INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS
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Bilbao, 8 de Octubre de 2015 INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS ÍNDICE • 1.‐ Estado del arte • 2.‐ Diseño. Qué es un material compuesto 2.1‐ Cómo se diseña • 3.‐ Cálculo. Fundamentos básicos 3.1.‐ Cómo se calcula • 4.‐ Fabricación. Diferentes procesos Estado del arte • • • • • • • • • Transporte Automoción: coches, autobuses, camiones, frenos etc Naval: barcos completos, domos para comunicaciones etc Aeronáutico: aviones enteros, alas enteras, flaps, carenados, domos de comunicaciones, alerones, helicópteros, drones etc Aeroespacial: satélites, estructuras, cohetes etc Electrónica: Placas de circuitos impresos Arquitectura: domos para antenas de comunicación, observatorios astronómicos, cubiertas y fachadas etc Obra civil: cemento armado, puentes, defensas de impacto, tuberías, perfiles, depósitos etc Deporte y ocio: bañeras, bicicletas, canoas, skiffes, traineras, remos, pértigas, cascos etc Estado del arte Estado del arte Diseño 2.‐ Qué es un material compuesto o “composite” • • • Material formado por dos o más materiales que hace que sus propiedades finales sean mejores que las de los componentes por separado. A partir de ahora lo llamaremos “composite”. Ejemplos a través de la historia: – – – – – – Adobe: barro y paja Resina de arboles con minerales utilizados en impermeabilización Asfalto mezclado con grava para pisos de carreteras Cemento armado. Cemento, arena, grava y varilla de acero Madera contrachapada, bambú Vigas de madera encolada Diseño Normalmente tiene varios componentes: • • Fibra: • • fibras biológicas; yute, sisal, algodón … fibras minerales o sintéticas: Fibra de vidrio E y S, Cobalto, Kevlar, Carbono, Nylon, Cerámicos; carbono, CSi, Alúmina metálico; Boro, C y CSi • • • • • Agua, Termoestables; poliester, epoxi, vinilester Termoplásticas: PEEK, PP, PA‐6, PA‐12, PBT, PET Metálicos: Aluminio, magnesio, Titanio, Cobalto, Cobalto‐Niquel Cerámicos: Alúmina, nitruro de Aluminio, Nitruro de Silicio, Carburo de Silicio Matriz: • • Carga: minerales; silice coloidal, microesferas de vidrio, carbonato cálcico Núcleo: PVC, Nomex, aluminio, Polipropileno, madera de balsa • • • • La fibra suele aportar resistencia mecánica La matriz es un aglutinante, que le da la forma cuando se solidifica La carga da propiedades específicas a la matriz: facilidad de lijado, brillo, densidad, abaratar coste, características ignífugas, imitación a marmol y un largo etc El núcleo aumenta las propiedades mecánicas sin aumentar mucho el peso. • Aquí sólo se van a comentar los composites poliméricos. Diseño Cómo combinar materiales • Las más utilizadas en termoestables • • • • Fibra de vidrio: barata, características mecánicas aceptables y abundante ( es Si, el material sólido más abundante del planeta) Fibra de carbono: Es cara, características mecánicas excelentes y necesita un procesado químico a partir del petróleo. Fibra de kevlar: Es cara, características mecánicas excelentes y necesita un procesado químico a partir del petróleo. Muy buena resistencia al impacto y muy mal envejecimiento en contacto con agua ( aunque esté protegida). Los blindajes se suelen hacer con este material. Fibra de cobalto: Barata y muy utilizada en protecciones contra impacto. Blindajes. Diseño Cómo combinar materiales • Las más utilizadas en termoplásticos • • Fibra de vidrio: barata, características mecánicas aceptables y abundante ( es Si, el material sólido más abundante del planeta) Fibra de Polipropileno PP: Es barata, características mecánicas excelentes y necesita un procesado químico a partir del petróleo. • Los más utilizados como núcleo • • • • PVC Nido de abeja de Polipropileno PP o de celulosa Nido de abeja de aramida NOMEX o en aluminio Madera de balsa Diseño Diseño Diseño 2.1.‐ Cómo se diseña • • • Si necesitamos características mecánicas vemos en qué dirección y diseñamos el material para que aguante el máximo en esa dirección. En un material homogéneo (metal) cada trocito de material tiene las mismas características mecánicas en cualquier dirección. Un composite tiene el esfuerzo direccionado en el sentido de la fibra. Las fibras son materiales ortótropos (con un plano principal). Colocando varias capas en distintos ángulos se puede llegar a hacer un material anisótropo (todos sus planos tienen características distintas). Podemos mezclar fibras y orientaciones e incluso aumentar el espesor en una zona concreta. Diseño • • • • • Se diseña en función de los esfuerzos Se pueden insertar dentro del composite zonas metálicas o con otros materiales (madera, minerales..) Podemos hacer un material que tenga características mecánicas iguales en todos los ejes o distintas en todos. Se puede hacer que cuando haya un esfuerzo en una dirección, se curve en otra. Añadiendo un núcleo se consigue aumentar la inercia y el comportamiento es similar al de una viga pero sin aumentar mucho el peso y el coste. Diseño CÁLCULO 3.‐ Cálculo • Ley de hooke E =σ/ ε CÁLCULO 3.‐ Cálculo • Ley de las mezclas CÁLCULO 3.‐ Cálculo • Ley de las mezclas CÁLCULO 3.‐ Cálculo CÁLCULO 3.‐ Cálculo CÁLCULO 3.‐ Cálculo CÁLCULO 3.‐ Cálculo CÁLCULO 3.‐ Cálculo CÁLCULO 3.‐ Cálculo CÁLCULO 3.‐ Cálculo CÁLCULO 3.1.‐ Cómo se calcula • Ejemplo con software público: elamX FABRICACIÓN 4.‐ Fabricación. Diferentes procesos • • • • • • • • • • • • Moldeo por contacto Contacto y vacío (nucleos) Resin transfer moulding RTM Infusión BMC Bulk moulding compression SMC Sheet moulding compression Rotomoldeo Pultrusión Filament winding (arrollamiento de filamentos) Braiding (Entretejido) Autoclave Prepeg. Automatic Fiber Placement (AFP) , Automatic Tape Placement (ATP) FABRICACIÓN FABRICACIÓN FABRICACIÓN FABRICACIÓN FABRICACIÓN Entretejido por CNC Calcetín (sleeve) sobre modelo FABRICACIÓN Interesantes videos sobre la técnica de infusión How to Make a Carbon Fiber Car Bonnet/Hood ‐ Part 1/3, 2/3 and 3/3 https://youtu.be/UgKvDw1E60E
