diapositivas - u5 - materiales compuestos
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Tecnología I
Materiales compuestos1.
Introducción
2.
Comportamiento mecánico
3.
Tipos de MC
4.
Semiterminados
5.
Terminados en molde abierto
6.
Terminados en molde cerrado
7.
Relación costo / beneficio
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Ventajas
Comportamiento mecánico: ↓ δ, ↑ ε, ↑
rigidez
Resistencia a altas temperaturas: resinas termorrígidas hasta 330°C
Anisotropía: dependiendo de la orientación de las fibras.
Atenuador de vibraciones
Resistencia química – Buen comportamiento frente a llamas
Libertad de diseño: procesamiento, piezas, herramental bajo costo
Alto concepto FCF/NNS
Materiales compuestos - MC
Sólido heterogéneo de 2 o mas materialesRetienen identidadFin de la 2da fase →
“fase de refuerzo”
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1. Propiedades de los distintos componentes
2. Cantidades relativas de los componentes
3. tamaño, forma, distribución y orientación de la
2da fase
4. del grado de adhesividad entre matriz refuerzo y2da fase
Dependencia de los MC
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MC: propiedades mecánicas
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MC: propiedades mecánicas
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1. Rotura de las fibras
2. Rotura e/fibras
Matriz y/o
Falta de adhesividade/matriz y 2ª fase
Hipótesis de fallo
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Hipótesis de fallo: pull-out
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a.- Compuestos laminares
Multilaminados unidireccionales o multidireccionalesLaminados sandwichs: vidrios de seguridadLaminados superficiales: formicas, enchapadosLaminados bimetálicos
b.- Compuestos particulados
Concreto = cemento + piedra + arena
Muelas rectificado = abrasivos (Al2O3, CSi) + ligante
c.- Compuestos reforzados por fibras.
Tipos de MC
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Compuestos laminares
Tipos de MC
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Tipos de MC
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Tipos de MC
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Fibras
Fibras = cortas
Fibras largas = filamentosVarios filamentos paralelos – Carretel = Rovings
Estructuras textiles
Fieltros, “mats” Sistemas no mallados = tejidos, ensambles y trenzas
Sistemas mallados = mallas y encadenados
MC reforzados con fibras
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VidrioE: para uso eléctricoR/S: para uso estructural
C: para uso químico
Carbono (C entre 92 y 100%)
HT: alta tenacidad, soporta altas cargasHM: alto módulo, evita deformacionesHST: alta resistencia y tenacidadIM: módulo intermedio
Aramidas – KevlarFibras orgánicas, muy buen comportamiento al impacto
Envejecimiento, degradación con el tiempo
Fibras: tipos
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Fibras: propiedades
Vidrio Carbono Aramidas PE
E R/S C HT HST IM HM HMResistenciatracción
Gpa 3.4 4.5 3.12.73.5
3.97.0
3.45.9
2.03.2
2.83.0
2.83.4
2.63.3
Alargamiento
rotura %
3.3
4.8
4.2
5.4 3.5
1.2
1.4
1.7
2.4
1.1
1.9
0.4
0.8
3.3
4.4
1.9
2.4
2.7
3.5
∅
Filamento μm 3-25 3-8 5-7 5-7
6.58
12 122738
Densidad
gr/c
m3 2.6 2.5 2.4 1.78 1.80 1.76 1.84 1.42 1.46 0.97
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Fibras: propiedades
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Fibras: propiedades
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MC reforzados con fibras
Fibras vidrio largas discontinuas
Fibra de C ∅ ≈ 5 μmy cabello humano
∅ ≈ 40 μm
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Fibras
Roving para Filament Winding
Roving para Spray Up
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Fibras
Cintas y bobinas tejidas paraSMC
Telas y cintas
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Fibras
Fibras de C: telas
Fibras Kevlar: telas
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Fibras
Mallados - Encadenados
Tejidos - Trenzados
Tejidos - Ensamblados
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Fibras
Tejidos
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Fibras
Tejidos ensamblados
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Fibras
Mat: distribución random
Mat ensamblado paraevitar desprendimientos
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Fibras
