¿Cuáles son los pasos básicos para procesar la fibra de carbono en productos?

Avances en la preparación de rollos de fibra de carbono y los procedimientos de colocación en capas

Desenrollado, corte y alineación de precisión en la colocación en capas de rollos de fibra de carbono

Obtener correctamente el proceso de desenrollado es fundamental para el éxito de todo el sistema. Los sistemas controlados por tensión ayudan a prevenir la distorsión y el daño de las fibras mientras se alimentan a través de la máquina. En cuanto al corte, el corte ultrasónico, en lugar del corte con tijeras, permite obtener bordes limpios, sin deshilachado ni daño térmico. Las guías láser logran la alineación de las fibras individuales, con una variabilidad no superior a 0,5 grados. ¿Por qué es esto importante? En la edición más reciente de la revista Composites Journal, los investigadores señalaron que, según su análisis, un desalineamiento de tan solo un grado provocaría una reducción del 7 % en la resistencia a la tracción. Cuando el apilado presenta una geometría compleja, como un contorno tridimensional, robots especializados aplican el adhesivo de tal manera que se mantiene la alineación de las capas durante la transferencia a la siguiente superficie de trabajo. Existen otros factores que también deben gestionarse, como el control de la electricidad estática en los sistemas para evitar que las fibras se dispersen en el aire, y el control de la humedad relativa por debajo del 40 % para evitar la absorción prematura de humedad por parte de las resinas.

Los trabajadores examinan el patrón tejido con retroiluminación para comprobar su uniformidad antes de verter cualquier material en los moldes.

Estimación de WET Lay-Up frente a Prepreg frente a RTM: Alineación de la técnica con el perfilado en rollo de fibra de carbono y el nivel de producción

El mejor método de consolidación varía según los criterios de rendimiento, volumen y costo.

Requiere curado en autoclave

En el proceso de laminado húmedo, se emplea una resina que se aplica manualmente sobre los rollos secos de fibra de carbono, lo que lo hace ideal para piezas con formas que requieren construcciones complejas. Sin embargo, el volumen de producción suele ser bajo. El costo promedio de las herramientas para este tipo de procesos es típicamente un 80 % inferior al de los métodos de moldeo por transferencia de resina (RTM). Los prepregs resultan más ventajosos que el laminado húmedo debido a la mayor consistencia observada en las piezas finales y a sus propiedades mecánicas globalmente superiores. Esta consistencia se debe a que la resina ya está impregnada en la fibra durante el proceso de fabricación de los prepregs. No obstante, dicho proceso requiere almacenamiento refrigerado especial y, durante todo el ciclo de fabricación, también exige un manejo especial y relativamente complejo. Aun así, en el caso del RTM, los fabricantes también enfrentan una complejidad inherente al método: los polímeros deben forzarse a fluir mediante presión a través de fibras secas (es decir, fibras no impregnadas previamente con resina) dentro de la geometría cerrada del molde, lo que conlleva contenidos excesivos de vacíos de aire y una consistencia extremadamente baja en la impregnación de resina entre lotes sucesivos. Esto significa que, tras la inversión en moldes, uno de los factores limitantes más importantes es la necesidad de invertir más de medio millón de dólares para disponer de conjuntos de moldes. Es precisamente este elevado umbral de inversión lo que contribuye a que la mayoría de las operaciones pequeñas eviten el uso del RTM y opten, en cambio, por técnicas de proceso menos complejas.

Selección de sistemas de resina y optimización del curado para la integración de rollos de fibra de carbono

Por qué las resinas epoxi son el estándar de oro para el procesamiento de rollos estructurales de fibra de carbono

Una adherencia inigualable, estabilidad térmica y control del proceso convierten a las resinas epoxi en el estándar de oro para aplicaciones estructurales que implican rollos de fibra de carbono.

Resistencia al cizallamiento interlaminar:

- fundamental para laminados portantes, supera los 65 MPa.

- la temperatura de servicio permite su uso en aplicaciones aeroespaciales y automotrices de alto rendimiento, hasta 180 °C (356 °F).

- los ciclos de curado escalonados ayudan a reducir las tensiones residuales y la microfisuración.

Mediante análisis gravimétrico se ha demostrado que mantener una relación resina/fibra del 35-40 % en peso contribuye a mantener el contenido de poros por debajo del 2 % y a cumplir con los requisitos de la norma ASTM D3039 para ensayos de tracción. Consideraciones sobre coste, tiempo de curado y compatibilidad de los rollos de fibra de carbono con alternativas de poliéster y éster vinílico

Aunque la resina epoxi ofrece el estándar más alto, los competidores ofrecen los márgenes más altos ya sea en términos de costo o de velocidad de producción:

Tipo de resina | Costo relativo respecto a la epoxi | Temperatura máxima de servicio | Compatibilidad con rollos de fibra de carbono

Poliéster | 60-70 % menor | 80 °C (176 °F) | Moderada – propensa a ampollamiento osmótico

Éster vinílico | 40-50 % menor | 100 °C (212 °F) | Alta – excelente resistencia química

La curación a temperatura ambiente del éster vinílico se produce en 2-4 horas, lo que es significativamente más rápido que las 12-15 horas requeridas para la curación de la resina epoxi, permitiendo así la fabricación rápida de prototipos y la producción de paneles no estructurales. La reducción del 15-20 % en resistencia a la compresión suele compensarse ampliamente. En muchos casos, para cubiertas marinas o paneles para carrocerías automotrices, evitar dicha pérdida de resistencia a la compresión permite un ahorro de material superior a 25 USD/m², manteniendo al mismo tiempo la funcionalidad requerida.

