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  2. Un nuevo procedimiento para la obtención de piezas estructurales   (01/12/2003)

Un nuevo procedimiento para la obtención de piezas estructurales

Juan José Manso García
Licenciado en Ciencias Químicas, Asesor Técnico

1. Introducción

Quien haya seguido mis pasos en los últimos quince años, no albergará dudas acerca del título de esta conferencia, que una vez más, agradezco muy de veras exponerla en esta hermosa ciudad, Barcelona, y de la mano del Centro Español de Plásticos.

Efectivamente, desde hace años es una constante para mi, el que estos atractivos materiales, los composites, vayan introduciéndose en el área estructural.

Primero fue el marco continuo en el año 1987, en el que a través del diseño, se solucionaba con las tres E de Elegancia, Eficacia y Economía, los encuentros de perfiles en cualquier ángulo, de 0º a 360º.

Con ello se fabricaron chasis de camión y jaulas contenedoras de botellas entre otras cosas, a total satisfacción tanto técnica como económicamente.

Posteriormente vendría el composteel, material híbrido de acero y composite obtenido por pultrusión y con el que se fabricaron postes eléctricos homologados. Era la solución técnica y económica para un material, mi querida fibra de vidrio, corta en valor de rigidez.

Más tarde presentamos el compofre, una neta evolución del anterior con ventajas sobre todo en la fabricación en sí, muy simplificada y ampliable al área de los pretensados. El acero y los composites óptimamente unidos.

Hoy, por último, presentamos el último recién nacido, en el que utilizando sólo composites, muy concretos y definidos, y mediante una depurada y precisa técnica de fabricación, abordamos piezas de muy alto compromiso estructural.

Esta tecnología que nace fruto de años de profesión y de la experiencia acumulada de un gran ingeniero de máquinas y procesos, Mariano Sastre, es la que va a dar origen a esta conferencia y el recién nacido va a llamarse “filament laying”.

2. Estructuras a examinar

En principio, vamos a plantearnos una serie de estructuras de uso muy frecuente y que se dan en diversos campos industriales.

Son un ejemplo los mástiles de embarcaciones, cardans o árboles de transmisión, vigas-cajón de palas eólicas, antenas de telecomunicación, pilares para la construcción, torres eléctricas y mástiles de banderas, brazos de grúas, por poner sólo unos ejemplos.

En cuanto a las formas o secciones, pueden ser cerradas del tipo circular, rectangular, cuadrada, ovales, o abiertas como doble T, U, curvada o lenticular, con la particularidad de que la sección puede ser continua e invariable a lo largo de su eje o, lo que es muy frecuente,

cónica o disminuyente. Todo ello además en cualquier longitud. Nos hemos puesto el límite de 60 m.

Como vemos, no hay límite prácticamente ni en cuanto al tamaño, ni a la forma, lo cual, unido a su muy alta relación rigidez y resistencia al peso, abren un enorme potencial en sus aplicaciones.

Podríamos afirmar con pleno conocimiento, que el “filament laying” es lo que andaban buscando los Ingenieros y Técnicos estructuristas en general desde hace tiempo; la posibilidad de fabricar estructuras a la medida y necesidad de sus obras, en el que en cada palmo de su estructura, se encuentre la cantidad necesaria de material y no más y en su adecuada posición.

Este doble concepto es ni más ni menos que la optimización y la optimización, nos lleva indefectiblemente a la rentabilidad.

La tecnología del “filament laying” nos conduce a máxima rentabilidad, que es el ideal de todo proceso industrial.

3. Los materiales compuestos: claros candidatos

Los materiales compuestos son los materiales idóneos para ser aplicados en el rango de estructuras como las que hemos expuesto. Poseen entre sus muchas cualidades dos muy apreciadas: la de ser perfectamente trabajables por medios o maquinarias muy abordables y la de dejarse trabajar muy bien; esta última cualidad, les viene de su origen fíbrilar, textil, con toda la docilidad que ello conlleva.

Si a esto añadimos las extraordinarias propiedades mecánicas de las fibras de hoy en día, impensables hace unas décadas y las excelentes matrices o resinas que nos brinda la industria, nos encontramos con un formidable elenco para abordar nuestra pieza.

Sin duda alguna podemos afirmar que nunca un diseñador, calculista o técnico en general, ha tenido en su mano, a su alcance, tal cantidad de opciones para dar cumplimiento a sus ideas, que con los materiales compuestos o composites.

Prueba de ello es el enorme peso que el estudio de estos nuevos materiales está suponiendo tanto en los ciclos de graduado como en los de postgraduado.

