materiales investigados presentan bajas

eficiencias debido a las bajas absortividades presentadas por el material en

ese rango. Por lo que para obtener mejores eficiencias para el calentamiento,

se deberían usar longitudes de ondas mayores a los 5,5µ que caen dentro

del rango de calentadores de longitud de onda larga, pero este tipo de

calentadores requiere de largos períodos de calentamiento que están entre

los 5 y los 10 minutos, por lo que su uso no es un método apropiado para el

calentamiento de materiales basados en la Polieterimida.

12.3 CONCLUSIONES

En conclusión, el calentamiento por contacto con placas calientes

permite la creación de un fuerte gradiente térmico entre las partes del

sándwich, incluso en las cercanías de la interfase. La convección no fue

estudiada debido a su baja eficiencia que se traduciría en la obtención de

una poca deseable uniformidad de la temperatura a lo largo de todo el

material. El Calentamiento por radiación usando emisores IR fue también

estudiado, pero resultó ineficiente debido a que las longitudes en las que la


168


Polieterimida tiene buenas propiedades absortivas no coinciden con las de

los emisores de corta y mediana longitud de onda, y debido a que los

emisores de larga longitud de onda requieren de tiempos de calentamiento

superiores a los 5 minutos, esté tipo de calentamiento resultó también

ineficiente, por lo que la solución es la transferencia de calor por conducción

y es la que se recomienda para el desarrollo de estructuras tipo sándwich.


169


13. SISTEMA AUTOMATIZADO DE ESTIMACIÓN DE COSTOS PARA DESARROLLOS CON MATERIALES COMPUESTOS

Las estrategias de sustitución de partes de metal por partes fabricadas

con materiales compuesto reforzado; o la sustitución de piezas ya hechas

con material compuesto por otras bajo un diseño o un método de fabricación

distinto, están basadas principalmente en el análisis del balance costo-

desempeño de la pieza.

Por ejemplo para la industria aeroespacial en la cual se desarrolla este

trabajo, la documentación encontrada hace referencia a que durante los 80’s

y principios de los 90’s, la relación de los costos de manufactura para la

fabricación de piezas en Material compuesto reforzado versus la fabricación

en aluminio estaba cerca de un 100% [1,2], lo que significaba que sólo en

aquellas piezas claves donde realmente se necesitara la utilización de

materiales compuestos por algún motivo especial (complejidad de

manufactura de la pieza en aluminio, reducción requerida en el peso de la

pieza etc.) serían fabricadas en material compuesto debido a sus altos

costos de manufactura.

En la actualidad este valor ha sido reducido a cerca de 60% debido a

desarrollos de nuevos y más económicos métodos de producción, la

incorporación de la automatización en algunos de los procesos productivos y

la creación de nuevas estrategias que permiten la integración de partes para

reducir los costos de ensamblaje de las partes terminadas, ha traído como

resultado la incorporación cada vez más significativa de estos materiales

dentro de la industria aeroespacial.

La evaluación de estas estrategias de reducción de costos es una

tarea sumamente difícil, debido a la falta de modelos realistas que incluyan


170


los últimos avances en los desarrollos de tecnologías de procesos y/o que se

adapten a diferentes formas y tamaños de los componentes a ser fabricados.

Por este motivo, en este trabajo se crea un modelo de estimación de

costos, que es fácilmente actualizable para poder incluir en un futuro sin

complicaciones, los nuevos desarrollos tecnológicos.

Esto es algo de vital importancia en la creación de un modelo de

estimación de costos para una industria en crecimiento y en constante

desarrollo como lo es la de los materiales compuestos en donde nuevos y

más eficientes procesos son desarrollados cada año.

Para la realización de este modelo se contó con el apoyo del

departamento de informática de la compañía, el cual suministró las

herramientas informáticas así como su tutoría para el desarrollo del mismo.

Este modelo de estimación de costos, combinado con simulaciones de

la estrategia de producción (estudios de investigación de operaciones) y

evaluaciones estructurales de los diseños de las piezas, formarán un

panorama claro y realista que facilitará la toma de decisiones en cuanto a la

migración a nuevos procesos, estrategias o tecnologías; que guíen hacia una

reducción de los costos de fabricación de los nuevos componentes.

Este modelo de estimación de costos, fue desarrollado de tal manera

que los usuarios al introducir los parámetros geométricos de entrada y las

decisiones tomadas en cuanto a la manufactura y estrategias de producción,

los valores sean manejados de forma automática por el modelo, y se obtenga

entonces como solución del mismo, el tiempo de producción final asociado a

la manufactura de la pieza en cuestión, bajo el método y las condiciones

seleccionadas. Sabiendo que este tiempo de producción final está

relacionado directamente con el costo de producción de la pieza.


171


La manera más sencilla de lograr esta automatización en los cálculos,

sería usando datos ya existentes de los costos de fabricación, y haciendo un

análisis regresivo, podríamos generar una ecuación donde se pudiera

caracterizar la dependencia de los costos para los distintos parámetros de

diseño. Pero para poder usar este método se requiere que los procesos de

manufactura sean estándares, lo que para nuestro caso está sumamente

alejado de la realidad, donde los procesos cambian constantemente.

Este cambio frecuente de los procesos de manufactura como se

mencionó anteriormente también nos crea otra necesidad en el modelo y es

que el mismo pueda ser fácilmente actualizable para incluir los nuevos

métodos y tecnologías desarrollados.

13.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MODELO PLANTEADO

Para poder lograr entonces todo lo que se busca con el modelo. El

mismo debe poseer las siguientes características generales:

• Debe ser de fácil interpretación (con ayudas que expliquen en

todo momento el funcionamiento del modelo).

• Debe ser completamente transparente para el usuario, es decir

el mismo no debe incluir datos o parámetros fijos incluidos

dentro de la programación, prefijados para los procesos o

materiales.

