Materiales compuestos : Procesos de fabricación de embarcaciones

s compuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales com m puestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compue s e stos materiales compuestos materiales compuestos materiales compuesto s o mpuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compu e os materiales compuestos materiales compuestos materiales compuestos m a m ateriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos mater eriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos materia l s compuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales co m m puestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compue s e stos materiales compuestos materiales compuestos materiales compuesto s o mpuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compu e os materiales compuestos materiales compuestos materiales compuestos m a m ateriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos mater eriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos materia l s compuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales co m m puestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compue s e stos materiales compuestos materiales compuestos materiales compuesto s o mpuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compu e os materiales compuestos materiales compuestos materiales compuestos m a m ateriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos mater eriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos materia l s compuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales co m m puestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compue s e stos materiales compuestos materiales compuestos materiales compuesto s o mpuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compu e os materiales compuestos materiales compuestos materiales compuestos m a m ateriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos mater eriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos materia l s compuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales co m m puestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compue s e stos materiales compuestos materiales compuestos materiales compuesto s o mpuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compu e os materiales compuestos materiales compuestos materiales compuestos m a m ateriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos mater eriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos materia l s compuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales co m m puestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compue s e stos materiales compuestos materiales compuestos materiales compuesto s o mpuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compu e os materiales compuestos materiales compuestos materiales compuestos m a m ateriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos mater eriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos materia l s compuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales co m m puestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compue s e stos materiales compuestos materiales compuestos materiales compuesto s o mpuestos materiales compuestos materiales compuestos materiales compu e os materiales compuestos materiales compuestos materiales compuestos m a m ateriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos mater eriales compuestos materiales compuestos materiales compuestos material Materiales compuestos Alejandro Besednjak procesos de fabricación de embarcaciones EDICIONS UPC AULA POLITÈCNICA / NÁUTICA Alejandro Besednjak Dietrich Materiales compuestos Procesos de fabricación de embarcaciones Primera edición: septiembre de 2005 Diseño de la cubierta: Jordi Calvet © Alejandro Besednjak, 2005 © Edicions UPC, 2005 Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es E-mail: [email protected] Producción: Quality Impres, S.L. Comte Güell 24-28, 08028 Barcelona Depósito legal: B40719-2005 ISBN: 84-8301-820-9 Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos. Prólogo 7 Prólogo La utilización de materiales compuestos en la industria naval ha experimentado, desde sus comienzos en la década del cuarenta, un constante crecimiento. Su empleo ha permitido construir embarcaciones más duraderas, más ligeras y a un coste menor que las tradicionales de madera; ello, sumado a importantes logros sociales obtenidos en la segunda mitad del siglo XX, ha permitido a un público cada vez mayor acceder a la navegación de recreo. Superados los problemas iniciales, los nuevos procesos o técnicas han conseguido hacer de los materiales compuestos unos materiales fiables y con un comportamiento predecible. Ofrecen al diseñador naval unas excelentes propiedades mecánicas, una reducción sustancial de peso, y una libertad en el diseño de formas que los convierte en los preferidos respecto de otros materiales tradicionales. El presente libro tiene como objetivos fundamentales ofrecer de manera clara y ordenada los diferentes procesos de fabricación que se utilizan actualmente en la construcción de embarcaciones empleando materiales compuestos, estudiar la problemática específica de las grandes estructuras marinas, y difundir las tecnologías más respetuosas con el medio ambiente. El mismo analiza los procesos desde una perspectiva contextual, y se encuentra orientado tanto a diseñadores y constructores navales como a estudiantes de ingeniería naval. La falta de bibliografía técnica referente al tema en lengua castellana nos ha servido como estímulo para ofrecer esta recopilación. Esperamos que el texto sea útil, que su lectura sea entretenida, y que nos hagan llegar sus sugerencias, críticas y comentarios para enriquecer futuras ediciones. Alejandro Besednjak Dietrich © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 8 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Agradecimientos La idea de preparar el presente libro surge de la recopilación de una serie de apuntes monotemáticos referidos a los nuevos procesos de fabricación de embarcaciones en materiales compuestos, escritos para los alumnos de Enginyeria Tècnica Naval de la Facultat de Nàutica de Barcelona. No son pocos los que estos años han colaborado, de una manera u otra, para que este libro vea la luz. Por ello, quería agradecerles a todos ellos su esfuerzo. A mis padres, que sin su apoyo y devoción jamás hubiera podido dedicarme a esta profesión. A mi esposa Elvira, por su derroche de paciencia y comprensión. A la Facultat de Nàutica de Barcelona y, especialmente, a Germán de Melo Rodríguez, director del proyecto de I+D OPEN 6,5. A mis colegas de la Facultat de Nàutica de Barcelona Joan Antoni Moreno Martínez y Mohammed Reda Chakkor. A Alejandro Bosque i Laguna, del Consorci El Far de Barcelona, y a Luis Fernández Delgado, delegado para Catalunya del Colegio Oficial de Peritos e Ingenieros Técnicos Navales. A la biblioteca de la Facultat de Nàutica de Barcelona, especialmente a Carme Urgell y a Charo Piera. A la biblioteca P. Fidel Fita de Arenys de Mar. A Gabriela Carabelli, Mariana Arias, Horacio Chakass, Javier Soto Acebal y Héctor Longarella, de la Universidad Nacional de Quilmes, en Argentina. A los diferentes talleres y astilleros por los cuales he pasado todos estos años, especialmente Sams-C3, y a sus directores, Albert Bargués y Bernat Calpe. A todos ellos mi más sincero agradecimiento. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Índice 9 Índice Presentación Prólogo.........................................................................................................................7 Agradecimientos..........................................................................................................8 1 Conceptos generales 1.1 Definición de material compuesto...............................................................................15 1.2 Tipos de materiales compuestos..................................................................................16 1.3 El concepto matriz-refuerzo........................................................................................16 2 Matrices para materiales compuestos 2.1 Los polímeros ..............................................................................................................19 2.2 Origen..........................................................................................................................19 2.3 Procedimientos de síntesis de polímeros .....................................................................19 2.4 Clasificación de los polímeros.....................................................................................20 2.4.1 Termoplásticos....................................................................................................21 2.4.2 Elastómeros.........................................................................................................21 2.4.3 Termoestables.....................................................................................................22 2.5 Particularidades de la industria naval ..........................................................................23 2.6 Funciones de la matriz polimérica en el material compuesto......................................24 2.7 Matrices termoestables ................................................................................................24 2.7.1 Proceso de curado de resinas..............................................................................24 2.7.2 Clasificación de resinas ......................................................................................27 2.7.2.1 Resinas de poliéster.............................................................................27 2.7.2.2 Resinas de viniléster............................................................................30 2.7.2.3 Resinas de baja emisión de estireno....................................................31 2.7.2.4 Resinas epoxi.......................................................................................31 2.7.2.5 Resinas fenólicas.................................................................................32 2.7.2.6 Otras resinas........................................................................................33 2.8 Cargas y aditivos..........................................................................................................33 2.8.1 Cargas.................................................................................................................34 2.8.2 Aditivos...............................................................................................................34 2.9 Recubrimientos............................................................................................................35 2.9.1 El gelcoat............................................................................................................35 2.9.2 El topcoat............................................................................................................36 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 10 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones 3 Materiales de refuerzo 3.1 Introducción.................................................................................................................39 3.2 Fibras inorgánicas........................................................................................................39 3.2.1 Fibra de vidrio.....................................................................................................39 3.2.1.1 Introducción ......................................................................................39 3.2.1.2 Composición química........................................................................40 3.2.1.3 Procesos de obtención.......................................................................40 3.2.1.4 Tipos de fibras de vidrio....................................................................41 3.2.1.5 Propiedades .......................................................................................41 3.2.2 Fibra de carbono.................................................................................................42 3.2.2.1 Introducción ......................................................................................42 3.2.2.2 Composición química........................................................................42 3.2.2.3 Proceso de obtención.........................................................................42 3.2.2.4 Tipos de fibra de carbono..................................................................43 3.2.2.5 Propiedades .......................................................................................43 3.3 Fibras sintéticas ...........................................................................................................44 3.3.1 Fibras aramídicas................................................................................................44 3.3.1.1 Introducción ......................................................................................44 3.3.1.2 Composición química........................................................................45 3.3.1.3 Proceso de obtención.........................................................................45 3.3.1.4 Tipos de fibras aramídicas.................................................................45 3.3.1.5 Propiedades .......................................................................................45 3.4 Estructuras textiles.......................................................................................................46 3.4.1 Introducción........................................................................................................46 3.4.2 Fieltros................................................................................................................47 3.4.3 Sistemas no mallados..........................................................................................47 3.4.3.1 Tejidos...............................................................................................47 3.4.3.2 Ensamblados......................................................................................49 3.4.3.3 Trenzados..........................................................................................50 3.4.4 Mallados y encadenados.....................................................................................51 4 Materiales de núcleo 4.1 Introducción.................................................................................................................53 4.2 Concepto de estructura sandwich ................................................................................53 4.3 Tipos de núcleos..........................................................................................................54 4.3.1 Maderas naturales...............................................................................................54 4.3.1.1 Madera balsa .....................................................................................54 4.3.1.2 Cedro rojo..........................................................................................56 4.3.1.3 Contrachapado marino ......................................................................56 4.3.2 Espumas sintéticas..............................................................................................57 4.3.2.1 Espumas de cloruro de polivinilo (PVC) ..........................................57 4.3.2.2 Espumas de poliuretano (PU)............................................................58 4.3.2.3 Espumas de poliestireno (PS)............................................................59 4.3.2.4 Espumas de estireno-acrilonitrilo (SAN)..........................................59 4.3.2.5 Espumas de polimetacrilimida (PMI)................................................59 4.3.2.6 Espumas sintácticas...........................................................................60 4.3.3 Nido de abeja......................................................................................................60 4.3.4 Fire Coremat ®...................................................................................................61 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Índice 11 5 Introducción a los procesos de fabricación 5.1 Introducción.................................................................................................................63 5.2 Clasificación de los procesos.......................................................................................63 5.3 Contenido de refuerzo..................................................................................................64 5.4 Coste de utillajes y equipos .........................................................................................65 5.5 Emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV).................................................65 5.6 Número de unidades que deben producirse ................................................................68 6 Técnicas de moldeo por contacto 6.1 Introducción a las técnicas...........................................................................................69 6.2 Laminado manual ........................................................................................................69 6.2.1 Concepto fundamental........................................................................................69 6.2.2 Herramientas.......................................................................................................70 6.2.3 Materiales ...........................................................................................................71 6.2.4 Ambiente de trabajo............................................................................................73 6.2.5 Ventajas ..............................................................................................................74 6.2.6 Desventajas.........................................................................................................74 6.2.7 Conclusiones.......................................................................................................75 6.3 Proyección simultánea.................................................................................................75 6.3.1 Concepto fundamental........................................................................................75 6.3.2 Herramientas.......................................................................................................76 6.3.3 Materiales ...........................................................................................................78 6.3.4 Ambiente de trabajo............................................................................................79 6.3.5 Ventajas ..............................................................................................................79 6.3.6 Desventajas.........................................................................................................80 6.3.7 Conclusiones.......................................................................................................80 6.4 Moldeo con impregnadores .........................................................................................81 6.4.1 Concepto fundamental........................................................................................81 6.4.2 Herramientas.......................................................................................................82 6.4.3 Materiales ...........................................................................................................83 6.4.4 Ambiente de trabajo............................................................................................84 6.4.5 Ventajas ..............................................................................................................84 6.4.6 Desventajas.........................................................................................................84 6.4.7 Conclusiones.......................................................................................................85 7 Técnicas de moldeo asistidas por vacío 7.1 Introducción a las técnicas...........................................................................................87 7.2 El vacío........................................................................................................................87 7.2.1 Formas de obtención del vacío ...........................................................................88 7.3 Moldeo por vacío-laminado manual............................................................................90 7.3.1 Concepto