Mat en rollo ≈
1,6 m de ancho
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Híbridos
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Fibras
Estructuras premoldeadas tipo panal de abejas
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1. Fijan y estabilizan a la fase refuerzo
2. Transmiten los esfuerzos mecánicos a las fibras
3. Protegen 2ª fase: humedad, ataques químicos
Termorrígidas, en algunos casos termoplásticos
•
Muchos puntos de entrecruzamiento → ↑↑ rigidez
•
Resistentes al ataque químico
•
Resistentes a altas temperaturas
• Altas velocidades de polimerización
Matrices
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Resinas PoliésterDesde 1936, para SMC. De bajas Tg y baja rigidezImportante % de contracción. De muy bajo costo
Resinas Viniléster↑
PM, ↑
Resistencia química y térmica y ↓
% contracción
Resinas Epoxis
Desde 1938, son las mas utilizadas↑
Resistencia a la T (250ºC), ↑↑
PM y ↑↑↑
costo
Desventaja: alta absorción de agua
Resinas FenólicasDe amplio uso, libera H2O ⇒
fisuras y/o poros
↑↑↑
frente a llama directa, ya que sigue liberando H2O
PP - Polieterimidas (PEI) – Polieteretercetona (PEEK)P/ semiterminados TPRFV, p/alto impacto y cortos tiempos
Matrices poliméricas
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Compatibilidad Matriz / FR
Fibras Matrices Termorrígidas Matrices TermoplásticasPSins. Epoxi FP VS PI PP PA PEEK PES
Sintéticas
Aramidas
Buena↑↑↑
Buena
Buena↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
Buena
PE Buena↑↑↑
Buena
Mala Buena Mala Mala Mala Mala Mala
Vidrio
Vidrio C↑↑↑
Buena
Vidrio E↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
Buena Buena
Vidrio
R/S
Buena↑↑↑
Buena
Buena Buena↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
Carbono
CarbonoHT
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
Buena↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
CarbonoHST
Buena↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
Carbono
HM Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena Buena
↑↑↑
Buena
↑↑↑
Buena
PSins.-Poliester Insaturado; Epoxi; FP-Fenoplastos VS-Vinilester; PI-Polyimida; PP-Polipropileno; PA-Poliamida
PEEK-Polieter éter cetona PES-polieter sulfona
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Proceso previo de impregnación entre fibras y matriz
MC de muy alta calidad, previamente armado
Semiterminados →
muy alta escala
Indice de defectos disminuye drásticamente
Defectos típicos
Baja impregnación →
baja adhesividad matriz/fibra
Presencia burbujas de aire en matriz polimérica
Semiterminados / semielaborados
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Semiterminados: SMC
Láminas premoldeadasFabricados en máquinas de 'mat'Roving continuo o discontinuo + rociado de fibras
Espesores 2 y 3 mm. Apilado define espesor final
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Semiterminados: SMC
Disposición de las fibras
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Semiterminados: SMC
Sheet Molding Compaund
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Conformación de láminas pre impregnadasAsistencia por vacío: mejora impreganación
elimina burbujas de aire
Asistencia por bolsas de vacío: calidad mediaAsistencia en autoclaves: calidad óptimaEspesores < 2 mm. Apilado define espesor final
Semiterminados: Prepregs - Preimpregnados
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Semiterminados: Prepregs - Preimpregnados
Fabricación de prepegs con bolsas de vacío
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Semiterminados: Prepregs - Preimpregnados
Prepregs TapeFR Honeycomb para Prepregs
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Semiterminados: Prepregs - Preimpregnados
Armado con Prepregs
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Espesor e/2–4mm, dimensionalmente establesVida de banco indefinida, superficialmente no pegajosos1° forma: Dos placas extrudadas con la 2da fase entre medioLuego, prensas (simples o dobles) por encima de TgLuego, enfriamiento
Semiterminados: TPRFV
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Semiterminados: TPRFV
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Perfiles sin fin, como extruídosFase refuerzo →
roving continuo, aplicado longitudinalmente
Velos de superficie, estéticos y evitan 2da fase c/superficieVelocidad de producción →
desde 0,1 hasta 3 m/min.
