La fabricación de materiales compuestos no está señalada en el Curso TMA como materia específica, pero el autor entiende que algunos conocimientos sobre métodos generales de fabricación de los compuestos empleados en la industria aeronáutica favorecen la más exacta comprensión de las características de estos materiales.
Lo que sigue pues es una breve introducción o prontuario sobre esta parcela de la tecnología.

Hay dos métodos generales de preparación de materiales compuestos conocidos como prepreg y» Dry fabrics».
En la fabricación del compuesto se aplican cuatro procesos:

  • impregnación.
  • moldeo.
  • consolidación
  • compactación
  •  solidificación

lo que sucede es que se efectúan de forma diferente según el método de fabricación.

Conviene tener en cuenta lo siguiente:

  • La industria aeronáutica innova de forma continua métodos de preparación y de fabricación con estos materiales con el fin de reducir costes, tanto en mano de obra como en energía gastada en los procesos productivos.
    Igualmente para disminuir contaminación ambiental que se ocasiona durante los procesos.
  • La materia en bruto para fabricar materiales compuestos se suministra de acuerdo con el proceso de fabricación que va a seguir.
    Por ejemplo, el método de moldeo por inyección de resina emplea compuesto en forma aglomerada, que no se usan en otros métodos como la pultrusión.
  • Salvo indicación en contrario nos vamos a referir a compuestos con resinas termoestables.
  • Más adelante haremos una breve referencia a las resinas termoplásticas y allí establecemos las ventajas e inconvenientes de unas y otras.
  • Hasta el momento, la resina termoestable es la de empleo mayoritario en el campo de la aviación comercial.

A propósito de las fibras de carbono ya anticipamos forma típica de fabricación.
La de carbono es la de mayor uso en aeronaves, con diferencia.
Decíamos allí que miles o decenas de miles de fibras se agrupan en madejas que contienen entre 3.000 y 24.000 filamentos.

A partir de estos conjuntos se prepara el sustrato del material.
Hay dos métodos generales para preparar el sustrato se dice también preforma de material compuesto:

a Prepreg.
b Dry fabrics (preparación de tejidos de filamentos en seco que más tarde se impregnan moldean y curan).

fibra que llega hasta el 64%.
Tal volumen de fibra aporta resistencia mecánica suficiente para que el compuesto así fabricado pueda aplicarse en estructuras de responsabilidad primaria de la aeronave.
El prepreg al uso actual es de fibra de carbono y resina epoxi, aunque puede emplearse otro tipo de fibra y de resina.

El prepreg permite:

  • Controlar el volumen de fibra del compuesto.
  • Introducir, como se ha dicho, alto contenido de fibra en el material, de acuerdo con las necesidades de resistencia mecánica del componente.

 

El proceso de impregnación varía según el método de fabricación;
el más usual consiste en pasar las fibras por un baño de resina.
Sea cual fuere el método usado lo importante es que la resina fluya y bañe completamente las fibras.
Desde el punto de vista físico tienen por tanto influencia dos variables:

  • Viscosidad de la resina.
  • Tensión superficial de la resina propiedad que mide la capacidad de adhesión de la resina a las fibras.

Las resinas termoestables «mojan» más que las termoplásticas.
Por ello se precisa más presión y calor de proceso en las últimas para obtener impregnación adecuada.

Moldeo

El material preimpregnado se moldea a la forma final de la pieza.

El material debe estar en un estado de curado que lo permita.
Normalmente el estado de los enlaces moleculares cruzados de la resina en esta fase es del 15 a 25%, lo que permite buenas operaciones de moldeo (material en estado-B de curado que se distingue del estado-A donde los agentes están mezclados pero la reacción química no ha empezado).

Para evitar que el prepreg (-B) cure completamente, pues lo hace a temperatura ambiente, se debe mantener a temperatura bajo cero (-20º C).
El material preimpregnado de resina termoestable tiene tiempo limitado de vida debido a la adición que se ha hecho de endurecedores.
El tiempo de vida depende de las condiciones de almacenamiento entre 1O y 60 días sin congelación, y hasta 6 meses en frigorífico.
El estado -C mucho más tiempo.