fundamental........................................................................................90 7.3.2 Desarrollo del método.........................................................................................91 7.3.2.1 Tejidos pelables.................................................................................92 7.3.2.2 Films separadores y sangradores.......................................................92 7.3.2.3 Manta de absorción/aireación............................................................93 7.3.2.4 Films de nylon para bolsa de vacío...................................................93 7.3.2.5 Masillas de cierre ..............................................................................94 7.3.3 Materiales ...........................................................................................................94 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 12 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones 7.3.4 Ambiente de trabajo............................................................................................94 7.3.5 Ventajas ..............................................................................................................95 7.3.6 Desventajas.........................................................................................................95 7.3.7 Conclusiones.......................................................................................................96 7.4 Laminado de preimpregnados......................................................................................96 7.4.1 Concepto fundamental........................................................................................96 7.4.2 Materiales ...........................................................................................................97 7.4.3 Ambiente de trabajo............................................................................................100 7.4.4 Ventajas ..............................................................................................................100 7.4.5 Desventajas.........................................................................................................100 7.4.6 Conclusiones.......................................................................................................101 7.5 Preimpregnados parciales............................................................................................101 7.5.1 Concepto fundamental........................................................................................102 7.5.2 Ventajas ..............................................................................................................102 7.5.3 Desventajas.........................................................................................................103 7.5.4 Conclusiones.......................................................................................................103 8 Técnicas de moldeo por vía líquida 8.1 Introducción a las técnicas...........................................................................................105 8.2 RTM.............................................................................................................................105 8.2.1 Concepto fundamental........................................................................................105 8.2.2 Herramientas.......................................................................................................106 8.2.3 Materiales ...........................................................................................................107 8.2.4 El proceso ..........................................................................................................108 8.2.5 VARTM..............................................................................................................111 8.2.6 Ambiente de trabajo............................................................................................112 8.2.7 Ventajas ..............................................................................................................112 8.2.8 Desventajas.........................................................................................................112 8.2.9 Conclusiones.......................................................................................................113 8.3 Técnicas de moldeo por infusión.................................................................................113 8.3.1 Concepto fundamental........................................................................................113 8.3.2 Herramientas.......................................................................................................114 8.3.2.1 Moldes...............................................................................................114 8.3.2.2 Sistema de vacío y distribución de resina..........................................115 8.3.3 Materiales ...........................................................................................................115 8.3.3.1 Resinas ..............................................................................................115 8.3.3.2 Materiales de refuerzo.......................................................................116 8.3.3.3 Materiales de núcleo..........................................................................116 8.3.3.4 Materiales fungibles..........................................................................116 8.3.4 Principios de distribución de la resina................................................................117 8.3.5 Ventajas ..............................................................................................................119 8.3.6 Desventajas.........................................................................................................120 8.3.7 Conclusiones.......................................................................................................120 9 Autoclave 9.1 Introducción...........................................................................................................121 9.2 Concepto fundamental...........................................................................................121 9.3 Herramientas..........................................................................................................122 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 20 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones El requerimiento básico para polimerizar una molécula es que cada molécula de monómero debe ser capaz de enlazarse a otras dos o más moléculas de monómero por reacciones químicas. Comienzan con moléculas pequeñas, que luego se van uniendo entre sí para formar moléculas gigantes. Existe una gran diversidad de sustancias de naturaleza orgánica que cumplen con este requisito, dando lugar a diferentes sistemas de clasificación de estas reacciones de polimerización: a) Sistema adición-condensación (Carothers) • Polimerización por adición: si la molécula entera de monómero pasa a formar parte del polímero; este tipo de polimerización no genera subproductos. • Polimerización por condensación: si parte de la molécula de monómero se pierde cuando el monómero pasa a formar parte del polímero; este tipo de polimerización genera subproductos. b) Sistema crecimiento de cadena-crecimiento en etapas • Polimerización por crecimiento de cadenas: los monómeros pasan a formar parte del polímero de a uno por vez. • Polimerización por crecimiento en etapas: en una reacción por crecimiento en etapas, las cadenas en crecimiento pueden reaccionar entre sí para formar cadenas aún más largas. Esto es aplicable a cadenas de todos los tamaños. Existen dos tipos de polimerización por etapas: policondensación y poliadiciones. 2.4 Clasificación de los polímeros Así como la palabra metal designa diferentes tipos de materiales, la palabra polímero debe considerarse como un concepto amplio, en el que caben un buen número de materiales. Dentro de este numeroso grupo de materiales, podemos hacer diferentes clasificaciones, atendiendo siempre a diversos criterios. Una primera clasificación podría establecerse según el origen del polímero, de la siguiente manera: a) polímeros naturales b) polímeros sintéticos Como polímeros naturales podemos mencionar la lana, la seda, la celulosa, el caucho natural, etc.; como polímeros sintéticos, los plásticos, el caucho sintético, las pinturas y recubrimientos, los adhesivos, los pegamentos, los materiales textiles sintéticos, las resinas endurecibles, etc. Sin embargo, la clasificación más aceptada se basa en el comportamiento térmico del polímero, es decir, en la termodependencia de sus propiedades (comportamiento y procesabilidad); así, tenemos: a) termoplásticos b) elastómeros c) termoestables © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2 Matrices para materiales compuestos 21 2.4.1 Termoplásticos Los termoplásticos son polímeros que al calentarse a determinadas temperaturas se convierten en fluidos, permitiendo su moldeabilidad en la forma deseada, que quedará preservada al enfriarse. Constituyen el grupo más importante y de mayor uso comercial de polímeros sintéticos. Su arquitectura molecular o estructura puede ser lineal o ramificada, lo que le facilita fluir con aportación de calor. Como ejemplos podríamos citar polietilenos, polipropilenos, policloruro de vinilo, poliamidas, policarbonatos, poliuretanos, etc. Fig. 2.1 Estructura molecular de termoplásticos 2.4.2 Elastómeros Los elastómeros son polímeros que poseen cadenas con mucha libertad de movimiento molecular (flexibilidad). Presentan dobles enlaces a lo largo de la cadena, pero reticulados en menor extensión. Debido a ello presentan un estado gomoelástico a temperatura ambiente. Son infusibles e insolubles, pero hinchables. Como ejemplos podemos citar el caucho natural y el sintético, el caucho nitrilo, el caucho estirenobutadieno, el polibutadieno, etc. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 22 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Fig. 2.2 Estructura molecular de elastómeros. Presentan dobles enlaces a lo largo de la cadena 2.4.3 Termoestables Los termoestables son polímeros que no pueden fluir por efecto de la temperatura para ser remoldeados. Molecularmente hablando son polímeros entrecruzados. Tienden a ser resinas de mucha rigidez, y someterlos a temperatura elevada promueve la descomposición química del polímero (carbonización). A temperatura ambiente son duros y frágiles. Como ejemplos de polímeros termoestables podemos citar las resinas poliéster, las resinas viniléster, las epoxi, las fenólicas, las resinas urea-formaldehído, etc. Para mejorar las características mecánicas de las resinas termoestables, se las suele asociar con diferentes tipos de materiales de refuerzo, como por ejemplo la fibra de vidrio, dando lugar entones a un material compuesto. Este nuevo material poseerá unas características diferentes de las de sus materiales de origen. Fig. 2.3 Estructura molecular de termoestables. Cada intersecto representa un punto de entrecruzamiento entre cadenas poliméricas © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2 Matrices para materiales compuestos 23 2.5 Particularidades de la industria naval Arribados a este punto, creemos necesario definir el alcance de los materiales compuestos en la industria naval, para su mejor compresión. Por ello, luego de las diferentes clasificaciones llevadas a cabo respecto de los tipos de materiales compuestos, y de los diferentes materiales que pueden intervenir en su composición como matrices, podemos afirmar que los materiales compuestos de matriz polimérica, y en especial los de matrices termoestables, son los más utilizados con tales propósitos, argumentando a continuación algunas de las razones más importantes que derivan de este hecho. El voluminoso tamaño que por lo general poseen las embarcaciones, hace impensable económicamente, al menos de momento, la utilización de otros materiales compuestos diferentes de aquellos en que intervengan las matrices termoestables. Los materiales compuestos de matriz metálica se basan en la incorporación de refuerzos con fibras continuas, fibras discontinuas, y en la adición de partículas. La fabricación de estos compuestos se hace bien por la acción de presión y temperatura sobre las capas del refuerzo entre láminas del metal, de forma que las láminas se deforman en torno a las fibras y se enlazan unas y otras, o bien mediante complicados procesos metalúrgicos de polvos y procesos de infiltración por fusión. Los costes de tales procesos hacen difícil su aplicación en la construcción de embarcaciones, siendo su finalidad, casi exclusivamente, aeroespacial. Los materiales compuestos de matriz cerámica tienen como objeto principal la de mejorar las características de los materiales cerámicos. Conocidas las propiedades de resistencia a las altas temperaturas de los materiales cerámicos, los compuestos cerámicos buscan solución a la fragilidad que tienen muchos de estos materiales a bajas temperaturas, evitando la fractura sin sacrificar la resistencia. Los tipos de refuerzo pueden ser a través de fibras continuas, fibras discontinuas y refuerzos con partículas. Los procesos de fabricación se basan en deposiciones químicas de vapor para la impregnación de los refuerzos, encapsulamiento de las fibras mediante un material vítreo-cerámico, o la compresión isostática en caliente. En todo caso, la complejidad de los procesos, así como la finalidad última de los materiales obtenidos, se alejan de la problemática presente en diseño y construcción de embarcaciones. Por último, de los materiales compuestos de matriz polimérica, sólo tienen utilidad en el campo naval las matrices termoplásticas y las termoestables. Los termoplásticos se utilizan únicamente en la construcción de piezas de tamaño reducido, debido a que su estructura molecular es lineal o ramificada; necesitan de calor y alta presión para moldearse, lo que eleva el coste de los moldes; la impregnación de las fibras de refuerzo se torna dificultosa dada la alta viscosidad de la matriz durante su elaboración, y éstas tienen tendencia a fluir a temperaturas medias. En cambio, los materiales compuestos de matriz termoestable no necesitan de grandes inversiones en moldes ni controles de temperatura, ya que la mayoría de resinas se procesan a temperatura ambiente. Los procesos de fabricación requieren moldes sencillos, construidos por lo general con los mismos compuestos u otros más sencillos, como la madera, y las propiedades físicas y mecánicas finales son más que aceptables. El coste de la materia prima es razonable y la mano de obra, a pesar de ser numerosa y artesanal, no requiere de un alto grado de capacitación. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 24 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Por lo expuesto anteriormente, podemos concluir que los materiales compuestos utilizados en construcción naval quedan circunscriptos casi pura y exclusivamente a los poliméricos, y específicamente a aquellos que emplean matrices termoestables. 2.6 Funciones de la matriz polimérica en el material compuesto Las matrices constituyen, junto con los elementos de refuerzo, los dos elementos básicos e indispensables del material compuesto. Entre las funciones principales que cumplen las matrices, podemos destacar las siguientes: a) Transmiten los esfuerzos a las fibras de refuerzo a través de la interfaz (frontera entre fibra y matriz). b) Protegen a las fibras de los esfuerzos de compresión. c) Unen las diferentes fibras de refuerzo por medio de fuerzas adhesivas. d) Aseguran a las fibras de refuerzo de acuerdo con el orden preestablecido. e) Resguardan a las fibras de los ataques externos como humedad, ataque químico, etc. 2.7 Matrices termoestables El estado inicial de los termoestables es un líquido viscoso, que por efecto de una reacción de endurecimiento pasa por un estado de gel y se transforma finalmente en un sólido. Según el grado de esta reticulación se definen la fragilidad y resistencia a la temperatura del producto final. A mayor grado, más resistencia térmica, mayor fragilidad y, en contrapartida, menor capacidad de absorción de energía, menor alargamiento a la rotura, y menor resistencia química. Es necesario entonces, alcanzar soluciones de compromiso entre ductilidad y resistencia térmica. A temperatura ambiente estas moléculas altamente reticuladas son duras y rígidas, pero al mismo tiempo frágiles, y tienden a reblandecerse mucho menos que los termoplásticos por la acción del calor. Entre las principales ventajas comunes a todos los termoestables podemos mencionar: a) alta rigidez b) bajo peso c) alta estabilidad dimensional d) alta estabilidad térmica e) resistencia a la fluencia y a la deformación bajo carga f) buenas propiedades como aislante térmico y eléctrico 2.7.1 Proceso de curado de las resinas Se denomina curado al proceso por el cual la resina se transforma de un estado líquido a un estado sólido. Para que este cambio de estados se produzca, es necesario adicionarle a la resina diferentes sustancias, como el catalizador y el acelerador (conocido también como activador). Desde el instante en el cual se © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2 Matrices para materiales compuestos 25 produce la mezcla de los mismos, podemos decir que el proceso de endurecimiento ha comenzado. En la primera parte de la figura 2.4 podemos observar que no existe un incremento notable de la temperatura de la mezcla, aunque la misma comienza a aumentar su viscosidad, hasta el punto en que se transforma en un gel que imposibilita seguir impregnando los refuerzos: este punto se conoce como punto de gel, y determina los límites del tiempo de trabajo de la resina. En general, es el punto que indican los fabricantes en sus especificaciones, para unas condiciones determinadas, dependiendo de algunas variables como el porcentaje de catalizador, la temperatura ambiente y el espesor del laminado. Fig. 2.4 Curva exotérmica característica de una resina A partir del punto de gel, comienza la fase de endurecimiento de la resina; la reacción que se produce durante el entrecruzamiento de moléculas genera calor de forma exotérmica, razón por la cual se produce un acusado aumento de temperatura de la mezcla. El tiempo que dura esta etapa y la temperatura máxima que alcanza la mezcla están en función también del porcentaje de catalizadoractivador, de la temperatura ambiente y, de una manera muy importante, del espesor del laminado. Como referencia, en las resinas de poliéster y viniléster, esta temperatura puede sobrepasar los 150º C. Una vez alcanzada la temperatura máxima, ésta comienza a descender lentamente, hasta alcanzar nuevamente el laminado la temperatura ambiente. La reacción química aminora. Se conoce esta etapa como de curado final, y la resina presenta ya un estado completamente sólido. Este curado final puede acelerarse mediante la adición de temperatura al laminado una vez que haya superado el pico exotérmico, conociéndose el proceso como de postcurado. La duración e intensidad dependerá de las características técnicas de la resina. No obstante, el curado también puede realizarse a temperatura ambiente, proceso que se conoce como maduración del laminado. El mismo tendrá mayor o menor brevedad dependiendo de las propiedades de la resina utilizada en el mismo, pero como valor de aproximación, una resina poliéster necesita de © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 26 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones al menos entre 24 y 48 horas a 20º C para alcanzar un grado de curado del 90%, hecho que permitiría extraer la pieza del molde. Es cuando la resina adquiere una buena parte de sus características mecánicas y químicas. Sin embargo, el curado total (100%) se producirá a lo largo de varias semanas o meses. Siempre es conveniente laminar espesores reducidos para evitar elevados picos exotérmicos. La mala conductividad térmica de las resinas no ayuda a disipar este calor generado por la reacción química, y estos excesos de temperatura pueden perjudicar la pieza y los moldes. Si observamos la figura 2.5, podemos ver el diferente efecto que produce sobre una muestra de resina este cambio de espesores. 