s2 - mtc afl(1)

MaterialesMateriales C tCompuestos:

D i i d l i i lDescriptiva de los principales procesos de fabricacinprocesos de fabricacin

Antonio Fernndez LpezAntonio Fernndez Lpez

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ndiceSemana 2 (1 y 3 de Marzo) : Descriptiva de los principales

procesos de fabricacinprocesos de fabricacin Introduccin Materiales Tipos de proceso y estructuras Mtodos de fabricacin

Bolsa de vaco Etapas del proceso de fabricacin Otras aplicaciones

EspacioElica Elica

Automocin Ingeniera civil

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Ingeniera civil

Introduccin

Importancia de la fabricacin en el caso de t i l tmateriales compuestos

El incremento en el uso de MtC en la industria i h d li d l jaeronutica ha estado ligado a la mejoras en

los materiales y en la optimizacin en la fabricacin (tanto en las tcnicas como en losfabricacin (tanto en las tcnicas como en los procesos)Actualmente el proceso de fabricacin de MtC Actualmente, el proceso de fabricacin de MtCms comn es el conocido como moldeo mediante autoclave en el que las capas demediante autoclave , en el que las capas de material preimpregnado se inducen al curado en ciertas condiciones de presin y

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p ytemperatura.

Introduccin

Diferencias en la fabricacin con materiales compuestos respecto a los materiales metlicos:compuestos respecto a los materiales metlicos: en esencia, se puede decir que la fabricacin con materiales metlicos consiste en quitar el materialmateriales metlicos consiste en quitar el material de sobra de una pieza de partida, y que en materiales compuestos consiste en aportarmaterial hasta conseguir la estructura buscada.

4Aluminum isogrid used in McDonnell-Douglas launchvehicle components

Stanfords TRIG structure

Introduccin

Qu se espera de la fabricacin? La fabricacin, de forma ideal, aspira a ser: Lo ms integrada posible, facilitando elLo ms integrada posible, facilitando el

montaje Lo ms automatizada posible Lo ms automatizada posible En el menor numero de pasos y tiempo

MOLDE

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MOLDE

IntroduccinAIRBUS: Aplicacin histrica de materiales compuestos

+ J-nose+ Nacelle

M lti+ Timones de

Profundidad

+ Costillas Ala+ Mamparo de

PresinMonoltico+ Perfil de la

quilla,+ Mamparo

T

Profundidad+ Cajn

Estabilizador Vertical

+Trampas Tren

+ Alerones+ wet HTP

b

+ dry HTP box

+ trampas de Aterrizaje

Presin+ Secc.Fus. 19

+ Secc.Fus. 19.1+ Trampas Tren

MonolticasTrasero+Revestimiento

Monoltico Timn de

Prof ndidad

+Trampas Tren delantero

+ Timn+ Alerones

+ Aerofrenos

boxAterrizaje+ Flaps + Seccin 21

+ Superficies Movibles

EmpenajeM lti

+Carenadosdel Radome

+tapas borde salidaala y empenaje

Profundidad+ Aerofrenos Monolticas

1980-1990 1990-20001970-1980 2000-20101970-1980 1980-1990 1990-2000 2000-2010

6

1970 1980

A340-600/500A310/300A310/200A330-300

A340-300A320-200

A300/B2 A380

Introduccin

Floor Beamsfor Upper Deck V ti lGLARE in Upper

Fuselage

for Upper Deck Vertical Tail Plane

Outer FlapsSection 19.1

J-Nose

Horizontal Tail Plane

Rear Pressure BulkheadCenter Wing Box Wing Ribs

Section 19

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Materiales

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Materiales

El material de partida ms utilizado hoy en d l i d fib t jidda son los preimpregnados: fibra o tejido unidireccinal con resina en estado B, de f d i l fibforma que pueden manipularse fibra y resina conjuntamente

