Las materias primas de los materiales compuestos incluyen resina, fibra y material central, etc.Hay muchas opciones, y cada material tiene su resistencia, rigidez, tenacidad y estabilidad térmica únicas, y su costo y rendimiento también son diferentes.
Sin embargo, el rendimiento final del material compuesto en su conjunto no solo está relacionado con la matriz de resina y las fibras (y el material del núcleo en la estructura tipo sándwich), sino que también está estrechamente relacionado con el método de diseño y el proceso de fabricación de los materiales de la estructura. .
Este artículo presentará los métodos de fabricación de compuestos comúnmente utilizados, los principales factores que influyen en cada método y cómo elegir las materias primas para diferentes procesos.
Descripción del método:Un proceso de moldeo en el que el material reforzado con fibra cortada y el sistema de resina se rocían en el molde al mismo tiempo y luego se curan bajo presión normal para formar un producto compuesto termoendurecible.
selección de materiales:
Resina: principalmente poliéster
Fibra: hilo de fibra de vidrio grueso
Material del núcleo: Ninguno, debe combinarse con los laminados por separado
La ventaja principal:
1) La artesanía tiene una larga historia.
2) Bajo costo, colocación rápida de fibras y resinas
3) bajo costo de molde
Principales desventajas:
1) El tablero laminado es fácil de formar un área enriquecida con resina y el peso es relativamente alto
2) Solo se pueden usar fibras cortadas, lo que limita severamente las propiedades mecánicas de los laminados.
3) Para facilitar la pulverización, la viscosidad de la resina debe ser lo suficientemente baja como para perder las propiedades mecánicas y térmicas del material compuesto.
4) El alto contenido de estireno en la resina en aerosol significa mayores riesgos potenciales para los operadores, y la baja viscosidad significa que la resina penetra fácilmente en la ropa de trabajo de los empleados y entra en contacto directo con la piel.
5) La concentración de estireno volatilizado en el aire es difícil de cumplir con los requisitos legales
aplicación tipica:
Cercado simple, paneles estructurales de baja carga como carrocerías de automóviles convertibles, carenados de camiones, bañeras y botes pequeños
Descripción del método:Impregnar manualmente las fibras con resina.Las fibras se pueden reforzar tejiendo, trenzando, cosiendo o uniendo.La colocación manual generalmente se realiza con rodillos o brochas, y luego la resina se exprime con un rodillo de goma para penetrar las fibras.Los laminados se curaron a presión normal.
selección de materiales:
Resina: ningún requisito, epoxi, poliéster, éster de polivinilo, resina fenólica son aceptables
Fibra: Sin requisitos, pero la fibra de aramida con mayor peso base es difícil de infiltrar a mano.
Material del núcleo: ningún requisito
La ventaja principal:
1) La artesanía tiene una larga historia.
2) Fácil de aprender
3) Si se usa resina de curado a temperatura ambiente, el costo del molde es bajo
4) Amplia selección de materiales y proveedores.
5) Alto contenido de fibra, las fibras utilizadas son más largas que el proceso de pulverización
Principales desventajas:
1) La mezcla de resina, el contenido de resina y la calidad de los laminados están estrechamente relacionados con la habilidad de los operadores, es difícil obtener laminados con bajo contenido de resina y baja porosidad.
2) Los peligros para la salud y la seguridad de la resina.Cuanto menor sea el peso molecular de la resina de aplicación manual, mayor será la amenaza potencial para la salud.Cuanto menor sea la viscosidad, más fácil será que la resina penetre en la ropa de trabajo de los empleados y entre en contacto directo con la piel.
3) Si no se instala un buen equipo de ventilación, la concentración de estireno volatilizado de poliéster y polivinil éster en el aire es difícil de cumplir con los requisitos legales.
4) La viscosidad de la resina de aplicación manual debe ser muy baja, por lo que el contenido de estireno u otros solventes debe ser alto, perdiendo así las propiedades mecánicas/térmicas del material compuesto.