0 20 40 60 80 100 120 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 minutos temperaturas E spesor 30 mm E spesor 1 mm Fig. 2.5 Comparativa de curvas exotérmicas en función del espesor del laminado. Probeta de resina de poliéster catalizada al 2% Esta es la razón fundamental por la cual los laminados son realizados en varias etapas; de esta manera, la superficie expuesta permite disipar el calor producido por la reacción exotérmica, evitando marcas, grietas y decoloraciones en la pieza. Los factores que intervienen durante el curado son: a) tipo de resina b) temperatura del ambiente de trabajo (ideal 17-22º C) c) naturaleza y cantidad de catalizador y acelerador d) espesor del laminado e) procesos de curado o postcurado f) humedad relativa ambiente g) presencia o ausencia de cargas h) luz solar © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2 Matrices para materiales compuestos 27 2.7.2 Clasificación de resinas a) Resinas de poliéster b) Resinas de viniléster c) Resinas epoxi d) Resinas fenólicas e) Resinas bismaleimida f) Resinas poliimida g) Esteres de cianato h) Polieteramida 2.7.2.1 Resinas de poliéster Son las resinas más utilizadas a escala mundial, ocupan un sitio destacado con más del 90% del volumen de consumo entre las matrices termoestables y, dadas sus características, son las más utilizadas en la construcción de embarcaciones en serie. Su coste es el más reducido entre todas las matrices termoestables. 1. Formulación Las resinas de poliéster se producen a partir de reacciones de policondensación (Sec. 2.3) entre dos monómeros: ácido dicarboxílico (el más utilizado es el anhídrido maleico) y diol; de estos dos monómeros, uno al menos debe contener una insaturación. El polímero resultante se disuelve en un medio reactivo, para disminuir la viscosidad de la resina y facilitar la procesabilidad (impregnación). Este medio reactivo suele ser en general el estireno que, al contener un grupo insaturado susceptible de reaccionar con la insaturación de la resina poliéster, será el medio promotor de la estructura reticulada rígida una vez iniciada la reacción de endurecimiento. El porcentaje de estireno presente en el producto final oscila entre 40-45%. Las resinas de poliéster son cuerpos inestables que tienen tendencia a polimerizar y gelificarse, por ello, para el suministro se estabilizan con inhibidores (hidroquinona). 2. Propiedades Es casi imposible definir las propiedades genéricas de las resinas de poliéster, debido a la gran variedad existente y a que cada una es formulada para unos requerimientos específicos y con unos constituyentes particulares. En líneas generales presentan baja temperatura de transición vítrea, y su resistencia y rigidez no son muy elevadas. Durante el endurecimiento tienden a contraerse (entre el 6 y el 10%), siendo este uno de sus puntos débiles. La viscosidad a temperatura ambiente, para resinas de laminados manuales, ronda los 300 cPs, aunque existen resinas específicas, como las de infusión, en las cuales la viscosidad se establece en torno a 100 cPs. 3. Tipos de resinas de poliéster Dependiendo del tipo de alcoholes y ácidos de los que se parta, se obtienen diferentes tipos de resinas de poliéster; según la naturaleza de sus monómeros constituyentes, se dividen en ortoftálicas, isoftálicas, bisfenólicas y otros tipos. Las más utilizadas son: © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 28 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Ortoftálicas: constituyen las más frecuentes y las de menor coste entre las resinas de poliéster. Son combinación de anhídrido maleico y anhídrido ftálico con glicoles. Absorben hasta un 2.5% de agua en inmersiones prolongadas. De utilización general. Isoftálicas: tienen mejores propiedades mecánicas que las ortoftálicas, y mejor resistencia en ambientes marinos (menor absorción). Se sustituye el anhídrido ftálico por ácidos isoftálicos, aumentando de esta manera la resistencia al agua. La mayoría de gelcoats de uso naval se formulan en base isoftálica. Isoftálica NPG: se sustituye el propilen glicol por neopentil glicol, mejorando la resistencia química de la resina isoftálica. Bisfenólicas: tienen mejores propiedades mecánicas y químicas que las resinas ortoftálicas e isoftálicas, aunque un elevado coste. Son las resinas más idóneas entre las poliéster para medios corrosivos. 4. Proceso de curado El proceso en el cual la resina pasa de un estado líquido a un estado sólido se denomina curado. Este cambio de estado no se produce por si solo, o si se produce, se realiza con mucha dificultad (en procesos complejos de aplicación de calor o de exposición a la radiación). Para facilitar la reacción de polimerización y el consecuente cambio de estado de la resina a temperatura ambiente, es necesario añadir a la misma en el momento de su utilización unas sustancias denominadas iniciador (o también catalizador) y activador (o acelerador), en los porcentajes indicados por el fabricante de la resina. El catalizador produce radicales libres que provocan el inicio de la reacción, y está basado, por lo general, en peróxidos orgánicos, que se añaden a las resinas en formas de líquidos en porcentajes del peso de la misma, y que varían entre el 1 y el 3%. Los peróxidos se seleccionan en función de la temperatura de curado de la resina y de la exotermia de la reacción y, asociados al acelerador, determinan los tiempos de trabajo (tiempo de gel) y endurecimiento del sistema. El acelerador se selecciona en función del catalizador. En los procesos de curado a temperatura ambiente, el acelerador suele ser una pequeña cantidad de sales de cobalto orgánicas, que se adicionan a la resina en estado líquido previamente a la incorporación del catalizador. Dado que los porcentajes de acelerador requeridos son mínimos (entre el 0,1 y el 0,3%), por lo general los adiciona el fabricante de la resina, y ésta pasa a denominarse resina preacelerada. La otra razón de este proceder es evitar accidentes ocasionados por la mezcla directa del catalizador y el acelerador. Si esto ocurre, tiene lugar una fuerte reacción exotérmica que se manifiesta normalmente en forma de explosión. La tabla 2.1 expresa los sistemas catalíticos más frecuentes para resinas de poliéster curadas a temperatura ambiente. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2 Matrices para materiales compuestos 29 Tabla 2.1 Sistemas catalíticos para resinas de poliéster Catalizador Acelerador Tiempo de gel Tiempo de endurecimiento Peróxido de benzoilo Dimetil-Anilina Largo De medio a rápido Peróxido de benzoilo Dietil-Anilina Largo Largo Peróxido de benzoilo Dimetil-p.toluidina Largo Muy largo Peróxido de metiletilcetona Naftalato de cobalto Corto Lento Peróxido de acetilacetona Naftalato de cobalto Medio Rápido Peróxido de ciclohexanona Naftalato de cobalto Medio Progresivo De todos estos sistemas catalíticos, la combinación peróxido de metiletilcetona-cobalto es la más utilizada en construcción naval por permitir un buen curado en condiciones ambientales normales (sin necesidad de procesos de postcurado) y una fácil dosificación; como principal inconveniente presenta reducidos tiempos de gel. Los porcentajes de catalizador son variables dentro de unos límites mínimo y máximo. Un índice por debajo del aconsejado (generalmente 1%) provoca una reacción incompleta, y aunque a simple vista la resina endurezca, no existen suficientes radicales libres para completar el curado, derivando en una resina que no alcanzará sus propiedades teóricas. En el sentido contrario, si excedemos los porcentajes de catalizador en demasía, se producirá una masa de resina que tenderá a aumentar su propia temperatura y pico exotérmico, hecho que provoca la evaporación del monómero reactivo. Los tiempos de curado de las resinas a temperatura ambiente se pueden controlar desde las siguientes variables, pero respetando siempre las especificaciones del fabricante: a) cantidad de acelerador b) cantidad de catalizador c) temperatura del local de trabajo La temperatura de trabajo ideal se sitúa entre 17º y 22º C, buenos resultados se obtienen también entre 15º y 25 º C, y nunca debe laminarse por debajo de 10º C o por encima de 30º C. La presencia de inhibidores en las resinas obedece a las siguientes causas: a) Conservan la resina; las resinas en estado líquido son inestables, y tienen tendencia a polimerizar o gelificarse si no cuentan con la presencia de algún tipo de inhibidor. b) Controlan la reacción exotérmica limitando el aumento de temperatura. c) Retardan la polimerización de la resina catalizada, brindando más tiempo de trabajo. d) Regularizan la fabricación de la resina evitando que se complique la reacción de policondensación. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 36 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones 4. Gelcoats resistentes a la abrasión: para la fabricación de superficies expuestas a un elevado tránsito. Incorporan cargas inorgánicas de elevada dureza. 5. Gelcoats isoftálicos: se formulan a partir de resinas isoftálicas, resultando gelcoats muy resistentes al medio ambiente, humedad y agua marina; excelente flexibilidad y buen brillo. Son los adecuados para aplicaciones navales. 6. Gelcoats metalizados: son gelcoats incoloros a los cuales se les adicionan pigmentos metalizados de grano fino. 7. Gelcoats sanitarios: son gelcoats con elevada resistencia al agua caliente. 8. Gelcoats resistentes al fuego: son gelcoats a los cuales se les adicionan cargas ignífugas a base de compuestos orgánicos que liberan agua de su molécula al arder. 9. Gelcoats específicos: son todos los gelcoats que cumplen propiedades específicas, como resistencia química, gelcoats ignífugos, gelcoats de . serigrafía, gelcoats de prensa, etc. Clasificación de los gelcoats de acuerdo a su método de aplicación: a) Gelcoats de brocha y rodillo: poseen viscosidades entre 7.500 y 12.000 cPs; índice tixotrópico entre 3,5 y 4,5; buen poder cubriente. b) Gelcoats de proyección: poseen baja viscosidad, entre 3.000 y 3.500 cPs., obtenida por medio de un diluyente como monómero de estireno o acetona, lo que permite su aplicación con pistola de proyección o equipo de presión. Índice tixotrópico entre 3,5 y 4,5. Los espesores de aplicación recomendados para los gelcoats oscilan entre 0,25 y 0,4 mm para piezas, y entre 0,4 y 0,6 mm para moldes. Espesores menores no aseguran la protección y ocultamiento de las fibras, y espesores mayores pueden agrietarse cuando el laminado sea sometido a esfuerzos, fruto de la fragilidad de la película de gelcoat. 2.9.2 El topcoat Cuando concluimos un laminado, la capa última de resina no tendrá un curado completo por encontrarse su superficie de interfase en contacto con la humedad presente en el aire. Dicha humedad actúa como un inhibidor. Para evitar este hecho, se debe aplicar sobre esta última capa algún recubrimiento que la preserve de la influencia de la humedad y le asegure un curado al completo. El topcoat o último revestimiento es un producto similar al gelcoat, pero a diferencia de éste, contiene en su composición una pequeña cantidad de parafina. Durante el proceso de curado, la parafina emigra hacia el exterior, conformando una delgada película que impide el contacto de la resina con la humedad ambiente. Así, el topcoat facilita y garantiza el curado de la última capa. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 2 Matrices para materiales compuestos 37 Los topcoats actúan también como compensadores del laminado, equilibrando en la cara rugosa la presencia del gelcoat en la cara buena. Sirven para presentar una superficie más decorativa, y protegen a las fibras del laminado del ataque de agentes externos. En cuanto a su composición química, son resinas de base poliéster o viniléster a las cuales se les añaden pigmentos y aditivos en suspensión. Se presentan comercialmente en una amplia variedad de colores. Cuando se desea realizar un laminado sobre una superficie pintada con topcoat, debe eliminarse esta película de parafina por medio de abrasivos, para garantizar así una buena adhesión al laminado base. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3 Materiales de refuerzo 39 3 Materiales de refuerzo 3.1 Introducción La combinación de una matriz polimérica con fibras de refuerzo da lugar a un nuevo material estructural denominado material compuesto. De los componentes presentes en el mismo, las fibras son las que aportan la resistencia y el buen comportamiento mecánico, traducidas en resistencia y rigidez. Las fibras de refuerzo más utilizadas en la construcción naval son las fibras de vidrio, las fibras aramídicas (de kevlar) y las de carbono, ofrecidas en forma de diferentes ordenamientos planos como fieltros, sistemas mallados y sistemas no mallados. Por ser una componente tan importante en la constitución del nuevo material, haremos un estudio detallado de los diversos tipos de materiales de refuerzo, así como de sus principales formas de presentación. La división principal entre las fibras se establece de acuerdo con el origen de las mismas, pudiendo ser inorgánicas ó sintéticas. 3.2. Fibras inorgánicas 3.2.1 Fibra de vidrio 3.2.1.1 Introducción La fibra de vidrio era ya conocida por los egipcios, que la utilizaban para reforzar vasos y ánforas construidas de cerámica. Sin embargo, es recién a mediados de los años treinta, en los Estados Unidos, cuando se comienza a utilizar de forma experimental como material de refuerzo de matrices poliméricas. La utilización masiva en la construcción naval se produce a finales de los años cincuenta, cuando se produce una reducción de los costes de la materia prima y se desarrollan nuevos procesos de fabricación. De todas las fibras de refuerzo, son las fibras de vidrio las de mayor utilización en la construcción de embarcaciones. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 40 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones 3.2.1.2 Composición química Las fibras de vidrio están constituidas fundamentalmente por sílice, que se combina con diferentes óxidos (alúmina, alcalinos y alcalinotérreos), que en función de sus respectivos porcentajes permiten modificar las características de la fibra resultante. La elevada resistencia que poseen las fibras de vidrio es producida por los enlaces covalentes entre el silicio y los radicales de oxígeno. Los átomos integran una retícula tridimensional con estructura amorfa; es debido a esta razón que posean características isotrópicas. 3.2.1.3 Procesos de obtención Las fibras de vidrio se obtienen por dos procesos diferentes: a) a partir de bolas; o b) por fusión directa. En el primer caso se introduce la materia prima (se utiliza arena, caolín o dolomita) en un horno, y luego de someterla a varios procesos se obtienen como resultado unas bolas con un diámetro aproximado de 20 mm. Estas bolas resultantes son nuevamente introducidas en otro horno para posteriormente hilarlas. De cómo se realiza este hilado podemos diferenciar dos tipos de fibras: a) Silionne: se obtienen por estirado mecánico, y da lugar a fibras continuas. b) Verranne: se obtienen por estirado por fluido, y da lugar a fibras discontinuas. Las fibras continuas (silionne) poseen mejores propiedades mecánicas que las discontinuas (verranne). En el segundo caso, cuando se obtiene por el procedimiento de fusión directa o hilado bajo fusión, el vidrio fundido pasa por unos agujeros perfectamente dimensionados, distribuidos sobre una superficie de platino. Las fibras se obtienen estirando monofilamentos de vidrio muy delgados. El comportamiento del vidrio en monofilamentos delgados es muy diferente que el comportamiento del vidrio en masa: se torna flexible a medida que disminuimos su diámetro. Para mejorar la formación de los hilos, su estirado, su enrollado y su posterior tejido, se procede a aplicar sobre las fibras una película química que facilita estas operaciones. Este proceso se conoce como ensimaje, y se realiza una vez los hilos se han enfriado. Este agente de acoplamiento, generalmente del tipo silano, debe ser compatible con la matriz que se utilizará, ya que permite la adherencia de la resina al hilo, protege los filamentos durante la confección de estructuras textiles diversas (en la manipulación) y aglutina los monofilamentos constituyendo un hilo de base. Por lo general se disuelve el producto químico en agua y se aplica por pulverización. Para que la fibra pueda ser utilizada, debe dársele una serie de formas que faciliten dicha tarea. Así, los cordones pueden dar lugar a hilos de fibra de vidrio (para estructuras textiles complejas) o a mechas (conjunto de haces de filamentos continuos, para fieltros continuos o discontinuos). Las características mecánicas de cada una de estas configuraciones vendrán gobernadas por la geometría final de la estructura textil. Una vez confeccionados los cordones, se deben secar para extraer el exceso de agua utilizada como disolvente durante el ensimaje. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3 Materiales de refuerzo 41 3.2.1.4 Tipos de fibra de vidrio A (alcalino): posee buena resistencia al ataque de soluciones químicas y ácidas, producto de los elevados porcentajes de alcálisis que contiene. Sin embargo, esos elevados porcentajes repercuten negativamente en su resistencia al agua. Ha sido suplantado por el vidrio E. B (boro): excelentes propiedades eléctricas y gran durabilidad. C (chemical): es un tipo de fibra con una elevada resistencia química. Se utiliza en estructuras que se ven sometidas a atmósferas muy agresivas. Propiedades mecánicas entre vidrio A y E. Aplicaciones en sectores químicos, alimenticios, etc. D (dieléctrico): debido a sus altas propiedades dieléctricas (pérdidas eléctricas muy débiles) se utiliza para componentes electrónicos y de telecomunicaciones. E (eléctrico): desarrollado principalmente para aplicaciones eléctricas, es el tipo de fibra de vidrio de coste más reducido. También se emplea en otras aplicaciones como en la construcción de barcos, y es la más utilizada en la fabricación de fibras continuas. Es básicamente un vidrio de borosilicato de calcio y aluminio con un contenido muy bajo o nulo de potasio y sodio. Posee una buena resistencia a la humedad. R o S (resistance-francésy strength-inglés-): es el tipo de fibra de mayor resistencia. Su principal terreno de aplicación se encuentra en los campos militar y aeroespacial. Relación resistencia/peso superior al vidrio E. Ofrece mayor resistencia a la tracción y a la fatiga. 3.2.1.5 Propiedades Entre las principales características de las fibras de vidrio podemos destacar: a) Excelente resistencia mecánica específica (resistencia a la tracción/densidad) b) Resistencia a la humedad (debe sin embargo evitarse la humedad antes de la laminación porque perjudica la unión con la resina) c) Resistencia al ataque de agentes químicos d) Buenas propiedades como aislante eléctrico e) Débil conductividad térmica f) Buena estabilidad dimensional g) Bajo alargamiento h) Propiedades isótropas (al contrario que las fibras de carbono y kevlar) i) Excelente adherencia a la matriz (utilizando recubrimientos apropiados para cada tipo de resina) j) Incombustibilidad k) Imputrescibilidad La tabla 3.1 exhibe valores teóricos de propiedades mecánicas de las fibras más usuales. Dichos valores corresponden a fibras recién confeccionadas. Sin embargo, tales propiedades pueden verse sustancialmente disminuidas producto de los procesos de transformación a los cuales son sometidas durante la fabricación de las diferentes estructuras textiles. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 42 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Tabla 3.1 Principales propiedades de la fibra de vidrio Tipo Vidrio E Vidrio R/S Vidrio C Resistencia a la tracción (GPa) 3,4 – 3,5 3,4 – 4,6 3,1 Módulo elástico (GPa) 72 -73 85 - 87 71 Densidad (Kg/m3) 2600 2500 - 2530 2450 Alargamiento a la rotura (%) 3,3 – 4,8 4,2 – 5,4 3,5 Resistencia específica (GPa * cm3/g) 1,3 – 1,35 1,7 – 1,85 1,3 Módulo E específico (GPa * cm3/g) 27,7 – 28,2 34 – 34,9 29 Chef. Transmisión térmica (10-6/ºK) 5 4 – 5,1 7,2 Diámetro del filamento (µm) 8 -20 10 20 3.2.2 Fibra de carbono 3.2.2.1 Introducción Aunque filamentos de carbono habían sido obtenidos ya en el siglo XIX, las fibras de carbono se desarrollaron de forma definitiva en Gran Bretaña en la década del sesenta, principalmente para las industrias aeronáutica y aeroespacial. Combinadas con matrices epoxies, resultan materiales compuestos que se caracterizan por poseer una elevada resistencia y un elevado módulo de elasticidad, siendo, sin embargo, un material sumamente ligero. 3.2.2.2 Composición química Existe diversidad de materiales que pueden ser utilizados como precursores de las fibras de carbono, como el poliacrilonitrilo (PAN), el alquitrán y la celulosa. El más utilizado en la actualidad es el poliacrilonitrilo. Este material no es poliacrilonitrilo al 100%, sino un copolímero que contiene metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato, ácido itacónico o cloruro de vinilo. 