INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES COMPUESTOS

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
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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”
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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:
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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:
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Fibra:
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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
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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:
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Carga: minerales; silice coloidal, microesferas de vidrio, carbonato cálcico
Núcleo: PVC, Nomex, aluminio, Polipropileno, madera de balsa
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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.
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Aquí sólo se van a comentar los composites poliméricos.
Diseño
Cómo combinar materiales
• Las más utilizadas en termoestables
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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
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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
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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
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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
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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
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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