9Fibra unidireccional Tejido

Materiales

Resinas de uso aeronutico

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Materiales

Fabricacin de preimpregnados: 2 pasos:hot melt

Preparacin del filmp

Transferencia del film

nico paso: solven coatingsolven coating

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Materiales

RESIN CONTENTRESIN CONTENTCONTROLCONTROL RESINRESIN

FILMFILMCONTROLCONTROL

LOW VISCOSITY RESINLOW VISCOSITY RESIN++

PROTECTIVEPROTECTIVE++

SOLVENTSOLVENTRELEASE FOILSRELEASE FOILS

SOLVENT COATINGSOLVENT COATINGSOLVENT COATINGSOLVENT COATING HOT MELTHOT MELTHOT MELTHOT MELT

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Materiales

Defectologa en cinta prepreg

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Tipos de estructuras

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Tipos de estructurasLos tipos de estructuras utilizados en la fabricacin de componentes son: Estructuras monolticas

Constituidas por elementos slidos Grandes cargas Aplicacin principal en estructuras primarias ( HTP,VTP, etc..)

E t t d i h Estructuras sandwich Constituidas por un ncleo y dos pieles Estructuras que se requieran gran rigidez a flexin y ligeras.

Estructuras secundarias Estructuras secundarias Muy ligeras

SKINSKINSKINSKINSKINSKINSKINSKIN

TOP SKINTOP SKINTOP SKINTOP SKIN

HONEYCOMBHONEYCOMBCORECORE

HONEYCOMBHONEYCOMBCORECORE

15RIBRIBRIBRIBBOTTOM SKINBOTTOM SKINBOTTOM SKINBOTTOM SKIN

ESTRUCTURAS SANDWICHESTRUCTURAS MONOLITICAS

Tipos de estructuras Estructuras monolticas

Los dos procesos de fabricacin principales para obtenercomponentes con estructuras monolticas son:

Proceso en una fase:

Todas las partes que forman la estructura se obtienen en nico Todas las partes que forman la estructura se obtienen en nicoproceso que conforma la pieza final

En el caso de estructuras de materiales compuestos se tratarad i dde piezas cocuradas.

Proceso multifase:

- Las diferentes partes se fabrican por separado, encolndoseposteriormente mediante adhesivo.

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p


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Tipos de estructurasEstructuras sandwich

Son estructuras que consisten bsicamente en dosrevestimientos, inferior y superior, con un ncleo de bajadensidad que los separa.

Existen diferentes tipos de ncleos: Fibra de vidrio nomex Existen diferentes tipos de ncleos: Fibra de vidrio, nomex ,korex , espumas, Etc. Uno de los ms utilizados son los denomex como de fibra de vidrio, y celdilla de nido de abeja(honeycomb)( honeycomb ).

Como en el caso de laminados los procesos de fabricacin parap pobtener componentes con estructura sandwich son:

Proceso en una faseP ltif

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Proceso multifase


1Tipo de estructuras segn la integracin de subcomponentes

COCURADOComponente 1 frescoComponente 2 fresco

2

p

1Adhesivo

COENCOLADOComponente 1 curadoComponente 2 fresco

2

Componente 2 fresco

Componente 1 curadoComponente 2 curado

ENCOLADO SECUNDARIO12

Adhesivo

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Componente 2 curado


El tipo de integracin de la estructura va a tener una incidencia en: FabricacinFabricacin Montaje

Utillaje Utillaje Diseo Clculo

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Mtodos de fabricacin

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Fabricacin por mtodo hmedo

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Fabricacin por mtodo hmedo Ventajas

Muy Barato y rpido Muy Barato y rpido Innecesario el empleo de presin durante el

c radocurado No es necesario mano de obra especializada

Inconvenientes Malas propiedades mecnicas Malas propiedades mecnicas El resultado final es muy dependiente de la

mano de obra24

mano de obra

Mtodos de fabricacin y reparacionesreparaciones

Moldeo por proyeccin

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Mtodos de fabricacin y reparacionesreparaciones

Moldeo por proyeccin Ventajas

Barato y muy rpido Barato y muy rpido Inconvenientes

Malas propiedades mecnicas, al no aprovechar las propiedades direccionales de la fibra

