Prensas de platos calientes de laboratorio para probetas de materiales compuestos

La empresa "Fontijne Grotnes" ha combinado casi 200 años de experiencia en la transformación de metal, que ha dado lugar a un nombre único para una empresa conocida como fabricante de maquinaria para transformación de metal para la industría de ruedas, equipos reductores de tamaño Supercompactadores nucleares y prensas de platos de platos calientes para laboratorio.

Las prensas de platos calientes hidráulicas para laboratorio son diseñadas y fabricadas por Fontijne Grotnes desde hace más de 75 años. Dichas prensas de platos calientes de laboratorio son usadas básicamente en la industría transformadora de polímeros.

La prensa indicada en la figura 1, donde al cerrar la puerta frontal del espacio de prensado se puede operar bajo condiciones de vacío, es necesaria para ciertos tipos de ensayos especiales como es p.ej. la producción de probetas de plástico reforzado con fibras.

La temperatura máxima alcanzable con calefacción eléctrica es 300°C con una tolerancia de + / - 2°C a largo de toda la superficie de los platos calientes. Los platos están instalados en una cámara de vacío para aplicar nuevos parámetros de procesado y con la opción de aplicar condiciones ambientales controladas.

Las prensas de platos calientes de laboratorio como la indicada en la fig.2 son utilizadas básicamente para prensados de precisión en I+D y control de calidad en las industrías de plásticos, elastómeros, laminado de madera y aereoespacial.

• Carcasa con dos columnas de precisión, que sirven de guía a la mesa soporte de la placa inferior móvil conectada al pistón hidráulico y la placa superior fija va montada sobre la carcasa.

• Motor de la bomba hidráulica con un pistón de doble efecto, donde dos bombas hidráulicas integradas aseguran un rápido cierre de platos y un prensado preciso.

• Dos planchas calentadas electricamente por cartuchos y con canales de enfriamiento especialmente diseñados para alcanzar altos ratios de enfriamiento, temperatura máxima 300°C.

• Apertura máxima entre platos 200 mm, seguridad mediante dos pulsadores simultaneos en el manejo.

• Controladores para la temperatura y presión durante ciclos.

• Carcasa de protección con ventanas de vidrio blindado.

Una de las aplicaciones de las prensas de platos calientes de laboratorio es hacer probetas de materiales compuestos.para posteriores ensayos físicos y otros.Pero también se utilizan para la producción de pequeñas series.

Durante el proceso de prensado en caliente se transmite el calor de las placas calientes al material, p.ej.de una simple lamina al nucleo para acelerar el curado. La temperatura y el tiempo de hinchamiento depende de la fuente de calor, los substratos y el adhesivo.

Una de los mayores tendencias en polímeros ha sido ha sido la continua mejora de las propiedades mecánicas y físicas. En los últimos diez años el énfasis de la investigación ha sido apartarse del desarrollo de los polímeros altamente especializados y caros para desarrollar y mejorar nuevas exigencias de los sistemas de polímeros más comunes.

Esta tendencia ha dado lugar a los nanocomposites, intersección única entre las características de reforzamiento de los composites reforzados con fibras y el procesado e isotropía de los polímeros convencionales con carga.

La investigación se ha incrementado considerablemente entre polímeros autoreforzados, donde una fibra y matriz son dos fases diferentes de un mismo material, o, donde las fases de reforzamiento cristalino están formadas con una matriz de polímero amorfo a granel. Esta familia de materiales ha permitido la realización de sistemas de polímeros con importantes mejoras y sería precipitado afirmar que la investigación de materiales autoreforzados se va a extender significativamente en los próximos años.

Los composites termoplásticos son comparados muchas veces con los composites termoestables, pero en realidad muchos de sus campos de aplicación son bastante diferentes y el uso de los compuestos termoestables continua aumentando.

En la práctica hay una fuerte tendencia hacia las combinaciónes de materiales para mejorar el balance entre coste y realización. Estas combinaciones de materiales pueden verse en las estructuras hibridas, por ejemplo donde un inserto metálico rígido es sobremoldeado con un sistema de polímero para darle forma y características. Por ejemplo una lamina de material compuesto es laminada en una lamina de aluminio para dar lugar a un material moldeable con la combinación de la necesaria rígidez y resistencia. Como la demanda de estos materiales híbridos y sus estructuras va en aumento, así el esfuerzo en la investigación necesitará incrementarse teniendo en cuenta las posibles combinaciones de materiales en diversos campos.

Las mediciones de las propiedades mecánicas (MOR, MOE , IB ) incluye los ensayos de flexión estática. Los valores del MOR y MOE se han obtenido del valor promedio de dos probetas de dimensiones 314 x 75 mm y el IB del promedio de cuatro probetas de dimensiones 50 x 50 mm para cada panel. Los ensayos mecánicos han sido realizados según la norma ANSI A208.2-2002.

Las mediciones de las propiedades físicas (TS, WA y LE ) fueron realizadas según las normas ANSI A208.2-2002 and ASTM D1037-96a. El TS y la WA después de impregnarse en agua fueron obtenidos del promedio de dos probetas de 150 x 150 mm de cada panel.

Además de los ensayos físicoa standards (TS, WA and LE), después de tres ciclos de adsorbción / desorbción de vapor de agua con una humedad relativa entre 50 y 80 % HR, fueron medidos los valores siguientes:

• expansion / contracción lineal (LE/LC),

• espesor de hinchamiento(TSw) / encogimiento (shrinkage =TSh) y -salto de retroceso (springback= Spb)

Las condiciones de humedad relativa fueron obtenidas con una cámara clímatica.

