Fabricación
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Capítulo 11 Fabricación Materiales Compuestos Escuela Superior de Ingenieros UNIVERSIDAD DE NAVARRA Fabricación Objetivo: calidad microestructural a coste razonable n n n PMCs, técnicas maduras MMCs, en desarrollo CMCs, en desarrollo Materiales Compuestos Fabricación PMCs Introducción n Objetivos: ¨ ¨ ¨ n buen mojado fibras distribución uniforme del refuerzo alineamiento correcto Rutas para resinas termoestables ¨ Impregnación de resinas líquidas n n n ¨ ¨ n Bobinado (filament winding) Pultrusión Moldeo por compresión Consolidación bajo presión de pre-pegs Consolidación de resinas en molde Rutas para resinas termoplásticas ¨ ¨ Moldeo por inyección Moldeo por compresión en caliente Materiales Compuestos Fabricación PMCs Introducción Material Polímero termoplástico Etapa intermedia Producción Componente Fibras cortas Moldeo Moldeo por inyección Polímero termoestable Tejido, hilado, etc... Impregnación Moldeo por compresión Pultrusión Materiales Compuestos Fibras largas Hilado de filamentos Inyección de resina Fabricación PMCs Impregnación. Wet lay-up y Spray lay-up n Fibras impregnadas mediante laminación o pulverización con resinas de baja viscosidad, previamente mezcladas con el endurecedor. El curado se realiza en general a temperatura ambiente. Se emplea un molde. Wet lay-up (fibras largas) Spray lay-up (fibras cortas) Palas aerogeneradores, barcos, moldes edificación Cerramientos, paneles estructurales sometidos a cargas ligeras (caravanas, bañeras,…) Materiales Compuestos Fabricación PMCs Impregnación. Wet lay-up y Spray lay-up n n Ventajas n ¨ Gran versatilidad, variedad de formas ¨ Bajo coste y rapidez en el depósito de matriz y fibras ¨ Bajo coste herramientas ¨ Operación sencilla Existe una variante en la cual el curado se hace bajo presión Inconvenientes ¨ Los laminados tienden a ser ricos en resina ¨ Para conseguir resinas con baja viscosidad es necesario emplear altos niveles de diluyentes (estireno) lo cual empeora las propiedades mecánicas y térmicas ¨ Problemas de seguridad laboral por la baja viscosidad de las resinas (legislación sobre concentración máxima de estireno en el aire) Vacuum bagging Materiales Compuestos Fabricación PMCs Impregnación. Bobinado Geometría del refuerzo controlada por el movimiento relativo entre mandril y carro Mandril o husillo rotativo Rodillos Impregnación Baño de resina Mov. Radial carro Basculación Mov. Axial carro Carro Mov. ojo Fibras Rotación husillo Fileta (creel) Materiales Compuestos Fabricación PMCs Impregnación. Bobinado Materiales Compuestos Fabricación PMCs Impregnación. Bobinado n Parámetros clave n Tensión en las fibras ¨ Ratio de impregnación ¨ Geometría del bobinado ¨ Aplicaciones Tanques y tuberías para productos químicos ¨ Depósitos ¨ Materiales Compuestos Fabricación PMCs Impregnación. Bobinado n Ventajas ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ n Automatizable Rápido Contenido en resina controlable Se elimina elaboración de preforma de fibras Buenas propiedades mecánicas Inconvenientes ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ Limitado a formas convexas Problemas para controlar algunas geometrías del refuerzo (axial, tendencia a seguir la línea geodésica) Coste del mandril (s/ tamaño) Cara externa pobre estéticamente (no molde) Generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad ? peores propiedades mecánicas y problemas seguridad laboral Materiales Compuestos Fabricación PMCs Impregnación. Pultrusión Productos similares extrusión convencional (perfiles) Materiales Compuestos Fabricación PMCs Impregnación. Pultrusión