3.2.2.3 Proceso de obtención Como hemos mencionado anteriormente, el material más utilizado como materia prima para la obtención de fibras de carbono es la fibra de poliacrilonitrilo (PAN). La fibra de carbono derivada de los hidrocarburos o de la hulla tiene un coste más moderado que las obtenidas del PAN. En todos los procesos de obtención de la fibra de carbono se produce una oxidación controlada y carbonización (proceso de pirólisis controlada en varias fases) de las fibras precursoras a elevadas temperaturas. En función de la temperatura final alcanzada durante el proceso (desde 1.200º C hasta 3.000º C), se obtienen fibras de mayor resistencia y módulo elástico más elevado. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3 Materiales de refuerzo 43 Las fases del proceso para la obtención de una fibra de carbono procedente de fibras de poliacrilonitrilo son las siguientes: Estabilización y oxidación: las fibras son estiradas para alinear sus redes internamente; luego se produce un calentamiento en atmósfera oxidante desde temperaturas de 200º hasta 250º C, manteniendo la tensión sobre las fibras. Carbonización: calentamiento en atmósfera inerte a temperaturas de hasta 1.500º C. Se eliminan fundamentalmente el H y N de la fibra original, transformándose en fibras de carbono. Grafitación: calentamiento en una atmósfera no oxidante hasta 2.500º - 3.000º C, para obtener un módulo de elasticidad mayor, a expensas de una alta resistencia a la tracción. Los productos primarios resultantes del proceso anterior son fibras de filamentos continuos con un contenido de carbono de entre el 92 y el 100%, según sean las propiedades que se persigan. Todos los demás productos, por ejemplo fibras de filamentos discontinuos, se obtienen de operaciones secundarias. Las fibras de carbono deben ser sometidas a un proceso de preparación superficial para poder ser utilizadas y mejorar la adhesión con las diferentes matrices. 3.2.2.4 Tipos de fibra de carbono Según la temperatura del tratamiento, podemos distinguir diferentes tipos de fibra de carbono: Fibras de alta tenacidad (HT): su resistencia y tenacidad es superior a las de las fibras de vidrio, pero inferior del resto de las fibras de carbono. Su coste es moderado, y son adecuadas en un campo de aplicación muy amplio. Fibras de alto módulo (HM): derivadas de las demandas de alta rigidez de piezas aeroespaciales y aeronáuticas, estas fibras presentan un módulo de elasticidad muy alto. Coste elevado, bajo alargamiento a la rotura y, debido a las diferencias de potencial en contacto con los metales, pueden provocar corrosión del tipo galvánico. Fibras de módulo intermedio (IM): solución de compromiso entre fibras HT y HM, son un tipo de fibra que mejora tanto su resistencia como su rigidez. 3.2.2.5 Propiedades mecánicas Las mejores propiedades mecánicas de las fibras de carbono se obtienen de asociarlas con matrices del tipo epoxi. Una característica interesante de las mismas es su coeficiente de expansión térmica negativo en la dirección de las fibras y positivo en el sentido transversal. Mediante una adecuada combinación de matrices y refuerzos, es posible obtener un material resultante que no sufra deformaciones térmicas en un amplio rango de temperaturas (material con elevada estabilidad dimensional). © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 44 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Además de ésta particular característica, podemos destacar otras importantes propiedades: a) Elevada resistencia y rigidez b) Alta resistencia a la vibración c) Buen comportamiento a la fatiga d) Buena conductividad térmica e) Buena conductividad eléctrica f) Bajo coeficiente de dilatación térmica g) Resistencia a altas temperaturas h) Elevada resistencia química a ácidos, disolventes y alcálisis i) No se ven afectadas por el contacto con agua de mar Como desventaja principal podemos mencionar su elevado coste, por lo que se suelen combinar con otros materiales de refuerzo más económicos. Tabla 3.2 Principales propiedades de las fibras de carbono Tipo Carbono HT Carbono HM Carbono IM Resistencia a la tracción (GPa) 2,6 – 5 2,0 – 3,2 3,4 – 5,9 Módulo elástico (GPa) 228 - 238 350 - 490 280 - 400 Densidad (Kg/m3) 1740 - 1830 1790 - 1910 1730 - 1800 Alargamiento a la rotura (%) 1,2 – 2 0,4 – 0,8 1,1 – 1,9 Resistencia específica (GPa * cm3/g) 1,5 - 2 1,1 – 1,7 2,0 – 3,1 Módulo E específico (GPa * cm3/g) 127 - 134 190 - 260 160 - 200 Chef. Transmisión térmica (10-6/ºK) -0,1 a -0,7 -0,5 a -1,3 -- Diámetro del filamento (µm) 7 - 8 6,5 - 8 5 - 7 3.3. Fibras sintéticas 3.3.1 Fibras aramídicas 3.3.1.1 Introducción Se considera el kevlar, nombre comercial otorgado a las fibras aramídicas descubiertas por Du Pont en el año 1965 y comercializadas desde principios de los años setenta, como la fibra sintética más importante luego del nylon. Su uso se concentra en los campos en los que se requiere alta resistencia a la tracción con bajo peso y elevada resistencia al impacto del material. Se encuentra ampliamente difundido en la industria aeronáutica, espacial, balística, y en menor medida en la industria naval para la fabricación de cascos de embarcaciones. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 3 Materiales de refuerzo 45 3.3.1.2 Composición química Las fibras de aramida se clasifican químicamente como una poliamida aromática. Están constituidas por grupos amida y anillos aromáticos, que le confieren una elevada estabilidad térmica. La unidad que se repite es la poliamida aromática. Los enlaces por puentes de hidrógeno mantienen unidas a las cadenas en dirección transversal. Actuando en conjunto, las fibras de aramida tienen alta resistencia en la dirección longitudinal y baja en la dirección transversal. La existencia de los anillos aromáticos en su estructura molecular le confiere una alta rigidez a las cadenas poliméricas. 3.3.1.3 Proceso de obtención Las fibras de aramida se obtienen a partir de una solución de amida aromática disuelta en ácido sulfúrico, que se estira y luego se hila. Las cadenas moleculares se orientan en la dirección de las fibras durante el estirado. 3.3.1.4 Tipos de fibras aramídicas Existen dos tipos comerciales de kevlar: Kevlar 29: alta resistencia y baja densidad. Su uso fundamental se orienta a protección balística, confección de cuerdas y cables. Kevlar 49: alta resistencia, alto módulo y baja densidad. Es el tipo de fibra más apto para combinar con diferentes matrices en la confección de materiales compuestos. Esta variante comercial es la que se utiliza en la construcción naval. 3.3.1.5 Propiedades Entre las principales características de las fibras aramídicas podemos destacar: a) Alta resistencia específica a la tracción, comparada con el resto de materiales conocidos b) Excelente resistencia al impacto. Alta capacidad de absorción de energía c) Densidad menor que todas las fibras sintéticas utilizadas en laminados d) Excelente comportamiento ante la corrosión en cualquier ambiente (sólo atacada por ácidos muy fuertes) e) Buena resistencia a la fatiga f) Buenas características de amortiguamiento de las vibraciones g) Buenas características dieléctricas h) Resistencia a las llamas y autoextinguible i) Elevada resistencia térmica. Temperatura de descomposición superior a 420º C j) Coeficiente de dilatación negativo k) Su rotura se produce progresivamente Como aspectos negativos podemos señalar fundamentalmente su reducida resistencia a la compresión y su sensibilidad a la humedad. Su coste es considerable, hecho éste que restringe su utilización. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 46 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Los rayos UV afectan las capas exteriores de fibras de kevlar, aunque la degradación no suele tener carácter progresivo. Su impregnación de resina puede presentar dificultades debido a que no se produce la decoloración típica de las fibras de vidrio al ser impregnadas. Dado su elevado coste, se suele combinar con refuerzos de carbono o vidrio, en función de las características perseguidas. Por ejemplo, un laminado carbono-kevlar combina las buenas propiedades resistentes del primero con las buenas propiedades de resistencia al impacto del segundo. Cuando se laminan con resinas de viniléster, se produce un aumento en la elongación del laminado, conjuntamente con un aumento de resistencia a la tracción en comparación con los laminados vidriopoliésteres tradicionales. Tabla 3.3 Principales propiedades de las fibras aramídicas* Tipo Normal (kevlar®29) HM (kevlar®49) Resistencia a la tracción (GPa) 2,8 – 3,0 2,8 – 3,4 Módulo elástico (GPa) 58 - 80 120 - 186 Densidad (Kg/m3) 1390 - 1440 1450 - 1470 Alargamiento a la rotura (%) 3,3 – 4,4 1,9 – 2,4 Resistencia específica (GPa * cm3/g) 1,9 – 2,2 1,9 – 2,3 Módulo E específico (GPa * cm3/g) 40 - 56 83 - 127 Chef. Transmisión térmica (10-6/ºK) -2,0 a -6,0 -2,0 a -6,0 Diámetro del filamento (µm) 12 12 *Valores aproximados 3.4. Las estructura textiles 3.4.1 Introducción Las características finales del material compuesto dependerán, en gran medida, de la cantidad de material de refuerzo que contenga el mismo en su composición global y de su posicionamiento de acuerdo con criterios preestablecidos de carga. Para facilitar el procesado de las fibras (impregnación, disposición geométrica y uniformidad de espesores), éstas se configuran en ordenamiento planos, que denominaremos estructuras textiles. Estas estructuras textiles se consideran como materiales intermedios y se presentan bajo diversas configuraciones: a) Fieltros b) Sistemas no mallados (tejidos, ensamblados, trenzados) c) Sistemas mallados (mallas, encadenados) © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 54 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Fig. 4.2 El núcleo debe mantener la distancia relativa entre las pieles y la distancia entre las pieles y la línea neutra. Debe el núcleo, por lo tanto, ser suficientemente resistente para poder soportar los esfuerzos de corte que se producen y evitar que se produzca un desplazamiento de las pieles en el sentido longitudinal. Debe también soportar los esfuerzos de compresión perpendicular a las pieles. Las pieles deberán ser capaces de resistir el esfuerzo de flexión al cual están sometidas a través de los correspondientes esfuerzos de tracción y compresión. De modo que la nueva estructura sándwich, comparada con la estructura simple, será mucho más resistente con sólo un mínimo aumento de peso. Fig. 4.3 4.3 Tipos de núcleos 4.3.1 Maderas naturales 4.3.1.1 Madera balsa La madera balsa es originaria del centro y sur de América. Considerada como madera dura, es entre todas ellas la más blanda y ligera (densidad entre 100 y 250 kg. /m3). Dada su alta rigidez, es difícil adaptarla a formas curvas, por lo que se suele emplear en forma de bloques pequeños unidos entre sí © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4 Materiales de núcleo 55 por un material de soporte, generalmente un tejido de poco gramaje. También existen paneles planos rígidos en los cuales los bloques de madera son encolados con adhesivos de madera estructurales. La disposición de las fibras de madera es siempre perpendicular al laminado, que es donde se obtienen las máximas propiedades mecánicas (esta configuración otorga excelente resistencia a la compresión). En las direcciones perpendiculares al grano, las propiedades mecánicas decrecen. La madera balsa posee módulo y resistencia a la compresión más elevados comparada con el resto de materiales utilizados como núcleo. Fig. 4.4 Madera balsa en pequeños bloques. Vista superior Fig. 4.5 Madera balsa en pequeños bloques. Vista del tejido de soporte La madera balsa para estructuras sandwich debe ser tratada antes de procesarse, eliminando la materia orgánica presente y reduciendo la humedad hasta una cifra del 10%. Humedades superiores provocan hinchazón y podredumbre de la madera, y pueden ocasionar deslaminaciones de las pieles exteriores. Es compatible con la mayoría de resinas empleadas en la construcción naval. Posee, sin embargo, una capacidad de absorción de resina muy elevada, producto de su elevada porosidad, por lo que se recomienda sellar las superficies antes de proceder a su laminado. Por lo general, no se suele utilizar para superficies que estén en contacto permanente con el agua y la humedad, quedando relegado su uso a cubiertas, mamparos y divisiones interiores. Tabla 4.1 Principales propiedades de la madera balsa Densidad (Kg./m3) 90 155 220 Resistencia al corte (MPa) 1,6 3 4,5 Módulo cortante (MPa) 96 166 237 Resistencia a la tracción (MPa) 7 13,5 20,6 Resistencia a la compresión (MPa) 5,4 12,7 21,9 Módulo de compresión (MPa) 1850 4100 6840 Nota: Los valores expresados en la tabla son sólo orientativos. Los valores corresponden a planchas de madera balsa constituidas por pequeños bloques unidos por un tejido de soporte © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 56 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones 4.3.1.2 Cedro rojo Originaria de América del norte, Reino Unido y Nueva Zelanda, es una madera blanda y aromática. De color pardo rojizo, se torna gris plateado tras una larga exposición a la intemperie. Tiene una densidad aproximada de 370 Kg. /m3. Se utiliza como material sandwich en la construcción de embarcaciones unitarias sin molde (construcción one-off). Por lo general se presenta en forma de listones fresados (Fig. 4.6) que permiten ser montados de una manera rápida y sencilla (técnica conocida como Strip-plank®). Fig. 4.6 Estructura sandwich de madera Tabla 4.2 Principales propiedades del cedro rojo Densidad (Kg./m3) 320 Resistencia al corte (MPa) 6,83 Carga de rotura a la flexión (MPa) 53,8 Módulo de elasticidad (MPa) 8270 Resistencia a la compresión (MPa) 19,11 4.3.1.3 Contrachapado marino Es un tablero realizado a partir de delgadas láminas de madera, denominadas placas o chapas estructurales, unidas para formar un tablero estable y resistente. El número de hojas siempre es impar y la dirección de cada chapa es perpendicular a aquellas con las cuales está en contacto (Fig. 4.7 y Fig. 4.8). En función de la cola utilizada existen diferentes grados, siendo el grado marino el que se confecciona con colas fenólicas que permiten soportar el ataque de los hongos y de la humedad en ambientes marinos. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4 Materiales de núcleo 57 Por lo general se utiliza en las estructuras sandwich como complemento de las espumas sintéticas, reemplazándolas en todas aquellas zonas donde ocurren esfuerzos de compresión o tracción excesivos, como por ejemplo la zona donde se instalan herrajes. Fig. 4.7 Contrachapado marino Vista en corte Fig. 4.8 Orientación de las chapas Existe una amplia variedad de contrachapados marinos derivados del uso, en su fabricación, de diferentes maderas. Las maderas más utilizadas son el okume, el iroko, la teka, la caoba, el sapelli, el cedro, la acacia, los pinos spruce y douglas, y en menor medida el moabi, el sipo y la balsa. Los tableros contrachapados pueden ser construidos con una única madera o pueden combinar diferentes. 4.3.2 Espumas sintéticas Todos aquellos plásticos en los cuales existe un gas incluido en forma de burbujas se denominan espumas plásticas. El volumen que ocupan estas burbujas puede alcanzar hasta el 95% dentro del total de la espuma. Cuando las burbujas interiores de gas presentes en la espuma se comunican entre sí, se denominan espumas de celda abierta; cuando cada burbuja interior se encuentra aislada, tenemos espumas de celda cerrada. Entre unas y otras, existen espumas plásticas en estados mixtos. La gran mayoría de plásticos se pueden espumar, pero por cuestiones técnicas, económicas y prácticas, sólo se espuman un grupo reducido. A continuación proponemos una breve recopilación de las más utilizadas en la construcción naval. 4.3.2.1 Espumas de cloruro de polivinilo (PVC) Se fabrican combinando un copolímero de polivinilo con plastificadores, estabilizantes, compuestos de cruzamiento y agentes de soplado. Son un espumado químico con activación térmica. La mezcla de sustancias es calentada en un molde bajo presión para que se produzca la reacción de entrecruzamiento. Una vez realizada esta fase del proceso, se sumergen en agua caliente para continuar su expansión hasta obtener la densidad perseguida. Los diámetros de celda pueden variar de 0,254 mm hasta 2,5 mm. Se clasifican en función de la densidad (alta, media y baja densidad, densidades entre 40 y 210 kg. /m3) y por su estabilidad térmica. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 58 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Las espumas de PVC presentan buena resistencia mecánica, buena resistencia térmica, poseen buenas características como aislante acústico y tienen una alta resistencia a la penetración de agua. Comparadas con el resto de espumas sintéticas, poseen las mejores propiedades, lo que, sumado a su adaptabilidad a superficies con doble curvatura, las convierten en las más utilizadas. La gran mayoría de espumas de PVC de celda cerrada que se utilizan en la construcción naval mantienen sus propiedades mecánicas inalterables hasta 60º C. Si la temperatura de servicio o de proceso es mayor, deberán seleccionarse espumas estabilizadas a una temperatura mayor. PVC lineales: los enlaces entre las diferentes moléculas son lineales, por lo que sus propiedades mecánicas son más bajas. Su característica más sobresaliente es su capacidad de absorción de impactos sin que se produzca una rotura catastrófica, siendo esta característica mayor que en espumas de PVC de celda cerrada. Tabla 4.3 Principales propiedades de las espumas de PVC Estructura / densidad (Kg./m3) Lineal 80 Entrelazado 75 Entrelazado 80 Entrelazado 96 Resistencia al corte (MPa) 1,17 -- 1,00 1,5 Módulo de corte (MPa) 20 11 30 45 Resistencia a la tracción (MPa) 1,38 1,21 1,79 2,48 Resistencia a la compresión (MPa) 0,86 1,1 1,17 1,79 4.3.2.2 Espumas de poliuretano (PU) Nos referiremos al poliuretano con carácter termoestable. Los productos de partida para obtener espumas de poliuretano son un isocianato y un poliol de tipo poliéter o poliéster. Como los componentes son líquidos, se suele realizar la reacción de polimerización en el mismo instante que se moldea. Las espumas resultantes pueden ser de celda abierta o celda cerrada. Las de celda abierta tienden a ser estructuras flexibles y las de celda cerrada, estructuras rígidas. Las densidades resultantes pueden ser muy amplias (desde 10 hasta 900 Kg/m3), y vendrán gobernadas por la proporción y composición química. Si bien tienen características menores que las espumas de PVC, presentan una buena resistencia mecánica y tenacidad, resisten la abrasión, poseen buena resistencia química, baja conductividad térmica y elevada resistencia eléctrica. A temperatura ambiente trabajan mejor que las espumas de PVC y son más resistentes a las altas temperaturas. En la construcción naval se suelen utilizar como material aislante, como reserva de flotabilidad, como material de soporte en la confección de estructuras internas, así como núcleo de estructuras sandwich en embarcaciones de esloras muy reducidas. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4 Materiales de núcleo 59 4.3.2.3 Espumas de poliestireno (PS) Como resultado de espumar el poliestireno se obtiene una espuma muy ligera, resistente a la absorción de agua y a los microorganismos. Sin embargo, debido a que dichas espumas son solubles al estireno, no se suelen utilizar con resinas de poliéster y viniléster. Poseen una reducida resistencia mecánica (no se utilizan como material estructural) y una baja conductividad térmica. Las densidades varían entre 10 y 45 Kg. /m3. Sólo se utilizan en náutica como material aislante o de flotación. Tabla 4.4 Principales propiedades de las espumas de poliestireno (PS) Densidad (Kg./m3) 28 30 45 Módulo a compresión (kN/m2) 10000 - 18000 12000 - 20000 25000 - 33000 Resistencia al corte (kN/m2) 200 250 500 Módulo de corte (kN/m2) 4000 4500 6000 Resistencia a la tracción (kN/m2) 450 500 1000 Módulo a tensión (kN/m2) 10000 - 18000 12000 - 20000 25000 - 33000 4.3.2.4 Espumas de estireno-acrilonitrilo (SAN) Este copolímero tiene mejor resistencia química y térmica, así como mayor rigidez que el poliestireno. Su comportamiento es similar al PVC; en capacidad de absorción de impactos se comporta de manera similar a la espuma de PVC lineal, y en capacidad estática como la espuma de PVC cruzada. Tabla 4.5 Principales propiedades de las espumas SAN Densidad (Kg./m3) 55 80 210 Resistencia al corte (MPa) 0,56 0,98 1,75 Módulo de corte (MPa) 12 20 35 Resistencia a la tracción (MPa) 0,81 1,39 2,27 Resistencia a la compresión (MPa) 0,40 0,79 1,45 4.3.2.5 Espuma de polimetacrilímida (PMI) Las espumas PMI se producen por expansión térmica de un ácido metacrílico y metacrilonitrilo. Durante el proceso de espumado, la hoja de copolímero es convertida en polmetacrilimida. Como resultado se obtiene un plástico celular rígido con estructura celular homogénea y cerrada. Estas espumas poseen mejores propiedades mecánicas que el resto de las espumas sintéticas, entre las cuales destacan la alta resistencia térmica, excelente resistencia a la fluencia y un reducido peso. La © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 60 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones elevada estabilidad térmica las convierte en las preferidas para utilizar en estructuras sandwich realizadas a partir de materiales preimpregnados. Existen diferentes grados en función de su densidad. Tabla 4.6 Principales propiedades de las espumas PMI Densidad (Kg./m3) 75 11 Resistencia al corte (MPa) 1,28 2,35 Módulo de corte (MPa) 30 49 Resistencia a la tracción (MPa) 2,74 3,40 Resistencia a la compresión (MPa) 1,47 2,94 4.3.2.6 Espumas sintácticas Menos conocidas que las espumas sintéticas, se diferencian de éstas porque las cavidades no se forman por generación de gas dentro del material, sino que se producen por la incorporación a su masa de microesferas huecas de diferentes materiales. Las espumas más comunes son las de microesferas de vidrio con resina fenólica o poliéster, pero existen también las metálicas y de carbono. Fruto de esta combinación, se obtiene una espuma con una elevadísima resistencia a la compresión, razón por la cual se utiliza ampliamente en la construcción de elementos destinados a la inmersión profunda como submarinos, boyas y aparatos de rescate submarino. 