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Escuela Superior de IngenierosUNIVERSIDAD DE NAVARRA

Capítulo 11

Fabricación

Materiales Compuestos


Fabricación

Objetivo: calidad microestructural a coste razonable

n PMCs, técnicas madurasn MMCs, en desarrollon CMCs, en desarrollo


Fabricación PMCsIntroducción

n Objetivos:¨ buen mojado fibras¨ distribución uniforme del refuerzo¨ alineamiento correcto

n Rutas para resinas termoestables¨ Impregnación de resinas líquidas

n Bobinado (filament winding)n Pultrusiónn Moldeo por compresión

¨ Consolidación bajo presión de pre-pegs¨ Consolidación de resinas en molde

n Rutas para resinas termoplásticas¨ Moldeo por inyección¨ Moldeo por compresión en caliente


Fabricación PMCsIntroducción

Material

Etapa intermedia

Polímero termoplástico

Producción Componente

Fibras cortas

Polímero termoestable

Fibras largas

Moldeo Impregnación Tejido, hilado, etc...

Moldeo por inyección

Moldeo por compresión Pultrusión Hilado de

filamentosInyección de

resina


Fabricación PMCsImpregnación. Wet lay-up y Spray lay-up

n Fibras impregnadas mediante laminación o pulverización con resinas de baja viscosidad, previamente mezcladas con el endurecedor. El curado se realiza en general a temperatura ambiente. Se emplea un molde.

Wet lay-up (fibras largas)

Palas aerogeneradores, barcos, moldes edificación

Spray lay-up (fibras cortas)

Cerramientos, panelesestructurales sometidos a cargasligeras (caravanas, bañeras,…)


Fabricación PMCsImpregnación. Wet lay-up y Spray lay-up

n Ventajas

¨ Gran versatilidad, variedadde formas

¨ Bajo coste y rapidez en el depósito de matriz y fibras

¨ Bajo coste herramientas

¨ Operación sencilla

n Existe una variante en la cual el curado se hace bajo presión

n Inconvenientes¨ Los laminados tienden a ser ricos

en resina

¨ Para conseguir resinas con bajaviscosidad es necesario emplearaltos niveles de diluyentes(estireno) lo cual empeora laspropiedades mecánicas y térmicas

¨ Problemas de seguridad laboralpor la baja viscosidad de lasresinas (legislación sobreconcentración máxima de estireno en el aire)

Vacuum bagging


Fabricación PMCsImpregnación. Bobinado

Fileta (creel)

Fibras

Baño de resina

RodillosImpregnación

Carro

Mandril o husillorotativo

Geometría del refuerzo controlada por el movimiento relativo entre mandril y carro

Rotaciónhusillo

Mov. Radial carro

Mov. Axial carro

Mov. ojo

Basculación


n Parámetros clave¨ Tensión en las fibras¨ Ratio de impregnación¨ Geometría del

bobinado

n Aplicaciones¨ Tanques y tuberías

para productosquímicos

¨ Depósitos



n Ventajas¨ Automatizable¨ Rápido¨ Contenido en resina

controlable¨ Se elimina elaboración de

preforma de fibras¨ Buenas propiedades

mecánicas

n Inconvenientes¨ Limitado a formas convexas¨ Problemas para controlar

algunas geometrías del refuerzo(axial, tendencia a seguir la líneageodésica)

¨ Coste del mandril (s/ tamaño)¨ Cara externa pobre

estéticamente (no molde)¨ Generalmente se necesitan

resinas de baja viscosidad ?peores propiedades mecánicas y problemas seguridad laboral



Fabricación PMCsImpregnación. Pultrusión

Productos similares extrusión convencional (perfiles)


Fabricación PMCsImpregnación. Pultrusión

n Ventajas¨ Muy rápido (proceso

continuo)¨ Control preciso cantidad de

resina¨ Se elimina elaboración de

preforma de fibras¨ Productos de elevada

resistencia¨ Zona impregnación cerrada,

limitándose las emisiones de productos volátiles

n Inconvenientes¨ Limitado a componentes de

sección transversal constante

¨ Los costes de calentamiento de las matrices pueden ser elevados


Fabricación PMCsImpregnación. Moldeo por compresión

n Aplicaciones:¨ Componentes automóviles¨ Pequeños componentes de aviones¨ Asientos trenes¨ Raquetas tenis

Resin Transfer Moulding (RTM)


Fabricación PMCsImpregnación. Moldeo por compresión

n Ventajas¨ Elevadas fracciones

volumétricas de fibras con muy baja porosidad

¨ Método seguro (resina no expuesta al ambiente)

