Devanado de filamentos - Filament winding

El devanado de filamentos es una técnica de fabricación que se utiliza principalmente para fabricar estructuras de extremos abiertos (cilindros) o cerrados (recipientes a presión o tanques). Este proceso implica enrollar filamentos bajo tensión sobre un mandril giratorio. El mandril gira alrededor del husillo (Eje ​​1 o X: Husillo) mientras un ojo de entrega en un carro (Eje ​​2 o Y: Horizontal) atraviesa horizontalmente en línea con el eje del mandril giratorio, colocando fibras en el patrón o ángulo deseado al eje de rotación. Los filamentos más comunes son el vidrio o el carbono y se impregnan con resina al pasar por un baño a medida que se enrollan en el mandril. Una vez que el mandril está completamente cubierto al espesor deseado, la resina se cura. Dependiendo del sistema de resina y sus características de curado, a menudo el mandril se esteriliza en autoclave o se calienta en un horno o se hace girar bajo calentadores radiantes hasta que la pieza se cura. Una vez curada la resina, se retira o extrae el mandril, dejando el producto final hueco. Para algunos productos, como las botellas de gas, el "mandril" es una parte permanente del producto terminado que forma un revestimiento para evitar fugas de gas o como una barrera para proteger el material compuesto del fluido que se va a almacenar.

El devanado de filamentos se adapta bien a la automatización y hay muchas aplicaciones, como tuberías y recipientes a presión pequeños que se enrollan y curan sin intervención humana. Las variables controladas para el devanado son el tipo de fibra, el contenido de resina, el ángulo del viento, el ancho de banda o estopa y el grosor del haz de fibras. El ángulo en el que se enrolla la fibra influye en las propiedades del producto final. Un "aro" de ángulo alto proporcionará resistencia circunferencial, mientras que los patrones de ángulo más bajo (polares o helicoidales) proporcionarán una mayor resistencia a la tracción longitudinal / axial.

Los productos que se producen actualmente con esta técnica van desde tuberías , varillas de palos de golf , carcasas de membranas de ósmosis inversa , remos , horquillas de bicicleta , llantas de bicicleta , postes de transmisión y energía, recipientes a presión , carcasas de misiles , fuselajes de aviones , farolas y mástiles de yates .

Máquinas de bobinado de filamentos

Las bobinadoras más simples tienen dos ejes de movimiento, la rotación del mandril y el recorrido del carro (generalmente horizontal). Las máquinas de dos ejes son las más adecuadas para la fabricación de tubos únicamente. Para recipientes a presión como contenedores de GLP o GNC (por ejemplo) es normal tener una máquina de bobinado de cuatro ejes. Una máquina de cuatro ejes tiene además un eje radial (alimentación cruzada) perpendicular al recorrido del carro y un cabezal de distribución de fibra giratorio montado en el eje de alimentación cruzada. La rotación del cabezal de distribución se puede utilizar para detener la torsión de la banda de fibra y, por lo tanto, variar en ancho durante el bobinado.

Las máquinas con más de cuatro ejes se pueden utilizar para aplicaciones avanzadas, las bobinadoras de seis ejes suelen tener 3 ejes lineales y 3 ejes de rotación. Las máquinas con más de 2 ejes de movimiento tienen control por computadora / CNC , sin embargo, en estos días las nuevas máquinas de 2 ejes tienen control numérico en su mayoría. Las máquinas de bobinado de filamentos controladas por computadora requieren el uso de software para generar los patrones de bobinado y las trayectorias de la máquina, este software normalmente puede ser proporcionado por los fabricantes de máquinas de bobinado de filamentos o mediante el uso de productos independientes como Cadfil o Cadwind, una revisión de las técnicas de programación para máquinas CNC puede Se puede encontrar en. Un ejemplo de un proceso de bobinado de este tipo se puede encontrar en toda la web.

Proceso

El proceso de bobinado de filamentos;

• Utiliza una longitud continua de hebra / mecha de fibra (denominada mecha directa de un solo extremo) o cinta
• Da como resultado una capa de materiales con una alta relación resistencia-peso debido al alto porcentaje de vidrio en la matriz compuesta (70-80%)
• Los patrones pueden ser longitudinales, circunferenciales, helicoidales o polares.
• Principalmente requiere curado térmico de piezas de trabajo

Los procesos de bobinado de filamentos pueden ser de tipo continuo o discontinuo.

Proceso de bobinado continuo

Los procesos de bobinado continuo se utilizan para fabricar tuberías de diámetro pequeño a muy grande de baja presión de forma continua en un mandril formado a partir de una banda sin fin (comúnmente conocido como Proceso Drostholm). Las tuberías fabricadas mediante este proceso se utilizan principalmente para redes de transmisión / distribución de medios (agua, alcantarillado, aguas residuales). Las máquinas de bobinado de filamentos continuos suelen ser máquinas de 2 ejes capaces de colocar fibra, tela de fibra de vidrio y velo en un patrón de aro continuo. Estas máquinas generalmente están equipadas con múltiples motores picadores (para impartir la colocación de fibra multidireccional en la pieza) y tolvas de arena (para dejar caer arena sobre la pieza e impartir un núcleo estructuralmente reforzado).