Los valores de la expansion/contracción, espesor del hinchamiento / encogimiento y el salto de retroceso fueron obtenidos como promedio de dos muestras de 150 x 75 mm de cada panel después de los ciclos de humedad relativa.

a) Sobre material impregnado (no curados):

-Contenido en resina, masa de impregnado / A.(=unidad de superficie), masa de fibra / A (por calcinación en Horno de Mufla o por digestión, Balanza, Desecador y crisol de porcelana esmaltada)

• Contenido en volátiles (en Estufa y Desecador)

• Fluídez ( “Flow”)

• Tiempo de gelificación (“Gel time”)

• Pegajosidad (“Tack”)

• b) Sobre el material laminado (curado)

• Densidad

• Volúmenes de fibra , resina y huecos

• Espesor de laminado

• Inflamabilidad

• Tiempo de gelificación (Tg)

• Determinación de la fluidez (Flow)

Los equipos de ensayo utilizados son:

• 1 prensa de platos calientes con dispositivos de control y medida de temperatura y presión y

• 1 balanza analítica con precisión de 0,1 mg.

Las probetas de ensayo son cuadrados de un area de 100 + / - 0,5 cm2 dependiendo del material se emplean un número de laminas determinado para formar asi un laminado.

El Laminado deberá ser pesado con precisión (P1), y colocado entre dos láminas de aluminio a las que se habrá aplicado agente desmoldeante ó entre dos capas de PTFE no perforado.

Este estratificado se coloca entre los platos de la prensa bajo las siguientes condiciones:

• Materiales de curado a 180°C

• Temperatura: 165 +/- 3°C

• Presión: 3,5 +/- 0,4 bar

• Tiempo: 30 min.

• Materiales de curado a 120°C

• Temperatura: 135 +/- 3°C

• Presión: 3,5 +/- 0,4 bar

• Tiempo: 30 min.

Sacar la probeta de la prensa de platos calientes, quitar las láminas de aluminio, o las capas de PTFE y eliminar las rebabas de resina del contorno sin perjudicar el estratificado.

Ambientar y pesar con precisión ( P2 ).

Calculo de resultados.

• Flujo de resina (%) = P1 - P2 / P1 x 100

Se realizarán tres determinaciones cómo mínimo, registrándose los valores individuales y el valor medio.

Para la determinación del tiempo de gelificación existen tres metodos, a saber:

• a) Prensa de platos calientes

• b) Espectrómetro dinamico-mecánico con platos paralelos

• c) Fisher Johns-medida punto de fusión.

A continuación vamos a describir el metodo a) cuyo equipos de ensayo son:

• 1 prensa de platos calientes con dispositivos de control y medida de temperatura y presión

• 1 cronómetro y

• 1 punzón fino de madera

Las probetas de ensayo son cuadrados de un area de 50 x 50 mm2 y deberán apilarse para formar laminados de espesor aprox. de 3 mm.

Este estratificado se coloca entre los platos precalentados de la prensa bajo las siguientes condiciones, para materiales de curado a:

• a) 180°C a 165 +/- 3°C

• b) 120°C a 135 +/- 3°C

Aplicar inmediatamente suficiente presión para crear una zona de rebose de resina alrededor del laminado y poner en este momento el cronómetro en marcha al mismo tiempo que se va tocando en el borde de la resina con el punzón hasta que la resina gelifique.

Resultados: Se tomará como tiempo de gelificación, el tiempo transcurrido hasta que al pinchar con el punzón no puedan sacarse hebras de resina, es decir, hasta que la resina tenga aspecto gomoso.

Se realizarán tres determinaciones cómo mínimo, registrándose los valores individuales y el valor medio.

Similares son las condiciones especificadas en el metodo prescrito de la norma EN 2560-1998

Para la determinación del flujo de resina en los preimpregnados de fibra de carbono.

La prensa de platos calientes es el equipo usado para investigación entre los metodos convencionales de fabricación de materiales compuestos.

Este equipo permite una producción muy simple y fiable de paneles planos de materiales compuestos, combinando el control de grandes presiones y temperaturas exactas de curado para producir paneles de alta calidad hasta dimensiones de 300x300 mm de materiales como coco, cañamo, fibra de vidrio y carbono.

La prensa de platos calientes se usa en investigaciones tales como la comparación de las propiedades mecanicas entre diferentes metodos de producción de materiales compuestos, como escalado rápido (quickstep), autoclave, y la prensa de platos calientes. También puede manufacturarse paneles para su investigación en la producción de probetas de diseño defectuoso (“design-flaw”) para ensayos mecánicos y producir materiales compuestos especiales para la industría de la automoción.

Fontijne está especializado en diseño inovativo, tecnología moderna, grandes y pesadas prensas hidráulicas para contribuir en la calidad de distintos elastómeros, plásticos y materiales compuestos.

Tanto en productos moldeados como en piezas de laminados metálicos en las más variadas industrías alrededor del mundo.

Como ya hemos dicho anteriormente, una de las aplicaciones de la prensa de platos calientes de

laboratorio es hacer probetas de materiales compuestos y que también se utilizan para pequeñas series en producción.

La prensa de platos calientes necesita un intrumento de control exacto de la temperatura y fuerza aplicada a los materiales.

La configuración estándar comprende 1 controlador dTRON 316 / 308 Q para medir exactamente la temperatura (TA hasta 300°C) y las fuerza (10N hasta 1000 kN) y 1 temporizador.

Otra versión es dónde ambos instrumentos van montado una sola unidad de control, dónde la fuerza y la temperatura están regulados por un sistema de control PID de ciclo cerrado con el que es posible fijar una rampa de calentamiento y enfriamiento (con agua refrigerada) y regulada por la fuerza o temperatura.

Uno de los últimos desarrollos para el control de la prensa de platos calientes de laboratorio es el sistema de control LAB2000, que garantiza un control más preciso de los parámetros presíón y temperatura, que el sistema anterior.