Compuestos 3D

Los materiales compuestos tridimensionales utilizan preformas de fibra construidas a partir de hilos o filamentos dispuestos en estructuras tridimensionales complejas. Estas se pueden crear mediante un proceso de tejido 3D, un proceso de tricotado 3D, un proceso de trenzado 3D o una disposición 3D de fibras cortas. Se aplica una resina a la preforma 3D para crear el material compuesto. Los materiales compuestos tridimensionales se utilizan en aplicaciones de alta ingeniería y alta tecnología para lograr propiedades mecánicas complejas. Estos materiales están diseñados para reaccionar a las tensiones y deformaciones de maneras que no son posibles con los materiales compuestos tradicionales formados por filamentos unidireccionales, o con materiales compuestos tejidos 2D, compuestos sándwich o materiales laminados apilados.

Los tejidos tridimensionales son tejidos que pueden formarse casi como una red con un grosor considerable. No es necesario superponer capas para crear una pieza, ya que un solo tejido proporciona el refuerzo tridimensional completo. El tejido 3D es una variante del proceso de tejido 2D y una extensión de la antigua técnica de crear telas de doble y triple tejido. El tejido 3D permite la producción de tejidos de hasta 10  cm de grosor. ^{[ 1 ]} Las fibras colocadas en la dirección del grosor se denominan hilo Z, hilo de urdimbre o hilo de unión para los tejidos 3D. Se teje más de una capa de tejido al mismo tiempo, y el hilo Z entrelaza los hilos de urdimbre y trama de diferentes capas durante el proceso. Al final del proceso de tejido, se produce una estructura tejida 3D integrada, que tiene un grosor considerable. ^{[ 2 ]} Las estructuras tejidas tridimensionales pueden crear materiales compuestos con fracciones de volumen de fibra de alrededor del 50% tanto en celdas unitarias 3D como en estructuras ortogonales 3D. ^{[ 3 ]}

Las estructuras tejidas tridimensionales entrelazadas en ángulo también son comunes para crear preformas tejidas mucho más gruesas. En las estructuras entrelazadas, los hilos se pueden tejer de una capa a otra y luego regresar a la capa original para unir las capas adyacentes. En estructuras entrelazadas complejas, los hilos se pueden tejer en puntos específicos en varias capas para unir múltiples capas. Estas estructuras tienen una gran ventaja sobre los materiales laminados debido a su excelente resistencia a la delaminación de capas. ^{[ 4 ]}

Mediante técnicas de tejido jacquard como la bifurcación, se pueden crear preformas tejidas en 3D con formas prácticamente ilimitadas, desde una viga en I estándar hasta una viga en I con curva sinusoidal compleja, pasando por perfiles aerodinámicos de aeronaves y muchas otras formas. Se han producido compuestos tejidos en 3D, acabados mediante moldeo por transferencia de resina, con longitudes superiores a los 26 pies. ^{[ 5 ]}

Los compuestos tejidos en 3D se utilizan para diversas aplicaciones de ingeniería, incluyendo rotores de motores, conos y toberas de cohetes, soportes de motores, estructuras de aeronaves, paneles en forma de T y X, bordes de ataque para alas de aeronaves y vigas en I para infraestructura civil. ^{[ 6 ]}

La tecnología de tejidos trenzados 3D es una extensión de la tecnología de trenzado 2D bien establecida, en la que el tejido se construye mediante el entrelazado de dos o más sistemas de hilos para formar una estructura integral. ^{[ 13 ]} Desarrollada a finales de la década de 1960, en un esfuerzo por sortear los problemas relacionados con los laminados compuestos 2D y, al mismo tiempo, conservar los beneficios del proceso de trenzado. ^{[ 14 ]} Las estructuras trenzadas, utilizadas como preformas compuestas, tienen varias ventajas sobre otros procesos de la competencia, como el bobinado de filamentos y el tejido. ^{[ 15 ]}

Los compuestos trenzados presentan una mayor tenacidad y resistencia a la fatiga en comparación con los compuestos bobinados con filamentos. Los tejidos presentan un entrelazado ortogonal, mientras que las trenzas pueden construirse en un amplio rango de ángulos, desde 10° hasta 85°. Se puede incorporar un conjunto adicional de hilos axiales al proceso de trenzado para producir trenzas triaxiales (Fig. 1); estas trenzas son más estables y exhiben propiedades casi isotrópicas.