Aplicaciones Típicas:palas de turbinas eólicas estándar, barcos producidos en masa, modelos arquitectónicos
Descripción del método:El proceso de la bolsa al vacío es una extensión del proceso de colocación manual mencionado anteriormente, es decir, se sella una capa de película plástica en el molde para aspirar el laminado colocado a mano, y se aplica presión atmosférica al laminado para lograr el efecto del escape y la compactación.Para mejorar la calidad de los materiales compuestos.
selección de materiales:
Resina: principalmente resina epoxi y fenólica, poliéster y polivinil éster no son adecuados porque contienen estireno, que se volatiliza en la bomba de vacío
Fibra: Sin requisitos, incluso las fibras con un gran peso base se pueden humedecer bajo presión
Material del núcleo: ningún requisito
La ventaja principal:
1) Puede lograr un mayor contenido de fibra que el proceso estándar de colocación manual
2) La porosidad es más baja que el proceso estándar de colocación manual.
3) En condiciones de presión negativa, el flujo completo de la resina mejora el grado de humectación de las fibras.Por supuesto, parte de la resina será absorbida por los consumibles de vacío.
4) Salud y seguridad: el proceso de bolsa al vacío puede reducir la liberación de volátiles durante el curado
Principales desventajas:
1) Los procesos adicionales aumentan el costo de la mano de obra y los materiales desechables para bolsas de vacío
2) Mayores requisitos técnicos para los operadores
3) El control de la mezcla de resina y el contenido de resina depende en gran medida de la competencia del operador.
4) Aunque la bolsa de vacío reduce la liberación de volátiles, la amenaza para la salud del operador sigue siendo mayor que la del proceso de infusión o preimpregnado
Aplicaciones Típicas:yates a gran escala, de edición limitada única, piezas de automóviles de carreras, unión de materiales centrales en la construcción naval
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Descripción del método:El proceso de bobinado se utiliza básicamente para fabricar piezas estructurales huecas, redondas u ovaladas, como tuberías y tanques.Después de impregnar el haz de fibras con resina, se enrolla en el mandril en varias direcciones y el proceso es controlado por la máquina de bobinado y la velocidad del mandril.
selección de materiales:
Resina: ningún requisito, como epoxi, poliéster, polivinil éster y resina fenólica, etc.
Fibra: sin requisitos, use directamente el paquete de fibra de la fileta, no es necesario tejer o coser en tela de fibra
Material del núcleo: ningún requisito, pero la piel suele ser un material compuesto de una sola capa
La ventaja principal:
1) La velocidad de producción es rápida y es un método de estratificación económico y razonable
2) El contenido de resina se puede controlar midiendo la cantidad de resina transportada por el haz de fibras que pasa por el tanque de resina.
3) Minimizar el costo de la fibra, sin proceso de tejido intermedio
4) El rendimiento estructural es excelente, porque los paquetes de fibras lineales se pueden colocar en varias direcciones de carga.
Las principales desventajas:
1) Este proceso se limita a estructuras huecas circulares
2) Las fibras no son fáciles de colocar con precisión a lo largo de la dirección axial del componente.
3) El costo del molde macho de mandril para piezas estructurales grandes es relativamente alto
4) La superficie exterior de la estructura no es la superficie del molde, por lo que la estética es deficiente
5) Cuando se utiliza resina de baja viscosidad, se debe prestar atención al rendimiento químico y al rendimiento en materia de salud y seguridad.
Aplicaciones Típicas:tanques de almacenamiento de productos químicos y tuberías de suministro, cilindros, tanques de respiración para bomberos
Descripción del método:El haz de fibra extraído de la fileta se sumerge y se pasa a través de la placa de calentamiento, y la resina se infiltra en la fibra en la placa de calentamiento, se controla el contenido de resina y, finalmente, el material se cura en la forma requerida;este producto curado de forma fija se corta mecánicamente en varias longitudes.Las fibras también pueden entrar en la placa caliente en direcciones distintas de 0 grados.