4.3.3 Nido de abeja El concepto nido o panal de abeja se refiere a una forma de estructurar diferentes materiales que se emplean como núcleo en estructuras sandwich (Fig. 4.9). Se reproduce la forma natural de los nidos de abejas con láminas delgadas de diferentes materiales. La morfología del núcleo queda definida por parámetros como el tamaño de la celda, la densidad del material empleado, la zona de adhesión entre celdas, la altura del núcleo, el espesor de la hoja que se utiliza para confeccionarlo, y la dirección de las placas. Los materiales que se emplean más frecuentemente son el aluminio, la fibra de vidrio o papel de aramida impregnados con resina fenólica, el papel y el polipropileno. Los panales de abeja se pueden fabricar por procesos de expansión y por procesos de corrugado u ondulación. Las láminas obtenidas se unen mediante adhesivos o soldadura, dando lugar a estructuras regulares y repetitivas. Con su empleo se consiguen estructuras sandwich extremadamente ligeras. En la industria naval se utilizan en embarcaciones de alto rendimiento, especialmente en cubiertas y mamparos, dado que en zonas sumergidas existe un riesgo potencial de absorción de agua. Su elevado coste y una compleja técnica de encolado son las razones fundamentales de su limitada utilización. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 4 Materiales de núcleo 61 Fig. 4.9 Nido de abeja hexagonal 4.3.4 Fire Coremat® El Fire Coremat® es un material conformado de fibras sintéticas no tejidas de poliéster, de orientación completamente aleatoria, que incorpora como cargas microesferas cerradas de plástico a base de cloruro de polivinilideno (PVDC) junto con un ligante soluble en estireno. Se utiliza como material de núcleo para producir estructuras que requieran rigidez aunque con un coste inferior al de estructuras sandwich realizadas con espumas sintéticas (por ejemplo, en la construcción de moldes). Su aplicación se realiza por estratificación, a diferencia del resto de materiales de núcleo, que son encolados. Por ello presenta una excelente conformabilidad con unos espesores reducidos (de 1 a 5 mm). Para mejorar su adhesión, debe ser laminado entre ordenamientos planos tipo fieltros. Existen dos tipos fundamentales: Coremat® XM: con un contenido de 55% de microesferas. Para resinas poliésteres y vinilésteres. Para procesos de laminado manual por contacto y proyección simultánea (Fig. 4.10). Coremat® XX: con un contenido de 45% de microesferas. Para resinas poliésteres y vinilésteres. Para procesos de laminado manual por contacto y proyección simultánea. Existe una variante con mat añadido para reducir el tiempo de aplicación (Fig. 4.11). Fig. 4.10 Coremat® XM Fig. 4.11 Coremat® XX © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 62 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Su inconveniente principal es que su densidad final dependerá de la habilidad del operario, puesto que al ser un material poroso generalmente absorbe gran cantidad de resina. Se utiliza para cascos, cubiertas, componentes interiores y moldes de embarcaciones de producción en serie. Tabla 4.7 Principales propiedades del Coremat® Material Coremat® XM (2-4 mm) Coremat® XX (1-5 mm) Resistencia a la compresión (N/mm2) 16,55 22,06 Módulo de compresión (N/mm2) 1724 200 Resistencia a la tracción (N/mm2) 3,31 2,31 Módulo de tracción (N/mm2) 352 352 Resistencia al corte (N/mm2) 4,31 4,00 Módulo de corte (N/mm2) 50 68 Resistencia a la flexión (N/mm2) 7,52 8,48 Módulo de flexión (N/mm2) 1103 900 Nota: Los valores expresados en la tabla corresponden a Coremat® XM y XX impregnados con resina de poliéster © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 5 Introducción a los procesos de fabricación 63 5 Introducción a los procesos de fabricación 5.1 Introducción En la construcción con materiales tradicionales, las piezas se confeccionan a partir de un material ya constituido al que se le da otra forma. Su calidad puede ser controlada en una etapa previa a la fabricación, y es posible determinar posibles fallos así como estimar la conveniencia de su uso. En la construcción con materiales compuestos, las piezas y el material surgen simultáneamente del propio proceso de fabricación. Por esta razón, el proceso de manufactura adquiere una importancia mayor que en el resto de procesos de manufactura para materiales comunes. Existen, a nivel industrial, un buen puñado de técnicas de fabricación con materiales compuestos, pero en el caso de la construcción de embarcaciones, dicho número se ve sensiblemente reducido dado el gran tamaño de las piezas a construir. Los procesos aptos deben, por tanto, ser flexibles y permitir ciertos márgenes, para poder compensar la fabricación en condiciones que, en la mayoría de las veces, distan mucho de las ideales. Se deduce entonces la importancia que tiene la elección del método de fabricación y su posterior desarrollo, como condicionantes de las características físicas y mecánicas finales de la pieza. 5.2 Clasificación de los procesos Dirigiremos nuestro estudio fundamentalmente a los procesos más utilizados en la construcción naval, ya sean éstos procesos para embarcaciones completas o bien para componentes de las mismas. Entre los procesos más idóneos en la construcción de embarcaciones podemos señalar: Moldeo por contacto Moldeo asistido por vacío Moldeo por vía líquida Moldeo con autoclave a) Laminación por contacto a) Laminación por contacto asistido por vacío a) RTM b) Proyección simultánea b) Preimpregnados b) VARTM c) Impregnadores c) Preimpregnados parciales c) Infusión © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 70 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Fig. 6.1 Laminado manual La acción de pasar el rodillo sobre la superficie obedece a dos razones fundamentales: a) ayudar a la impregnación del refuerzo; b) intentar evitar que queden burbujas de aire atrapadas entre las sucesivas capas del estratificado. La presión de compactación del laminado tiene valores que varían entre 0 y 0,1 Kg. /m2. Dicha presión ocurre exclusivamente cuando se aplica la acción del rodillo, y presenta variaciones en diversos aspectos como geometría de la pieza, posición de laminado, viscosidad de la resina, así como también en aspectos humanos relacionados con el operario, como su motivación, cansancio, etc. 6.2.2 Herramientas Las herramientas necesarias para desarrollar correctamente esta técnica se dividen en dos grupos: a) Herramientas de laminado b) Herramientas de corte Las herramientas que consideramos para el laminado son aquellas que permiten impregnar el material de refuerzo con la matriz, compactar las napas de material así como eliminar las burbujas de aire que quedan atrapadas dentro del laminado. Dentro de este grupo podemos distinguir los rodillos, las espátulas y las brochas. Los rodillos de laminación son las herramientas ideales para extender la matriz polimérica en grandes superficies con mayor agilidad, permitiendo una distribución más uniforme de la misma. Para dicha tarea el rodillo más acorde es del denominado de lana (Fig. 6.3), ya que no se ve afectado por el ataque químico de la resina y evita la degradación del mismo (lo que daría lugar a laminados de baja calidad). Existen también rodillos de cerdas y rodillos de nylon, aunque son menos utilizados ya que al ser considerados “blandos” no ejercen una buena presión de consolidación sobre el estratificado. Dentro de este grupo tenemos también los rodillos metálicos de consolidación (Fig. 6.4), cuya función principal es ayudar a la extracción del aire atrapado entre capas de material. Consisten en un buen número de ruedas dentadas de diferentes diámetros que, al actuar sobre el laminado, lo “pinchan” para que el aire atrapado salga hacia el exterior. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 6 Técnicas de moldeo por contacto 71 Fig. 6.2 Brocha Fig. 6.3 Rodillo de lana Fig. 6.4 Rodillo metálico Existe en el mercado una variedad bastante amplia de rodillos, tanto sean de laminado como de compactado, lo que permiten la selección del más idóneo en función del tipo de trabajo y de las dimensiones de la pieza que se quiera laminar. La limpieza de los rodillos, tanto de laminación como de consolidación, suele realizarse con disolventes como la acetona o el estireno. Las brochas (Fig. 6.2) para laminados deben cumplir dos premisas básicas: coste reducido e integridad. La primera se debe a que la duración de las brochas suele ser breve, fruto del desgaste que sufren y de la incorrecta higiene a la cual se someten. La segunda premisa se refiere a que las brochas no deben desprender cerdas, puesto que esto repercute en la calidad del laminado. Para ello, deben poseer un adhesivo aglutinante de las cerdas compatible con los sistemas de matrices que se utilicen para laminar. Existen diferentes tipos de brochas, pero las dos más utilizados son las redondas, para trabajar lugares estrechos y reducidos, y las brochas planas o paletinas, que se utiliza para laminados de superficies planas. El uso de las espátulas es ideal cuando la viscosidad del material dificulte la impregnación del refuerzo (por ejemplo con resinas epoxi), siendo las más utilizadas las de plástico dada su mayor flexibilidad. Las rasquetas se utilizan para realizar mezclas de productos que posean una viscosidad elevada (masillas, pinturas, etc.). Las herramientas de corte son necesarias para fraccionar el material de refuerzo. Dentro de este grupo destacan las tijeras y los cúteres. Las tijeras son ideales para el corte de tejidos de mayor gramaje; no deshilachan pero suelen tener el problema de su constante desafilado, debido a la abrasión de los materiales como la fibra de vidrio. Existen tijeras que incorporan mecanismos especiales para disminuir el esfuerzo de corte, y otras que son confeccionadas para el corte de materiales específicos, como las tijeras para corte de kevlar. Los cúteres son idóneos para el corte de materiales de refuerzo tipo fieltro. Su utilización en el corte de tejidos y ensamblados puede provocar deshilachado. La hoja intercambiable les proporciona más versatilidad que la tijera. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 72 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones 6.2.3 Materiales Matrices Con el método de laminado manual se pueden emplear la mayoría de matrices poliéster, viniléster y epoxi. Su viscosidad debe estar comprendida entre 300 y 600 cPs para que facilite la tarea de impregnación. Se utilizan en mayor medida resinas que no requieran procesos de curado o postcurado, aunque es posible utilizar matrices más complejas. Se pueden incorporar cargas y aditivos en las resinas para buscar modificar alguna propiedad. Refuerzos La totalidad de los tejidos, ensamblados y fieltros pueden ser aplicados mediante la técnica del laminado manual. No obstante, existen una serie de recomendaciones acerca de las secuencias de laminado para mejorar la calidad de la pieza (Fig. 6.5): Siempre que sea posible, la primera capa o piel de contacto con el gelcoat o el molde deberá ser un velo de superficie o, en su defecto, un fieltro de bajo gramaje; su presencia permitirá mejorar el aspecto superficial de la pieza, evitará problemas de marcado de la misma y minimizará el riesgo de aparición de ósmosis en piezas que se encuentren en contacto con el agua. Cuando los espesores de la pieza sean grandes, es recomendable realizar el estratificado por partes, para evitar calentamientos en la misma, producto de la reacción exotérmica de la matriz. Cuando el laminado se realice de esta manera, la buena adhesión interlaminar entre las sucesivas secuencias de laminado debe ser garantizada por medio de una superficie lo más lisa posible, conseguida mediante la utilización de fieltros. Conviene, antes de iniciar la siguiente secuencia de laminación, comprobar que la superficie esté exenta de polvo e imperfecciones. Por último, la piel de acabado deberá presentar un aspecto uniforme y agradable, objetivo que se consigue disponiendo de fieltros o tejidos de bajo gramaje sobre las capas finales de laminado. Fig. 6.5 Secuencia de laminado recomendada © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 6 Técnicas de moldeo por contacto 73 Si debido al tamaño de la pieza los tejidos no pueden ser colocados enteros, se procederá a realizar juntas debidamente solapadas. El ancho de solape mínimo (Fig. 6.6) dependerá del material de refuerzo y de la matriz utilizada. Deberán guardarse ciertas normas de distancia entre las costuras de una misma capa (Fig. 6.7) y se deberá distribuir los solapes entre capas sucesivas a efectos de realizar un laminado lo más uniforme posible. Fig. 6.6 Fig. 6.7 6.2.4 Ambiente de trabajo El lugar de realización de la labor de laminado debe cumplir un mínimo de condiciones ambientales para obtener unos resultados satisfactorios. La primera condición será la temperatura del local. La temperatura ambiente incide directamente en el grado de curado de la pieza y en la procesabilidad de la matriz. A bajas temperaturas, aumenta la viscosidad de la resina, lo que dificulta la impregnación de los refuerzos; esto produce que los laminados realizados en estas condiciones suelan poseer un porcentaje mayor de resina en su composición. Por otra parte, a bajas temperaturas el grado de reticulación de las resinas no se produce completamente, lo que da lugar a materiales compuestos con propiedades mecánicas más bajas que las estimadas. En caso que la temperatura sea muy elevada, se puede producir la evaporación de una parte del disolvente que contienen las resinas, hecho que afecta también a sus propiedades finales. La laminación también se torna dificultosa por los cortos tiempos de gel de que se disponen, y las reacciones exotérmicas en las piezas generan temperaturas más elevadas, hecho que puede provocar marcas y distorsiones sobre la misma. Por todo ello, el rango de temperaturas más acorde es el comprendido entre 15º C y 30º C, siendo el óptimo entre 17º C y 22º C. En ninguna circunstancia es recomendable laminar con temperaturas © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 74 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones inferiores a 10º C. Cuando las condiciones no lo permitan, deberá postergarse el proceso hasta que se garanticen las condiciones mínimas de trabajo. La segunda premisa será el control de la humedad relativa ambiente: si bien la mayoría de materiales de refuerzo no se ven afectados por la humedad, ya que son resistentes a la misma e incluso al agua (excepción de las fibras aramídicas), la humedad presente en el ambiente de trabajo, especialmente sobre los refuerzos secos, afecta la unión de éstos con resina, disminuyendo la adhesión en la interfase, y, por ende, disminuyendo la calidad del estratificado. Deberá respetarse, como valor límite de humedad, un máximo del 75%. Si las condiciones no lo permiten, será mejor postergar el proceso hasta que dichas condiciones se cumplan. Debe también prestarse especial atención al lugar de almacenaje de los refuerzos, que deben mantenerse en lugares secos y en envoltorios cerrados. La limpieza del sector de trabajo es fundamental ya que cualquier partícula de polvo que esté presente en el ambiente propiciará un laminado de baja calidad, con impurezas en su constitución. Debe mantenerse siempre el ambiente lo más limpio y ordenado posible, con una buena ventilación y una buena iluminación. 6.2.5 Ventajas Las principales ventajas que hacen del método de laminado manual el más difundido podrían resumirse en: a) Los equipos necesarios son de extrema sencillez y su coste es relativamente bajo. b) El coste de la materia prima es reducido. c) Dada su simplicidad no requiere mano de obra excesivamente cualificada. d) No existen límites respecto del tamaño de pieza a producir. e) El coste de los moldes es el más bajo entre todos los procesos de producción. f) Es un método ideal para producciones cortas y para piezas de gran tamaño. g) Se pueden emplear todo tipo de refuerzos y resinas. h) Se pueden construir tanto estructuras sandwich como monolíticas. i) En general no requiere de procesos térmicos posteriores. 6.2.6 Desventajas a) Los laminados son de calidades irregulares (uniformidad, homogeneidad y tasa de porosidad). b) El contenido de refuerzo es bajo, entre 25 y 35%. c) Existe una fuerte dependencia de la habilidad y motivación del operario. d) Requiere, en general, de numerosa mano de obra. e) La productividad es baja debido a lo artesanal del proceso. f) Los factores ambientales como temperatura y humedad pueden condicionar el proceso. g) Provoca elevadas emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV). h) Se producen gran cantidad de desperdicios. i) El acabado superficial sólo es bueno en la superficie que está en contacto con el molde. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 6 Técnicas de moldeo por contacto 75 6.2.7 Conclusiones El proceso de laminado manual es el más difundido en la industria naval por varias razones: bajo coste de equipos y de materiales; sencillez de proceso; se pueden utilizar todo tipo de resinas y estructuras textiles; no existen límites de tamaño de pieza a fabricar; y no requiere de costosos procesos térmicos posteriores para alcanzar sus máximas propiedades. Si añadimos a esto que el proceso es ideal para producciones bajas o unitarias, obtendremos un método que se adapta perfectamente a los requerimientos de la mayoría de constructores navales. En contrapartida, los laminados resultantes no suelen ser muy homogéneos, y el contenido de refuerzo suele ser bajo. La calidad final dependerá en gran medida de la acción del hombre y de factores ambientales. Sin embargo, realizando estrictos controles durante la elaboración, la calidad se puede mejorar considerablemente. En resumen, se deben extremar los cuidados durante las diferentes etapas del proceso y sobre las diferentes variables involucradas, a efectos de obtener laminados con propiedades físicas y mecánicas satisfactorias. 6.3 Proyección simultánea El método de proyección simultánea fue desarrollado en Estados Unidos en la década de los cincuenta como consecuencia del auge vivido por la industria del plástico reforzado con fibras de vidrio. Si bien todavía posee una fuerte componente artesanal, se puede decir que es una evolución del método de laminado manual en pos de una mayor productividad. Se encuentra fuertemente arraigado en los astilleros que realizan piezas de grandes dimensiones, como pesqueros y embarcaciones de pasaje de cabotaje. 