Hoy en día, la fabricación de materiales compuestos está en pleno desarrollo e innovación con vistas hacia el futuro del plástico.
La industria de este sector en concreto invierte una gran cantidad de horas en procesos manuales, en los que los costes de producción son altos y la repetibilidad de los procesos difícil de conseguir. Por lo que encontrar procesos tecnológicos avanzados es clave para conseguir los volúmenes de producción, costes y características de los materiales convencionales.
Otro de los principales problemas de los materiales compuestos es su reciclabilidad. Esto es debido a que el tipo de polímero utilizado como resina en la mayoría de aplicaciones es el termoestable. Este material se degrada cuando alcanza una determinada temperatura, lo que imposibilita su reciclaje fundiéndolo.
Por el contrario, los materiales termoplásticos sí que son capaces de fundirse sin apenas perder sus propiedades mecánicas, sin embargo, estas son generalmente inferiores que las que encontramos en los termoestables.
Con respecto a los materiales de refuerzo comúnmente utilizados como la fibra de vidrio, fibra de carbono o aramida, tienen procesos de obtención costosos y poco ecológicos. Del mismo modo, su reciclabilidad es compleja.
A continuación, os presentamos las tendencias de procesos y materiales en desarrollo que responden a alguna de las cuestiones antes propuestas y son referente en innovación de los materiales compuestos.
Pero antes de adentrarnos en el futuro de los composites, no olvides leer el artículo sobre la “Historia y evolución de los materiales compuestos” para conocer todos los detalles de la evolución de estos materiales y adquirir una perspectiva más completa.
COLOCACIÓN AUTOMATIZADA DE FIBRA (AFP)
La colocación automatizada de fibra, conocida por sus siglas en inglés como AFP es un método avanzado y automatizado de fabricación de materiales compuestos.
Este proceso consiste en calentar y compactar fibras no metálicas preimpregnadas con resina sintética en mandriles de utillaje generalmente complejos. La fibra comúnmente se encuentra en forma de “tow” o cable, el cual es típicamente fibra de carbono impregnada con resina epoxi. Los hilos se alimentan a un calentador seguido de un rodillo de compactación en el cabezal de la FPM y mediante movimientos ejercidos por un brazo robot de colocan los hilos a lo largo de la superficie del molde. Por lo general, lo hilos de carbono se colocan en orientaciones de 0º, 45º, -45º y 90º para formar capas que, en combinación, tengas buenas propiedades en todas las direcciones.
Las máquinas de colocación automatizada de fibra son un desarrollo reciente dentro de las tecnologías de fabricación de materiales compuestos. Tienen como objetivo incrementar el ratio, precisión y repetibilidad de la producción de piezas avanzadas en composites.
Las máquinas AFP colocan los refuerzos de fibras sobre moldes o mandriles de manera automatizada y utiliza una serie de hilos estrechos (normalmente hasta 8 mm) de material termoestable o termoplástico preimpregnado para conformar diferentes layups.
Esta tecnología permite mejor precisión y un aumento de las tasas de deposición comparada con procesos manuales de laminadores experimentados. Sin embargo, esta tasa no llega a estar en los niveles de las máquinas de ATL (“automated tape laying”), en las que solo se es capaz de producir composites con geometrías más simples. Por el contrario, el nivel de complejidad que permite la tecnología de AFP es increíblemente alta.
IMPRESIÓN 3D DE FIBRA CONTINUA
Recientemente se ha desarrollado sistemas de fabricación aditiva para materiales compuestos. Para ello ha sido necesario integrar una máquina FFF (fabricación de filamento fundido) en conjunto con una máquina AFP de termoplástico.
En este caso la resina a utilizar es de polímero termoplástico debido a que es necesario fundir el material para llevar a cabo esta tecnología. Recordando que los termoestables se degradan a ciertas temperaturas, mientras que los materiales termoplásticos se funden antes de llegar a degradarse.
Para este caso, se utilizan termoplásticos de alto rendimientos combinados con diferentes tipos de refuerzo de fibra.
Esta máquina es capaz de imprimir materiales solubles utilizados para crear soportes o partes de moldes, cinta de fibra continua y fibra en formato chopped.
El primer paso consiste en depositar el material soluble sobre la base de impresión, sobre el cual el robot imprimirá el refuerzo de fibra con el fundido de resina termoplástica. El material se consolida directamente, compactándolo en el proceso. Para el caso de la cinta de refuerzo se suelda mediante laser al material de soporte.
