AITEX desarrolla composites multifuncionales de bajo peso mediante tecnología de bordado TFP

Un material compuesto o composite consiste en la combinación de varios materiales que, al combinarlos, ofrecen mejores propiedades mecánicas que los propios materiales de manera individual. Los composites han venido usándose desde hace siglos cuando se combinaba barro y paja, para formar ladrillos de adobe que eran utilizados en la construcción de viviendas. No es hasta el siglo XX, cuando aparecen los primeros materiales compuestos poliméricos que comienzan a utilizarse en aplicaciones de automoción y aeronáutica. A lo largo de los años, el uso de estos materiales compuestos ha ido generalizándose, pues permiten a igualdad de volumen y menor densidad, obtener piezas más ligeras y de características similares y en algunos casos con mejores propiedades mecánicas que con otros materiales como el acero.

Los materiales compuestos están formados por una matriz (normalmente una resina) y un elemento de refuerzo (fibra). La matriz se encarga de actuar como soporte del elemento y de proporcionar resistencia térmica y ambiental. Se trata del elemento que debe aportar procesabilidad y coherencia al conjunto del material compuesto. Por otro lado, el material de refuerzo constituye la fase dispersa y proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto.

Pala de remo desarrollada por AITEX mediante tecnología tfp y termoconformado.

Tradicionalmente, los composites ofrecen buena resistencia mecánica cuando el esfuerzo al que se somete el material se aplica en la misma dirección en la que se dispone la fibra. Por ello, para mejorar el comportamiento de un material compuesto ante diversos esfuerzos, se suele combinar varias capas de fibra en diferentes direcciones, con el fin de mejorar el comportamiento mecánico del composite resultante. Esta superposición de capas conlleva una complejidad a la hora de fabricar el composite, ya que se aumenta el número de operaciones. Además, todo ello implica un aumento en el consumo de fibra y por consiguiente un aumento en el coste.

La tecnología TFP (Tailored Fiber Placement) ofrece una gran oportunidad para desarrollar composites de bajo peso con mejores propiedades que las obtenidas mediante métodos tradicionales. El bordado TFP permite alinear las fibras en las direcciones adecuadas según el esfuerzo al que la pieza es sometida reduciendo consumos y en consecuencia el coste en fibra.

Desde AITEX, se están realizando avances e investigaciones en el uso de esta tecnología para la fabricación de composites. En este sentido, el proyecto Lightcomp 2021 es un claro ejemplo donde se aplica esta tecnología de bordado para el desarrollo de materiales compuestos. Este trabajo de investigación explora las ventajas de utilizar esta tecnología para desarrollar composites con menos fibra y con mejores propiedades.

A lo largo de la investigación, se han realizado pruebas de bordado con diferentes tipos de fibras, tanto de origen sintético como de origen natural, por ejemplo, lino, yute, etc. También se han realizado pruebas combinando diferentes tipos de orientaciones de fibras que mediante tecnologías tradicionales no son posibles de conseguir. Es el caso de la disposición de fibras en líneas curvas, que no es posible de realizar mediante telares convencionales. Por otro lado, también se han realizado pruebas de utilización de bordados TFP con diferentes técnicas de moldeo, como son la infusión de resina y RTM (Resin Transfer Molding), obteniendo en ambas muy buenos resultados.

Los resultados obtenidos en los ensayos de laboratorio fueron muy positivos, mejorando de forma significativa la resistencia a flexión e impacto. Por ejemplo, en el caso del ensayo de flexión, se observó que los diseños curvilíneos mejoraban las propiedades de flexión al incrementar la resistencia a la en un 19%. En cuanto al módulo de Young, se observó un incremento notable del 43%, de los composites con fibras dispuestas de manera curvilínea con respecto a los tradicionales con fibras dispuestas de manera rectilínea. En la actualidad, se están investigando nuevas disposiciones y configuraciones de fibras que permitan determinar si los composites con fibras naturales con disposiciones curvilíneas son capaces de mejorar las propiedades mecánicas de los composites comerciales fabricados de forma convencional con fibras sintéticas, como por ejemplo la fibra de carbono.

Al margen de los ensayos, durante el transcurso del proyecto se han realizado pruebas con piezas reales con fibra de carbono, enfocadas a sectores como en náutico o automoción. La realización de estos prototipos ha permitido poner en práctica todas las capacidades de la tecnología de bordado TFP, como puede ser la inserción de sensores, hilos conductores y LEDs de forma automatizada durante el mismo proceso de bordado. Todo ello ofrece una gran versatilidad, ya que se pueden fabricar tejidos con sensores de presión, con circuitos calefactables integrados incorporados dentro del composite. De esta manera se automatizan los procesos de fabricación y se reducen el número de tareas manuales, lo cual genera una reducción de tiempos y costes.

Este proyecto cuenta con el apoyo de la Conselleria d’Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball de la Generalitat Valenciana, a través del IVACE, y está cofinanciado por los fondos FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional) de la Unión Europea, dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2021-2027 (IMDEEA/2021/44).