Pultrusión
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Pultrusión
1º y 2º) Almacenamiento y aprestado/desaprestado de rovings3º) Impregnado de las fibras: por inmersiónResinas de baja viscosidad (buena impregnación)4º) Preconformado de los perfiles: dados conformadores.
5º) Conformado, endurecimiento y calibrado del perfilDado conformador final, revestido en Cr.Incremento de T para polimerizado.6º) Enfriamiento: disponer de los perfiles sin que se adhieran
7º)Traccionado: mediante orugas o grampas, pretensado8º) Corte: corte a medida que va avanzando el perfil
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Pultrusión
Batea para impregnación de resinas
Dados de pultrusión
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Pultrusión
Batea para impregnación de resinas
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Pultrusión
Dado de pultrusión
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Pultrusión
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Pultrusión: variantes
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Moldes de todo tipo, hasta de madera, con desmoldante1° capa de resina, evitando que la 2° fase este en la superficieAsistencia de brochas y rodillos, 2°fase con o sin orientación
↑↑ costo mano de obra, pero ↓↓↓ costo herramentalPiezas de gran tamaño, geometría complicada, partidas bajasNo mas de 30% de fibras respecto de matriz.Embarcaciones, piletas, autopartes, etc.
Laminado manual – Hand Lay Up
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Laminado manual – Hand Lay Up
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Hand Lay Up
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De mayor rendimiento, para partidas medianas
Pulverizado – Spray Up
Pulverizador+
Dosificador+Cabezal Tronzador Roving
Rodillos para eliminar poros
Fase refuerzo↓
distribución random
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Pulverizado – Spray Up
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Pulverizado – Spray Up
Roving para spray upFibras tronzadas → calidad media
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Molde abierto
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Molde abierto asistido por vacío
Piezas de alta calidad
Muy buena impregnaciónAusencia de burbujas de aire
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Molde abierto asistido por vacío
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Molde abierto asistido por vacío
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Molde abierto asistido por vacío
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Reforzar tubos huecos, con superficie exterior calibradaLanza con dos alimentadores: resina y fase refuerzoVelocidad rotación hasta 1000 RPM
Fibras random + mat y/o tejidos o trenzados tubulares
Centrifugado horizontal
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Refuerzo p/cuerpos de revolución, generalmente huecosBobina fibras + matriz sobre molde / modeloModelo, puede o no extraerseSuperficies negativas →
modelo desmontable
Bobinado – Filament Winding
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Bobinado – Filament Winding
Refuerzo para tubos ytanques de gran tamaño
Contenedores de Alreforzados con fibras
↓Baja densidad
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Impregnación → similar a pultrusiónRotación de la pieza sincronizada c/avance carro alimentadorRefuerzo desde alimentadores anularesEvitar escurrimientos por gravedad, rotación
Acepta hasta 65% de fibrasDesde pocos cm hasta mas de 9 metros de diámetro
Bobinado – Filament Winding
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Bobinado – Filament Winding
Rovings de FC para filament winding
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Bobinado – Filament Winding
Extractor de moldes
ó
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A partir de semielaborados SMC o TPRFPara piezas planas c/buenas PM; orientación en las fibrasMolde metálico cerrado calefaccionadoPreparación del SMC en forma y peso de acuerdo a la pieza
Compresión - Prensado
ó
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Compresión - Prensado
Anteojos de fibra de C
Error conceptual de diseño … PM superiores en 2 ordenesde magnitud respecto de la cabeza del usuario
ó d
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Geometrías rectangulares →
disminuyen descarte
Con TPRF →
precalentar conjunto > Tg → ↑ adhesividad
En SMC, temperaturas del orden de 150°C↓↓
viscosidad → ↑↑ llenado cavidad de moldeo (colabilidad)
Calentamiento exotérmico abre molde → ↑ desmoldeo
Compresión - Prensado
T f i RTM
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1° paso →
colocación fase refuerzo
2° paso →
inyección de resina
↓↓
viscosidad resina → ↓↓ tiempos de curado
Piezas medianas a grandes, 2°fase hasta 50%
Ventajas de la técnica son:•
Superficies calibradas en ambas lados de la pieza
•Bajo tiempo de curado, bajos costos de fabricación• Baja emisión de vapores•
Incorporación de espumas (fonts) →
piezas muy livianas
Transferencia - RTM
T f i RTM
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5 Etapas
Colocación 2º fase↓
Cierre↓Calor / Inyección
↓
Polimerización↓
Desmoldeo
Transferencia - RTM
T f i RTM
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Transferencia - RTM
RIM
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Similar a RTMMezcla de resinas en cámara independienteVentaja y desventaja →
↑↑↑
rapidez tiempos polimerización
Para piezas grandes y relativamente planas.