Las propiedades conseguidas con esta tecnología son muy competitivas pudiendo comparar la porosidad de la pieza final con producciones en autoclave.
INYECCIÓN DE FIBRA CONTÍNUA
La empresa EURECAT ha desarrollado un sistema en el cual la fibra continua es inyectado a la vez que resina termoplástica fundida. Para ello es necesario crear cavidades tubulares o moldes huecos de pequeño diámetro para hacer pasar por ellas el material.
Para esta tecnología es importante conocer los parámetros de curado del material compuesto, ya que se ha de verificar que llegue hasta todos los puntos diseñados.
Una vez curada, la resina se solidifica y unifica todo el material conjuntamente con la cavidad en la que se encuentra.
Esto permite crear piezas altamente optimizadas de materiales muy ligeros reforzadas solo en sus puntos críticos mediante nervios de material compuesto de altas prestaciones.
ADICIÓN DE GRAFENO EN MATERIALES PLÁSTICOS
El grafeno está compuesto puramente por moléculas de carbono, con sus átomos organizados en un patrón regular hexagonal. Este material ofrece un valor de resistencias muy alto, por lo que en adición de un porcentaje de peso de sólo el 0,5% con materiales plásticos puede mejorar hasta en 2,5 veces la rigidez y en 15% la resistencia a tracción de estos.
VITRÍMEROS
Como respuesta a este gran inconveniente se ha desarrollado un material llamado Vitrímero. Este material es altamente reticulado, al igual que los termoestables, ofreciendo las buenas características asociadas.
Sin embargo, a diferencia de los termoestables, que tienen una forma fija permanente tras el curado, la química de los vitrímeros da lugar a un producto que puede volver a moldearse.
Los vitrímeros consisten en cadenas moleculares unidas por enlaces covalentes fuertes. La principal diferencia con los termoestables reside en que, gracias a procesos de reacciones de intercambio, los enlaces covalentes se vuelven reversibles cuando se aplica calor.
Esto conlleva que a altas temperaturas la viscosidad del material disminuye, siendo capaz de fluir. Cuando se enfría, la viscosidad vuelve a aumentar comportándose como un sólido blando con unas características y propiedades similares a la de los termoestables.
Por lo que este material permite ser maleados después de haber sido completamente curados y remodelados trabajando a una temperatura específica.
Una aplicación muy interesante es la de piezas que puedan auto sanarse por sí solas, aplicando una temperatura determinada a la zona en cuestión el material fluirá lo suficiente como para volver a endurecerse en su posición.
MACRO FIBER COMPOSITES
Estos materiales compuestos inteligentes no están vivos, pero son capaces de “sentir” y moverse. Se trata de un material desarrollado por la NASA en 1999, que consiste en un laminado de varillas piezoeléctricas rectangulares intercaladas entre capas de adhesivo, electrodos, películas de poliamida y epoxi estructural.
Los electrodos están adheridos a la película en un patrón interdigital que transfiere el voltaje aplicado directamente a y desde las varillas en forma de cinta. Por lo que este conjunto permite la polarización, actuación y detección en el plano.
La MFC también puede adherirse (normalmente pegada) como una fina lámina a en la superficie a varios tipos de estructuras, o incrustada en una estructura compuesta. Si se aplica tensión, funciona como un actuador y doblará o distorsionará los materiales, contrarrestará las vibraciones o las generará. Si no se aplica tensión, puede funcionar como una galga extensométrica muy sensible, detectando deformaciones, ruido y vibraciones.
La MFC es también un excelente dispositivo para aprovechar la energía de las vibraciones, a gran escala podría utilizarse como un recuperador útil de energía eléctrica.
Utilizando todas las propiedades que nos ofrecen estos materiales, se puede llegar a conseguir piezas y materiales inteligentes necesarios para irrupción de la industria 4.0 en el sector de los materiales plásticos.
FIBRAS NATURALES
El uso de las fibras naturales está creciendo notablemente en la industria polimérica debido a la tendencia en la búsqueda de materiales biocompatibles, reutilizables y ecológicos.
El coste del procesado de este tipo de refuerzos es generalmente bajo, por el contrario, sus propiedades mecánicas también los son. Sin embargo, las fibras híbridas (entendidas como una mezcla de sintéticas y naturales) pueden llegar a ofrecer características muy competitivas.
Las fibras más comunes utilizadas en la fabricación de materiales compuestos son: Cáñamo, Linaza, Yute, Ágave, Bonote y Gomuti.
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