Irregular proporcin fibra resinag p p

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Mtodos de fabricacinFabricacin con preimpregnados

Es el material ms generalmente usado en la fabricacin de estructuras primarias y secundarias en aeronuticas

Optimizacin de la proporcin fibra-resinap p p El almacenamiento del material requiere grandes cmaras frigorficas

(-18C), un registro continuo de temperaturas y un control del stock (caducidad del material)

La pegajosidad (Tacking) es clave para la fabricacin, principalmente con los procesos automatizados (ATL y FP)

Otros parmetros importantes son las tolerancias dimensionales del material la impregnacin de la fibra y las fases de la resinamaterial, la impregnacin de la fibra y las fases de la resina.

El proceso se completa con el curado en autoclave, necesario para conseguir del material los requerimientos tpicos de las estructuras aeronuticasaeronuticas

El alto coste del material, unido al mantenimiento del almacn y al material desaprovechado limitan su uso al entorno aeronutico

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Apilado manual Lay-up manual Ventajas

Fabricacin de estructuras de geometra tantoFabricacin de estructuras de geometra tanto simple como compleja (doble curvatura)

Inversin inicial moderadaInversin inicial moderada Inconvenientes

M d b lt t lifi d Mano de obra altamente cualificada Alto porcentaje de material desaprobechado

(S )(Scrap) Dificil de implementar en piezas de gran tamao

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Corte de telas manual y automtico

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Ejemplos de fabricacin mediante apilado manual de telas

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Mtodos de fabricacinApilado automtico - ATL Ventajas Ventajas

Capacidad para fabricar piezas de grandes dimensiones

Muy altas cadencias de fabricacin que permiten el empleo de otras tcnicas (conformado en caliente, pultrusin)pultrusin)

Menor numero de personal implicado que en el proceso manual

I i t Inconvenientes Limitado a superficies planas o con poca curvatura

Inversin inicial alta Inversin inicial alta Altos costes de mantenimiento y material

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Ejemplos de ATL

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Revestimiento del HTP del A340Revestimiento del HTP del A340

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Fiber Placement - FP Ventajas

Posibilidad de automatizar procesos con Posibilidad de automatizar procesos con geometras complejas (doble curvatura)Altas carencias de fabricacin Altas carencias de fabricacin

Muy alto aprovechamiento del material (Sin scrap)

No se necesita compactacin Inconvenientes

Inversin inicial muy alta35

Inversin inicial muy alta Muy altos costes de mantenimiento y material


Limitaciones debidas al cabezal en el diseo con FP

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Maquina de 7 ejes

Salida de haz de filamentos con tensin controlada

Colimador de la bandaCabezal de colocacin

de la fibra

Cortadores del haz de filamentos y mecanismo

de embridado

Rodillo de t i

Banda de fibra colimada

Rodillos de reinicio del haz

compactacin

Superficie de la piezaCalor controlado

Direccin de desplazamiento del cabezal

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Ejemplo: A380 Seccin 19

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Mtodos de fabricacinCaractersticas de la fabricacin con fibra seca

Uso de tejido seco + resina (liquida o film) Alta flexibilidad en la utilizacin de refuerzos Alta flexibilidad en la utilizacin de refuerzos Almacenamiento de tejidos a R.T. Resinas mono o multicomponentesResinas mono o multicomponentes Preferiblemente para piezas tridimensionales Las diferentes tcnicas se distinguen por laLas diferentes tcnicas se distinguen por la

frontera y por la presin requerida RTM-Presin mecnica RLI Presin de vacio (o autoclave) RFI: Presin de autoclave

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Mtodos de fabricacinResin Transfer Molding - RTM

Ventajas Capacidad de fabricacin de soluciones complejas

Para una estructura de seccin conocida el precio es menor que Para una estructura de seccin conocida, el precio es menor que las soluciones con preimpregnados automatizadas (ATL y FP)