6.3.1 Concepto fundamental El proceso de proyección simultánea consiste en proyectar fibra cortada (generalmente hilos de roving) entre chorros de resina catalizada mediante un equipo especial de proyección, de manera que la matriz y el refuerzo se depositen simultáneamente sobre el molde. Una vez depositados, se procede a realizar un compactado mediante rodillos o espátulas para mejorar la impregnación de los refuerzos y eliminar el aire que queda atrapado entre las diferentes capas del estratificado (Fig. 6.8). A diferencia del laminado manual, aquí la impregnación la hace un equipo de proyección de resina; sin embargo, la etapa de consolidación todavía se realiza manualmente mediante rodillos. Esta etapa adquiere mayor relevancia que en el laminado manual, dado que el laminado obtenido inicialmente fruto de la proyección contiene en su interior una considerable cantidad de aire, que debe evacuarse mediante la presión de un rodillo o espátula. La presión de compactación del laminado será entonces similar al laminado manual, con valores comprendidos entre 0 y 0,1 Kg. /m2. Dicha presión se verá afectada por variables como viscosidad de © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 76 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones la resina, geometría de la pieza, posición del laminado, y por aspectos humanos relacionados con el operario, como su motivación, cansancio, etc. Fig. 6.8 Proyección simultánea 6.3.2 Herramientas El equipo consiste en una pistola de proyección que es alimentada mediante una bomba con resina previamente catalizada, y un cabezal de rodillos cortadores que efectúa el corte del hilo de roving y lo proyecta en forma de pequeños filamentos. Dependiendo de cómo se realiza la mezcla de resinas con sus pares catalíticos, definimos dos tipos equipos de proyección: de mezcla interna y de mezcla externa. Los equipos de mezcla interna (Fig. 6.9) poseen dos conductos aislados por los cuales es transportada la resina: en uno, la resina se encuentra preacelerada; en el otro, la resina se encuentra precatalizada. En ningún caso la mezcla se produce al completo en el interior de los mismos, hecho que provocaría más de una obstrucción. Una vez los materiales pasan por la boquilla de la pistola y la abandonan, las dos corrientes de material se funden junto con el aire formando un abanico, para pocos segundos después depositarse sobre la superficie del molde. En los equipos de mezcla externa (Fig. 6.10), existen también dos conductos independientes, pero uno de ellos conduce sólo el acelerador y el otro resina preacelerada. Una vez pasan por la boquilla de la pistola y la abandonan, se mezclan formando un abanico que también se deposita sobre la superficie del molde. La regulación del caudal de catalizador debe realizarse antes de comenzar la operación de proyección. La mayoría de equipos están dotados de bombas esclavas, es decir, de bombas de dosificación de catalizador que realizan el mismo número de bombeos que las bombas de resina de forma sincronizada. También pueden dotarse de calentadores en línea para evitar problemas ocasionados por el cambio de la viscosidad de la resina debido a las variaciones de la temperatura ambiente. Tanto los equipos de mezcla interna como los de mezcla externa necesitan de frecuentes interrupciones para la limpieza de los conductos internos con disolvente. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 6 Técnicas de moldeo por contacto 77 Fig. 6.9 Equipo de mezcla interna Fig. 6.10 Equipo de mezcla externa El cabezal cortador de los hilos de roving posee funcionamiento neumático, y permite cortar dichos refuerzos en largos variables, comprendidos entre 20 y 50 mm. Se encuentra montado en la parte superior de la pistola de proyección de resina (Fig. 6.11) para permitir la caída de los filamentos por gravedad sobre el abanico de resina. Como el conjunto adquiere un peso elevado, generalmente se monta sobre un brazo de suspensión para facilitar la labor del operario. Los equipos de proyección simultánea permiten proyectar tanto la resina y el refuerzo conjuntamente como la resina de manera aislada, convirtiéndose el equipo en una saturadora. La elección de una u otra función se realiza mediante un dispositivo situado en el lateral del cabezal (Fig. 6.11). Fig. 6.11 Cabezal de proyección © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 78 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Mediante la regulación de la presión del aire se obtienen diferentes proporciones de fibra-resina. Las presiones de trabajo típicas oscilan entre 2 y 3 bar para la resina y entre 6 y 8 bar para el motor cortador. Los caudales de los equipos actuales oscilan entre 2,5 y 12 kg por minuto. Por ello, es necesario dotar al taller de una instalación neumática que produzca una presión de trabajo estable de 8 bar y un caudal entre 500 y 800 lts/minuto. Debido a las nuevas reglamentaciones medioambientales, los fabricantes de equipos de proyección simultánea han desarrollado diferentes variantes de los equipos, como los equipos de proyección airless, que funcionan por presión hidráulica, los saturadores por riego y los equipos de impregnación con rodillo, con el objetivo de eliminar el aire como medio de transporte del material y así disminuir las emisiones de compuestos volátiles al ambiente. Fig. 6.12 Equipo de proyección simultánea 6.3.3 Materiales Los equipos de proyección simultánea y de saturación permiten trabajar con todo tipo de resinas, pero son diferentes los de resinas poliéster y viniléster de los equipos fabricados para resinas especiales como las epoxi. Esta diferencia es una consecuencia de las distintas viscosidades y de los diferentes porcentajes de catalización. Las viscosidades de las resinas deben encontrase en un rango entre 300 y 500 cPs, para permitir una rápida y fácil impregnación del refuerzo. También se pueden incorporar cargas y aditivos en la matriz, siempre que no modifiquen en exceso la viscosidad de la misma. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 6 Técnicas de moldeo por contacto 79 Respecto de los refuerzos, las máquinas de proyección simultánea sólo proyectan pequeños filamentos de hilos de roving, que una vez dispuestos sobre la pieza cumplen las funciones de fieltros. El largo de los filamentos que se proyectarán puede graduarse, pero los filamentos largos producen laminados con mejores propiedades mecánicas. Los equipos de proyección permiten regular el contenido de refuerzo entre 20 y 50%, pero es importante resaltar que dicho porcentaje sólo afecta al material proyectado, y no al total del laminado. El método no permite trabajar de forma directa estructuras textiles como tejidos, mallados y ensamblados, por lo que éstas deben ser colocadas sobre la superficie de la pieza manualmente, para impregnarlas con la ayuda de la pistola, que funcionará como saturadora. Dicha labor debe ser asistida por operarios que mediante rodillos produzcan el desaireado del conjunto. Son válidas las recomendaciones hechas en el apartado de laminado manual acerca de los solapes y su distribución en el laminado. 6.3.4 Ambiente de trabajo Las condiciones ambientales deberán ser similares al proceso de laminado manual para obtener unos resultados satisfactorios. La temperatura del local de trabajo debe estar comprendida entre 15º C y 30º C, siendo entre 17º C y 22º C la óptima. No es recomendable realizar el proceso de proyección a temperaturas inferiores de 10º C. A temperaturas elevadas, se debe prestar especial atención a los cortos tiempos de trabajo disponibles para desburbujeo, dado los elevados volúmenes de proyección, así como a los grandes espesores, que pueden provocar marcas y distorsiones por picos exotérmicos elevados. La humedad relativa ambiente no deberá ser mayor de un 75%. Valores superiores afectan principalmente la unión fibra-resina. El almacenaje de los materiales de refuerzo debe realizarse siguiendo las recomendaciones de sus fabricantes, y por lo general, en lugares secos, aislados del resto del taller y en envoltorios cerrados. El ambiente debe encontrase libre de polvo e impurezas, puesto que cualquier flujo de aire procedente del proceso las pondría en suspensión, afectando a la calidad del laminado. Debido a la naturaleza del proceso, es fundamental tener un sistema de recirculación de aire que permita una renovación constante del aire en el local de trabajo, ya que la proyección simultánea produce altas tasas de emisiones de estireno en el ambiente (en la fase dinámica cuadriplica al laminado manual). Cuando las condiciones no lo permitan, deberá postergarse el proceso hasta que se garanticen las condiciones mínimas de trabajo. 6.3.5 Ventajas Entre las principales ventajas del proceso de proyección simultánea podemos mencionar: © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 7 Técnicas de moldeo asistidas por vacío 87 7 Técnicas de moldeo asistidas por vacío 7.1 Introducción a las técnicas Las técnicas de moldeo asistidas por vacío permiten conseguir materiales compuestos con mejores propiedades físicas y mecánicas que los obtenidos por las técnicas de moldeo por contacto, aunque sus costes operativos suelen ser ligeramente superiores. Estas técnicas aprovechan una presión externa para prensar el laminado y optimizar el contenido de matriz en el material compuesto, mejorando la adhesión interlaminar entre capas y obteniendo un laminado con una densidad mayor. Los procesos de laminado asistidos por vacío suelen ser procesos más extensos y las resinas requieren, por lo general, de curados o postcurados a altas temperaturas. Dentro de este grupo de procesos podemos distinguir el laminado manual asistido por vacío, el laminado con preimpregnados y el laminado con preimpregandos parciales. 7.2 El vacío El estado en el cual existe una ausencia total de presión se denomina vacío. Sin embargo, a efectos prácticos, se denomina vacío a los estados de presión que poseen valores inferiores a la presión atmosférica normal (1,013 bar), que es la que se utiliza como referencia (Fig. 7.11). Fig. 7.1 Presiones absolutas y relativas © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 88 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones En las técnicas de moldeo asistidas por vacío se emplean depresiones que pueden alcanzar hasta -0,98 bar, medidas siempre desde la presión de referencia o atmosférica. Esto quiere decir que en dichos casos se trabaja con depresiones muy cercanas al vacío total o cero absoluto. 7.2.1 Formas de obtención del vacío Los medios empleados para producir vacío son diversos: extractores para depresiones muy pequeñas, bombas de vacío accionadas por motores eléctricos y generadores de vacío de aire comprimido. Sin embargo, dadas las particularidades de la industria naval, nos centraremos fundamentalmente en tres tipos de artefactos: a) las bombas de paletas flexibles (supresores); b) las bombas de anillo líquido; y c) los generadores de vacío (eyectores). Las bombas son los medios más conocidos de obtención de vacío. El trabajo de la bomba consiste en bombear gases o vapores, aspirándolos de un recipiente cerrado y expulsándolos al exterior. Cada tipo de bomba se distingue de las demás por la presión mínima que puede alcanzar (cerca del cero absoluto), presión que queda limitada por las características constructivas de la misma. Las bombas de vacío de paletas flexibles (Fig 7.2) generan vacío mediante la utilización de un motor eléctrico convencional. Se emplean cuando son necesarios elevados caudales de aspiración. La bomba está constituida por un rotor de 6 u 8 paletas dispuestas de forma radial, que realiza un movimiento excéntrico en el interior de un estator. Por efecto de la fuerza centrífuga, las paletas son proyectadas hacia el exterior, y se adaptan a la superficie interior del estator. Las lumbreras de aspiración y expulsión van dispuestas en los laterales del estator; cada vez que una paleta pasa por delante del orificio de aspiración recoge una cantidad de gas, lo comprime y lo expulsa por la lumbrera de expulsión. Como existen varias paletas, casi no hay oscilaciones del flujo, siendo el caudal de aspiración continuo. La lubricación se realiza por goteo, aprovechando la misma aspiración para que el aceite caiga. Fig. 7.2 Bomba de paletas flexibles © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 7 Técnicas de moldeo asistidas por vacío 89 Las bombas de vacío de anillo líquido (Fig. 7.3) consisten en un rodete, compuesto de varias palas, que gira excéntrico en el interior del estator; este rotor queda limitado lateralmente por dos discos denominados de distribución (Fig. 7.4), que son los encargados de regular la aspiración y expulsión a través de unas ranuras practicadas en los mismos. Debido a que en el interior de la bomba hay una cierta cantidad de agua, al girar el rodete y por efecto de la fuerza centrífuga, el líquido adopta la forma de un anillo concéntrico con el estator. Entre este anillo, las palas y el núcleo del rodete o rotor, se forma una cámara, en la que tiene lugar la aspiración y posterior expulsión de gas. El proceso es continuo, ya que hay siempre palas que aspiran mientras que otras expulsan. La principal ventaja de esta bomba estriba en que, al no existir roce entre el rotor y el estator, debido a que es el anillo de agua el que roza con ambos, no hay prácticamente desgaste entre las piezas. El mismo anillo hace de lubrificante y refrigerante. Como inconveniente principal presenta el calentamiento y evaporación del líquido, hecho que, si ocurre, disminuye la eficiencia de la bomba. Fig. 7.3 Bomba de anillo líquido Fig. 7.4 Detalle de los discos de distribución Tanto las bombas de paletas como las de anillo líquido utilizan motores eléctricos, por lo que resultan más costosas que otros sistemas generadores de vacío. Los rangos de capacidades de succión para estas bombas pueden oscilar entre 6 m3/hora hasta 1600 m3/hora. Si los volúmenes de aire para evacuar no son excesivamente grandes ni los niveles de vacío que se busca alcanzar son demasiado elevados, se puede recurrir al uso de los generadores de vacío (c). Los generadores de vacío (Fig. 7.5), también conocidos como eyectores, son elementos que producen vacío o depresión de aire y, a diferencia de las bombas, no utilizan motores eléctricos. Para su funcionamiento aprovechan el efecto físico conocido como efecto Venturi. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 90 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones El aire comprimido entra en el eyector procedente de la red neumática (A) (dependiendo del grado de vacío, dicha presión puede oscilar entre 1,5 bar y hasta 8 bar). Al llegar al punto (B), el aire se estrangula y aumenta considerablemente la velocidad. Ese aumento de velocidad crea una depresión en la cámara central (C) y en el conducto de vacío (D), que se aprovecha para realizar la extracción. Por último, el aire extraído sale por (E) junto con el aire a presión generador del vacío. Fig. 7.5 Generador de vacío Los generadores de vacío son elementos de pequeñas dimensiones y su instalación es sumamente sencilla. Al no disponer de partes móviles, su mantenimiento se ve drásticamente reducido. El único requisito necesario es conectarlo a una línea de aire comprimido. En contrapartida, suelen ser ruidosos, por lo que es aconsejable instalarlos en unidades aisladas de la zona de trabajo. 7.3 Moldeo por vacío - laminado manual La técnica de laminado manual asistido por vacío consiste en crear una presión adicional sobre el laminado durante su ciclo de curado. La función principal de la técnica consiste en optimizar las relaciones refuerzo-matriz del material. La presurización del laminado cumple además otras importantes funciones: remueve el aire atrapado entre capas; compacta las capas de refuerzo por transmisión de fuerzas, proporcionando laminados más uniformes; evita que la orientación del laminado se modifique durante el curado; y reduce la humedad. Todas estas ventajas han sido utilizadas durante años para maximizar las propiedades físicas y mecánicas de los materiales compuestos, tanto en campos aeronáuticos, aeroespaciales como en las industrias de componentes para competición. 7.3.1 Concepto fundamental Este método es básicamente una extensión del método de moldeo por contacto-laminado manual, donde la presión es aplicada al laminado una vez éste se ha realizado al completo pero encontrándose la resina aún en un estado previo al de gel. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 7 Técnicas de moldeo asistidas por vacío 91 La presión actuante se obtiene a través de un diferencial de presiones (Fig. 7.6 y Fig. 7.7). Se coloca sobre el laminado una membrana estanca y se procede a extraer el aire que existe en su interior, a través de un sistema de vacío. Al disminuir la presión en el interior de la bolsa, la presión atmosférica exterior actúa sobre el laminado presionándolo. En función de la capacidad del equipo de vacío y del grado de estanquidad alcanzado, obtendremos mayor presión de compactado. Fig. 7.6 Laminado antes de aplicar vacío Fig. 7.7 Laminado después de aplicar vacío El moldeo por contacto asistido por vacío surgió como una evolución del método de laminado manual, buscando solucionar los problemas de bajos contenidos de refuerzo en su composición. Esta antigua y sencilla técnica es hoy en día la preferida para los constructores navales que buscan estructuras sumamente livianas y con requerimientos estructurales elevados. 7.3.2 Desarrollo del método Una vez finalizado el laminado manual por contacto, y con suficiente tiempo antes de que comience el proceso de gelificación de la matriz polimérica, se disponen sobre el laminado los materiales fungibles, que constituyen el secreto de la técnica. Estos materiales permitirán realizar el compactado, extraer los excesos de resina, evitar que dichos materiales se queden adheridos a la pieza, facilitarán también el desmoldeo y disminuirán las emisiones de elementos volátiles orgánicos al ambiente. Los materiales fungibles son: a) Tejidos pelables (peel-plies) b) Films separadores y films sangradores desmoldeantes c) Manta de absorción/aireación d) Film de nylon para bolsa vacío e) Masillas de cierre (tacky-tape) © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 92 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones En la figura 7.8 se puede observar la distribución correcta de los mismos sobre el laminado. Fig. 7.8 Distribución de los materiales fungibles sobre el laminado 7.3.2.1 Tejidos pelables Los tejidos pelables se aplican como último material en la secuencia del laminado. Están diseñados para ser extraídos de la superficie del laminado con suma facilidad, favoreciendo los procesos posteriores de adhesión secundaria, masillado o pintado, sin necesidad de abrasión mecánica previa. Los tejidos pelables o peel plies son tejidos que, después de su proceso textil, son tratados para ser ofrecidos libres de impurezas, lo que permite utilizarlos en contacto directo con el laminado, sin problemas de contaminación posterior. Constituidos normalmente de poliamidas (nylon) o fibras de poliéster, suelen dejar una superficie ligeramente rugosa, ideal para piezas que necesitan de un procesado posterior. La mayoría de los tejidos pelables de poliamidas (nylon) tienen problemas con sistemas de matrices fenólicas, debido a la emisión de agua que producen las mismas, por lo que se recomienda el uso de los tejidos de poliéster. Dichos tejidos actúan también como protectores superficiales del laminado y se recomienda retirarlos solamente cuando sea necesario. Suelen presentarse en diferentes formatos comerciales (en rollos o en cintas) y su peso varía entre 60 y 80 g/m2 . Poseen un hilo de color diferente que facilita su identificación sobre la pieza una vez curada. Su selección se realiza siguiendo criterios de resistencia a la temperatura. 7.3.2.2 Films separadores y sangradores Los films separadores son utilizados para separar el laminado del resto de materiales del proceso de vacío (desmoldeante). Los films sangradores son los mismos films separadores pero perforados siguiendo un patrón establecido, que permiten salir al exceso de resina existente en el laminado. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 7 Técnicas de moldeo asistidas por vacío 93 Los patrones de perforado se establecen de acuerdo con el proceso de fabricación seleccionado. El diámetro de perforado va en función del flujo de resina excedente y dependerá de: la temperatura de curado; el sistema de matriz; la viscosidad de la resina; el tiempo de trabajo; y la presión de compactación. Todas estas consideraciones permiten seleccionar el film sangrador más adecuado, que permita salir al exceso de resina y de aire que haya quedado atrapado entre capas de laminado. Si su elección no se hace correctamente, se obtienen malos resultados, como laminados con alta tasa de porosidad (poca evacuación de aire, film sangrador con pocos agujeros) o bien laminados demasiado secos (film sangrador con demasiados agujeros o excesivamente grandes). También existen films sangradores perforados que permiten salir solamente el flujo de gases pero restringen el paso de la resina, aunque ésta fuese de baja viscosidad. Otras características importantes de estos films que podemos mencionar son: su resistencia a las altas temperaturas, su alta elongación (acorde a la elongación del film de la bolsa de vacío), la ausencia de contaminantes en su composición y su reducido coste. 