Proceso de colocación

El proceso de laminado es un proceso de moldeo para materiales compuestos , en el que el producto final se obtiene mediante la superposición de un número específico de capas diferentes, generalmente formadas por fibras poliméricas o cerámicas continuas y una matriz líquida polimérica termoestable . Se puede dividir en laminado en seco y laminado en húmedo, dependiendo de si las capas están preimpregnadas o no. El laminado en seco es un proceso común en la industria aeroespacial , ya que permite obtener formas complejas con buenas propiedades mecánicas, características requeridas en este campo. Esto se debe a que el laminado en húmedo no se puede realizar con tejidos unidireccionales, que poseen mejores propiedades mecánicas, por lo que se utiliza principalmente en otras áreas con menores requisitos de rendimiento. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Las etapas principales del proceso de laminado son el corte, la laminación y la polimerización. Si bien algunos pasos de producción pueden automatizarse, este proceso es principalmente manual (por lo que a menudo se le denomina proceso de laminado manual ), lo que resulta en laminados con altos costos de producción y bajas tasas de producción en comparación con otras técnicas. Por lo tanto, en la actualidad, es adecuado principalmente para series de producción pequeñas de 10 a 1000 piezas. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El corte de las telas es la primera etapa del proceso de laminado. Si bien las fibras, en general, tienen una alta resistencia a la tracción, su resistencia al corte suele ser bastante baja, por lo que son relativamente fáciles de cortar. Este proceso puede ser manual, semiautomático o completamente automático. ^{[ 1 ]}

Las herramientas de corte más comunes son tijeras, cuchillos, sierras y herramientas de corte especializadas. Los sistemas de troquelado ofrecen una alternativa más automatizada, permitiendo mayores tasas de producción a menores costos, ya que pueden operar más rápido y en varias capas de material a la vez. Estos métodos proporcionan diferentes precisiones de acabado, pero todos son procedimientos mecánicos y tienen una desventaja importante en común: el contacto físico entre la herramienta de corte y las fibras. ^{[ 4 ]} Un proceso alternativo con menos fricción es el método de ultrasonido, que consiste en cortar los tejidos con una cuchilla accionada por vibraciones mecánicas de alta frecuencia, producidas por una fuente interna integrada en el sistema. ^{[ 1 ]} También existen técnicas de corte completamente sin contacto, principalmente mediante corte láser y por chorro de agua , ambas realizadas con máquinas CNC . Ambos métodos comparten una desventaja común: crean zonas de alta temperatura a lo largo de los ejes de corte, lo que puede alterar significativamente las características físicas del material. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

El diseño de anidamiento es la disposición de las diferentes formas que se cortarán de la tela para reducir los retales. Los patrones generalmente se crean digitalmente y, cuando es posible, se cortan en una máquina CNC o, de lo contrario, se replican a mano. ^{[ 1 ]}

La laminación de los tejidos es la segunda etapa del proceso de laminado. Consiste en superponer todas las capas en el orden y la orientación correctos. En el caso del laminado húmedo, la preparación de la resina se incluye en esta operación, ya que los tejidos no están impregnados previamente. Para productos de alta calidad, la laminación se realiza en una sala limpia para evitar inclusiones de partículas entre las capas, que podrían afectar las características del producto final. ^{[ 1 ]}

La herramienta más importante es el molde , que puede ser macho o hembra según la aplicación. Puede estar fabricado con diferentes materiales, dependiendo de la contracción y el coeficiente de dilatación térmica del material compuesto, la rigidez requerida, el acabado superficial necesario, los ángulos de desmoldeo y el ángulo de flexión. Además, el molde debe ser estable a la temperatura de laminación, soportar la presión operativa, ser resistente al desgaste, ser compatible con las demás herramientas utilizadas, ser resistente a los disolventes de lavado y debe permitir la fácil aplicación de agentes desmoldantes. ^{[ 6 ]}

El primer paso de la laminación consiste en aplicar un agente desmoldante al molde, fundamental para evitar la adhesión entre la resina y el propio molde. Si se requiere un acabado superficial, se puede añadir una capa de tela desmoldante. Las telas desmoldantes son películas de nailon que se utilizan para obtener una rugosidad específica en la superficie sobre la que se aplican, para protegerlas durante el almacenamiento y para atrapar partículas volátiles durante la polimerización. A continuación, se superponen todas las capas de tejido siguiendo las instrucciones del manual de laminación, que contiene una lista de todas las operaciones que deben realizarse durante este proceso. Normalmente, se realiza una compactación intermedia cada 4 o 5 capas para permitir la evacuación del aire y obtener un producto final con mejores características mecánicas. ^{[ 1 ]}