¨ Alta calidad estética (moldes)

n Inconvenientes¨ Costes elevados de los

moldes y precisión encaje¨ Generalmente limitado el

tamaño de las piezas fabricadas

¨ Pueden aparecer zonas con impregnación defectuosa


Fabricación PMCsConsolidación bajo presión de pre-pregs

n Se parte de placas o láminas de fibras pre-impregnadas con resina (curado parcial)

n La resina está en estado semi-sólido (tipo adhesivo)

n Se apilan los pre-pregs con distintas orientaciones y se consolidan bajo presión

n Curado final por calentamiento bajo presión (i.e., autoclave, 10-20 atm)

n Aplicaciones: alas de aviones, F1, esquís, raquetas, …


Fabricación PMCsConsolidación bajo presión de pre-pregs

n Ventajas¨ Altas fracciones

volumétricas de fibras¨ Seguros para la salud¨ Se puede optimizar la

resina para mejorar comportamiento mecánico y térmico (incluso resinas viscosas)

¨ Potencialmente automatizable

n Inconvenientes¨ Pre-pregs tejidos caros¨ Generalmente los hornos

autoclave son necesarios (caros, operación lenta, tamaño limitado)

¨ El utillaje debe resistir las altas temperaturas


Fabricación PMCsConsolidación de resinas en molde

n Variación técnica pre-pregs: los productos intermedios son sheet moulding compound(SMC) y dough moulding compound (DMC), basados en resinas poliméricas

n Refuerzos discontinuosn Producto final por compresión en calienten Fracción volumétrica de fibras limitada por

viscosidad de la pasta (slurry)


Fabricación PMCsConsolidación de resinas en molde. SMCs y DMCs

SMC

DMC


Fabricación PMCsMoldeo por inyección

n Para resinas termoplásticas reforzadas con fibras cortasn Etapas del proceso:

¨ Introducción de los gránulos (con fibras 1-5 mm, Vf<10-20%)¨ El tornillo hidráulico, rodeado de un calentador, lleva el material hacia el molde mientras se va fundiendo

(flujo cortante, homogenización mezcla)¨ El material acumulado es empujado a través del canal de colada por el tornillo. El molde se precalienta¨ Se mantiene la presión por un tiempo corto para prevenir la fluencia del material y posibles contracciones.

Se deja enfriar el molde y se extrae la pieza

n La orientación de las fibras se puede controlar mediante el tipo de flujo que se produce durante el llenado del molde


Fabricación PMCsMoldeo por compresión en caliente

n Para resinas termoplásticas reforzadas por fibras largasn Se parte de pre-pegs (láminas)n Se apilan los pre-pregs con la orientación deseadan Se realiza la compresión en caliente

¨ No es necesario curar el polímero, con lo cual se emplea la temperatura mínima necesaria para fundir la matriz y obtener una viscosidad razonable

¨ La matriz es mucho más viscosa que en el caso de las resinas termoestables, y por tanto se necesitan elevadas temperaturas y presiones


Fabricación MMCs

n Introducciónn Rutas de fabricación¨Metalurgia de polvos¨Mezclado por agitación y fundición¨ Depósito por pulverización¨ Infiltración bajo presión¨ Compresión en caliente/PVD¨ Unión por difusión

n Procesos de consolidación y conformado¨ Extrusión y embutición¨ Laminación, forja y compresión isostática en caliente


Fabricación MMCs. Introducción

⊗⊗⊗vUnión por difusión

⊗⊗v(v)Compresión en caliente/PVD

(v)vv(v)Infiltración bajo presión

v⊗vvDepósito por pulverización

v(v)⊗⊗Mezclado por agitación y fundición

vv⊗⊗Metalurgia de polvos/extrusión

PartículaCortoMultifil.Monofil.

Ruta fabricación

⊗ Inviable (v) Inusual v Ruta habitualDiscontinuoContinuo

Refuerzo

Rutas con metal fundido: se favorece el contacto en la intercara metal/refuerzo

+ Uniones fuertes- Formación capa frágil de productos de reacción


Rutas de Fabricación de MMCsMetalurgia de polvos

n Etapas principales¨Mezclado¨ Compactación en frío¨ Desgasificación

(degassing)¨ Consolidación a alta

temperaturan HIPn Sinterizadon Extrusión


Fabricación MMCs.Metalurgia de polvos

n Mezclado¨ Polvos metálicos (atomizados):

n prealeados o polvos elementalesn 20-40 µm, < 100 µmn Capa óxido, moléculas agua asociadas