• El modelo debe ofrecer al usuario las opciones para que él

mismo pueda seleccionar los valores correctos en cuanto a

parámetros de operación, diseño y costos.


172


• Los valores a escoger deberán estar asociados a un significado

físico que tenga sentido para el usuario y no presentarse como

factores arbitrarios.

Para lograr obtener las características anteriores, el modelo se

desarrolla entonces usando un método para la estimación de los costos por

jerarquización y ordenamiento de las decisiones de diseño.

Este método requiere la creación de unas ecuaciones de escalamiento

para la complejidad de la forma y para el tamaño de la pieza, para lograr la

precisión deseada ±10% del costo verdadero.

13.2 DIFERENCIAS ENTRE EL MODELO PROPUESTO Y LOS MODELOS CONVENCIONALES DE ESTIMACIÓN DE COSTOS

Otro punto importante a notar es, ¿que significa el realizar el modelo

siguiendo la estructura propuesta?, y ¿como se diferencia de los modelos

comunes?

Los modelos convencionales de estimación de costos, utilizan los

valores que tienen en una base de datos, para obtener sus resultados, los

diseñadores del modelo, cargan en estas bases de datos valores en

ordenamientos multidimensionales, los cuales el programa va seleccionando

según requiera y utiliza estos parámetros en sus cálculos.

Este método es muy preciso y eficiente si los valores o resultados que

se quieren obtener están dentro de las matrices cargadas en el sistema o

puedan ser obtenidos por interpolación entre los mismos, en caso contrario

los resultados obtenidos pueden ser erróneos si se usan extrapolaciones en


173


el modelo o pueden dar un mensaje de error porque los datos están fuera del

rango de operación del modelo (situación más común).

El problema está entonces, en que se requiere tener el conocimiento

de los valores para llenar las bases de datos del sistema de manera que

existan valores que puedan servir como data útil para los cálculos para cada

tipo de caso que se desee calcular, es decir se requiere llenar una cantidad

de información enorme para completar una base de datos que funcione para

las distintas formas, tamaños, procesos, métodos, valores etc. Por este

motivo éste tipo de modelo sería inadecuado para nuestras necesidades.

En una forma esquemática podemos representar los dos modelos de

estimación de costos de la siguiente manera.

Las flechas rojas, siguen el proceso convencional de estimación de

costos, donde piezas similares a la que se desea evaluar fueron previamente

construidas, para llenar las tablas con los datos de los costos del proceso

etc. Esto representaría que para cada nuevo proceso o cambio en el mismo,

se deberían llenar las tablas de nuevo. Para que de esta manera el modelo

no pierda su validez.

Las flechas azules representan la aproximación en la cual está

basado el modelo de estimación de costos desarrollado del presente trabajo.


174


Esta aproximación permite estimar los costos sin la necesidad de

manufacturar las piezas, esto se hace mediante el uso de fórmulas que

asocian los parámetros de diseño y de producción a un efecto en el tiempo

de producción.

Una explicación detallada del método a través del cual se

consiguieron y desarrollaron las relaciones que se utilizan en el modelo de

costos se presenta a continuación.

13.3 DESARROLLO DEL MODELO

Como se mencionó anteriormente el modelo debe desarrollar

entonces un método para la estimación de los costos por jerarquización y

ordenamiento de las decisiones de diseño.

Este método requiere de la creación de unas ecuaciones de

escalamiento para la complejidad de la forma y para el tamaño de la pieza.

Las cuales explicamos a continuación.

13.3.1 ESCALAMIENTO PARA EL TAMAÑO DE LA PARTE

Cuando los datos de costos no están disponibles para el efecto de una

variable cualquiera, los analistas recurren a un procedimiento común que es

el de graficar en papel Log-Log un parámetro de costo frente a un parámetro

de diseño. Esto da como resultado una ecuación exponencial (Power-Law),

la siguiente ecuación describe la relación costo–diseño paras los parámetros

seleccionados.

βα Dt ⋅= Ecuación 13-1

Donde t representa un parámetro de costo, que podría ser por ejemplo

el tiempo.


175


D representa un parámetro de diseño, que podría ser por ejemplo el

tamaño de la pieza en cuanto a su longitud, área, volumen o peso.

Cualquiera de estos parámetros podría servir para desarrollar la relación

entre el tamaño y el costo final.

α y β son constantes determinadas por la forma de la curva

representada.

Sin embargo este tipo de ecuaciones exponenciales no tienen una

interpretación física sencilla. Aun más, es fácil de demostrar que como una

ecuación de escalamiento de tamaño esta representación es

fundamentalmente inapropiada.

Se buscó entonces una ecuación alternativa que satisface

razonablemente propiedades como el estado estacionario en la formación de

partes de gran tamaño. Además de que tiene una interpretación física más

sencilla, y esta ecuación viene de asumir que el proceso de manufactura

cumple con una dinámica de primer orden.

En este caso la ecuación queda como se ve a continuación.

)1(0dtevv τ−−⋅= Ecuación 13-2

Donde v representa el flujo tRv

∂∂

= que se aproxima a estado

estacionario después de introducir varias constantes de tiempo.

v0 representa la velocidad del estado estacionario.

τd representa constante dinámica de tiempo del sistema.


176


La integración de esta ecuación traerá como resultado una relación

entre el parámetro de tamaño R y el tiempo t. Pero esta ecuación no tiene

una solución sencilla, pero una aproximación valida se da a continuación:

( )( )[ ] 212

0 11 −+⋅⋅≅ dd vRt ττ Ecuación 13-3

Al comparar los resultados de esta ecuación con los resultados de la

data real actual, se encuentra que los mismos se ajustan muy bien con los

resultados reales, pero solo para piezas de formas específicas como por

ejemplo piezas planas o algunos tipos de formas estándar referenciales.