n Ventajas ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ n Muy rápido (proceso continuo) Control preciso cantidad de resina Se elimina elaboración de preforma de fibras Productos de elevada resistencia Zona impregnación cerrada, limitándose las emisiones de productos volátiles Inconvenientes ¨ ¨ Materiales Compuestos Limitado a componentes de sección transversal constante Los costes de calentamiento de las matrices pueden ser elevados Fabricación PMCs Impregnación. Moldeo por compresión Resin Transfer Moulding (RTM) n Aplicaciones: ¨ Componentes automóviles ¨ Pequeños componentes de aviones ¨ Asientos trenes ¨ Raquetas tenis Materiales Compuestos Fabricación PMCs Impregnación. Moldeo por compresión n Ventajas ¨ ¨ ¨ n Elevadas fracciones volumétricas de fibras con muy baja porosidad Método seguro (resina no expuesta al ambiente) Alta calidad estética (moldes) Inconvenientes ¨ ¨ ¨ Materiales Compuestos Costes elevados de los moldes y precisión encaje Generalmente limitado el tamaño de las piezas fabricadas Pueden aparecer zonas con impregnación defectuosa Fabricación PMCs Consolidación bajo presión de pre-pregs n n n n n Se parte de placas o láminas de fibras pre-impregnadas con resina (curado parcial) La resina está en estado semisólido (tipo adhesivo) Se apilan los pre-pregs con distintas orientaciones y se consolidan bajo presión Curado final por calentamiento bajo presión (i.e., autoclave, 1020 atm) Aplicaciones: alas de aviones, F1, esquís, raquetas, … Materiales Compuestos Fabricación PMCs Consolidación bajo presión de pre-pregs n Ventajas ¨ ¨ ¨ ¨ n Altas fracciones volumétricas de fibras Seguros para la salud Se puede optimizar la resina para mejorar comportamiento mecánico y térmico (incluso resinas viscosas) Potencialmente automatizable Inconvenientes ¨ ¨ ¨ Materiales Compuestos Pre-pregs tejidos caros Generalmente los hornos autoclave son necesarios (caros, operación lenta, tamaño limitado) El utillaje debe resistir las altas temperaturas Fabricación PMCs Consolidación de resinas en molde n n n n Variación técnica pre-pregs: los productos intermedios son sheet moulding compound (SMC) y dough moulding compound (DMC), basados en resinas poliméricas Refuerzos discontinuos Producto final por compresión en caliente Fracción volumétrica de fibras limitada por viscosidad de la pasta (slurry) Materiales Compuestos Fabricación PMCs Consolidación de resinas en molde. SMCs y DMCs SMC DMC Materiales Compuestos Fabricación PMCs Moldeo por inyección n n Para resinas termoplásticas reforzadas con fibras cortas Etapas del proceso: ¨ ¨ ¨ ¨ n Introducción de los gránulos (con fibras 1-5 mm, Vf<10-20%) El tornillo hidráulico, rodeado de un calentador, lleva el material hacia el molde mientras se va fundiendo (flujo cortante, homogenización mezcla) El material acumulado es empujado a través del canal de colada por el tornillo. El molde se precalienta Se mantiene la presión por un tiempo corto para prevenir la flue ncia del material y posibles contracciones. Se deja enfriar el molde y se extrae la pieza La orientación de las fibras se puede controlar mediante el tipo de flujo que se produce durante el llenado del molde Materiales Compuestos Fabricación PMCs Moldeo por compresión en caliente n n n n Para resinas termoplásticas reforzadas por fibras largas Se parte de pre-pegs (láminas) Se apilan los pre-pregs con la orientación deseada Se realiza la compresión en caliente ¨ ¨ No es necesario curar el polímero, con lo cual se emplea la temperatura mínima necesaria para fundir la matriz y obtener una viscosidad razonable La matriz es mucho más viscosa que en el