7.3.2.3 Manta de absorción /aireación Las mantas de absorción y aireación son tejidos sintéticos no entramados, normalmente constituidos de fibras de poliéster recicladas, razón por la cual presentan imperfecciones en su superficie. Cumplen básicamente dos funciones: a) la de permitir circular el aire atrapado por todo el interior de la bolsa hacia algún orificio de salida; y b), la de actuar como absorbente del exceso de resina que emana por acción de la presión de consolidación. Atendiendo a criterios de presión y temperatura de trabajo, existe una extensa gama que permite obtener tejidos resistentes a presiones de trabajo desde 1 a 14 bar, y a temperaturas de hasta 430º C. De bajo peso (alrededor de 140 gr/m2) y gran adaptabilidad, permiten amoldarse a formas complejas. No tienen propiedades desmoldeantes, por lo que deben ser separados del laminado mediante un tejido sangrador o película separadora perforada. 7.3.2.4 Films de nylon para bolsa de vacío Los films de bolsa de vacío son los encargados de sellar todo el laminado, incluido el resto de fungibles de vacío anteriormente mencionados. Una vez sellado, se realiza el vacío en el interior de la membrana creada sobre el laminado para que actúe externamente la presión atmosférica. Los criterios de selección se basan en su mayor o menor elongación, en su resistencia a temperaturas elevadas, su compatibilidad con las resinas, su resistencia al ataque de gases durante el curado y a su adaptabilidad a formas complejas. Los films de vacío de nylon son higroscópicos y el contenido de humedad actúa sobre ellos como un plastificante, teniendo influencia sobre sus propiedades mecánicas. Cuando su contenido de humedad © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 94 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones es bajo, el film se vuelve rígido y quebradizo, y sus propiedades de alargamiento se deterioran. Por ello, es recomendable almacenarlos en salas en las cuales exista una humedad relativa mayor del 55%. 7.3.2.5 Masillas de cierre Las masillas de cierre se utilizan para proveer una junta entre el molde y la bolsa de vacío, que asegure estanqueidad. Constituidas de una mezcla de caucho sintético combinado con cargas inertes, plastificantes y aditivos que les proporcionan adhesividad, deben ser formuladas para que su extracción del molde sea fácil y no deje impurezas ni residuos en el mismo después del ciclo de curado. La selección de dichas masillas se realiza en función de la temperatura de curado y la presión de trabajo. 7.3.3 Materiales En la técnica de laminado manual asistido por vacío suelen emplearse resinas que poseen tiempos de gel longevos; esto se debe a que para poder realizar todo el proceso de laminado y compactado antes de que la resina alcance el punto de gel, es necesario bastante tiempo de trabajo. Las resinas más utilizadas son las de epoxi, por dos razones básicas: a) si se buscan laminados de mejor calidad, el salto cualitativo es considerable respecto de las resinas poliéster y viniléster; b) las resinas epoxi suelen tener tiempos de gel bastante más extensos que las de poliéster y viniléster. Sin embargo, si las dimensiones de la pieza lo permiten, se pueden realizar laminados por vacío con resinas de poliéster y viniléster, aunque con algunas consideraciones especiales respecto de los niveles de vacío buscados, dado que niveles elevados pueden provocar una migración masiva del monómero de estireno de las resinas, disminuyendo sus propiedades físicas y mecánicas. Respecto de los materiales de refuerzo, se pueden utilizar todos los tipos de estructuras textiles, aunque, por lo general y dado que todo el laminado es de unión primaria, se evitan los fieltros. Respecto de los materiales de núcleo, pueden emplearse de todo tipo, pero con consideraciones particulares para los de nido de abeja. 7.3.4 Ambiente de trabajo Al igual que en los métodos precedentes, el local donde se realice un laminado por vacío debe cumplir con unas condiciones ambientales mínimas para garantizar el éxito del proceso. La temperatura debe estar comprendida entre 15º y 30º C, siendo la ideal entre 17º y 22º C. No se deben realizar labores de laminado a temperaturas inferiores a 10º C. La humedad relativa ambiente no debe sobrepasar el 75%, y se debe poner especial cuidado en el almacenaje de los materiales de refuerzo, a efecto de que no adquieran humedad (recordemos que la © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 7 Técnicas de moldeo asistidas por vacío 95 humedad afecta básicamente a la unión con la resina). Dado que la mayoría de resinas epoxi requieren procesos de curado o postcurado, será necesario dotar al local con algún sistema válido de calefacción. Cuando se produzca dicha situación se extremarán los cuidados para evitar accidentes, incendios y explosiones de productos expuestos a temperaturas elevadas. La limpieza, el orden, una buena iluminación y una buena ventilación del sector de trabajo serán fundamentales para obtener laminados de buena calidad. Respecto de las emisiones de compuestos orgánicos volátiles, la técnica de laminado manual asistida por vacío consigue reducir una parte de las emisiones; una pequeña cantidad durante la fase dinámica del proceso, justo cuando se consigue sellar el laminado mediante la bolsa de vacío, y una parte más importante durante la fase estática del proceso, al hallarse el laminado confinado en la bolsa de vacío. 7.3.5 Ventajas Entre las ventajas más importantes que proporciona el proceso podemos citar: a) Los laminados resultantes poseen altos porcentajes de refuerzo (40 – 55%). b) La densidad del laminado es mayor y la tasa de porosidad, menor. c) La impregnación de las fibras se realiza de manera mejor. d) No existe límite de tamaño de pieza a realizar. e) Se pueden emplear todo tipo de estructuras textiles. f) Se pueden realizar tanto estructuras sandwich como monolíticas. g) Se produce una importante reducción de emisiones COV durante el curado (fase estática). 7.3.6 Desventajas Sin embargo, el proceso también tiene una serie de inconvenientes: a) El coste del proceso se ve incrementado por la necesidad de equipos auxiliares. b) Existe un coste adicional por la utilización de los materiales fungibles. c) Los procesos de laminado son más extensos. La productividad es menor. d) El proceso requiere una cualificación mayor por parte de los operarios. Durante el laminado es necesaria mano de obra extra. e) Las resinas deben poseer tiempos de gel largos. Las mezclas son aún realizadas por el hombre. f) Pueden aparecer zonas gelificadas antes de terminar de realizar el laminado o el compactado. g) Los desperdicios pueden verse aumentados dadas las particularidades del proceso. h) Los moldes deben ser especialmente concebidos, o modificados los existentes, para asegurar estanqueidad y resistencia térmica. i) La humedad y la temperatura pueden condicionar el proceso. j) Una excesiva evacuación del estireno (resinas poliéster y viniléster) puede provocar descenso de propiedades finales del laminado. k) Las resinas utilizadas requieren, en general, procesos térmicos posteriores. l) Las superficies sólo presentan una cara con buen acabado superficial, aunque el lado interior presenta un aspecto mucho mejor comparado con el de otros procesos. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 96 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones 7.3.7 Conclusiones El proceso de laminado manual asistido por vacío se utiliza en la construcción de embarcaciones que persiguen mejorar las propiedades mecánicas del laminado con una importante reducción de peso. Se emplea en la construcción de embarcaciones de competición, de defensa, en embarcaciones con fines específicos, así como técnica auxiliar en la adhesión de núcleos en estructuras sandwich. La calidad de los laminados resultantes es mayor que la obtenida por cualquier método de moldeo por contacto. No tiene limitaciones respecto del tamaño de pieza a realizar, los materiales empleados son de uso frecuente, y las emisiones COV se ven reducidas especialmente durante la fase estática de curado. En contrapartida, el proceso de elaboración del laminado es más extenso y su coste ligeramente superior (no se arriba, sin embargo, a los elevados costes de la construcción con preimpregnados), y la técnica requiere de profundo conocimiento de la misma para garantizar buenos resultados. En virtud de que el proceso ofrece laminados de buena calidad a un coste moderado, podemos considerarlo como un proceso de fabricación sumamente equilibrado. 7.4 Laminado de preimpregnados Los materiales compuestos preimpregnados (conocidos también como prepegs) fueron desarrollados originariamente para aplicaciones aeronáuticas y aeroespaciales que requerían un material con un elevado contenido de refuerzo y una buena uniformidad del contenido de resina en su composición. Aunque en el sector naval actualmente sólo se construyen embarcaciones de altas prestaciones, debido al elevado coste del material, se cree que en los próximos años su utilización será mas frecuente en embarcaciones de producción, a medida que se descubran otras aplicaciones industriales para dichos materiales que permitan reducir sus elevados costes de elaboración. 7.4.1 Concepto fundamental La técnica del moldeo con preimpregnados permite separar los procesos de preparación de los de moldeado. De esta manera, con las piezas cortadas previamente, la colocación de las capas de material sobre el molde es más sencilla, lo que permite disponerlas en su correcta orientación y con la posibilidad de rectificar si procede. El laminado de preimpregnados se realiza disponiendo sobre un molde las diferentes capas de estructuras textiles preimpregnadas, previamente descongeladas. Cuando la cantidad de capas o los espesores de las mismas sean importantes (más de 1000 gr./m2), se debe proceder a realizar compactados intermedios mediante vacío, a efectos de eliminar el aire que puede quedar atrapado entre capas. Una vez finalizado el laminado, la pieza alojada en su molde debe ser sometida a un aumento programado de presión y temperatura para que se produzca el curado final de la misma (Fig. 7.9). © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 7 Técnicas de moldeo asistidas por vacío 103 a) La calidad del laminado resultante es similar a la de los preimpregnados; se presenta con elevados porcentajes de refuerzo en su composición (hasta un 60 -65%). b) Su coste es sensiblemente inferior al de los preimpregnados. c) A diferencia de aquéllos, no es necesario realizar compactados intermedios, con lo cual se ven notablemente reducidos los tiempos de proceso comparado con los preimpregnados clásicos. d) Al reducir las etapas de proceso, el coste en materiales fungibles es menor. e) Los porcentajes de refuerzo son muy precisos en todo el material y la composición de la matriz es completamente homogénea. Poseen un bajo contenido de aire en su composición una vez procesados. f) Los extensos tiempos de gel permiten organizar mejor el trabajo de laminado y compactación. g) La manipulación del material es sencilla y limpia. Las condiciones de trabajo mejoran notablemente y las emisiones COV se reducen al mínimo. h) Dado que el material que no se utiliza se puede volver a almacenar, los desperdicios se reducen notablemente. i) Debido a los rigurosos controles que exige el proceso es más fácil identificar posibles fallos. j) Se pueden realizar tanto estructuras sandwich como monolíticas. 7.5.3 Desventajas a) El coste del material es notablemente superior al de los materiales compuestos tradicionales. Debe sumarse también el coste de los materiales fungibles. b) Existe riesgo de que aparezcan defectos superficiales. c) Son necesarios equipos y una infraestructura específica, como sistemas de vacío, hornos, autoclaves, congeladores, zonas de laminado, etc. d) Es necesario realizar procesos de curado para que adquieran sus propiedades físicas y mecánicas. e) Los operarios que intervienen en el proceso deben poseer una alta cualificación. f) La productividad es menor que en otro métodos, aunque mayor que en el trabajo con preimpregnados clásicos. g) Los preimpregnados parciales se encuentran disponibles hasta el momento sólo impregnados en resinas epoxi. h) Los moldes deben ser concebidos especialmente para el proceso (criterios de presión y temperatura, monitorización y control, recirculación de aire, etc.). i) El tamaño de las piezas se ve condicionado por el tamaño del horno de curado. j) El buen acabado superficial continua siendo sólo posible por una de las dos caras. k) Existen mayores gastos de gestión para el control y seguimiento del material. l) El proceso se considera aún en fase de desarrollo, especialmente para el sector naval. 7.5.4 Conclusiones Si bien es un proceso relativamente nuevo y en fase de desarrollo, los preimpregnados parciales permiten acceder a niveles de calidad similares a los materiales preimpregnados clásicos pero con unos costes más razonables para el constructor naval. Se utilizan en la construcción de pequeñas series de embarcaciones con alto valor añadido, especialmente veleros de crucero y motoras de alta velocidad. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 104 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Los laminados resultantes son de buena calidad, con elevados porcentajes de refuerzo, lo que se suma a una importante reducción de los tiempos de proceso comparado con los preimpregnados clásicos, debido a la ausencia de los compactados intermedios. Como principales desventajas podemos señalar el elevado coste de equipos e infraestructuras, similarmente a los preimpregnados tradicionales, así como la posible aparición de fallos superficiales. El proceso de fabricación de laminados con preimpregnados parciales es un proceso sumamente atractivo y ocupará un lugar destacado en la construcción de embarcaciones en los próximos años. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 8 Técnicas de moldeo por vía líquida 105 8 Técnicas de moldeo por vía líquida 8.1 Introducción a las técnicas Las técnicas de moldeo de materiales compuestos por vía líquida se fundamentan en que la resina y las fibras de refuerzo entran en contacto entre sí por primera vez en el interior de un molde cerrado; se colocan las fibras secas, y una vez cerrado el molde, por medio de diferentes mecanismos, se introduce resina catalizada en su interior. La presión de compactación se consigue mediante la utilización de contramoldes rígidos o la utilización de la técnica auxiliar de vacío. Dentro de este grupo de técnicas podemos distinguir las técnicas de transferencia de resina (RTM) y la técnica de infusión. 8.2 RTM 8.2.1 Concepto fundamental Las siglas RTM significan moldeo por transferencia de resina (Resin Transfer Molding). La técnica nace en la década de los cuarenta, pero no es hasta los años setenta que alcanza su madurez, impulsada por las industrias automovilísticas y aeronáuticas. El proceso RTM es considerado como un proceso de molde cerrado de baja presión. En dicho proceso, se colocan los refuerzos de fibra secos en el interior de un molde, y una vez cerrado y bajo presión, se inyecta o transfiere resina catalizada al interior del mismo. Para reducir el tiempo de curado de las piezas se puede someter al conjunto a una elevación programada de la temperatura. El rango de presiones hidrostáticas de cierre se encuentra entre 2 y 10 bar, y las presiones de inyección de resina oscilan entre 1,5 y 10 bar. Esto obliga a que los moldes sean muy robustos, así que se construyen en la mayoría de casos con metales como acero, aluminio o cobre, o bien materiales moldeados en masa, como la resina epoxi. La evacuación del aire interior se realiza mediante drenajes colocados estratégicamente o mediante la ayuda auxiliar de la técnica de vacío. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 106 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Fig. 8.1 Concepto RTM 8.2.2 Herramientas Para poner en marcha la producción de piezas mediante el proceso RTM son necesarios una serie de equipos y accesorios: a) Sistema de inyección de resina b) Moldes especialmente diseñados para el proceso c) Sistema de vacío d) Equipos auxiliares para preparación y corte de refuerzos secos e) Equipos y zonas para mecanizado de piezas f) Cabinas de proyección de gelcoat g) Zona de polimerización La inyección de resina se realiza mediante un sistema de bombeo; el equipo está compuesto por un sistema de dosificación, mezcladores, depósitos y controladores que aseguren en todo momento un control preciso (Fig. 8.2). Fig. 8.2 Equipo RTM portátil © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 8 Técnicas de moldeo por vía líquida 107 Los moldes de producción para RTM requieren de una serie de características que se deben tener en consideración durante su etapa de diseño, como: los materiales de construcción, la calidad de las superficies, la resistencia térmica, los controles de temperatura, la resistencia a la presión de inyección y cierre, el material aislante, el número y distribución de puntos de inyección, la cantidad y distribución de orificios de salida de aire, el mecanismo de cierre y desmoldeo de la pieza, el sellado, la expectativa del vida, etc. Para series importantes, los moldes suelen ser metálicos, pero para bajas producciones se pueden construir en materiales compuestos. El cierre de los moldes debe prevenir el derrame de resina más allá de los límites de la pieza; para ello, los molde deben ser equipados con algún sistema de sellado. Entre los más utilizados podemos destacar: a) Sellado con elastómeros b) Sellado con anillo de apriete c) Sellado con silicona d) Sellado con resina Fig. 8.3 Sellado con junta de elastómero Fig. 8.4 Sellado con anillo de apriete El vacío necesario para el proceso puede ser cubierto por una instalación fija con una red de distribución del vacío en las diferentes zonas de trabajo. Las conexiones de los moldes a la red se realizan mediante tomas rápidas, lo que permite flexibilidad a la línea de producción. Los equipos auxiliares de corte consisten en mesas y plantillas de corte, lugar de almacenaje para preformas, así como todas las herramientas necesarias para realizar dicha labor. Los equipos de mecanizado incluyen todas las herramientas necesarias para las operaciones de corte, perfilado y pulido de las piezas. Estas tareas deben ser realizadas en una zona destinada exclusivamente para tal fin. En la distribución de las diferentes zonas de trabajo deben existir también cabinas para la proyección de gelcoat y zonas específicas de polimerización, espacios que deben ser especialmente adaptados mediante sistemas de extracción, filtrado y renovación del aire. 8.2.3 Materiales Las resinas que se utilizan para los procesos RTM deben poseer viscosidades bajas (entre 80 y 250 cPs a 25º C). La razón de esta característica es permitir un fácil bombeado de las mismas y asegurar una © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 108 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones buena impregnación de los refuerzos. No obstante, la viscosidad óptima dependerá del tipo y volumen de fibra, el tiempo de gel de la resina y de si los moldes poseen control de temperatura o no. Las resinas deben además poseer una exotermia baja para evitar problemas durante el proceso de moldeo como contracciones, deformaciones y marcados en la superficie de la pieza, y permitir también una conservación mejor de los moldes. La reactividad de las resinas debe permitir unos tiempos de gel suficientemente largos para garantizar el llenado completo del molde, sin renunciar a una buena polimerización. Existe un amplio rango de resinas aptas para ser utilizadas en RTM: epoxies, uretanos, poliéster iso y ortoftálicos así como resinas viniléster. Dada esta amplia variedad de resinas, es común que los equipos de RTM sean muy versátiles en cuanto a los porcentajes de catalización y viscosidades de trabajo. También se pueden incorporar cargas y aditivos a las resinas, con lo que se pueden obtener resinas con diferentes características como reducción de costes, mejora de acabados superficiales, reducción de las contracciones, resistencia al fuego, etc. La cantidad de carga es variable, pero pueden alcanzar el 50% y deben seleccionarse según criterios de calidad, cantidad y granulometría. El tamaño de las partículas tendrá una influencia directa en los patrones de flujo de la resina. Respecto de los refuerzos, los más utilizados son los fieltros (mats) de hilos continuos, hilos de fibra de vidrio cortados, fieltros de superficies (velos) así como también estructuras textiles en forma de tejidos (rovings). Las características sobresalientes de los materiales deben ser: buena velocidad de flujo de resina durante la impregnación y buena adaptabilidad de formas a superficies complejas. En la actualidad existe gran variedad de productos de refuerzo que permiten mejorar la productividad de los procesos RTM, como las preformas y estructuras textiles con ligantes termoplásticos que le permiten termoconformarse para adaptarse mejor a las formas de la pieza. Dependiendo del tipo de refuerzo y resina utilizados en el proceso, mediante la técnica RTM se pueden obtener porcentajes de fibra-resina que varían entre un 25/75% y hasta un 50/50%. 