Diapositivas - U5 - Materiales Compuestos

5/9/2018 Diapositivas - U5 - Materiales Compuestos - slidepdf.com

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Tecnología I

Materiales compuestos1.

Introducción

2.

Comportamiento mecánico

3.

Tipos de MC

4.

Semiterminados

5.

Terminados en molde abierto

6.

Terminados en molde cerrado

7.

Relación costo / beneficio



Ventajas

Comportamiento mecánico: ↓ δ, ↑ ε, ↑

rigidez

Resistencia a altas temperaturas: resinas termorrígidas hasta 330°C

Anisotropía: dependiendo de la orientación de las fibras.

Atenuador de vibraciones

Resistencia química – Buen comportamiento frente a llamas

Libertad de diseño: procesamiento, piezas, herramental bajo costo

Alto concepto FCF/NNS

Materiales compuestos - MC

Sólido heterogéneo de 2 o mas materialesRetienen identidadFin de la 2da fase →

“fase de refuerzo”



1. Propiedades de los distintos componentes

2. Cantidades relativas de los componentes

3. tamaño, forma, distribución y orientación de la

2da fase

4. del grado de adhesividad entre matriz refuerzo y2da fase

Dependencia de los MC



MC: propiedades mecánicas



1. Rotura de las fibras

2. Rotura e/fibras

Matriz y/o

Falta de adhesividade/matriz y 2ª fase

Hipótesis de fallo



Hipótesis de fallo: pull-out



a.- Compuestos laminares

Multilaminados unidireccionales o multidireccionalesLaminados sandwichs: vidrios de seguridadLaminados superficiales: formicas, enchapadosLaminados bimetálicos

b.- Compuestos particulados

Concreto = cemento + piedra + arena

Muelas rectificado = abrasivos (Al2O3, CSi) + ligante

c.- Compuestos reforzados por fibras.

Tipos de MC



Compuestos laminares

Tipos de MC



Tipos de MC



Fibras

Fibras = cortas

Fibras largas = filamentosVarios filamentos paralelos – Carretel = Rovings

Estructuras textiles

Fieltros, “mats” Sistemas no mallados = tejidos, ensambles y trenzas

Sistemas mallados = mallas y encadenados

MC reforzados con fibras



VidrioE: para uso eléctricoR/S: para uso estructural

C: para uso químico

Carbono (C entre 92 y 100%)

HT: alta tenacidad, soporta altas cargasHM: alto módulo, evita deformacionesHST: alta resistencia y tenacidadIM: módulo intermedio

Aramidas – KevlarFibras orgánicas, muy buen comportamiento al impacto

Envejecimiento, degradación con el tiempo

Fibras: tipos



Fibras: propiedades

Vidrio Carbono Aramidas PE

E R/S C HT HST IM HM HMResistenciatracción

Gpa 3.4 4.5 3.12.73.5

3.97.0

3.45.9

2.03.2

2.83.0

2.83.4

2.63.3

Alargamiento

rotura %

3.3

4.8

4.2

5.4 3.5

1.2

1.4

1.7

2.4

1.1

1.9

0.4

0.8

3.3

4.4

1.9

2.4

2.7

3.5

∅

Filamento μm 3-25 3-8 5-7 5-7

6.58

12 122738

Densidad

gr/c

m3 2.6 2.5 2.4 1.78 1.80 1.76 1.84 1.42 1.46 0.97



Fibras: propiedades



MC reforzados con fibras

Fibras vidrio largas discontinuas

Fibra de C ∅ ≈ 5 μmy cabello humano

∅ ≈ 40 μm



Fibras

Roving para Filament Winding

Roving para Spray Up



Fibras

Cintas y bobinas tejidas paraSMC

Telas y cintas



Fibras

Fibras de C: telas

Fibras Kevlar: telas



Fibras

Mallados - Encadenados

Tejidos - Trenzados

Tejidos - Ensamblados



Fibras

Tejidos



Fibras

Tejidos ensamblados



Fibras

Mat: distribución random

Mat ensamblado paraevitar desprendimientos



Fibras

Mat en rollo ≈

1,6 m de ancho



Híbridos



Fibras

Estructuras premoldeadas tipo panal de abejas



1. Fijan y estabilizan a la fase refuerzo

2. Transmiten los esfuerzos mecánicos a las fibras

3. Protegen 2ª fase: humedad, ataques químicos

Termorrígidas, en algunos casos termoplásticos

•

Muchos puntos de entrecruzamiento → ↑↑ rigidez

•

Resistentes al ataque químico

•

Resistentes a altas temperaturas

• Altas velocidades de polimerización

Matrices



Resinas PoliésterDesde 1936, para SMC. De bajas Tg y baja rigidezImportante % de contracción. De muy bajo costo