La pultrusión es un proceso de producción continuo y la sección transversal del producto suele tener una forma fija, lo que permite ligeros cambios.Fijar el material prehumedecido pasando por la placa caliente y extenderlo en el molde para su curado inmediato.Aunque este proceso tiene poca continuidad, puede cambiar la forma de la sección transversal.
selección de materiales:
Resina: generalmente epoxi, poliéster, polivinil éster y resina fenólica, etc.
Fibra: ningún requisito
Material del núcleo: no se usa comúnmente
La ventaja principal:
1) La velocidad de producción es rápida y es una forma económica y razonable de prehumedecer y curar materiales.
2) Control preciso del contenido de resina
3) Minimizar el costo de la fibra, sin proceso de tejido intermedio
4) Excelente rendimiento estructural, porque los haces de fibras están dispuestos en línea recta y la fracción de volumen de fibra es alta
5) El área de infiltración de fibra se puede sellar completamente para reducir la liberación de volátiles
Principales desventajas:
1) Este proceso limita la forma de la sección transversal
2) El costo de la placa calefactora es relativamente alto
Aplicaciones Típicas:Vigas y cerchas para estructuras de casas, puentes, escaleras y cercas
6. Moldeo por transferencia de resina (RTM)
Descripción del método:Coloque las fibras secas en el molde inferior, aplique presión con anticipación para que las fibras se ajusten lo más posible a la forma del molde y únalas;luego, fije el molde superior en el molde inferior para formar una cavidad y luego inyecte la resina en la cavidad del molde.
Normalmente se utilizan la inyección de resina asistida por vacío y la infiltración de fibras, es decir, el proceso de infusión de resina asistida por vacío (VARI).Una vez que se completa la infiltración de fibras, se cierra la válvula de introducción de resina y se cura el compuesto.La inyección de resina y el curado se pueden realizar a temperatura ambiente o en condiciones de calor.
selección de materiales:
Resina: generalmente epoxi, poliéster, éster de polivinilo y resina fenólica, la resina de bismaleimida se puede usar a alta temperatura
Fibra: Sin requisito.Las fibras cosidas son más adecuadas para este proceso porque los huecos del haz de fibras facilitan la transferencia de resina;hay fibras especialmente desarrolladas para facilitar el flujo de resina
Material del núcleo: la espuma de nido de abeja no es adecuada, porque las celdas de nido de abeja se llenarán de resina y la presión hará que la espuma se colapse
La ventaja principal:
1) Alta fracción de volumen de fibra y baja porosidad.
2) Dado que la resina está completamente sellada, es saludable y segura, y el entorno operativo está limpio y ordenado.
3) Reducir el uso de mano de obra
4) Los lados superior e inferior de la parte estructural son superficies de molde, que es fácil para el tratamiento de superficie posterior
Las principales desventajas:
1) El molde utilizado en conjunto es costoso y, para soportar una mayor presión, es pesado y relativamente engorroso.
2) Limitado a la fabricación de piezas pequeñas
3) Es probable que aparezcan áreas no mojadas, lo que genera una gran cantidad de desechos
Aplicaciones Típicas:transbordador espacial pequeño y complejo y autopartes, asientos de tren
7. Otros procesos de perfusión: SCRIMP, RIFT, VARTM, etc.
Descripción del método:Coloque las fibras secas de manera similar al proceso RTM, luego coloque la tela antiadherente y la red de drenaje.Una vez completada la disposición, se sella por completo con una bolsa de vacío y, cuando el vacío alcanza un determinado requisito, la resina se introduce en toda la estructura de la disposición.La distribución de resina en el laminado se logra guiando el flujo de resina a través de la red guía, y finalmente las fibras secas se infiltran completamente de arriba a abajo.
selección de materiales:
Resina: generalmente epoxi, poliéster, resina de éster de polivinilo
Fibra: Cualquier fibra común.Las fibras cosidas son más adecuadas para este proceso, ya que los huecos de los haces de fibras aceleran la transferencia de resina.