¨ Buena mezcla a homogeneidad refuerzo¨ Factor crítico: relación de tamaño entre polvos metálicos y

refuerzo

n Compactación en caliente¨ Necesaria eliminación previa moléculas agua (desgasificación)¨ Material 95% denso (en vacío)



n Compactación en caliente¨ Dos opciones:

n Sinterización en fase líquida (región liquidus-solidus)¨ Mayor densidad¨ Reacciones refuerzo-metal, intermetálicos indeseables¨ Degradación microestructura, eutécticos intermetálicos

groseros

n Bajo línea de solidus¨ Ventajas de aleación supersaturada metaestable si el proceso

de solidificación durante el atomizado es rápido. Endurecimiento por precipitación.



n Extrusión¨ Paso final antes mecanizado¨ Reducción de 20:1 o mayor.

n Se rompe la película de óxido entre partículas metálicasn Distribución uniforme del refuerzo debido al flujo plástico

n Control de la reducción y la temperatura para evitar roturas del refuerzo y degradación de la microestructura de la matriz



n Ventajas¨ Matriz: cualquier aleación

n Aleaciones en no-equilibrio empleando solidificación rápida con mejor resistencia a alta temperatura

¨ Refuerzo: cualquiera (ruta sólida)¨ Posibilidad Vp elevadas (sube E, baja α)

n Desventajas¨ Manejo de gran cantidad de polvos muy reactivos, incluso

potencialmente explosivos¨ Ruta de fabricación relativamente compleja¨ Formas productos iniciales limitados¨ Coste elevado comparado con material sin refuerzo (Al 100$/kg)


Fabricación MMCsMezclado por agitación y fundición

n Objetivos agitación:¨ Mejora mojado partículas¨ Evitar aglomeración¨ Evitar sedimentación

n Se consigue viscosidad suficientemente baja para realizar operaciones convencionales de fundición hasta Vp=25% y partículas de 10 µm y más.

n Empleada por Duralcan, HydroAluminium AS y Comalco

Reocasting



n Ventajas¨ En principio se pueden emplear todos los métodos

convencionales de procesamiento de metales. Bajo coste (6$/kg)

n Desventajas¨ Aglomeración, sedimentación¨ Reacciones refuerzo-metal fundente¨ Segregación de partículas (frente de solidificación)¨ Porosidad



n Al-7%Si/20%SiCp. Segregación durante la solidificación (a) lenta (fundición a la cera perdida, investment cast) y (b) rápida (pressure die cast).



Duralcan 6061/Al2O3 20% Comalco 6061/óxido 20%


Fabricación MMCsDepósito por pulverización (Spray deposition)

n Dos tipos, según proceda el flujo pulverizado de:¨ Un depósito de metal fundente¨ Una alimentación continua de un metal frío en una zona de

inyección rápida en caliente

n Características:¨ Solidificación rápida¨ Contenido bajo en óxidos¨ Porosidad (95-98% densidad)¨ Dificultad para conseguir una distribución homogénea del

refuerzo¨ Coste intermedio entre ruta de polvos y de metal fundente.



n Procesos Osprey, desarrollado en los 70-80

n Velocidad de depósito alta (6-10 kgs-1)

n Contacto metal fundido-cerámica corto

n Vp<20-25%, para no perder material en exceso (overspray)

n Tamaño gota depende de la boquilla y flujo de metal y gas

n Las gotas no solidifican ‘en vuelo’

n Intercara fuerte



n Polvos metálicos o alambresn Pulverización por:

¨ Expansión rápida de un gas (arco eléctrico o combustión)

¨ Plasman Aplicaciones en recubrimientos

con gradienten Características:

¨ Velocidad de depósito menor (<1gs-1)

¨ Velocidad de las partículas mayor

¨ Velocidades de enfriamiento muy elevadas

¨ Se puede controlar la porosidad por debajo del 1%

Pulverización por plasma (10000-20000 K)


Fabricación MMCsInfiltración bajo presión (squeeze infiltrate preform)

n Preforma partículas/fibras cortas, con ligante (en general, base sílice)

n Vacíon Infiltración metal fundente a presiónn Vp=50%n Se puede diluir añadiendo más metal

fundente (técnicas de mezclado)n Baja porosidadn Mismos problemas que rutas de stir castingn No es una ruta habitual para refuerzos

partículasn Las fibras no actúan como lugares

preferentes de nucleación:¨ Lo último que solidifica es la zona alrededor

de las fibras, rica en solutos¨ Se favorece intercara fuerte¨ Las capas de óxidos no se forman por

escasez de O2


Fabricación.Reacciones matriz-refuerzo

n Problemático en procesos con contacto prolongado metal fundente-cerámica

n Caso Al-SiC:¨ Formación de Al4C3 y Si. Degrada propiedades

finales del MMC y aumenta la viscosidad¨ Cinética lenta en metal fundente rico en Si

n Para Al en rutas de stir casting se emplea Al2O3p si la aplicación no permite altos contenidos de Si en la matriz