Para el resto de las formas la ecuación muestra desviaciones significativas.

Esto es debido a que esta fórmula no toma en cuenta los cambios en

las formas de las partes ni la complejidad de las mismas. Siendo esto un

aspecto de vital importancia para el desarrollo de los materiales compuestos.

Por lo que se requiere entonces encontrar una relación ahora que

pueda asociarse con la complejidad de la geometría de la pieza

13.4 ESCALAMIENTO PARA LA COMPLEJIDAD DE LA FORMA DE LA PIEZA

Es bien sabido que la complejidad de la pieza aumenta su costo. Pero

para poder desarrollar esto debemos crear una separación entre el número

de complejidades y el grado de la complejidad. El número de complejidades

de una parte es tratado en nuestro modelo de una forma acumulativa. Pero el

grado de la complejidad es tratado de una forma más cuidadosa, tomando en

cuenta el tipo de complejidad para asignarle unos parámetros finalmente.

En el contexto de nuestro modelo de primer orden debemos esperar

entonces que el tratamiento de las formas complejas implique entonces que

nuestras constantes varíen, es decir que la constante del tiempo y la


177


constante de velocidad de estado estacionario varíen, y esto se desarrolló

usando las siguientes ecuaciones:

Ib ⋅+= 0ττ Ecuación 13-4

Icvv

⋅+=0

11 Ecuación 13-5

La forma que se le da a las ecuaciones es para denotar que para los

procesos complejos las constantes de tiempo serán más largas y las

velocidades de estado estacionario serán más pequeñas. Pero para los

materiales compuestos sin embargo, la confección de partes con geometrías

complejas usualmente significa complicaciones en la aplicación de las capas

de fibras para lograr la configuración deseada, e involucra además de otros

procesos para lograr el producto final como lo es por ejemplo el cortado. Que

deben ser tomados en cuenta para la generación del modelo de trabajo.

Para los materiales compuestos reforzados una de las actividades que

más tiempo consume es la generación de la arquitectura o configuración de

las fibras dentro del sistema.

Para medir la complejidad de la forma de la pieza que se desea

manufacturar, se utilizó el programa FiberSim® de Composite Design

Technollogy™, la siguiente Figura 13-1, representa un arreglo ideal de maya

propuesto por el mismo donde se representan por medio del uso de

diferentes colores el grado de deformación que sufren las fibras en un punto

dado.


178


Figura 13-1 Mapa de fibras hecho con FiberSim®

Este programa permite importar la forma de las piezas hechas en

computadora bajo distintos formatos como los proporcionados por AutoCAD®

de la firma AutoDesk™ con su formato “.cad”, y luego el programa genera

automáticamente el dibujo de maya óptimo para la pieza seleccionada.

Se pide entonces al programa a calcular el cambio de ángulo a lo

largo de cada una de las fibras. El cual es una de las opciones que ofrece el

mismo.

Y ahora usando las siguientes ecuaciones

∫ ∂= sKnnθ Ecuación 13-6

∫ ∂= sK ggθ Ecuación 13-7

Podemos relacionar el ángulo medido por el programa con el esfuerzo

requerido para dar la forma a un grupo de fibras alineadas en la forma

requerida.

Entonces las medidas del cambio del ángulo de las fibras pueden ser

rigurosamente relacionadas con la forma de la parte y de la orientación de

las fibras.


179


Para hacer esto el departamento de sistemas, compiló un programa

que recoge los datos de salida del programa FiberSim®, el cual posee una

licencia en el servidor de la compañía y lo introduce en el programa

MathLAB®. Realizando este los cálculos necesitados, y devolviendo en una

interfase amigable los resultados de la corrida. Esta excelente solución

economiza también en el uso de licencias de los programas utilizados ya que

solo necesita tener una licencia de cada programa para correr el mismo en el

servidor y no una licencia para cada usuario.

Los resultados de seguir este procedimiento fueron comparados con

los generados por un modelo comercial que dispone la compañía ACCEM®,

dicho modelo se aproxima bastante bien la realidad para las configuraciones

para las cuales fue diseñado, pero no es actualizable y dispone de un grupo

de formas geométricas limitadas.

Figura 13-2 Correlación del tiempo total de fabricación de la parte

13.5 MODELO DE COSTOS TOTAL Y DISEÑO POR PROCESO DE MANUFACTURA

Los tipos de escalamiento que se acaban de ser explicados; deben de

ser integrados en un sistema completo el cual lleve a cabo la integración de

las actividades, la arquitectura de bloques de este sistema se muestra a

continuación.


180


Figura 13-3 Diagrama de bloques del programa para la estimación de costos

13.6 CONCLUSIONES

En conclusión podemos indicar que el modelo fue desarrollado y

funciona bastante bien, para diferentes tipos de estructuras geométricas y

procesos, algunas modificaciones y actualizaciones se siguen realizando

gracias a la ayuda de los usuarios. Ya que los mismos pueden enviar sus

sugerencias y errores encontrados directamente a los guardianes y

desarrolladores del programa.


181


14. CONCLUSIONES FINALES

El proceso de laminado manual es ampliamente utilizado en la

manufactura de estructuras y partes hechas con materiales compuestos

termoendurecibles. Pero una automatización del proceso es difícil y todavía

no se ha implementado con este tipo de materiales, lo que trae como

resultados altos costos de manufactura.

El principal objetivo del presente trabajo de grado fue el desarrollo de

un método o proceso novedoso para la manufactura de partes para interiores

de aviones usando materiales termoplásticos reforzado con tejido fibroso,

con el cual se pudiesen generar las partes por un método de conformado

directo, eliminado de esta maneras muchos pasos intermedios y

promoviendo la automatización del proceso, lo que reduciría la duración de

los ciclos de producción, disminuyendo en definitiva los costos de

fabricación.