Diseño de moldes y herramientas para la fabricación fiable de rollos de fibra de carbono

Requisitos sobre material, acabado superficial y estabilidad térmica para el moldeo por laminación de fibras de carbono

El rendimiento de un molde depende de la cooperación de tres factores: la resistencia del material, la durabilidad de la superficie y la estabilidad de la temperatura; los tres factores juntos determinan el rendimiento de un molde prototipo. A este respecto, se puede construir un prototipo utilizando acero para herramientas, debido a su relación costo-rendimiento. Para series de producción prolongadas, es factible aplicar un recubrimiento de carburo para brindar soporte estructural al molde y alargar su ciclo de producción. Con un soporte estructuralmente estable para altas temperaturas y altas tensiones, aleaciones específicas de níquel, como el Invar, son un material preferido para la fabricación de moldes destinados a componentes aeroespaciales, gracias a su bajo coeficiente de expansión térmica. Esta característica de las aleaciones de Invar minimiza la expansión térmica no deseada del molde a las temperaturas establecidas, evitando así la deformación del molde causada por las reacciones térmicas y químicas de las resinas con el epoxi.

El acabado superficial debe ser lo más reflectante posible, idealmente por debajo de 0,4 micras Ra. Esto garantiza que las fibras no se enganchen durante el procesamiento y que las piezas se desmoldeen fácilmente sin defectos superficiales ni microdesgarros. Una ventilación adecuada y estratégicamente colocada en los bordes es fundamental para evitar huecos de aire, especialmente durante la cura exotérmica de la resina. Asimismo, esto es importante para evitar la formación de huecos de resina fibrosa en los cilindros de carbono. Por último, es fundamental diseñar técnicamente los moldes para que sean dimensionalmente estables entre -0,1 y +0,1 mm a 180 °C. Esta ingeniería de precisión es esencial para todos los fabricantes serios de materiales compuestos.

Conceptos básicos del control de procesos: control de calidad en la fabricación de cilindros de fibra de carbono

Técnicas de embolsado al vacío, aplicación de almohadillas de presión y desgasificación para la producción de laminados de cilindros de fibra de carbono sin huecos

El primer paso consiste en establecer un vacío. Cada capa del material compuesto se coloca bajo una cubierta flexible, dentro de una bolsa, y se aplica una presión negativa de 25 a 29 pulgadas de mercurio para eliminar el aire de las capas. La iniciación de la etapa de presión positiva, entre 14 y 100 psi (libras por pulgada cuadrada), constituye más bien un paso de compactación que modifica la proporción fibra/resina del material compuesto, ya que se reduce el volumen de resina ( {m}_{resin}​ ). La eliminación de defectos, especialmente de poros, es una función cooperativa de varios factores. En primer lugar, el atrapamiento de aire en las capas húmedas de resina se perturba/rompe mediante un rodillo desgasificador. A continuación, capas especiales de tejido, denominadas «capas respirables» (breathers), extraen la resina no deseada (normalmente epoxi) de las capas hacia conductos de ventilación específicos para la recolección de resina. Por último, para garantizar que quede la menor cantidad posible de resina que pueda contaminar las capas o generar poros, el sistema se configura con capas absorbentes (bleeder layers) que capturan la resina antes de la etapa final de curado de la resina.

Es fundamental mantener el contenido de vacíos por debajo del 2 %. Un contenido de vacíos más elevado reduce la resistencia al cizallamiento interlaminar en más del 35 %. El uso de sistemas de monitorización de presión y detección automática de fugas mejora la fiabilidad y la uniformidad de la consolidación del laminado de rollos de fibra de carbono, especialmente importante en zonas gruesas o irregulares.

Sección de Preguntas Frecuentes

¿Cuáles son las ventajas de utilizar rollos de fibra de carbono?

Con una resistencia y estabilidad inigualables, la fabricación mediante rollos permite formas complejas y una alineación precisa.

¿Cuál es la ventaja del método de laminado húmedo?

El laminado húmedo es superior para prototipos y formas complicadas, pero no resulta tan adecuado para la producción en masa como los procesos RTM y con preimpregnados.

¿Por qué se utiliza epoxi en los materiales compuestos?

El epoxi es la mejor opción debido a su adherencia, estabilidad y resistencia al cizallamiento interlaminar en relación con el peso de la estructura, por lo que resulta esencial para la fibra de carbono.

¿Cuál es la función del embolsado al vacío en la fabricación de laminados de fibra de carbono?

El embolsado al vacío proporciona un sellado y una presión negativa para eliminar las bolsas de aire y permite que los laminados se formen de manera uniforme y sin porosidades.