Resinas Viniléster↑

PM, ↑

Resistencia química y térmica y ↓

% contracción

Resinas Epoxis

Desde 1938, son las mas utilizadas↑

Resistencia a la T (250ºC), ↑↑

PM y ↑↑↑

costo

Desventaja: alta absorción de agua

Resinas FenólicasDe amplio uso, libera H2O ⇒

fisuras y/o poros

↑↑↑

frente a llama directa, ya que sigue liberando H2O

PP - Polieterimidas (PEI) – Polieteretercetona (PEEK)P/ semiterminados TPRFV, p/alto impacto y cortos tiempos

Matrices poliméricas



Compatibilidad Matriz / FR

Fibras Matrices Termorrígidas Matrices TermoplásticasPSins. Epoxi FP VS PI PP PA PEEK PES

Sintéticas

Aramidas

Buena↑↑↑

Buena

Buena↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

Buena

PE Buena↑↑↑

Buena

Mala Buena Mala Mala Mala Mala Mala

Vidrio

Vidrio C↑↑↑

Buena

Vidrio E↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

Buena Buena

Vidrio

R/S

Buena↑↑↑

Buena

Buena Buena↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

Carbono

CarbonoHT

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

Buena↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

CarbonoHST

Buena↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

Carbono

HM Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena Buena

↑↑↑

Buena

↑↑↑

Buena

PSins.-Poliester Insaturado; Epoxi; FP-Fenoplastos VS-Vinilester; PI-Polyimida; PP-Polipropileno; PA-Poliamida

PEEK-Polieter éter cetona PES-polieter sulfona



Proceso previo de impregnación entre fibras y matriz

MC de muy alta calidad, previamente armado

Semiterminados →

muy alta escala

Indice de defectos disminuye drásticamente

Defectos típicos

Baja impregnación →

baja adhesividad matriz/fibra

Presencia burbujas de aire en matriz polimérica

Semiterminados / semielaborados



Semiterminados: SMC

Láminas premoldeadasFabricados en máquinas de 'mat'Roving continuo o discontinuo + rociado de fibras

Espesores 2 y 3 mm. Apilado define espesor final



Semiterminados: SMC

Disposición de las fibras



Semiterminados: SMC

Sheet Molding Compaund



Conformación de láminas pre impregnadasAsistencia por vacío: mejora impreganación

elimina burbujas de aire

Asistencia por bolsas de vacío: calidad mediaAsistencia en autoclaves: calidad óptimaEspesores < 2 mm. Apilado define espesor final

Semiterminados: Prepregs - Preimpregnados




Fabricación de prepegs con bolsas de vacío




Prepregs TapeFR Honeycomb para Prepregs




Armado con Prepregs



Espesor e/2–4mm, dimensionalmente establesVida de banco indefinida, superficialmente no pegajosos1° forma: Dos placas extrudadas con la 2da fase entre medioLuego, prensas (simples o dobles) por encima de TgLuego, enfriamiento

Semiterminados: TPRFV



Semiterminados: TPRFV



Perfiles sin fin, como extruídosFase refuerzo →

roving continuo, aplicado longitudinalmente

Velos de superficie, estéticos y evitan 2da fase c/superficieVelocidad de producción →

desde 0,1 hasta 3 m/min.

Pultrusión



Pultrusión

1º y 2º) Almacenamiento y aprestado/desaprestado de rovings3º) Impregnado de las fibras: por inmersiónResinas de baja viscosidad (buena impregnación)4º) Preconformado de los perfiles: dados conformadores.

5º) Conformado, endurecimiento y calibrado del perfilDado conformador final, revestido en Cr.Incremento de T para polimerizado.6º) Enfriamiento: disponer de los perfiles sin que se adhieran

7º)Traccionado: mediante orugas o grampas, pretensado8º) Corte: corte a medida que va avanzando el perfil



Pultrusión

Batea para impregnación de resinas

Dados de pultrusión



Pultrusión

Batea para impregnación de resinas



Pultrusión

Dado de pultrusión



Pultrusión



Pultrusión: variantes



Moldes de todo tipo, hasta de madera, con desmoldante1° capa de resina, evitando que la 2° fase este en la superficieAsistencia de brochas y rodillos, 2°fase con o sin orientación

↑↑ costo mano de obra, pero ↓↓↓ costo herramentalPiezas de gran tamaño, geometría complicada, partidas bajasNo mas de 30% de fibras respecto de matriz.Embarcaciones, piletas, autopartes, etc.

Laminado manual – Hand Lay Up



Laminado manual – Hand Lay Up



Hand Lay Up



De mayor rendimiento, para partidas medianas

Pulverizado – Spray Up

Pulverizador+

Dosificador+Cabezal Tronzador Roving

Rodillos para eliminar poros

Fase refuerzo↓

distribución random




Roving para spray upFibras tronzadas → calidad media



Molde abierto



Molde abierto asistido por vacío

Piezas de alta calidad

Muy buena impregnaciónAusencia de burbujas de aire



Reforzar tubos huecos, con superficie exterior calibradaLanza con dos alimentadores: resina y fase refuerzoVelocidad rotación hasta 1000 RPM