En el trabajo se le dio gran importancia a la libertad de diseño, por lo

que en el mismo se presenta una metodología que puede ser aplicada para

futuros diseños o futuros materiales, y no solo a los casos estudiados como

ejemplos en el presente informe.

Para el proceso de termoformado estudiado uno de los principales

aprendizajes generados es que la complejidad y calidad de la parte

dependen en gran medida de la formabilidad que posean el tejido fibroso con

el que se refuerza la parte, una metodología experimental fue desarrollada

para seleccionar el mejor tipo de refuerzo textil que puede integrar una cierta

pieza según su geometría, encontrándose que los tejidos tipo Knitted

proporcionan una mejor formabilidad lo que los tejidos Woven, lo que los

hace ideales para componentes con geometrías complicadas, pero que a la

vez este tipo de refuerzo, brinda una menor rigidez al componente final, por


182


lo que el uso debe ser balanceado entre una mejor formabilidad y un mayor

desempeño mecánico.

La fracción volumétrica del tejido dentro de material compuesto,

también se relaciona en gran medida con la facilidad de conformación,

demostrándose que tejidos con arquitecturas más abiertas, con una menor

fracción volumétrica de fibra, son más fáciles de conformar pero ofrecen

menores propiedades mecánicas que arquitecturas más cerradas.

Por medio de la realización de pruebas de tracción en distintas

direcciones de las fibras se pudo demostrar que los textiles tipo Woven

presentan propiedades anisotrópicas, mientras que los textiles tipo Knitted,

presentan una buena isotropía, además de que este tipo de tejidos puede ser

deformado localmente lo que lo hace especialmente apropiado para el

conformado de componentes de geometrías complicadas. Con estas pruebas

de tracción se pudo también demostrar las bajas deformaciones que son

capaces de soportar los textiles tipo Woven antes de su falla, especialmente

en las direcciones principales del tejido (0°,90°). Mientras que los textiles tipo

Knitted tienen la capacidad de resistir mayores deformaciones, desde 4 hasta

15 veces más que los textiles tipo Woven antes de fallar, las deformaciones

de los tejidos tipo Knitted se deben a los estiramientos de los bucles

estructurales del propio tejido, fallando la estructura en las zonas donde se

unen los bucles debido a la concentración de esfuerzos.

La única manera de acomodar deformaciones en el plano para los

textiles tipo Woven es por el Trellis Effect. Por lo que un modelo basado en

una geometría de nodos articulados fue desarrollado para relacionar el

ángulo de bloqueo entre dos hilos consecutivos, con los parámetros

geométricos del tejido. Este modelo logró representar en muy buena forma

los resultados experimentales, pero también demostró que aunque el Trellis

Effect es el único tipo de deformaciones en el plano, no es la única forma en


183


la que se deforman los textiles tipo Woven, por lo que para poder predecir la

calidad de conformado con un tipo de textil, es necesario estudiar

drapabilidad del tejido seco, ya que este tipo de estudio combina los efectos

de los diferentes tipos de deformaciones, debido a los distintos esfuerzos a

los que una fibra puede ser sometido, compresión, tracción y corte en el

plano, así como el doblado o arrugado fuera del plano.

Estos estudios de drapabilidad demostraron que los textiles tipo

Knitted tienen una buena conformabilidad, y exhiben bajas energías de

conformación, a la vez que no producen arrugas, demostrando nuevamente

su superioridad para el conformado de componentes con geometrías

complicadas, en cambio los textiles Woven, mostraron una alta propensión a

la formación de arrugas durante las pruebas de drapabilidad y fallaron antes

de terminar la prueba debido a las bajas deformaciones que son capaces de

soportar antes de su falla.

Los textiles tipo Woven no fueron eliminados de todas maneras para el

resto de la investigación sino que se siguieron utilizando para tener formas

de comparación de resultados.

Laminados de Polieterimida, reforzado con fibra de vidrio están

disponibles en el mercado, pero sólo para refuerzos de tipo Woven, por lo

que para la generación del laminado para los tejitos tipo Knitted se usó el

método de superposición de láminas, el cual se optimizó para el sistema PEI-

Fibra de vidrio para obtener una excelente calidad de consolidación al menor

costo posible. Los resultados de los parámetros principales para la

consolidación optimizados son los siguientes:

Tiempo de consolidación = 2,5min.

Presión de consolidación = 4Mpa.


184


Temperatura de consolidación = 338°C.

Para lograr la optimización de estos parámetros se desarrolló un

modelo para estudiar el proceso de consolidación, este modelo tiene como

principal característica el que toma en cuenta la heterogeneidad en el arreglo

de las fibras, condición muy importante para la consolidación de textiles tipo

Knitted, que presentan muy poca uniformidad.

El desarrollo del modelo mostró también que para el proceso de

impregnación la presión viscosa es el factor determinante que se resiste a la

presión de impregnación, mientras que la presión capilar, la presión

almacenada por la compresión del lecho fibroso y la presión de los gases

atrapados dentro de los vacíos tienen poca importancia para los valores de la

impregnación.

Dos tipos de arreglos de fibras fueron identificados para los textiles

Knitted, uno de alta densidad volumétrica de las fibras, que se encuentra

donde se entrelazan diferentes bucles, y el segundo arreglo de menor

densidad en la zona entre las uniones de los bucles.

El modelo de consolidación requiere entonces de una buena

descripción de la configuración y distribución de las fibras dentro del sistema

para obtener resultados precisos, esta descripción se hace por

observaciones microscópicas del sistema PEI-Fibra de vidrio formado, lo que

trae el inconveniente que requiere de la realización de pruebas

experimentales para poder correr el modelo para nuevos tipos de tejidos

fibras, etc.

