Capítulo 11 Fabricación - tecnun.es · Materiales Compuestos Fabricación PMCs Introducción n...
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Materiales Compuestos
Fabricación
Objetivo: calidad microestructural a coste razonable
n PMCs, técnicas madurasn MMCs, en desarrollon CMCs, en desarrollo
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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,…)
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
n Parámetros clave¨ Tensión en las fibras¨ Ratio de impregnación¨ Geometría del
bobinado
n Aplicaciones¨ Tanques y tuberías
para productosquímicos
¨ Depósitos
Fabricación PMCsImpregnación. Bobinado
Materiales Compuestos
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. Bobinado
Materiales Compuestos
Fabricación PMCsImpregnación. Pultrusión
Productos similares extrusión convencional (perfiles)
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
Fabricación PMCsImpregnación. Moldeo por compresión
n Aplicaciones:¨ Componentes automóviles¨ Pequeños componentes de aviones¨ Asientos trenes¨ Raquetas tenis
Resin Transfer Moulding (RTM)
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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, …
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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)
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
Rutas de Fabricación de MMCsMetalurgia de polvos
n Etapas principales¨Mezclado¨ Compactación en frío¨ Desgasificación
(degassing)¨ Consolidación a alta
temperaturan HIPn Sinterizadon Extrusión
Materiales Compuestos
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)
Materiales Compuestos
Fabricación MMCs.Metalurgia de polvos
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.
Materiales Compuestos
Fabricación MMCs.Metalurgia de polvos
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
Materiales Compuestos
Fabricación MMCs.Metalurgia de polvos
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$/kg)
Materiales Compuestos
Fabricación MMCsMezclado por agitación y fundición
n Objetivos agitación:¨ Mejora mojado partículas¨ Evitar aglomeración¨ Evitar sedimentación
n Se consigue viscosidad suficientemente baja para realizar operaciones convencionales de fundición hasta Vp=25% y partículas de 10 µm y más.
n Empleada por Duralcan, HydroAluminium AS y Comalco
Reocasting
Materiales Compuestos
Fabricación MMCsMezclado por agitación y fundición
n Ventajas¨ En principio se pueden emplear todos los métodos
convencionales de procesamiento de metales. Bajo coste (6$/kg)
n Desventajas¨ Aglomeración, sedimentación¨ Reacciones refuerzo-metal fundente¨ Segregación de partículas (frente de solidificación)¨ Porosidad
Materiales Compuestos
Fabricación MMCsMezclado por agitación y fundición
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).
Materiales Compuestos
Fabricación MMCsMezclado por agitación y fundición
Duralcan 6061/Al2O3 20% Comalco 6061/óxido 20%
Materiales Compuestos
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.
Materiales Compuestos
Fabricación MMCsDepósito por pulverización (Spray deposition)
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
Materiales Compuestos
Fabricación MMCsDepósito por pulverización (Spray deposition)
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)
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
Fabricación CMCs
n Introducciónn Rutas con polvos cerámicosn Procesos reactivosn Compuestos cerámicos laminadosn Compuestos C/C
Materiales Compuestos
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)
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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
Materiales Compuestos
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