caso de las resinas termoestables, y por tanto se necesitan elevadas temperaturas y presiones Materiales Compuestos Fabricación MMCs n n Introducción Rutas de fabricación Metalurgia de polvos ¨ Mezclado por agitación y fundición ¨ Depósito por pulverización ¨ Infiltración bajo presión ¨ Compresión en caliente/PVD ¨ Unión por difusión ¨ n Procesos de consolidación y conformado Extrusión y embutición ¨ Laminación, forja y compresión isostática en caliente ¨ Materiales Compuestos Fabricación MMCs. Introducción Refuerzo Ruta fabricación ⊗ Inviable Continuo (v) Inusual v Ruta habitual Discontinuo Monofil. Multifil. Corto Partícula Metalurgia de polvos/extrusión ⊗ ⊗ Mezclado por agitación y fundición ⊗ ⊗ v (v) v (v) (v) v v v v ⊗ v v v v (v) ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ ⊗ Depósito por pulverización Infiltración bajo presión Compresión en caliente/PVD Unión por difusión Rutas con metal fundido: se favorece el contacto en la intercara metal/refuerzo + Uniones fuertes - Formación capa frágil de productos de reacción Materiales Compuestos Rutas de Fabricación de MMCs Metalurgia de polvos n Etapas principales Mezclado ¨ Compactación en frío ¨ Desgasificación (degassing) ¨ Consolidación a alta temperatura ¨ n n n HIP Sinterizado Extrusión Materiales Compuestos Fabricación MMCs. Metalurgia de polvos n Mezclado ¨ Polvos metálicos (atomizados): n n n ¨ ¨ n prealeados o polvos elementales 20-40 µm, < 100 µm Capa óxido, moléculas agua asociadas Buena mezcla a homogeneidad refuerzo Factor crítico: relación de tamaño entre polvos metálicos y refuerzo Compactación en caliente ¨ ¨ Necesaria eliminación previa moléculas agua (desgasificación) Material 95% denso (en vacío) Materiales Compuestos Fabricación MMCs. Metalurgia de polvos n Compactación en caliente ¨ Dos opciones: n Sinterización en fase líquida (región liquidus-solidus) ¨ ¨ ¨ n Mayor densidad Reacciones refuerzo-metal, intermetálicos indeseables Degradación microestructura, eutécticos intermetálicos groseros Bajo línea de solidus ¨ Ventajas de aleación supersaturada metaestable si el proceso de solidificación durante el atomizado es rápido. Endurecimiento por precipitación. Materiales Compuestos Fabricación MMCs. Metalurgia de polvos n Extrusión Paso final antes mecanizado ¨ Reducción de 20:1 o mayor. ¨ n n n Se rompe la película de óxido entre partículas metálicas Distribución uniforme del refuerzo debido al flujo plástico Control de la reducción y la temperatura para evitar roturas del refuerzo y degradación de la microestructura de la matriz Materiales Compuestos Fabricación MMCs. Metalurgia de polvos n Ventajas ¨ Matriz: cualquier aleación n ¨ ¨ n Aleaciones en no-equilibrio empleando solidificación rápida con mejor resistencia a alta temperatura Refuerzo: cualquiera (ruta sólida) Posibilidad Vp elevadas (sube E, baja α) Desventajas ¨ ¨ ¨ ¨ Manejo de gran cantidad de polvos muy reactivos, incluso potencialmente explosivos Ruta de fabricación relativamente compleja Formas productos iniciales limitados Coste elevado comparado con material sin refuerzo (Al 100$/kg) Materiales Compuestos Fabricación MMCs Mezclado por agitación y fundición n Objetivos agitación: ¨ ¨ ¨ n n Mejora mojado partículas Evitar aglomeración Evitar sedimentación Se consigue viscosidad suficientemente baja para realizar operaciones convencionales de fundición hasta Vp=25% y partículas de 10 µm y más. Empleada por Duralcan, Hydro Aluminium AS y Comalco Reocasting Materiales Compuestos Fabricación MMCs Mezclado por agitación y fundición n Ventajas ¨ n En principio se pueden emplear todos los métodos convencionales de procesamiento