El modelo predice con muy buena confiabilidad los resultados de la

consolidación para cada uno de los parámetros que influyen en el proceso

(temperatura, presión, tiempo) el modelo fue probado tomando y sin tomar en

cuenta la reducción de la velocidad de consolidación, debido a la disminución


185


de la presión efectiva, por el aumento de la presión interna de los gases en

los espacios vacíos, y los resultados de ambas corridas difieren en valores

muy pequeños entre los cuales se encuentran los valores experimentales

obtenidos, esto se puede explicar por el hecho que ambas condiciones

suponen casos extremos, en donde cuando no se toma en cuenta la presión

de los gases atrapados supone que la matriz absorbe todos los gases dentro

de ella, y el segundo donde la matriz no absorbe nada de los gases

atrapados, existe bibliografía que tiene resultados de la absorción de gases

dentro de matrices poliméricas, así como del punto de saturación de la

misma para absorción de gases.

Se compararon los resultados experimentales del proceso de

consolidación con los resultados de un modelo convencional de

consolidación obteniéndose poca concordancia, dando mayor importancia al

modelo propuesto en el presente estudio, donde se toman en cuenta las

configuraciones de las fibras dentro del sistema.

Aunque la presión acumulada por la compresión del lecho fibroso,

posee poca importancia y por ende es despreciable para el proceso de

impregnación. Demostró ser un factor influyente para el proceso de

desconsolidación. Este fenómeno indeseable que puede ocurrir en la etapa

de calentamiento del proceso de termoformado, o en cualquier otro momento

donde la temperatura del sistema se encuentre por encima de la temperatura

del punto transformación de vidrio de la matriz y no exista la presión

suficiente como para mantener el laminado junto, para sí evitar la formación

de espacios vacíos y el desdoblado o relajamiento de las hebras de los

refuerzos.

El fenómeno de desconsolidación se atribuye entonces a la

disminución de la viscosidad junto con la liberación de energía elástica

almacenada por el sistema fibroso.


186


La temperatura de desconsolidación para el sistema PEI-fibra de vidrio

obtenida es de 255°C, donde se obtuvo muy poca diferencia entre los textiles

tipo Woven o Knitted.

Donde si se obtuvo una diferencia considerable fue en la Presión

almacenada debido a la compresión del lecho fibroso, donde para los textiles

tipo Woven fueron el valor obtenido es de 0,3MPa y para los Knitted de

0,05MPa, lo que trae como consecuencia que para que la cohesión se

mantenga y no se produzcan vacíos en el compuesto generado debe ser

aplicada una presión durante el proceso de conformado mayor a la presión

de mencionada anteriormente para cada tipo de tejido.

Estas presiones de antirelajamiento fueron utilizadas como parte de

los parámetros en la determinación de las ventanas operacionales para el

proceso de conformado de componentes para refuerzos con textiles Woven o

Knitted.

Las estructuras tipo sándwich fueron el tipo de componentes más

delicado con el que se trabajó, en estas el núcleo o alma estaba constituido

por el mismo termoplástico de la matriz (PEI) en forma de material espumado

o Foam. Para estos sistemas, se determinaron las propiedades mecánicas a

temperatura ambiente y más importante aún a temperatura de conformación,

estos resultados ayudaron a concluir con los límites de las ventanas

operacionales.

Se demostró también que el alma de estos sándwiches es sensible a

la temperatura, donde una temperatura mínima de 165°C es requerida para

evitar el desgarramiento durante el conformado, mientras los 185°C no

pueden ser sobrepasados para evitar el colapsamiento del las

microestructuras del núcleo. A esta temperatura superior la presión máxima

permitida es de 110KPa.


187


Las estructuras de las microceldas del núcleo fueron analizadas bajo

el microscopio para diferentes etapas del colapsado, revelando que la

estructura de las mismas cambiaba desde una forma poliédrica inicial a una

estructura con celdas esféricas de menor tamaño que guían hacia una

disminución o encogimiento macroscópico de la estructura espumada.

Figura 14-1 Micrografías del núcleo de PEI espumado en distintas etapas, desde intacto a estructura completamente colapsada respectivamente

Los resultados de las pruebas mecánicas hechas sobre los textiles

secos, indicaron que los tejidos tipo Knitted poseen un módulo y una

resistencia a la tensión mucho menor que los textiles tipo Woven si se

compara con los resultados en las direcciones principales para las fibras tipo

Woven, esto debería tener una relación directa en el comportamiento

mecánico de los laminados o la estructura final, pero esto no es así, ya que

al realizarse la impregnación completa de los tejidos, la resina termoplástica

previene el movimiento de las hebras que constituyen los refuerzos, esto

ayuda a que los tejidos tipo Knitted aumenten su resistencia, al prevenir la

deformación de los bucles, haciendo que la diferencia final entre la

resistencia de las estructuras hechas con tejidos tipos Woven y Knitted sea

pequeña, de menos de un orden de magnitud en las direcciones principales,

y que algunas veces sea despreciable en las direcciones sesgadas de las

fibras (±45°). Debemos notar que en esta parte, que los resultados se están

presentando de forma cualitativa y no cuantitativa debido a que al hablar de

los valores de los tejidos tipo Knitted y Woven nos referimos a los resultados

de forma general y no a los resultados de un tejido específico en donde la

estructura o arquitectura de cada tejido puede variar enormente su resultado


188


en las pruebas, como norma general mientras más cerrada es la arquitectura

mayor es su resistencia a la tracción, y los tejidos tipo Woven por su forma

de construcción tienden a ser estructuras más cerradas que los tejidos tipo

Knitted.

Pero así como las estructuras tipo Woven poseen una pequeña

ventaja en su resistencia mecánica a la tracción, se debe decir que las

mismas están en desventaja con los laminados de tejidos tipo Knitted en su

resistencia a las cargas de impacto.