Material del núcleo: espuma de nido de abeja no aplicable
La ventaja principal:
1) Igual que el proceso RTM, pero solo un lado es la superficie del molde
2) Un lado del molde es una bolsa de vacío, lo que ahorra mucho el costo del molde y reduce el requisito de que el molde soporte la presión
3) Las piezas estructurales grandes también pueden tener una fracción de volumen de fibra alta y una porosidad baja
4) El molde de proceso de colocación manual estándar se puede utilizar para este proceso después de la modificación.
5) La estructura tipo sándwich se puede moldear al mismo tiempo
Principales desventajas:
1) Para estructuras grandes, el proceso es relativamente complicado y no se pueden evitar las reparaciones.
2) La viscosidad de la resina debe ser muy baja, lo que también reduce las propiedades mecánicas
3) Es probable que aparezcan áreas no mojadas, lo que genera una gran cantidad de desechos
Aplicaciones Típicas:Producción de prueba de embarcaciones pequeñas, paneles de carrocería para trenes y camiones, palas de turbinas eólicas
8. Prepreg – proceso de autoclave
Descripción del método:El fabricante del material impregna previamente la fibra o tela de fibra con una resina que contiene un catalizador, y el método de fabricación es un método de alta temperatura y alta presión o un método de disolución de solvente.El catalizador está latente a temperatura ambiente, dando al material una vida útil de semanas o meses a temperatura ambiente;la refrigeración puede prolongar su vida útil.
El preimpregnado se puede colocar a mano o con máquina sobre la superficie del molde, luego se cubre con una bolsa de vacío y se calienta a 120-180 °C.Después de calentar, la resina puede fluir nuevamente y eventualmente curar.Se puede usar un autoclave para aplicar presión adicional al material, típicamente hasta 5 atmósferas.
selección de materiales:
Resina: generalmente también se puede usar epoxi, poliéster, resina fenólica, resina resistente a altas temperaturas como poliimida, éster de cianato y bismaleimida
Fibra: Sin requisito.Se puede utilizar un haz de fibra o tela de fibra
Material del núcleo: sin requisitos, pero la espuma debe ser resistente a altas temperaturas y altas presiones
La ventaja principal:
1) El proveedor establece con precisión la proporción de resina a agente de curado y el contenido de resina, es muy fácil obtener laminados con alto contenido de fibra y baja porosidad
2) El material tiene excelentes características de salud y seguridad, y el entorno de trabajo es limpio, lo que puede ahorrar costos de automatización y mano de obra.
3) El costo de las fibras de materiales unidireccionales se minimiza y no se requiere ningún proceso intermedio para tejer fibras en tela
4) El proceso de fabricación requiere resina con alta viscosidad y buena humectabilidad, así como propiedades mecánicas y térmicas optimizadas
5) La extensión del tiempo de trabajo a temperatura ambiente significa que la optimización estructural y la colocación de formas complejas también son fáciles de lograr
6) Ahorros potenciales en costos de mano de obra y automatización
Principales desventajas:
1) El costo de los materiales aumenta, pero es inevitable para cumplir con los requisitos de la aplicación
2) Se requiere un autoclave para completar el curado, que tiene un alto costo, un largo tiempo de operación y restricciones de tamaño.
3) El molde debe soportar altas temperaturas de proceso y el material del núcleo tiene los mismos requisitos.
4) Para piezas más gruesas, se requiere vacío previo al colocar preimpregnados para eliminar las burbujas de aire entre capas.
Aplicaciones Típicas:piezas estructurales del transbordador espacial (como alas y colas), coches de carreras de F1
9. Prepreg – proceso sin autoclave
Descripción del método:El proceso de fabricación del preimpregnado de curado a baja temperatura es exactamente el mismo que el del preimpregnado en autoclave, la diferencia es que las propiedades químicas de la resina permiten que se cure a 60-120°C.