Aunque en el Filament Laying podemos utilizar cualquier fibra de refuerzo, cuando abordamos piezas de un alto compromiso estructural, lógicamente escogeremos la fibra de carbono, por su muy alta rigidez y resistencia específica.

En aplicaciones de menor compromiso estructural, podemos perfectamente utilizar híbridos o combinación de fibras de carbono y vidrio y por supuesto, fibra de vidrio sola.

Una peculiarísima característica del Filament Laying es la de utilizar básicamente como refuerzo sólo roving o tow, es decir, sólo fibra continua.

No utilizamos directamente en nuestro proceso más que la fibra presentada por el fabricante en su forma más básica y elemental: el hilo en continuo. Por tanto no precisamos del uso de tejidos ni fieltros en sí, porque como dijimos antes, somos capaces de depositar la cuantía de fibra que precisemos, con el ángulo que deseemos.

Las ventajas que de esto se derivan son enormes; a título de resumen, damos este decálogo:

  • Máximo Modulo de Young en la orientación o ángulo que deseemos.
  • Máxima densificación del laminado.
  • Evitar deslaminaciones intercapas; no existe la capa como concepto.
  • Práctica supresión de aire en el laminado.
  • No hay desperdicios.
  • Máxima automatización del proceso.
  • Repetibilidad y fiabilidad total.
  • Materias primas, fibras y resinas adquiridas a su más bajo nivel de costo.
  • Gestión de compras y almacenamiento simplificado.
  • Maquinaria concentrada y compacta.

En cuanto a las matrices, lógicamente es la epoxy la principal candidata, en piezas de alto nivel estructural aunque no descartamos el uso de vinilésteres o poliésteres muy particulares.

En cualquier caso, el Filament Laying trabaja con fibra preimpregnada previamente en una operación anterior. Esto nos concede un control exhaustivo, como no podía ser menos, del mojado de la fibra y de la relación fibra/resina. Somos por tanto nosotros, quienes controlamos y conocemos esta importante fase del proceso y por tanto, sabremos posteriormente en todo momento, las condiciones óptimas de curado que debemos aplicar a la pieza. Nuestra filosofía era clara desde el principio: Adquirir las materias primas en su básica presentación y a partir de ahí, definir el material más idóneo para el producto a fabricar y controlarlo de principio a final.

Entendemos que sólo así podemos garantizar el trabajo de una pieza estructural.

4. Fabricación

El Filament Laying en sí es un sistema o proceso de trabajo, en el que las materias primas y la maquinaria se condicionan mutuamente.

Existe por tanto una fase primera del proceso, en el que se preparan meticulosamente, las fibras y resinas que van a utilizarse.

Las fibras seleccionadas, en su presentación básica de fibras continuas, del título que sea, se sitúan en unos cantres donde se produce su devanado a tensión controlada. Acto seguido, se produce su impregnación total en la resina correspondiente, por un procedimiento propio y que asegura dos cosas fundamentales:

  • La resina impregnará totalmente a la fibra.
  • Sólo lo hará en su cuantía necesaria, sobrando la palabra escurrido.

Podemos obtener con gran precisión porcentajes de refuerzo en peso entre 63-68%, que consideramos idóneo para piezas estructurales.

Una vez producida la impregnación, se produce el rebobinado de la fibra impregnada en resina, actuándose como con cualquier preimpregnado comercial. Nosotros manejamos con regularidad la viscosidad de la resina, reactividad, densidad, condiciones de almacenamiento,

TG y condiciones de curado. El seguimiento por tanto es total y sólo así podremos controlar bien la fase siguiente, el Filament Laying en sí.

La máquina Filament Laying consta de un cabezal capaz de tomar cualquier dirección y ángulo que se le marque, para depositar con total precisión las fibras que le llegan, compactarlas y generar la suficiente adhesividad para que no se muevan ni desplacen de su asentamiento.

Lógicamente, el cabezal es el corazón de la máquina, que puede moverse programadamente según 7 ejes de libertad y donde abundan controles y actuadores que a tiempo real informan al controlador de todas las particularidades del proceso.

El sistema es capaz como ya hemos indicado, de depositar las fibras desde cero grados (según el eje de la pieza) hasta noventa grados (perpendicular al eje), además de su compactación, enclavamiento de las fibras y continuidad.

De esta manera podemos fijar la cantidad precisa de fibra en cualquier punto de la pieza a lo largo de su eje (diferencia con la pultrusión) y en cualquier ángulo (diferencia con el Filament Winding). La optimización y el aprovechamiento son máximos. No hay desperdicio alguno.