de metales. Bajo coste (6$/kg) Desventajas Aglomeración, sedimentación ¨ Reacciones refuerzo-metal fundente ¨ Segregación de partículas (frente de solidificación) ¨ Porosidad ¨ Materiales Compuestos Fabricación MMCs Mezclado por agitación y fundición n Al-7%Si/20%SiCp. Segregación durante la solidificación (a) lenta (fundición a la cera perdida, investment cast) y (b) rápida (pressure die cast). Materiales Compuestos Fabricación MMCs Mezclado por agitación y fundición Duralcan 6061/Al2O3 20% Comalco 6061/óxido 20% Materiales Compuestos Fabricación MMCs Depósito por pulverización (Spray deposition) n Dos tipos, según proceda el flujo pulverizado de: ¨ ¨ n Un depósito de metal fundente Una alimentación continua de un metal frío en una zona de inyección rápida en caliente Características: ¨ ¨ ¨ ¨ ¨ Solidificación rápida Contenido bajo en óxidos Porosidad (95-98% densidad) Dificultad para conseguir una distribución homogénea del refuerzo Coste intermedio entre ruta de polvos y de metal fundente. Materiales Compuestos Fabricación MMCs Depósito por pulverización (Spray deposition) n n n n n n n Procesos Osprey, desarrollado en los 70-80 Velocidad de depósito alta (610 kgs -1) Contacto metal fundidocerámica corto Vp<20-25%, para no perder material en exceso (overspray) Tamaño gota depende de la boquilla y flujo de metal y gas Las gotas no solidifican ‘en vuelo’ Intercara fuerte Materiales Compuestos Fabricación MMCs Depósito por pulverización (Spray deposition) n n n n Polvos metálicos o alambres Pulverización por: ¨ Expansión rápida de un gas (arco eléctrico o combustión) ¨ Plasma Aplicaciones en recubrimientos con gradiente Características: ¨ Velocidad de depósito menor (<1gs-1) ¨ Velocidad de las partículas mayor ¨ Velocidades de enfriamiento muy elevadas ¨ Se puede controlar la porosidad por debajo del 1% Pulverización por plasma (10000-20000 K) Materiales Compuestos Fabricación MMCs Infiltración bajo presión (squeeze infiltrate preform) n n n n n n n n n Preforma partículas/fibras cortas, con ligante (en general, base sílice) Vacío Infiltración metal fundente a presión Vp =50% Se puede diluir añadiendo más metal fundente (técnicas de mezclado) Baja porosidad Mismos problemas que rutas de stir casting No es una ruta habitual para refuerzos partículas Las fibras no actúan como lugares preferentes de nucleación: ¨ ¨ ¨ Lo último que solidifica es la zona alrededor de las fibras, rica en solutos Se favorece intercara fuerte Las capas de óxidos no se forman por escasez de O2 Materiales Compuestos Fabricación. Reacciones matriz-refuerzo n n Problemático en procesos con contacto prolongado metal fundente-cerámica Caso Al-SiC: Formación de Al4C3 y Si. Degrada propiedades finales del MMC y aumenta la viscosidad ¨ Cinética lenta en metal fundente rico en Si ¨ n Para Al en rutas de stir casting se emplea Al2O3p si la aplicación no permite altos contenidos de Si en la matriz Materiales Compuestos Fabricación MMCs Compresión en caliente/PVD n Proceso PVD ¨ Evaporación (bombardeo fuente electrones o iones sobre barra material objetivo) ¨ Transporte ¨ Reacción (optativa) ¨ Depósito (condensación) n n n n Las fibras pasan continuamente por la cámara. Recubrimiento ancho No afecta zona intercara Se apilan las fibras recubiertas y se realiza la compresión en caliente o proceso de HIP Ventajas ¨ Distribución de fibras muy homogénea ¨ Vf hasta 80% n Inconvenientes: ¨ Lento ¨ Caro Materiales Compuestos Fabricación MMCs Unión por difusión Se aplica presión en caliente sobre láminas de un material apiladas. Es una unión en estado sólido Contacto inicial n Empleado para Ti/monofil SiC ¨ Los