Muy buen control del volumen de fibra a travs de la geometra del tildel til

Alta repetitividad Inconvenientes

La baja viscosidad de las resinas necesaria para la inyeccin La baja viscosidad de las resinas necesaria para la inyeccin completa de piezas de geometra complicada esta asociada a una baja tenacidad

Gran dificultad para obtener piezas con cinta unidireccionalGran dificultad para obtener piezas con cinta unidireccional El bajo nivel de automatizacin redunda en un alto precio de las

preformas

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Esquema del proceso de RTM

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Ejemplos de piezas fabricadas por RTM

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Mtodos de fabricacinResin Liquid Infusion- RLI


Ventajas Menor coste de materiales y componentes que con

preimpregnados Capacidad para fabricar elementos de gran tamao Tecnologa auxiliar similar a la utilizada conTecnologa auxiliar similar a la utilizada con

preimpregnados Inconvenientes

Req iere resinas de m baja iscosidad Requiere resinas de muy baja viscosidad Dificultad para simular el llenado debido a la frontera mvil Peor control del volumen fibra/resina que con q

preimpregnados Dificultad para automatizar la fabricacin de las preformas

en elementos de gran tamao

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g

Mtodos de fabricacin Ejemplo RLI


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Mtodos de fabricacinResin Film Infusion - RFI

Ventajas


Ventajas Similar al RLI, solo que mediante resinas de

mayor tenacidadmayor tenacidad Capacidad para fabricar elementos de gran

tamao Inconvenientes

Limitado a piezas de geometra sencilla, aunque i t lno necesariamente planas

Dificultad para automatizar la fabricacin de las preformas en elementos de gran tamaopreformas en elementos de gran tamao

Coste de preformas muy alto

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Manparo de presin

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Filament WindingUso de mechas preimpregnadas enrolladas en un mandrilen un mandril Limitado a la fabricacin de estructuras il d icilndricas convexas

Estructuras sin altas solicitacionesEstructuras sin altas solicitaciones mecnicas, salvo en sentido axial

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Esquema de Filament Winding

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Ejemplos de Filament Winding

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Filament Winding Ventajas

Alto nivel de automatizado Tecnologa fcil de desarrollar Bajo coste de los materialesBajo coste de los materiales

InconvenientesAlt t d l d il Alto coste de los mandriles

Mal acabado de las superficies exteriores de l tlos componentes Requiere el uso de resinas de baja viscosidad

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PultrusinUso de preimpregnados fibra seca + resinaresinaFabricacin de piezas de espesor constante

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Ejemplos de pultrusin

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Pultrusin Fabricacin de piezas de espesor constante Ventajasj

Series de piezas muy grandes Capacidad de fabricacin en continuop Una vez automatizado, muy bajo coste de las piezas

Inconvenientes Resina especficas que requieren poco tiempo en p q q p pel proceso de curado para eliminacin de voltiles y consolidacin

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Conformado en caliente Piezas de geometra sencilla (paneles planos

sin cambios de espesor) se conforman de la p )misma forma que los metales, por medio de calor y una presin aplicada con un tily p p

En el caso de los termoplsticos, se pueden realizar configuraciones estructurales, donderealizar configuraciones estructurales, donde adems se pueden realizar soldaduras de otros elementos para rigidizarotros elementos para rigidizar

En el caso de los termoestables esta tcnica se usa para obtener geometras complicadas

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se usa para obtener geometras complicadas de una plana previo al curado


Ejemplo: J-Nose A380, conformando paneles de fibra de vidrio con termoplstico y soldando rigidizadores posteriormentey g p

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Mtodos de fabricacin: Bolsa de

VacoVaco57


Objetivos de la fabricacin mediante bolsa de vacio:vacio: Mantener un vaco uniforme Aplicar presin durante el curadoAplicar presin durante el curado Permitir la extraccin de gases

Defectos que resultan de una incorrecta bolsaDefectos que resultan de una incorrecta bolsa de vaco: Arrugasg Puenteos Sobresangrado o sangrado insuficiente Alto contenido de poros Dimensiones fuera de tolerancias

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Mtodos de fabricacinElementos de la bolsa de vaco

Pelculas de vacio: Suelen ser pelculas de nylon que se colocan, sobre apilado en el til, como envolventes de las bolsas de vacio

Pelculas separadoras: Sirven para separar los materiales preimpregnados del resto de materiales que forman la bolsa de vacio, tambin pueden emplearse, en algunos casos, como desmoldeantes.