5. Examen casos prácticos

Vamos a dar a modo de pinceladas, algunas aplicaciones muy significativas en las que se ponen de manifiesto las cualidades del Filament Laying.

a) Fabricación de ejes de transmisión o Cardans.

Hemos elegido esta singular aplicación porque la pieza trabaja en dinámica con sujeción por ambos extremos.

Hace años se empezaron a utilizar cardans para vehículos de tracción total, donde el objetivo primordial era el ahorro de peso; además se buscaba absorción de esfuerzos causados por las deformaciones del chasis del vehículo, debido a la mayor elasticidad de los composites. Eran tubos en fibra de vidrio o de carbono, con ángulos de bobinado determinados, con unos diámetros en torno a los 80 mm y en longitudes próximas al metro.

Aquí nos vamos a referir a ejes de transmisión de barcos, con diámetros de hasta 700 mm y con longitudes unitarias de hasta 8 m.

Aunque es posible el empleo de la fibra de vidrio, trabajaremos con la fibra de carbono, por sus excelentes resistencias y Módulos de Young específicos.

Las razones de por qué se utilizan los composites en esta aplicación naval, de altas exigencias, son múltiples. Quizás la más importante es el sustancial ahorro de peso, que llega a ser la tercera parte que con el acero. Por ejemplo, en el trimarán construido por Vosper Thornycroft para el Ministerio de Defensa Británico, los cardans en casi posición vertical que transmiten el giro del motor situado en cada uno de los cascos exteriores a las hélices, pesan 132 kg cada uno y tienen 3,5 m de longitud, transmitiendo una potencia de 350 kw a 1.200 r.p.m., no precisando cojinetes de apoyo ni lubrificación ni mantenimiento alguno.

En acero, el peso habría sido superior al doble. Si tuviéramos en cuenta que los cardans se acoplan en serie para lograr longitudes de hasta 70 m entre motores y hélices, el ahorro en conexiones, cojinetes, bancadas de apoyo y naturalmente los propios cardans, puede llegar al 80% respecto al acero.

Para ilustrar bien cuanto indicamos, exponemos un cuadro comparativo entre el acero, material de referencia, frente a la fibra de vidrio de alto módulo y carbono alto módulo (Tabla 1)

Material Módulo de [MPa] Young Densidad [g/cm3] Rigidez Específica E/p Resistencia Específica E/P
Acero 210.000 7.85 5.172 148x10-3
Composite Vidrio S 45.160 2.0 4.752
Composite Carbono HM 277.360 1.62 13.085 657x10-3
Estructuralmente, cada una de las cuatro propiedades físicas, como son, la densidad, resistencia a tracción y rigidez específica y coeficiente de dilatación térmica, juegan un papel muy importante, juntas o combinadas, en piezas que trabajan en estática pero sobre todo, en dinámica, como son los ejemplos que aquí presentamos.

Para una geometría de eje dada (sección y longitud), la frecuencia propia del sistema es proporcional a la raíz cuadrada de la rigidez específica, lo que es tanto como decir, de la velocidad de propagación del sonido, de las ondas, en cada material. Habida cuenta de que la frecuencia natural del composite de carbono es casi 2,5 veces superior a la misma pieza fabricada en acero, resulta que las frecuencias naturales se alejan considerablemente de los regímenes de excitación, disminuyendo de forma muy considerable, los problemas de resonancias.

Esto tiene gran importancia en piezas que giran a velocidades de hasta 3.000 rpm, con valores de torsión del orden de 1000 kNm y donde se generan vibraciones causantes de fatigas en el material y por tanto, su rotura. Por si fuera esto poco, no olvidemos que por cada kilogramo de peso de un material dado, la estructura se ve forzada a soportar cinco veces más de carga.

En el caso de un eje de transmisión, es importante pensar desde el comienzo en el material composite y por tanto, diseñarlo correctamente.

Cuando se proyecta en acero, se parte de un material monolítico, donde se esculpe y mecaniza la pieza y donde prácticamente el material tiene propiedades uniformes

En el caso del composite, cuando lo aplicamos por Filament Laying, podemos variar grado a grado el ángulo de depositado de las fibras continuas o tows de carbono, desde 0º a 90º y lo que es también importante, la cuantía que queramos, centímetro a centímetro, de manera que actuamos en dos frentes simultáneamente que son estructuralmente muy importantes, en el caso del par torsor generado; uno es la alineación de los hilos, buscando la resistencia circular y la otra, el espesor, que tiene que ver con la resistencia a flexión.

Un árbol de transmisión trabaja bajo dos aspectos. El sistema de transmisión de par necesita fibras situadas a ± 45º respecto del eje, pero el propio árbol tiene su peso y por tanto un momento flector que debe ser soportado por fibras longitudinales.