189


15. RECOMENDACIONES

En el presente capítulo se exponen las recomendaciones planteadas

para la realización del proyecto, las mismas son expuestas separadas por

tema o área de estudio y presentadas por puntos para facilitar la lectura,

además se incluye también una breve explicación que sustenta o justifica la

recomendación para cada punto.

15.1 RECOMENDACIONES SOBRE LOS MATERIALES

15.1.1 MATRIZ POLIMÉRICA

• Se recomienda el uso de la Polieterimida (PEI) como matriz

termplástica, para el resto de los desarrollos. Ya que este polímero

cuenta con las siguientes características lo que la hace el material

idóneo para ser usado como material de soporte en el proceso:

• Cumple con todas las regulaciones y normativas establecidas

por la F.A.A. en materia de seguridad.

• Buenas propiedades mecánicas

• Altas temperaturas de servicio

• Para el caso de conformación de estructuras tipo sándwich, el

PEI genera un alma o núcleo de excelente calidad usando un

proceso de espumado estándar.

• La PEI posee buenas propiedades de mojado al ser usada con

la fibra de vidrio en la generación de un laminado reforzado.

• Entre otras


190


15.1.2 SISTEMA DE REFUERZOS

15.1.2.1 Material

Se recomienda el uso de la fibra de vidrio como material de refuerzo,

por sobre los otros tipos estudiados que incluyen las fibras de carbón y la

aramida, por varias razones:

• Los refuerzos textiles hechos con fibra de vidrio presentan una

menor rigidez que la de los otros refuerzos estudiados, en este

sentido con la fibra de vidrio será más fácil de lograr la forma

deseada, requiriendo una menor energía para su conformación

lo que se traducirá en el uso de menores presiones durante el

conformado.

• Los menores costos de los tejidos de fibra de vidrio en

cualquiera de sus variantes (vidrio E, C, R, S, T) al ser

comparados con los costos de tejidos de fibra de carbón o de

aramida, trae como resultado ahorros significativos en los

costos de los materiales.

• El que los componentes que se desean fabricar no sean partes

estructurales primarias, hace que los requerimientos mecánicos

sean mucho menores, por lo que el uso de las fibras de vidrio

que poseen propiedades mecánicas un poco menores que la

de los refuerzos hechos con fibras de carbón o aramida queda

justificado.

• Los tejidos de fibra de vidrio presentan una mejor drapabilidad

que la de los tejidos de otros materiales de refuerzo.

• La baja fracción volumétrica de fibra dentro de los laminados

hace que la mayor densidad de la fibra de vidrio por sobre los


191


otros materiales estudiados no represente grandes diferencias

en el peso final del componente.

15.1.2.2 Tejido

Se recomienda el uso de tejidos tipo Knitted por su mejor desempeño

en cuanto a su drapabilidad por encima de los tejidos tipo Woven. Por las

siguientes razones:

Las propiedades isotrópicas de los tejidos Knitted los hace

especialmente aptos para el termoformado, no así los tejidos tipo Woven que

presentan una fuerte anisotropía.

El uso de arquitecturas textiles abiertas como las encontradas en los

tejidos Knitted, favorece la drapabilidad y por ende la conformación, además

de que este tipo de estructuras requiere de menores energías de formación

lo que guiarán a un ahorro en los costos de fabricación. Pero con este tipo

de conformaciones también se reducen las propiedades reforzantes por lo

que se debe buscar un equilibrio en el cual se pueda lograr el conformado

del componente con la máximas propiedades mecánicas posibles, en este

sentido se debe seleccionar el refuerzo textil con las mejores propiedades

mecánicas que se pueda conformar a la geometría deseada.

En este sentido se recomienda la ampliación del presente estudio para

la generación de un modelo que sirva para seleccionar de manera

automática el tipo o modelo de tejido Knitted a usar en la conformación de

una parte dependiendo de la geometría de la misma.


192


15.2 DEL PROCESO DE LAMINACIÓN

15.2.1 USO DE AGENTES DE ENGOMADO O SIZING

Se recomienda la aplicación de agentes de engomado a las fibras de

vidrio antes de ser impregnadas, esto con el fin de aumentar la adherencia

entre las fases, lo que aumentaría la calidad del laminado final.

Se recomienda un realizar un estudio completo con el fin de

desarrollar nuevos agentes engomantes, específicamente desarrollados para

el sistema PEI- Fibra de vidrio, ya que los agentes disponibles en el mercado,

no están optimizados para sistemas termoplásticos.

15.2.2 SECADO

El primer paso para la constitución de un laminado de calidad, es la

eliminación de toda el agua que se encuentra absorbida dentro de la matriz

termoplástica. Para eliminar esta agua es necesario someter al polímero a un

proceso de secado. Para nuestro caso este es un procedimiento largo pero

muy sencillo, en el cual el material termoplástico se introduce dentro de un

horno que se encuentra a 125°C por un período de 8 horas. Este

procedimiento no tiene resultados que se puedan observar a la vista, pero es

muy importante no dejar de realizarlo. Ya que de lo contrario se crearán

burbujas que quedarán como espacios vacíos, al evaporarse el agua

presente dentro de la matriz, lo que reduciría la calidad del conformado.

15.2.3 TÉCNICA DE LAMINACIÓN

Se recomienda el uso del proceso de conformado por superposición

de láminas, debido a que el proceso por mojado en la matriz polimérica, el

cual es más eficiente y económico, presenta problemas para la laminación de

los textiles Knitted, los cuales son deformados en extremo por el sistema de

halado por rodillos, por lo que se recomienda el uso de este método


193


alternativo, mientras se realiza un estudio completo, que evite las

deformaciones del tejido al ser halado por el sistema de rodillos.

15.2.4 LIMITACIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA DE FIBRA

Se recomienda limitar la cantidad máxima de fibra a ser incluida dentro

del laminado a valores de 60%, por varias razones, la más importante es que

el uso de tejidos Knitted de arquitecturas abiertas, así como de altas

temperaturas y presiones de conformación, podría conducir a la falla del sello

generado por la continuidad del material polimérico, lo que conduciría a la

falla del proceso de conformado. Por la pérdida de la energía de

conformación debido al escape de la presión del sistema.