Fabricación MMCsCompresión en caliente/PVD

n Proceso PVD¨ Evaporación (bombardeo fuente electrones o iones sobre barra material objetivo)¨ Transporte¨ Reacción (optativa)¨ Depósito (condensación)

n Las fibras pasan continuamente por la cámara. Recubrimiento anchon No afecta zona intercaran Se apilan las fibras recubiertas y se realiza la compresión en caliente o

proceso de HIPn Ventajas

¨ Distribución de fibras muy homogénea¨ Vf hasta 80%

n Inconvenientes: ¨ Lento¨ Caro


Fabricación MMCsUnión por difusiónSe aplica presión en caliente sobre láminas de un material apiladas. Es una unión en estado sólido

Contacto inicial

Deformación y fluencia lenta. Se reducen las cavidades y el

espesor de la capa contaminante

Procesos de difusión de vacantes. Desaparece capa óxido

n Empleado para Ti/monofil SiC¨ Los óxidos de Ti se

disuelven a 700ºC¨ Se evitan reacciones en la

intercara


Fabricación CMCs

n Introducciónn Rutas con polvos cerámicosn Procesos reactivosn Compuestos cerámicos laminadosn Compuestos C/C


Fabricación CMCsIntroducción

n Importantes problemas técnicos debidos a:¨ Fragilidad de las matrices que limita la deformación

durante los procesos de fabricación¨ Cambios de volumen asociados a agrietamiento.

Empeora el problema al reforzar pues las fibrasimpiden la contracción de la matriz durante la eliminación de poros

¨ Temperaturas elevadas de fabricación (>1000ºC)


Fabricación CMCsIntroducción

Material

Etapa intermedia

Metal líquido

Producción Componente

Polvos cerámicos

Fibras cerámicas Compuesto fase vapor

Verde

Proceso reactivo Sinterizado Presión en caliente

Infiltración en fase vapor


Fabricación CMCsRutas con polvos cerámicos

n Establecidas en la industria para la fabricación de piezascerámicas¨ Compactación en frío de los polvos, generalmente con una fase

ligante: piezas en verde¨ Sinterización ó compresión en caliente para eliminar los poros

mediante procesos de difusión. Si hay líquido presente estaetapa es más rápida por la acción de la capilaridad

n Las fibras limitan la consolidación impidiendo la contracción de la matriz ? agrietamiento¨ Mejora con HIP (aplicando presión hidrostática elevada) pero

supone elevar significativamente los costes de producción


Fabricación CMCsRutas con polvos cerámicos

n Solución: empleo de matrices total o parcialmentelíquidas a la temperatura de consolidación¨ Restringido a matrices que presentan propiedades

pobres a elevada temperatura (matrices vítreas, i.e. borosilicatos y cordierita)

n Siguen produciéndose problemas en la etapa de enfriamiento debido al desajuste en la expansióntérmica


Fabricación CMCsProcesos reactivos

n Constituyentes elegidos de forma que se produzcan reacciones químicasdurante el proceso de consolidación de la mezcla

n Ejemplo: introducción de un metal en estado líquido que se oxidaprogresivamente (procesos XD, a partir de la oxidación direccional del Al)

n Características del proceso

¨ Near-net-shape forming posible

¨ Control tensiones internas y porosidad

n Cinética de la reacción

n Gradientes térmicos

n Velocidades de infiltración

¨ Frecuente metal residual sin reaccionar. Tolerable e incluso contibuye a mejorarla tenacidad


Fabricación CMCsCompuestos cerámicos laminados

n Apilamiento de láminas en verde y sinterización. Proceso relativamente rápido y barato

n Método sencillo de obtención de composites cerámicosrelativamente tenaces

n Ejemplo: láminas de SiC (200µm) recubiertas (5µm) con materiales que formen intercaras débiles (grafito)

n Se obtienen materiales con propiedades anisótropas y estructuras similares a las conchas de los moluscos


Fabricación CMCsCompuestos C/C

n C: material con propiedades excelentes a alta temperatura en ambiente no oxidante ?¨Aplicaciones importantes (frenos aviación)¨No puede ser sinterizado

n Dos rutas básicas de fabricación


Fabricación CMCsCompuestos C/C

Preforma de fibras

Impregnación de fase líquida- resina

termoestable- brea

Deposición de fase vapor- hidrocarburo

gaseoso(1000-1200ºC, 1-3

veces)

Carbonización

Tratamiento térmico(2000-2800ºC)

Compuesto C/C

1-5 veces

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