Fibras random + mat y/o tejidos o trenzados tubulares

Centrifugado horizontal



Refuerzo p/cuerpos de revolución, generalmente huecosBobina fibras + matriz sobre molde / modeloModelo, puede o no extraerseSuperficies negativas →

modelo desmontable

Bobinado – Filament Winding




Refuerzo para tubos ytanques de gran tamaño

Contenedores de Alreforzados con fibras

↓Baja densidad



Impregnación → similar a pultrusiónRotación de la pieza sincronizada c/avance carro alimentadorRefuerzo desde alimentadores anularesEvitar escurrimientos por gravedad, rotación

Acepta hasta 65% de fibrasDesde pocos cm hasta mas de 9 metros de diámetro





Rovings de FC para filament winding




Extractor de moldes

ó



A partir de semielaborados SMC o TPRFPara piezas planas c/buenas PM; orientación en las fibrasMolde metálico cerrado calefaccionadoPreparación del SMC en forma y peso de acuerdo a la pieza

Compresión - Prensado

ó




Anteojos de fibra de C

Error conceptual de diseño … PM superiores en 2 ordenesde magnitud respecto de la cabeza del usuario

ó d



Geometrías rectangulares →

disminuyen descarte

Con TPRF →

precalentar conjunto > Tg → ↑ adhesividad

En SMC, temperaturas del orden de 150°C↓↓

viscosidad → ↑↑ llenado cavidad de moldeo (colabilidad)

Calentamiento exotérmico abre molde → ↑ desmoldeo


T f i RTM



1° paso →

colocación fase refuerzo

2° paso →

inyección de resina

↓↓

viscosidad resina → ↓↓ tiempos de curado

Piezas medianas a grandes, 2°fase hasta 50%

Ventajas de la técnica son:•

Superficies calibradas en ambas lados de la pieza

•Bajo tiempo de curado, bajos costos de fabricación• Baja emisión de vapores•

Incorporación de espumas (fonts) →

piezas muy livianas

Transferencia - RTM

T f i RTM



5 Etapas

Colocación 2º fase↓

Cierre↓Calor / Inyección

↓

Polimerización↓

Desmoldeo

Transferencia - RTM

T f i RTM



Transferencia - RTM

RIM



Similar a RTMMezcla de resinas en cámara independienteVentaja y desventaja →

↑↑↑

rapidez tiempos polimerización

Para piezas grandes y relativamente planas.

Fuerza de cierre muy baja, menor que prensado y RTMUnica boquilla alimentación →

simétricamente posicionada

RIM

C id i d di ñ



Consideraciones de diseño

C id i d di ñ




Técnica FabricaciónCostoEquipo

CostoHerramen

Costoproducción

N° de piezas(vida útil)

Semi Elaborados

SMC – Prepegs Alto Alto Alto Sin límitesTPRFV Alto Sin límitesPultrusión Alto Alto Alto Sin límitesElab. molde abiertoLay-up Manual ↓↓↓

Bajo ↓

Bajo ↓↓↓↓

Bajo 800–1000

Spray-up ↓↓

Bajo Bajo ↓↓

Bajo 100–200

Centrifugado ↓

Bajo Normal Normal

Filament w inding Bajo Normal Bajo Sin límitesElab. molde cerrado

Prensado SMC–TPRF Alto ↑↑↑

Alto Alto 300.000–400.000

Transferencia RTM Alto Alto Normal 1.000.000Inyectado RIM ↑↑↑

Alto ↑↑↑

Alto ↑↑↑

Alto 300.000–1.000.000



Ing. Matías

MARTÍNEZ GAMBA

Director: Dra. Patricia FRONTINI

Co-Director: Dr. Antonio Sergio POUZADA

INTEMA –

CONICET/UNMDP, Mar del Plata, Junio

2006

Tesis Magister Scientiae

International Research Seminar on Engineering with Plastics

PROPIEDADES DE IMPACTO Y MICRODUREZA

DE POLIPROPILENOS

REFORZADOS CON FIBRAS DE VIDRIO



SHAPE AND SIZE OF MOULDED PARTS

Rectangular box, of 70 x 130 mm,wall of 15 mm and thickness of 1,4 mm.

Ti ti Tm Pmax P2

PP non rein. 250ºC; 280ºC 1 y 2 s 50ºC 3MPa 1.8MPa

PP 20%GF 250ºC; 280ºC 0.5, 1 y 1.5 s 50ºC 3MPa 1.8MPa

PP 30%GF250ºC; 280ºC 0.5, 1 y 1.5 s 50ºC 3MPa 1.8MPa

PP 30%GF 250ºC; 280ºC 0.5, 1 y 1.5 s 50ºC 3MPa 1.8MPa

MOULDING PARAMETERS



Injection Machine

Klockner Ferromatic Desma FM20

Vol max: 37 cm3

Fmax close: 200 kNPmax injection: 250 MPa.

Hot runner injection mould, to

inject parts with weld lines.



Grado de PP con ≠

% de f ibras



Solidification temperature

T inj: 250ºC

ti: 0.5 s (up left)

ti: 1.0 s (down left)

ti: 1.5 s (down rigth)

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