óxidos de Ti se disuelven a 700ºC ¨ Se evitan reacciones en la intercara Deformación y fluencia lenta. Se reducen las cavidades y el espesor de la capa contaminante Procesos de difusión de vacantes. Desaparece capa óxido Materiales Compuestos Fabricación CMCs Introducción n Rutas con polvos cerámicos n Procesos reactivos n Compuestos cerámicos laminados n Compuestos C/C n Materiales Compuestos Fabricación CMCs Introducción n Importantes problemas técnicos debidos a: Fragilidad de las matrices que limita la deformación durante los procesos de fabricación ¨ Cambios de volumen asociados a agrietamiento. Empeora el problema al reforzar pues las fibras impiden la contracción de la matriz durante la eliminación de poros ¨ Temperaturas elevadas de fabricación (>1000ºC) ¨ Materiales Compuestos Fabricación CMCs Introducción Metal líquido Material Polvos cerámicos Etapa intermedia Producción Componente Fibras cerámicas Compuesto fase vapor Verde Proceso reactivo Sinterizado Materiales Compuestos Presión en caliente Infiltración en fase vapor Fabricación CMCs Rutas con polvos cerámicos n Establecidas en la industria para la fabricación de piezas cerámicas ¨ ¨ n Compactación en frío de los polvos, generalmente con una fase ligante: piezas en verde Sinterización ó compresión en caliente para eliminar los poros mediante procesos de difusión. Si hay líquido presente esta etapa es más rápida por la acción de la capilaridad Las fibras limitan la consolidación impidiendo la contracción de la matriz ? agrietamiento ¨ Mejora con HIP (aplicando presión hidrostática elevada) pero supone elevar significativamente los costes de producción Materiales Compuestos Fabricación CMCs Rutas con polvos cerámicos n Solución: empleo de matrices total o parcialmente líquidas a la temperatura de consolidación ¨ n Restringido a matrices que presentan propiedades pobres a elevada temperatura (matrices vítreas, i.e. borosilicatos y cordierita) Siguen produciéndose problemas en la etapa de enfriamiento debido al desajuste en la expansión térmica Materiales Compuestos Fabricación CMCs Procesos reactivos n Constituyentes elegidos de forma que se produzcan reacciones químicas durante el proceso de consolidación de la mezcla n Ejemplo: introducción de un metal en estado líquido que se oxida progresivamente (procesos XD, a partir de la oxidación direccional del Al) n Características del proceso ¨ Near-net-shape forming posible ¨ Control tensiones internas y porosidad ¨ n Cinética de la reacción n Gradientes térmicos n Velocidades de infiltración Frecuente metal residual sin reaccionar. Tolerable e incluso contibuye a mejorar la tenacidad Materiales Compuestos Fabricación CMCs Compuestos cerámicos laminados n Apilamiento de láminas en verde y sinterización. Proceso relativamente rápido y barato n Método sencillo de obtención de composites cerámicos relativamente tenaces n Ejemplo: láminas de SiC (200µm) recubiertas (5µm) con materiales que formen intercaras débiles (grafito) n Se obtienen materiales con propiedades anisótropas y estructuras similares a las conchas de los moluscos Materiales Compuestos Fabricación CMCs Compuestos C/C n C: material con propiedades excelentes a alta temperatura en ambiente no oxidante ? ¨ Aplicaciones importantes (frenos aviación) ¨ No puede ser sinterizado n Dos rutas básicas de fabricación Materiales Compuestos Fabricación CMCs Compuestos C/C Preforma de fibras Impregnación de fase líquida - resina termoestable - brea Carbonización Deposición de fase vapor - hidrocarburo gaseoso (1000-1200ºC, 1-3 veces) 1-5 veces Tratamiento térmico (2000-2800ºC) Compuesto C/C Materiales Compuestos