Un árbol fabricado por filament-winding clásico deberá tener raíz cuadrada de dos veces más fibra que otro por filament laying, ya que éste, al poder disponer fibras longitudinales para soportar las cargas transversales, inherentes al propio peso, disminuirá la cantidad de fibra dispuesta a ± 45º. Este árbol con respecto a otro de acero pesará la cuarta parte, siendo un 20 a un 25% más ligero que el fabricado con filament-winding.

Normalmente los espesores de estos árboles de transmisión navales tienen espesores comprendidos entre 15 y 20 mm y en ciertos casos incluso más.

Los mejores resultados para ambos conceptos de par torsor y condiciones dinámicas, se consiguen con espesores de pared progresivos y localizados, totalmente factible con el Filament Laying. A fin de evitar espesores de pared excesivos que afectarían al costo, se recurre a actuar sobre el diámetro aumentándolo ligeramente, lo cual no presenta ningún problema en los composites; el peso final, en opinión de los usuarios, se reduce en conjunto en dos tercios con respecto a los de acero.

b) Fabricación de vigas-cajón cónicas trabajando en Cantilever.

Hemos elegido otra aplicación diametralmente opuesta a la anterior en todo. La pieza aquí puede ser hueca, de sección rectangular o cuadrada, y de sección variable o cónica y además, trabajando sujeta por un extremo a un eje de giro y libre por el otro, es decir, al más puro estilo Cantilever. Su aplicación sería como alma viga-cajón de una pala eólica.

La fabricación de esta viga-cajón por Filament Laying, pondrá de manifiesto una vez más, el inmenso potencial de los materiales compuestos, cuando se les sabe extraer todas sus posibilidades.

La máquina va depositando automáticamente fibras en cada uno de las cuatro caras grandes de la viga-cajón, así como en sus cuatro pequeños chaflanes que las interrelacionan y que evitan los cambios bruscos de las fibras a 90º, siempre desaconsejables y lo hacemos en las alineaciones que deseemos y en los espesores que queramos, de manera, que si por capricho fuera, ninguno de los cuatro grandes lados y los cuatro chaflanes, tendría el mismo espesor.

A modo de comparación, actualmente la viga-cajón de una pala eólica de 29 m se fabrica en preimpregnado de fibra de vidrio por un procedimiento muy artesanal; el peso supera los 1.700 kg.

Hacerlo en preimpregnado de carbono por Filament Laying, supondría un peso aproximado de 700 kg. En consecuencia, el ahorro en sí de 1 Tm de peso en materiales unido a su elevada automatización, convierten a esta nueva pala en más económica, aparte de las favorables repercusiones que el ahorro de peso produce en las condiciones dinámicas de la pieza en sí y del aerogenerador en general.

Nosotros hemos hecho piezas con espesores de 2, 4, 6, 8, 10 y 12 mm dentro de la misma sección de la viga-cajón, pero además, con la peculiaridad de ser pieza cónica, y así sin límite teórico de longitud (hasta 55 m por poner un tope).

Esto hace que las estructuras sean óptimas, es decir, presenten el mejor compromiso técnico-económico.

Damos a modo recapitulativo, un cuadro comparativo de estas vigas-cajón a la que añadimos el de una pala monocasco realizada también por Filament Laying, expresión suprema de esta tecnología.

Ventajas del Sistema “Filament Laying”

  • Automatización total del proceso de fabricación con fibras.
  • Repetitividad de las piezas.
  • Muy pocas limitaciones por el tamaño. Es posible fabricar piezas de 50 metros de longitud y más.
  • Altísima velocidad de deposición de fibra.
  • Secciones de tow preimpregnado de hasta 90 mm2.
  • Conformación por presión controlada por bandas extensiométricas.
  • Compactación de la fibra mediante compresión radial de otra fibra.
  • Menor peso de las piezas.
  • Mayor resistencia mecánica.
  • Indicado muy especialmente para producción de vigas-cajón de palas eólicas y para palas monocasco en fibra de carbono.

Ejemplo gráfico:

Producto
Final
Longitud
[m]

Peso

Costo en F.C.+
Sistema
Proceso
Convencional F.V.
[kg]
Sistema
Eurofiber F.C.
[kg]
Eurofiber
Viga cajón de pala eólica 28 1.700 640 Menor
Pala Monocasco 34 5.600 1.600 20% Menor
c) Otro ejemplo en el que esta vez la pieza trabajaría fundamentalmente a compresión y en régimen estático.