Las trenzas pueden fabricarse como tubos sin costura o como tejidos planos con orillo continuo. Los compuestos elaborados con preformas trenzadas presentan una resistencia y una resistencia al agrietamiento superiores en comparación con los compuestos de tela ancha, debido a la continuidad de las fibras. Los compuestos con orificios trenzados (Fig. 2) presentan una resistencia aproximadamente 1,8 veces mayor que los orificios perforados, también debido a la continuidad de las fibras.

Existen dos tipos principales de trenzadoras 3D: de engranajes de cuerno y de rieles y columnas. Las trenzadoras 3D de engranajes de cuerno utilizan una gran cantidad de engranajes de cuerno tradicionales para la propulsión del portaaviones. Al disponer los engranajes de cuerno en un cuadrado, se pueden producir trenzas sólidas 3D con diversas secciones transversales (por ejemplo, sección en H). ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Aplicaciones de los compuestos trenzados en 3D

• Palas de hélice, ejes de propulsión, hélices
• Plataformas de cubierta de sección de celosía, plataformas de aterrizaje
• Carrocerías, chasis y ejes de transmisión
• Dispositivos biomédicos

La costura de laminados en la dirección del espesor con un hilo de alta resistencia ha demostrado ser un método sencillo y económico para producir compuestos 3D. El proceso de costura consiste básicamente en coser hilo de alta resistencia a la tracción (por ejemplo, vidrio, carbono o Kevlar ) a través de un laminado preimpregnado sin curar o capas de tejido seco utilizando una máquina de coser industrial. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Algunos estudios informan de una mejora en las propiedades mecánicas en el plano debido a la costura, mientras que otros encuentran propiedades sin cambios o degradadas. Los datos recopilados para laminados cosidos revelan que las resistencias a la tracción, compresión, flexión, cizallamiento y a la apertura de agujeros mejoran o se degradan hasta en un 20 % con la costura en relación con las de los laminados sin coser. ^{[ 20 ]}

Aplicaciones de los materiales compuestos cosidos en 3D

• Juntas solapadas
• Paneles reforzados
• Uniones entre el ala y el larguero de un avión

Este método alternativo al proceso de costura estándar se introdujo por primera vez a finales de la década de 1980 y fue desarrollado comercialmente por la empresa Aztex como tecnología Z-Fiber . "Esta tecnología consiste en incrustar fibras de refuerzo previamente curadas en una espuma termoplástica que luego se coloca sobre una capa de preimpregnado o tejido seco y se embolsa al vacío". 12 La espuma se colapsará al aumentar la temperatura y la presión, lo que permite que las fibras se empujen lentamente hacia la capa. El refuerzo 3D en lo que respecta al Z-pinning es necesario para introducir un enlace mecánico entre las diferentes capas de la lámina compuesta, siendo este enlace una varilla rígida de fibra de carbono en el Z-pinning. Los compuestos Z-pin (fibra de carbono de pequeño diámetro incrustada en la dirección del espesor -z) son un medio para proporcionar una mayor rigidez y resistencia a través del espesor que los compuestos tejidos 2D no poseen.

Aplicación de compuestos con pasadores Z en 3D

• Refuerzo de los paneles de revestimiento del conducto de entrada y fijación de rigidizadores en forma de sombrero en el avión de combate F/A-18 Super Hornet. ^{[ 19 ]}

Muchas preformas tridimensionales se transforman en materiales compuestos complejos cuando se aplica y cura una resina dentro de la preforma para crear una matriz sólida reforzada con fibra. La forma más común de aplicación de resina para preformas 3D es el proceso de moldeo por transferencia de resina (RTM), donde se crea un molde con la forma de la preforma y esta se coloca en su interior. El molde se cierra y luego se inyecta la resina del material de la matriz a una temperatura y presión específicas, dejándola curar. Finalmente, se retira el molde del exterior del material compuesto 3D. ^{[ 20 ]}

La microestructura de un compuesto tejido 3D está determinada principalmente por la arquitectura de las fibras de la preforma tejida y el proceso de tejido, y en menor medida por el proceso de consolidación. Durante el proceso de tejido 3D se crean inadvertidamente diversos tipos de defectos que pueden degradar las propiedades en el plano, a través del espesor y de impacto del compuesto 3D. Las investigaciones han demostrado que al probar diversos materiales compuestos 3D, se observa que "...la resistencia es igual o ligeramente superior a la de un material bidimensional (2D) equivalente". En comparación con un compuesto 2D, la resistencia al impacto, la compresión después del impacto (CAI) y el control de la delaminación mejoran significativamente con un compuesto 3D sin reducir significativamente las propiedades mecánicas en el plano. ^{[ 21 ]}

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