Una vez colocadas todas las capas de tela en la posición correcta, se aplica otra capa de tela despegable encima, con el mismo propósito que la primera. Sobre ella se añade una secuencia de otras capas: la película de liberación, que separa el laminado de las demás capas pero permite el paso del exceso de resina; el purgador, cuya función principal es absorber el exceso de resina; una barrera, para separar el purgador del respiradero; el respiradero, para distribuir el vacío de forma homogénea por las superficies externas y evitar que cualquier pliegue de la bolsa de vacío se transfiera a la superficie del laminado; la bolsa de vacío, una película polimérica flexible, generalmente de nailon, capaz de mantener el vacío creado con una bomba de vacío . Otros elementos importantes son las válvulas y el sellador utilizado para sellar la bolsa de vacío y evitar fugas de aire. ^{[ 1 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

Este proceso puede ser manual, semiautomático o completamente automático. Cuando se realiza totalmente a mano, la laminación es un proceso largo y difícil (debido a las estrictas tolerancias requeridas). Una alternativa es un proceso semiautomático, también llamado "asistido mecánicamente", que consiste en una máquina que manipula las capas, las cuales luego son aplicadas al molde por un operario. Es completamente automático si una máquina, como una máquina automática de colocación de cinta, también puede colocar las capas en la posición y orientación correctas. Estos métodos automáticos permiten alcanzar altas tasas de producción. ^{[ 1 ]}

La polimerización del laminado es la tercera y última etapa del proceso de laminado. Esta fase es de suma importancia para obtener las características requeridas del producto final. ^{[ 1 ]}

Polimerización en autoclave y horno industrial

Este proceso puede realizarse a temperatura ambiente con una bomba de vacío para controlar el vacío, con la ayuda de un horno industrial conectado a una bomba de vacío para controlar la temperatura y el vacío, o con un autoclave para controlar la temperatura, el vacío y también la presión hidrostática . ^{[ 1 ] [ 10 ]}

La polimerización en autoclave es una técnica que permite obtener laminados con las mejores propiedades mecánicas, pero es la más costosa y solo permite el uso de moldes abiertos. La ventaja radica en que la presión ayuda a unir las capas compuestas y a expulsar las inclusiones de aire y los productos volátiles, aumentando la calidad del proceso. ^{[ 8 ] [ 11 ]} Cada combinación de tejido y resina tiene sus propios ciclos de polimerización óptimos, que dependen de la humectabilidad de las fibras y de las propiedades de la resina, como la viscosidad y el punto de gelificación. Normalmente, se estudian experimentalmente los tres ciclos de temperatura, presión y vacío para obtener la mejor combinación de los tres parámetros. La polimerización en horno industrial es similar, pero sin control de presión. Es menos costosa y, por lo tanto, se utiliza para todos aquellos laminados que no necesitan tener las propiedades de resistencia y rigidez mecánica más elevadas. Además, como los hornos industriales son, en general, más grandes que los autoclaves, se utilizan para componentes con dimensiones no estándar. ^{[ 1 ]}

Como señalaron Meola et al. en Termografía infrarroja en la evaluación de materiales compuestos aeroespaciales , "Durante la fabricación de compuestos pueden ocurrir varios tipos diferentes de defectos, siendo los más comunes la desalineación fibra/capa, fibras rotas, grietas en la resina o grietas transversales en las capas, huecos, porosidad, inclusiones de escoria, relación de volumen fibra/resina no uniforme, regiones interlaminarias despegadas, uniones en contacto, curado incorrecto y daños mecánicos alrededor de agujeros y/o cortes mecanizados". ^{[ 13 ]}

Además, deben considerarse tres problemas principales relacionados con el corte de materiales compuestos polimerizados. El primero es que las fibras de refuerzo son abrasivas, por lo que las herramientas de corte tradicionales no son adecuadas, ya que su vida útil sería muy corta y sus bordes romos dañarían los materiales. El segundo es que los materiales compuestos tienen baja conductividad térmica, lo que puede causar acumulación de calor y deformaciones. El último es que los materiales compuestos tienden a delaminarse al cortarlos, por lo que es necesario tener esto en cuenta al elegir un método de corte. ^{[ 14 ] [ 15 ]}