Se trataría de un pilar posicionado verticalmente, fijo en el suelo y fijo en su parte superior o cabeza de amarre; el pilar por tanto va a recibir la carga verticalmente.

Es evidente que fabricaremos este tubo al que vamos a dar una longitud de 14 m y 450 mm de diámetro, orientando mayoritariamente las fibras en su sentido axial, es decir, a cero grados con respecto a su generatriz. Tan sólo dispondremos fibras radiales, a 88º, en una primera capa interior sobre molde y en una última de exterior o cierre.El tubo así fabricado en fibra de carbono y resina epoxy por Filament Laying, pesará aproximadamente 11 kg y podrá soportar una carga vertical de 3.640 kg, es decir, soporta unas 350 veces su propio peso.

Si este mismo tubo lo hiciéramos en acero, con idénticas dimensiones, para soportar el mismo peso de 3.640 kg, nos daría un peso de 850 kg, es decir, soportaría sólo 4,2 veces su propio peso. Por eso, en el cálculo, los estructuristas deberían siempre relacionar la resistencia a tracción y la rigidez de un material con su densidad (adjunto hoja). Esto no lo olvidan nunca los ingenieros aeronáuticos, lección que pude aprender en mis años de trabajo entre ellos.

Afortunadamente, esta valoración de los materiales, va pasando a otros campos de aplicación, como el naval de competición, ferroviario de alta velocidad, automóviles de competición y hasta en las energías eólicas.

Como comentábamos en la introducción, es ahora cuando el ingeniero hace honor a su “ingenio”, donde sólo el límite de éste, frenará su potencial creador.

Producto Propiedades Unidades Filamentos Valor nominal
Propiedades de la fibra de carbono base Resistencia a tracción
Módulo de elasticidad
Elongación
kgf/mm2 (MPa)
103 kgf/mm2 (MPa)
%
360 (3530)
23,5 (230)
1,5
Densidad g/cm3
g/cm3
g/cm3
g/cm3
1.000
3.000
6.000
12.000
1,76
1,76
1,76
1,77
Título text (g/1000 m)
text (g/1000 m)
text (g/1000 m)
text (g/1000 m)
1.000
3.000
6.000
12.000
66
198
396
800
Calor específico
Resistividad
Volumétrica
Coef. de expansión térmica
Conductividad térmica
cal/g.º C
x 10-3
W cm
x 10-6 K-1
cal/(cm s ºC)
0,17
2,0
-0,7
1,5x10-2
Superficie transversal mm2
mm2
mm2
mm2
1.000
3.000
6.000
12.000
0,038
0,11
0,23
0,45
Diámetro filamento mm 7
Propiedades del composite fibra de carbono/epoxy medido a temperatura ambiente Resistencia a tracción
Módulo de elasticidad
Elongación
kgf/mm2 (MPa)
103 kgf/mm2 (GPa)
%
180 (1.760)
13,5 (132)
1,3
Resistencia a la compresión
Módulo de compresión
kgf/mm2 (MPa)
103 kgf/mm2 (GPa)
160 (1.570)
13,0 (127)
Resistencia interlaminar a cortadura kgf/mm2 (MPa) 10 (98)

6. Conclusión

Pensamos que a través de estas líneas, habremos presentado con suficiente claridad, este nuevo sistema de producción industrial de grandes estructuras, altamente automatizado, y por tanto repetitivo, fiable y económico.

Las aplicaciones abarcan todo el abanico industrial. Es además una tecnología totalmente española y madura, contrastada con años de experiencia y se apoya en maquinaria modular, fácilmente transportable, sólida y robusta, capacitada para trabajar en continuo por días enteros, por tanto, con alto rendimiento.

Para aquellas personas introducidas en los temas estructurales, el Filament Laying puede recordarles otra tecnología establecida hace algunos años, conocida como “Fiber Placement” o “Tape Placement”.

Sin embargo hay notorias diferencias. Digamos que el sistema Filament Laying realiza un mayor número de funciones, pero sobre todo, las hace de manera distinta y diría incluso, que de forma más sencilla.

En el Tape Placement es posible trabajar simultáneamente con 24 roving o tow de carbono de 12 K, lo que nos dará un ancho de banda de 70-90 mm y una sección de 20-22 mm2.

En el Filament Laying, la anchura será de 40-50 mm y sin embargo nuestra sección de composite depositado puede ser de 90 mm2, es decir, mucho mayor rendimiento. Pensamos que el Filament Laying contribuirá a la consolidación de los composites como material estructural alternativo. “Esa es nuestra apuesta”.

Ponencia presentada en las XVI Jornadas de Materiales Compuestos / Plásticos Reforzados, organizadas por el Centro Español de Plásticos

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