Fuerza de cierre muy baja, menor que prensado y RTMUnica boquilla alimentación →
simétricamente posicionada
RIM
C id i d di ñ
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Consideraciones de diseño
C id i d di ñ
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Consideraciones de diseño
Consideraciones de diseño
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Consideraciones de diseño
Consideraciones de diseño
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Consideraciones de diseño
Técnica FabricaciónCostoEquipo
CostoHerramen
Costoproducción
N° de piezas(vida útil)
Semi Elaborados
SMC – Prepegs Alto Alto Alto Sin límitesTPRFV Alto Sin límitesPultrusión Alto Alto Alto Sin límitesElab. molde abiertoLay-up Manual ↓↓↓
Bajo ↓
Bajo ↓↓↓↓
Bajo 800–1000
Spray-up ↓↓
Bajo Bajo ↓↓
Bajo 100–200
Centrifugado ↓
Bajo Normal Normal
Filament w inding Bajo Normal Bajo Sin límitesElab. molde cerrado
Prensado SMC–TPRF Alto ↑↑↑
Alto Alto 300.000–400.000
Transferencia RTM Alto Alto Normal 1.000.000Inyectado RIM ↑↑↑
Alto ↑↑↑
Alto ↑↑↑
Alto 300.000–1.000.000
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Ing. Matías
MARTÍNEZ GAMBA
Director: Dra. Patricia FRONTINI
Co-Director: Dr. Antonio Sergio POUZADA
INTEMA –
CONICET/UNMDP, Mar del Plata, Junio
2006
Tesis Magister Scientiae
International Research Seminar on Engineering with Plastics
PROPIEDADES DE IMPACTO Y MICRODUREZA
DE POLIPROPILENOS
REFORZADOS CON FIBRAS DE VIDRIO
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SHAPE AND SIZE OF MOULDED PARTS
Rectangular box, of 70 x 130 mm,wall of 15 mm and thickness of 1,4 mm.
Ti ti Tm Pmax P2
PP non rein. 250ºC; 280ºC 1 y 2 s 50ºC 3MPa 1.8MPa
PP 20%GF 250ºC; 280ºC 0.5, 1 y 1.5 s 50ºC 3MPa 1.8MPa
PP 30%GF250ºC; 280ºC 0.5, 1 y 1.5 s 50ºC 3MPa 1.8MPa
PP 30%GF 250ºC; 280ºC 0.5, 1 y 1.5 s 50ºC 3MPa 1.8MPa
MOULDING PARAMETERS
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Injection Machine
Klockner Ferromatic Desma FM20
Vol max: 37 cm3
Fmax close: 200 kNPmax injection: 250 MPa.
Hot runner injection mould, to
inject parts with weld lines.
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Grado de PP con ≠
% de f ibras
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Solidification temperature
T inj: 250ºC
ti: 0.5 s (up left)
ti: 1.0 s (down left)
ti: 1.5 s (down rigth)
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