Para el curado a baja temperatura de 60 °C, el tiempo de trabajo del material es de solo una semana;para catalizadores de alta temperatura (>80°C), el tiempo de trabajo puede llegar a varios meses.La fluidez del sistema de resinas permite curar utilizando únicamente bolsas de vacío, evitando el uso de autoclaves.
selección de materiales:
Resina: generalmente solo resina epoxi
Fibra: sin requisitos, igual que el preimpregnado tradicional
Material del núcleo: sin requisitos, pero se debe prestar especial atención al usar espuma de PVC estándar
La ventaja principal:
1) Tiene todas las ventajas del preimpregnado en autoclave tradicional ((i.))-((vi.))
2) El material del molde es barato, como la madera, porque la temperatura de curado es baja.
3) El proceso de fabricación de piezas estructurales grandes se simplifica, solo es necesario presurizar la bolsa de vacío, hacer circular el aire caliente del horno o el sistema de calentamiento de aire caliente del propio molde para cumplir con los requisitos de curado.
4) También se pueden usar materiales de espuma comunes y el proceso es más maduro
5) En comparación con el autoclave, el consumo de energía es menor
6) La tecnología avanzada garantiza una buena precisión dimensional y repetibilidad.
Principales desventajas:
1) El costo del material sigue siendo mayor que el de la fibra seca, aunque el costo de la resina es menor que el del preimpregnado aeroespacial
2) El molde debe soportar una temperatura superior a la del proceso de infusión (80-140°C)
Aplicaciones Típicas:palas de turbinas eólicas de alto rendimiento, grandes barcos de carreras y yates, aviones de rescate, componentes de trenes
10. Proceso sin autoclave de semipreg SPRINT/beam prepreg SparPreg
Descripción del método:Es difícil descargar las burbujas de aire entre capas o capas superpuestas durante el proceso de curado cuando se usa preimpregnado en estructuras más gruesas (>3 mm).Para superar esta dificultad, se introdujo la prevacío en el proceso de estratificación, pero aumentó significativamente el tiempo del proceso.
En los últimos años, Gurit ha introducido una serie de productos preimpregnados mejorados con tecnología patentada, lo que permite completar la fabricación de laminados más gruesos de alta calidad (baja porosidad) en un proceso de un solo paso.El semipreg SPRINT se compone de dos capas de fibra seca intercaladas con una capa de estructura de sándwich de película de resina.Después de colocar el material en el molde, la bomba de vacío puede drenar completamente el aire antes de que la resina se caliente y ablande y empape la fibra.solidificado.
Preimpregnado de vigas SparPreg es un preimpregnado mejorado que, cuando se cura al vacío, puede eliminar fácilmente las burbujas de aire del material de dos capas adherido.
selección de materiales:
Resina: principalmente resina epoxi, otras resinas también están disponibles
Fibra: ningún requisito
Material del núcleo: la mayoría, pero se debe prestar especial atención a las altas temperaturas cuando se usa espuma de PVC estándar
La ventaja principal:
1) Para piezas más gruesas (100 mm), aún se puede obtener con precisión una fracción de volumen de fibra alta y una porosidad baja
2) El estado inicial del sistema de resina es sólido y el rendimiento es excelente después del curado a alta temperatura.
3) Permitir el uso de tela de fibra de bajo costo y alto peso base (como 1600 g/m2), aumentar la velocidad de colocación y ahorrar costos de fabricación
4) El proceso es muy avanzado, la operación es simple y el contenido de resina se controla con precisión.
Principales desventajas:
1) El costo del material sigue siendo mayor que el de la fibra seca, aunque el costo de la resina es menor que el del preimpregnado aeroespacial
2) El molde debe soportar una temperatura superior a la del proceso de infusión (80-140°C)
Aplicaciones Típicas:palas de aerogeneradores de alto rendimiento, grandes barcos de carreras y yates, aviones de rescate
Hora de publicación: 13-dic-2022