Se recomienda el seguimiento de los valores de las variables de

operación principales optimizados para el proceso de laminado, estos valores

se obtuvieron de la optimización de la función de las pérdidas de calidad del

sistema, siguiendo un desarrollo basado en Dox.

En este sentido los valores reportados fueron los siguientes:

Temperatura = 340°C

Presión = 4MPa

Tiempo = 2,5min

Se debe seguir el diagrama de la curva de operación presentada,

donde la presión de consolidación debe mantenerse aplicada en todo

momento mientras el laminado se encuentre a una temperatura mayor la del

punto de transición del vidrio que para la PEI que es de 217°C.


194


15.3 PROCESO DE CONFORMACIÓN POR TWIN-SHEET

El presente trabajo demostró que el conformado de componentes

hechos con material termoplástico reforzado con tejido fibroso es posible, y

en este sentido se darán algunas recomendaciones de uso práctico para

desarrollo del proceso.

Se recomienda el uso de un equipo por etapas separadas, la

recomendación es la selección de un equipo rotativo de 3 o 4 etapas

separadas como se describe a continuación, la primera etapa es la de

entrada de material al sistema que en el caso del sistema de 3 etapas es

también la etapa de salida, la segunda etapa la conformaría el sistema de

precalentamiento, la tercera la etapa de conformación y en el sistema de 4

etapas una última de salida del componente conformado.

La recomendación del equipo rotativo se basa en las facilidades que

brinda el equipo de ahorro de espacio y energético dentro de las

instalaciones.

El sistema de marcos utilizados, uno de los desarrollos más

importantes del presente trabajo se realizó en la parte concerniente al

sistema de marcos de soporte de los laminados durante el conformado, en

este sentido los requerimientos planteados de un sistema de marcos que

permita la introducción del material necesitado sin permitir la salida del aire o

presión de conformado por el mismo, fue desarrollado una técnica

innovadora, razones de confidencialidad obligan a la compañía o no revelar

el método utilizado, pero como recomendación se tiene que, debido a que el

método estudiado fue realizado a escala de laboratorio en la conformación

de piezas de limitado tamaño la fabricación de un marco a escala natural

para ser usado en los equipos Twin-Sheet reales es una recomendación

primordial para este trabajo.


195


A continuación se presentan un grupo de fotografías del equipo de

laboratorio utilizado en este desarrollo así como de las piezas termoformadas

siguiendo el procedimiento.

Figura 15-1 Equipos, materiales y Muestra del procedimiento de termoformado por Twin-Sheet a escala laboratorio.


196


16. GLOSARIO

A

Ácido dibásico: Ácido que tiene dos átomos de hidrógeno

sustituibles.

Alma en panal o Honeycomb: Producto manufacturado de metal,

papel u otros materiales que está impregnado en resina y que se ha formado

en células con forma hexagonal. Se utiliza como material de núcleos para

estructuras en emparedado o estratificadas.

Ángulo De Bloqueo: Es el menor ángulo alcanzado entre dos hilos

adyacentes de un tejido Woven, antes de que ocurra la interferencia y el

bloqueo entre los mismos

Anisótropo: Que presenta diferentes propiedades al ser probado a lo

largo de ejes en diferentes direcciones.

ASTM: American Society for Testing Materials (Sociedad

Norteamericana para la Prueba de Materiales).

Autoclave: Recipiente a presión que puede mantener la temperatura y

la presión de aire o gas que se desee para el curado de materiales

compuestos de matriz orgánica

Autoextinguible: Término general que describe la capacidad de un

material para dejar de arder una vez que se retira la llama.

B

Bifuncional: una molécula con dos grupos funcionales activos.

C


197


Cizalla interlaminar: Resiste a la rotura por efecto de cizalla, con el

plano de fractura situado entre las capas de refuerzo de un estrato.

Compuesto: Sustancia que consiste en dos o más elementos unidos

en proporciones definidas.

Compuesto o compuesto moldeado: Material reforzado con cargas,

fibras y otros materiales especiales para satisfacer las necesidades de

diseño.

Condensación: Reacción química en la que se combinan dos o más

moléculas, con separación de agua u otra sustancia sencilla. Si se forma un

polímero, el proceso se denomina policondensación.

Conformado al vacío: Método para conformar una lámina según el

cual se sujetan los bordes de la lámina de plástico en un marco fijo y se

calienta el plástico y se estira al vacío en un molde.

Conformado de colchón de aire: Proceso de termoconformado en el

que se emplea aire a presión para formar una burbuja, aprovechándose el

vacío después para formar plásticos calientes contra el molde.

Conformado con macho: Método de conformado de laminas

termoplásticas en un marco móvil. Consiste en calentar la lámina y colgarla

sobre los puntos superiores de un molde macho. A continuación, se aplica

vacío para completar el conformado.

Conformado de molde coincidente: Formación de chapas calientes

entre moldes hembra y macho coincidentes.

Conformado en relieve: Técnica en la que se estira la lámina de

plástico hasta conseguir una forma en burbuja por presión de vacío o aire, se


198


inserta un molde macho en una burbuja y se libera la presión de vacío o de

aire permitiendo que el plástico forme un relieve profundo sobre el molde.

Conformado libre: Técnica que utiliza aire a presión para soplar una

lámina calentada de plástico, cuyos bordes, que están soportados en un

marco se arquean hasta alcanzar la forma o altura deseadas.

Conformado mecánico: Técnica según la cual se da forma a chapas

calentadas de plástico a mano o con la ayuda de herramientas y montajes.

No se utiliza molde.