8.2.4 El proceso Los procesos de RTM son muy flexibles en relación con la elección de los materiales que se utilizarán y respecto de las formas geométricas que se pueden obtener. El proceso de fabricación de una pieza comprende cinco fases bien diferenciadas (Fig. 8.5): 1. Colocación del refuerzo 2. Cierre del molde 3. Inyección de la resina con el molde cerrado 4. Curado o reticulado de la pieza 5. Desmoldeo El refuerzo debe ser preparado previamente. El preparado consiste en el corte de las fibras de refuerzo, bien sean fieltros o bien tejidos, acorde con las formas de la pieza y de acuerdo con la orientación que © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 8 Técnicas de moldeo por vía líquida 109 se le quiera dar. También existen las preformas, aunque su elevado coste inicial sólo hacen justificable su uso en grandes series. Fig. 8.5 Una vez cortadas las fibras se disponen sobre una de las partes del molde abierto, que ha sido previamente pintada con gelcoat (si cabe); con todas las pieles dispuestas sobre el molde, se procede a cerrar el molde. En esta etapa se pueden realizar insertos en las piezas, pero deben tenerse en cuenta de antemano, durante la etapa de diseño de los moldes. Una vez cerrado el molde, se procede a transferir la resina catalizada en el interior del mismo, conjuntamente con los aditivos y cargas; así pues, el verdadero contacto entre la resina y las fibras se produce en el interior del molde, en ausencia de la mano del hombre. Una vez impregnado el refuerzo se corta el suministro de resina y se deja curar la pieza; se considera la pieza curada cuando la reticulación de la misma alcanza el 80%. El molde puede estar frío o poseer ya una determinada temperatura, dependiendo del proceso y de las propiedades de la resina utilizada. El atemperamiento se consigue con serpentines colocados en el interior del molde o con resistencias eléctricas distribuidas en forma de manta sobre el mismo. Una vez la pieza se encuentra curada, se procede al desmoldeo de la misma. Normalmente se abre el molde mediante ayudas mecánicas debido al excesivo peso del mismo, y el desmoldeo de la pieza se realiza manualmente. Un punto muy importante durante el proceso de diseño del molde es el de determinar los puntos de entrada de resina y los puntos de evacuación del aire. Este aire interior debe ser evacuado para evitar problemas como porosidad superficial o bien la reducción de las propiedades mecánicas del laminado. De esta decisión, dependerán los patrones de flujo de la resina. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 110 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Antiguamente, la óptima distribución de los orificios se determinaba por prueba y error. Ello conllevaba a la realización de costosas modificaciones en los moldes, inclusive la construcción de moldes de prueba. En la actualidad existen programas informáticos que permiten simular el proceso de inyección, con una notable reducción de los costes de desarrollo. Existen tres modelos fundamentales de introducción de la resina en el molde: a) Inyección puntual b) Inyección por canal de flujo lateral c) Inyección periférica Inyección puntual: el punto de inyección de la resina se encuentra en el centro del molde (Fig. 8.6) y el aire es evacuado por los bordes del mismo. Es el método más lento de llenado, pero es el que requiere menor cantidad de resina. Fig. 8.6 Inyección por canal de flujo lateral: la inyección de la resina se realiza por un lateral (Fig. 8.7) y avanza como un frente hacia el otro lado del molde, por donde se realiza la evacuación del aire. Fig. 8.7 © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 8 Técnicas de moldeo por vía líquida 111 Inyección periférica: la resina es inyectada por el perímetro del molde (Fig. 8.8), propagándose hacia el interior, y el drenaje del aire se realiza por el centro del mismo. Es el método más rápido de llenado pero también el que requiere la mayor cantidad de resina. Fig. 8.8 La colocación de puntos de inyección adicionales en cada modelo de alimentación de resina reduce sustancialmente los tiempos de llenado. 8.2.5 VARTM El moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) es una variante simplificada del método RTM tradicional; es un sistema muy similar al del RTM estándar, pero la resina es introducida en la parte baja el molde a través de bajas presiones, o inclusive por gravedad (Fig. 8.9). En la parte más elevada del molde existen orificios conectados a un sistema de vacío, con lo cual, se establece un flujo de resina entre la parte baja y la alta que impregna todo el laminado. Fig. 8.9 VARTM. Esquema de funcionamiento © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 112 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones Como las presiones de trabajo son muy reducidas, los moldes no deben ser tan robustos; esto permite construirlos con materiales más económicos, como los materiales compuestos. Sin embargo, los moldes deben ser ahora herméticos para garantizar el éxito del proceso. Para ello se dota a la periferia del molde de una junta dinámica, que consiste en una doble canal estanca que es sometida a un vacío parcial antes de permitir el ingreso de la resina en el interior del molde. En función de los materiales constituyentes del molde, se puede acortar el proceso aumentando la temperatura exterior. 8.2.6 Ambiente de trabajo Sin lugar a dudas, los procesos RTM representan un cambio importante en cuanto a las condiciones de trabajo. Se consiguen reducciones de compuestos orgánicos volátiles muy importantes, razón por la cual es un método de trabajo idóneo para aquellas industrias con alta producción y que busquen reducir sus tasas de contaminación ambiental. Es importante, dado el volumen de producción de la técnica, disponer de zonas confinadas para las diferentes etapas del proceso; así, el ambiente de trabajo se torna más pulcro y es más fácil controlar las emisiones COV durante las etapas de inyección y polimerización. Todo esto, redunda en una mejor organización del trabajo y en un aumento de la productividad. 8.2.7 Ventajas a) Las piezas obtenidas poseen buen acabado superficial en las dos caras (RTM). b) La productividad del proceso es elevada, máximo 3 piezas por día para un mismo molde. c) Los laminados resultantes poseen buenas propiedades mecánicas (los porcentajes de refuerzo pueden variar en un amplio rango, en función de la finalidad de la pieza). d) Debido a la utilización de contramoldes, se ejerce un mayor control sobre los espesores. e) El proceso se considera como un paso intermedio hacia la automatización de la producción. f) Los controles durante todo el proceso son mayores. g) La utilización de preformas reduce sensiblemente los costes y los tiempos de proceso. h) Las pérdidas de material se ven reducidas por lo sistemático del proceso. i) Se reducen las operaciones de mecanizado posteriores al desmoldeo. j) Al ser un proceso de moldeo cerrado, se reducen las emisiones de COV. k) Se pueden construir tanto estructuras monolíticas como sandwich, aunque en el caso de las segundas deben considerarse especialmente durante la etapa de diseño de moldes. 8.2.8 Desventajas a) El principal inconveniente del proceso es su elevado coste en equipos, especialmente en los moldes y el equipo RTM. b) Los moldes deben ser especialmente concebidos, no siendo posible la reutilización de moldes destinados a otros procesos. c) La incorporación de mecanismos de control de temperatura en los mismos aumenta considerablemente su coste. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 8 Técnicas de moldeo por vía líquida 119 Fig. 8.13 Infusión por canal de flujo lateral c) Infusión periférica: la resina es colocada en recipientes en los bordes de la bolsa de vacío (Fig. 8.14), propagándose hacia el interior del molde. La evacuación del aire interior se realiza por el centro del molde. Fig. 8.14 Infusión periférica Este método es mucho más rápido que la infusión puntual, con lo que es el más recomendable para las resinas que tengan tiempos de gel cortos, como las de poliéster y viniléster. Su desventaja más significativa radica en que el consumo de resina es mayor, y buena parte de esta resina se torna en exceso que luego debe ser eliminado mediante operaciones de saneamiento. 8.3.5 Ventajas a) Se obtienen piezas laminadas con buenas propiedades mecánicas (porcentajes de refuerzo sumamente interesantes 40-55%). La calidad tiene menor dependencia del operario. b) Las emisiones de compuestos orgánicos volátiles al ambiente de trabajo se ven notablemente reducidas. El ambiente de trabajo es más agradable, menos cargado y en general más pulcro. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 120 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones c) El coste de los equipos auxiliares es similar al del proceso de laminado asistido por vacío. d) El coste de los moldes es bajo, y se pueden reconvertir los moldes de proceso abierto. e) El tiempo de fabricación es menor que el de otras técnicas, como por ejemplo el laminado por vacío. La mano de obra necesaria es menor. f) Al producirse piezas por completo (one shot) se reducen las uniones secundarias. g) Pueden utilizarse la mayoría de las estructuras textiles. h) Se pueden realizar tanto estructuras monolíticas como sandwich. i) Existe un importante ahorro de materia prima y una reducción de los residuos. j) No existen limitaciones del tamaño de pieza. k) En la construcción de piezas de gran tamaño, el proceso posee la mejor relación coste/calidad. 8.3.6 Desventajas a) Es necesaria la utilización de equipos auxiliares de vacío. b) El proceso de infusión emplea materiales fungibles, lo cual aumenta ligeramente el coste. c) La utilización de materiales de refuerzo específicos encarece el proceso. d) Las resinas que se utilizan deben poseer una viscosidad muy baja. e) El proceso requiere de mano de obra especializada. f) La productividad del proceso no es muy elevada. g) El proceso puede verse afectado por las condiciones ambientales. h) Existe dificultad para obtener espesores constantes. Los excesos de resina que deben ser removidos aumentan el tiempo de saneamiento. i) El acabado superficial sólo es bueno por una de las dos caras. j) El proceso no es rentable para producción de piezas pequeñas. 8.3.7 Conclusiones La técnica de infusión se emplea actualmente en la construcción de cascos, cubiertas y mamparos de diferentes tipos de embarcaciones, tanto de vela como de motor. La infusión es un método sencillo, rentable económicamente, con calidades de laminado muy aceptables, mejores que las de procesos de moldeo por contacto. Aprovecha muchas de las herramientas existentes de los métodos tradicionales de molde abierto, con una parte de la técnica del laminado asistido por vacío. Considerando las restricciones a las que obliga la normativa europea respecto de emisiones de compuestos orgánicos volátiles, podríamos decir que la infusión es la alternativa técnicamente más válida y económicamente más razonable a los procesos de fabricación por molde abierto. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 9 Autoclave 121 9 Autoclave 9.1 Introducción Si bien el moldeo de materiales compuestos con autoclave no es aplicable a la construcción de embarcaciones, fundamentalmente por razones dimensionales, se utiliza para un sin fin de pequeñas piezas relacionadas con el sector. Dichas piezas suelen ser exclusivamente estructurales y se les requiere máxima resistencia con un mínimo peso. 9.2 Concepto fundamental Un autoclave es un recipiente donde se introducen laminados de materiales compuestos, generalmente preimpregnados, a efecto de someterlos a una mayor presión de compactación y a una temperatura de curado más elevada (Fig. 9.1). La mayor presión es para obtener un material más denso, con menor contenido de poros, que proporcione un material más resistente; la temperatura más elevada tiene dos finalidades: ciclos de curado más cortos y mejores propiedades finales de la pieza. Fig. 9.1 Autoclave © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 122 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones 9.3 Herramientas Los autoclaves son cámaras cilíndricas presurizadas de acero al carbono, que poseen dispositivos de calentamiento, presurización, vacío y control (Fig. 9.2 y Fig. 9.3). Dependiendo de la temperatura que se desee alcanzar, existen autoclaves pequeños, con resistencias eléctricas, hasta autoclaves de gran tamaño con sistemas de combustión de gas. Poseen en general un ventilador en uno de los extremos para garantizar la uniformidad de la temperatura interior. La velocidad del flujo del aire interior no debe ser mayor a 3 m/s para evitar que las bolsas de vacío se desprendan de los moldes. La presurización se suele realizar mediante gases como aire, nitrógeno y dióxido de carbono. Si las temperaturas de servicio son relativamente bajas, hasta 150º C, se recurre al aire. Para temperaturas más elevadas (algunos autoclaves alcanzan los 550º C) existe riesgo de combustión del aire. El nitrógeno y dióxido de carbono solucionan este problema, ya que inhiben la combustión, pero el coste de operación es más elevado debido a que deben almacenarse a muy bajas temperaturas, el primero en estado gaseoso, el segundo en estado líquido. La presión de trabajo admisible de un autoclave varía en función del espesor de la cámara de presión, llegando a alcanzar algunos hasta 20 bar. Fig. 9.2 Las variables que deben ser controladas son: temperatura, vacío y presión. Este control debe ser llevado a cabo durante todo el proceso para obtener una buena consolidación del laminado, un control de la porosidad de la pieza, y para evitar posibles exotermias en diferentes zonas. En la actualidad, este control se efectúa informáticamente, con la ayuda de termopares, transductores y sensores ultrasónicos, que permiten una reproductividad mayor de los ciclos de curado. Existen, sin embargo, algunos autoclaves más anticuados en los cuales el proceso de control debe realizarse manualmente. Dada la existencia de un gran número de fabricantes de resinas preimpregnadas, los autoclaves deben ser muy versátiles respecto de las diferentes ventanas de proceso, para permitir así un campo de accionamiento más amplio. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 9 Autoclave 123 Los moldes pueden ser tanto abiertos como cerrados, y deben tenerse en consideración, durante la etapa de diseño de los mismos, factores como presión, vacío y temperaturas de servicio. Las herramientas de soporte de piezas en el interior del autoclave juegan un papel importantísimo, ya que deben cumplir requisitos como el aprovechamiento del espacio interior y la resistencia a la presión y temperatura de trabajo. Deben ser ligeros y deben poder acoplarse a las líneas de vacío. Fig. 9.3 9.4 Materiales Debido a que el moldeo con autoclave es un proceso costoso por las variables que intervienen en su funcionamiento, el moldeo de piezas sólo es rentable en la fabricación de piezas de elevada resistencia estructural. Por lo tanto, el tipo de material más acorde con el proceso son las fibras preimpregandas. Las más utilizadas son las de carbono, kevlar y vidrio, por ese orden, y las resinas epoxi y fenólicas las matrices más frecuentes. Respecto de las estructuras textiles, no existe limitación alguna, y pueden procesarse todo tipo de ordenamientos planos. En cuanto a los materiales de núcleo, deben ser cuidadosamente seleccionados según criterios de resistencia a la temperatura y a la presión. 9.5 El proceso El autoclave es una herramienta que permite mejorar la calidad de los laminados de material compuesto. El material que se utiliza como partida suele ser el preimpregnado, con toda su técnica asociada, aunque es posible procesar por autoclave laminados realizados por contacto. Una vez la pieza se encuentra laminada, y previamente a la fase de curado, se aplica presión mediante vacío para efectuar un compactado y para eliminar los componentes volátiles de la resina. Los niveles de vacío mínimos son superiores a los de otras técnicas, siendo el mínimo recomendable -0.9 bar; el © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 124 Materiales compuestos. Procesos de fabricación de embarcaciones tiempo de compactado estará en función del espesor del estratificado y de las recomendaciones del fabricante del preimpregnado. Una vez realizado el compactado, la pieza es introducida en el interior de la cámara de presión manteniendo el vacío inicial. Las posibles configuraciones de curado dependen de las características y comportamiento de la resina; con la variación de la temperatura y la presión se controla y modifica la viscosidad de la resina, para permitir la impregnación del laminado (Fig. 9.4). Sin embargo, existen ciertos límites indicados por el fabricante que se deben respetar: una elevada presión combinada con una baja viscosidad puede producir laminados resecos, y una baja presión con elevada viscosidad puede provocar una incorrecta compactación. Fig. 9.4 Variación de los parámetros durante el ciclo de curado En el empleo de autoclaves, la selección de los materiales fungibles adquiere máxima importancia; deben ser acordes a la temperatura y presión del proceso, así como ofrecer resistencia al tipo de gas utilizado en el interior del recinto. La bolsa de vacío cumple, además de la función de presión sobre el laminado, la de aislante del laminado respecto de la atmósfera del autoclave. 9.6 Ambiente de trabajo Como todo el proceso de curado se realiza dentro del recinto interior del autoclave, el proceso de moldeo es sumamente inocuo; el trabajador ve así minimizada su exposición a emisiones de compuestos orgánicos. Quedan por cumplir, sin embargo, las recomendaciones sanitarias propias del material preimpregnado durante la fase previa de manipulación. Respecto de las características ambientales, son valederas aquellas relacionadas con la manipulación y procesado de los preimpregnados. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 9 Autoclave 125 9.7 Ventajas a) La utilización de autoclaves provee laminados con altas propiedades físicas y mecánicas. b) Se produce una importante reducción de los tiempos de curado. c) Los curados son más homogéneos que los producidos por otras técnicas. d) Su empleo posibilita la fabricación de piezas de geometría compleja. e) La baja porosidad del laminado está en relación directa con la presión de trabajo del autoclave. f) Se produce un mejor control de todas las variables del proceso, lo que mejora la trazabilidad del laminado. g) Las emisiones COV se ven sustancialmente reducidas. 9.8 Desventajas a) El inconveniente principal de operar con autoclaves es la elevada inversión del equipo, su elevado coste de operación y el elevado coste de la materia prima que se utiliza (generalmente preimpregnados). b) Los autoclaves poseen limitaciones importantes en relación al tamaño de las piezas que se procesan. c) La cadencia de producción es baja. d) Las herramientas y útiles de trabajo deben ser específicos para el proceso. e) La multiplicidad de variables que hay que controlar favorece el encarecimiento del proceso. f) El personal de operación debe estar altamente capacitado. 9.9 Conclusiones La utilización de autoclaves para confeccionar laminados no se considera como proceso en sí mismo, sino como un complemento a otros procesos de laminado como el moldeo por contacto asistido por vacío, el laminado con preimpregnados y el laminado con preimpregnados parciales. Su empleo permite mejorar aún más los resultados de dichos procesos, al obtenerse piezas mejor curadas, más densificadas, más homogéneas y con menor porosidad. En síntesis, con propiedades físicas y mecánicas mayores. Sus principales desventajas son su elevado coste de adquisición y operación, así como su limitación de espacio interior. Por estas razones sólo se construyen así componentes navales de altas prestaciones como palos, botavaras, tangones, ruedas de timón, timones, orzas, cañas de timón, topes de palo, etc. © Los autores, 2005; © Edicions UPC, 2005 Bibliografía 127 Bibliografía AEMAC. Materiales compuestos 97. Madrid, J.A.Guemes y C. Navarro Editores, 1997. ANTOR, PHILIPPE. Artículo “Proceso RTM: infusión por vacío”. Barcelona, 15ª Jornadas de materiales compuestos/plásticos reforzados, 2000. ATC. Core-Cell design manual. Canadá, 2001. AXSON IBÉRICA. Catálogo modelaje. 1999. BANNISTER & NESS. Processing notes for SE84 prepegs. Reino Unido, SP Systems, 2000. 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