Hay dos métodos de moldeo manual y automático
El moldeo manual consiste en cortar las láminas o capas de prepreg al tamaño previsto de los planos de fabricación o reparación, quitar el film de soporte de la lámina, e ir depositando una tras otra las capas en el molde.
Lo normal es que el preimpregnado se haya sacado del frigorífico para empezar el proceso de modo que se espera hasta que adquiere la temperatura ambiente.
A partir de aquí se corta y da forma en una mesa de corte, en un entorno de trabajo estéril, según las especificaciones de taller.
La humedad y temperatura en la sala de trabajo están controladas, libre de polvo, y los técnicos provistos de guantes y vestimenta limpia.
Las fibras contenidas en las láminas se orientan una tras otra según el diseño de la pieza.

En laminados para aeronaves ya sabemos que es muy utilizada la serie(0º/+45º/-45º/ 90º).
Un compuesto de esta naturaleza dada la diversa orientación de las fibras que tiene, es prácticamente (isótropo cuasi-isótropo) porque exhibe las mismas características mecánicas en cualquier dirección.
Las fibras a +-45º resisten los esfuerzos cortantes a que está sometida la pieza, mientras que las apiladas a 0º y 90º soportan los esfuerzos de tracción y compresión.
Las láminas a uno y otro lado de la sección media del prepreg deben tener la misma orientación (la mitad de abajo debe ser una imagen especular de la de arriba)
Se dice entonces que el material está compensado.

Si no es así puede experimentar defonnación durante la fase de curado resultando inservible.

Consolidación

Este proceso tiene por objeto crear contacto íntimo entre las distintas láminas o capas del material moldeado.
Se trata de eliminar cualquier presencia de aire o porosidad entre las mismas.
La consolidación se realiza por compactación en bolsa de vacío para eliminar el aire que puede haber entre las capas y reducir porosidad.
Con tal fin se introduce el molde y pieza en la bolsa de vacío, de plástico.
Durante el proceso de consolidación se elimina el exceso de resina que es expulsada del prepreg durante la compactación.

Una vez consolidado se cura en autoclave.

 

Solidificación

Es el último paso del proceso, donde se aplica calor para acelerar el curado de la resina.
El autoclave es una cámara hermética a la que se aplica presión y calor para realizar el curado de la pieza moldeada.
Esta descansa en su molde y envuelta en la bolsa de vacío cuando se introduce en el autoclave.
La presurización del autoclave se realiza con nitrógeno a 7 kg/cm2 ,aproximadamente.
Para compuesto de fibra de carbono y resina epoxi la temperatura de la cámara se mantiene a 150ºC como término medio, hasta que cura completamente el polímero.
La industria aeronáutica prefiere el moldeo automático respecto al manual.

Es más barato y aumenta la productividad.

Se utiliza una máquina controlada por ordenador que deposita el prepreg en el molde, en la forma prevista por diseño.
El cabezal de la máquina está programa para seguir el contorno del molde.
Además, cuando a sus bordes, unas cuchillas portadoras cortan el prepreg a las dimensiones exactas.
La industria emplea también métodos automáticos para colocación de las fibras en el prepreg.
Estas operaciones se efectúan con ventaja cuando se fabrican grandes superficies curvadas, como paneles de fuselaje.

TEJIDOS DRY FABRICS

Actualmente la industria aeronáutica está más interesada en fabricar tejidos de material compuesto, en seco, y formas preimpregnadas.
Los llamados «Dry fabrics» aportan varias ventajas respecto a las preformas preimpregnadas.
En primer lugar no necesitan refrigeración, la vida de almacenamiento es muy larga, y el moldeo de piezas complicadas es más fácil.
Se impregnan con resina justo antes del trabajo.
Los tejidos vienen con diversas urdimbres y tramas de fibras, que recuerdan las usadas en la industria texti.l
Desde el punto de vista estructural aeronáutico se usan con preferencia el tejido satén y sarga. Figura 2 7
La razón es que urdimbre y trama de este tipo de tejidos no sobresale mucho del plano principal de la misma.
Por ello sus características mecánicas son mejores que otras combinaciones donde hay más hilado fuera de plano.