Tejidos aireadores: Facilitan la extraccin del aire ocluido durante el proceso de apilamiento y los volatiles producidos durante el curado suelen situarse entre la piezaapilamiento,y los volatiles producidos durante el curado. suelen situarse entre la pieza y el material de la bolsa. No estarn en contacto con el preimpregnado

Tejidos sangradores: Permiten la eliminacin del exceso de resina de los materiales preimpregnados en los procesos, que as se requiera, optimizando el porcentajepreimpregnados en los procesos, que as se requiera, optimizando el porcentaje fibra/resina de la pieza final.

Tejidos pelables: Se utilizan como proteccin superficial en aquellas piezas que pueden ser objeto de contaminacion, o que lleven un proceso posterior de encolado o pintura normalmente con un tratamiento posterior de lijado

Retenedores: Evitan el flujo excesivo de resina del elemento por su contorno, durante el ciclo de curado.

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Pasta de vacio: Es una cinta, de unos 15 mm de anchura, utilizada en el sellado de la bolsa de vacio.


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Mtodos de fabricacin Las ventajas de este mtodo de fabricacin son las

siguientes: Presin uniforme. Buena estabilidad dimensional. Se pueden procesar todo tipo de materiales, desde geometras p p p , g

planas a contornos complejos. Espesores de lminas variables. Curado o compactacin.p

Consideraciones a tener en cuenta:El utillaje es complejo y muy caro El utillaje es complejo y muy caro.

Ciclo de curado largo / ratio de produccin bajo El proceso de preparacin de la bolsa de vaco es caro y requiere

personal cualificadopersonal cualificado. Si existen fallos en la bolsa o en el sellante, se incrementa el

coste. El tamao de la pieza est limitado por el tamao del autoclave

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El tamao de la pieza est limitado por el tamao del autoclave.


Ejemplo final de bolsa de vaco

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Etapas del proceso de fabricacin

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Etapas del proceso de fabricacin con prepregs

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Etapas del proceso de fabricacin con preformas

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Distribucin del proceso de fabricacin

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Otras aplicaciones

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Otras aplicaciones: Espacio

Caractersticas Similar a las caractersticas del sector

aeronutico Empleo de materiales con muy alto mdulo

Critico el comportamiento trmico y las Critico el comportamiento trmico y las condiciones trmicas extremas a las que se somete el materialsomete el material

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Otras aplicaciones: Elica

Fabricacin de una pala de aerogenerador

Fabricacin de la viga Fabricacin de las conchas Ensamblaje

70Curado Desbarbado y pulido


Materiales de una pala de aerogenerador

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En la fabricacin de la viga, no solo se optimiza en diseo, sino tambin con materiales: Se utiliza carbono nicamente en los extremos sometidos a flexin

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Otras aplicaciones: Automocin

Caractersticas Uso limitado a coches de muy alta gama

debido a costes y carencias de producciny p Inters en implementar materiales de bajo

coste con resinas termoestables de curadocoste con resinas termoestables de curado rpido y termoplsticosProblemas con los Problemas con los requisitos de impacto

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Otras aplicaciones: Ingeniera civil

Caractersticas Grandes posibilidades, principalmente en la

fabricacin de vigas por pultrusing p p Requerimientos marcados por la necesidad de

crear un proceso en lneacrear un proceso en lnea Utilizacin de resinas que permitan el curado

por microondas o por luz ultravioletapor microondas o por luz ultravioleta Actualmente en uso, pero

solo excepcionalementedebido a los costes

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S2 - MtC AFLS2 - Introduccin a los procesos de fabricacin 2

s2 - mtc afl(1)

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