Conformado neumático: Método de termoconformado en el que se

utiliza corriente de aire o presión de aire para perforar parcialmente la lámina

inmediatamente antes de introducirla en un molde utilizando vacío.

Construcción en emparedado o sándwich: Estructura que consiste

en caras relativamente densas de alta resistencia unidas a un material o

núcleo intermedio de menor densidad y resistencia.

D

Deborah number: Número adimensional igual al tiempo de ralajación

de un proceso, dividido entre el tiempo en el cual el proceso es observado.

Drapabilidad: Propiedad de un tejido o material de adaptarse a una

superficie sin la formación de arrugas u otras irregularidades en su superficie.

E

Emparedado o Sándwich: Clase de materiales compuestos

estratificados formados por un material de núcleo de poco peso (alma de

panal, plásticos expandidos, etc.) al que se adhieren dos capas finas y

densas de alta resistencia.


199


Epóxido: Material a partir de óxido de etileno, sus derivados u

homólogos. Las resinas epóxicas forman termoplásticos y resinas

termoendurecibles de cadena lineal.

Esfuerzo: Fuerza que produce o tiende a producir la deformación de

una sustancia. Se expresa como la relación entre la carga aplicada y el área

transversal original.

Estratificado: Dos o más capas de material unidas entre sí. El término

se suele aplicar a capas formadas previamente unidas mediante adhesivos o

por calor y presión. Asimismo, se aplica a composiciones de películas

plásticas con otras películas, hojas y papel, incluso aunque se hayan

obtenido por recubrimientos de extensión o por recubrimiento por extrusión.

Un estrato reforzado consiste generalmente en las capas superpuestas de

refuerzos de tela o fibrosos recubiertos con resistencia o impregnados con

resina que han sido unidos con calor y presión.

Exfoliación: Proceso de desunión provocado principalmente por

tensiones interlaminares desfavorables; la exfoliación de contorno, sin

embargo, se puede prevenir eficazmente mediante un refuerzo de envoltura.

Exotérmico: Que desprende calor durante la reacción (curado).

F

Filamento: Una fibra que se caracteriza por tener una longitud

considerable sin retorcimiento. Un filamento se produce normalmente sin la

operación de hilatura que requieren de las fibras.

Fluencia: Deformación permanente de un material que resulta de la

aplicación de una tensión durante un período prolongado por debajo del

límite elástico. Un plástico sometido a una carga durante un período de

tiempo tiende a deformarse más que en el caso de que retirara la carga


200


inmediatamente después de la aplicación. El grado de deformación depende

de la duración de la carga. La fluencia a temperatura ambiental se denomina

a veces flujo en frío.

H

Hebra: Haz de filamentos.

Hilo: Haz de hebras retorcidas.

I

Impregnación: Proceso que consiste en el total empapamiento de un

material, como madera, papel o tela, con resina sintética, para que la resina

se introduzca en el cuerpo de; material.

Impregnar: Conseguir que penetre un líquido en un material poroso o

fibroso; inmersión de un sustrato fibroso en una resina líquida. Generalmente

el material poroso sirve como refuerzo del aglutinamiento plástico tras el

curado.

Inclusión: Introducción de un objeto en una envoltura de plástico

transparente por inmersión en una resina colada para que tenga lugar la

polimerización de la resina.

L

Laminación: Proceso para preparar un estratificado; también se

refiere a cualquiera de las capas de un material estratificado.

M

Material compuesto: Combinación de dos o más materiales

(generalmente una matriz de polímero con refuerzos). Los componentes


201


estructurales de los materiales y los compuestos se subdividen a veces en

fibrosos, copos, láminas, partículas y de esqueleto.

Material compuesto laminar: Material compuesto que consiste en

capas de materiales que se mantienen juntas mediante la matriz de polímero.

Existen en dos clases: estratos y emparedados.

Matriz: Material polimérico utilizado para unir los refuerzos entre sí en

un material compuesto.

P

Panel de emparedado: Panel que consiste en dos láminas finas

unidas a un alma o núcleo de espuma de peso ligero y espeso.

Polimerización: Proceso de crecimiento hasta grande moléculas a

partir de moléculas pequeñas.

T

Termoconformado: Proceso de conformado de hojas termoplásticas

que consiste en el calentamiento de la hoja y su prensado contra la superficie

de un molde.

Termoseteable, termoestable o termoendurecible: Polímero de red

que participa o ha participado en una reacción química por acción de calor,

catalizadores, luz ultravioleta, etc., para llevar a un estado relativamente no

fusible.

Termoplástico: Que tiene capacidad de ablandarse de forma repetida

con calor y de endurecerse con el enfriamiento. Polímero lineal que se

ablanda repetidamente al calentarse y se endurece al enfriarse.


202


Trama: Hilos o fibras transversales en una tela tejida: las fibras que

recorren perpendicularmente la urdimbre; también se denomina relleno,

carga, hilo, textura, picada.

Transición vítrea: Cambio de los polímeros amorfos o parcialmente

cristalinos desde un estado viscoso o gomoso a un estado duro y

relativamente frágil (de estado duro a viscoso).

U

Urdimbre: Dirección longitudinal del tejido en una tela o mecha; se

aplica así mismo a la distorsión dimensional de un objeto de plástico. Véase

Trama.


203


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208


18. ANEXOS

18.1 ANEXO # 1 PROPIEDADES DE LA POLIETERIMIDA

En el presente anexo se incluye parte del documento generado por la compañía proveedora de la Polieterimida, se debe notar que el polímero usado en el desarrollo del presente trabajo es de la clase genérica Ultem-1000, es decir sin refuerzos ni aditivos especiales. Pero que en algunas pruebas también se incluyeron muestras de la clase 1010 con mejoramiento de la viscosidad y de la clase 1110 con pigmentos.


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desarrollo del proceso de fabricaciÓn por doble...

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