Proceso de bobinado discontinuo

El proceso de bobinado discontinuo se utiliza para fabricar piezas de alta presión, tuberías, recipientes a presión y componentes complejos. La máquina de ejes múltiples se utiliza para personalizar el ángulo de colocación de la banda de fibra de vidrio.

Otros equipos de bobinado de filamentos

Impregnación de fibra de vidrio

Las mechas directas de fibra de vidrio se sumergen en un baño de resina donde se recubren con el sistema de resina. Cada hebra de la fibra de vidrio está recubierta con una química de encolado que proporciona una unión secundaria entre la hebra de fibra de vidrio y la resina. El tamaño puede ser compatible con un sistema de resina singular (como compatible con poliéster o compatible con epoxi) o compatible con múltiples sistemas (compatible con poliéster + epoxi + poliuretano). La compatibilidad del apresto es fundamental para asegurar una unión entre la resina y la fibra, excepto en el caso de los sistemas de resina de poliuretano donde la resina se adhiere directamente al vidrio y también al apresto. Los sistemas de impregnación de resina convencionales son el diseño de "baño de inmersión W" o el diseño de "rodillo raspador"; sin embargo, recientemente ha habido avances importantes en el baño de impregnación para reducir el desperdicio, maximizar la eficacia de la impregnación de resina y mejorar las propiedades de la matriz compuesta. Esto da como resultado una impregnación y un control de la relación resina / vidrio muy superior en comparación con los baños convencionales.

Las estopas impregnadas luego se enrollan literalmente alrededor de un mandril (núcleo del molde) en un patrón controlado para formar la forma de la pieza. Después de enrollar, la resina se cura, típicamente usando calor. El núcleo del molde se puede quitar o dejar como un componente integral de la pieza (Rosato, DV). Este proceso se utiliza principalmente para componentes huecos, generalmente de sección circular u ovalada, como tuberías y tanques. Los recipientes a presión, las tuberías y los ejes de transmisión se han fabricado utilizando bobinado de filamentos. Se ha combinado con otros métodos de aplicación de fibras, como la colocación manual, la pultrusión y el trenzado. La compactación se realiza a través de la tensión de la fibra y el contenido de resina se mide principalmente. Las fibras se pueden impregnar con resina antes del enrollado (enrollado en húmedo), preimpregnadas (enrollado en seco) o post-impregnadas. El bobinado húmedo tiene la ventaja de utilizar materiales de menor costo con una larga vida útil y baja viscosidad. Los sistemas preimpregnados producen piezas con un contenido de resina más consistente y, a menudo, se pueden enrollar más rápido.

Tensores de fibra de vidrio

La tensión de la fibra es un elemento crítico en la construcción de estructuras compuestas. Si la tensión en la hebra es demasiado baja, la estructura laminada compuesta tendrá menor resistencia mecánica y rendimiento. Si la tensión es demasiado alta, las hebras pueden experimentar deshilachamiento de los soportes o acumulación de pelusa. Debido a la tensión excesiva, la proporción de resina a vidrio en el laminado también puede aumentar más allá de los límites aceptables, lo que da como resultado laminados que no son adecuados para aplicaciones que transportan medios y líquidos.

Los tensores de fibra de vidrio pueden impartir tensión seca o húmeda dependiendo de su ubicación, antes o después de la impregnación de las hebras de fibra de vidrio.

Materiales

La fibra de vidrio es la fibra más utilizada para el devanado de filamentos, también se utilizan fibras de carbono y aramida. La mayoría de las estructuras aeroespaciales críticas de alta resistencia se producen con resinas epoxi o poliuretano, y se especifican resinas epoxi, poliuretano o poliéster más baratas para la mayoría de las demás aplicaciones. La capacidad de utilizar refuerzo continuo sin roturas o uniones es una ventaja definitiva, como lo es la fracción de volumen de fibra alta que se puede obtener, aproximadamente del 60% al 80%. Sólo la superficie interior de una estructura de filamento enrollada será lisa a menos que se realice una operación secundaria en la superficie exterior. El componente normalmente se cura a alta temperatura antes de retirar el mandril. Las operaciones de acabado como el mecanizado o el rectificado normalmente no son necesarias (Furness, J., Azom.com).

• Resinas: Cualquiera, por ejemplo, epoxi , poliuretano , poliéster , éster vinílico , fenólicos , furanos , poliimidas .
• Fibras: Fibras de vidrio, aramida , carbono y boro . Las fibras se utilizan directamente de una fileta y no se tejen ni se cosen en forma de tela.
• Núcleos: cualquiera, aunque los componentes suelen ser de una sola piel.

Peligros

Emisiones

Los empleados en los procesos de fabricación de fibra de vidrio que utilizan sistemas de resinas de poliéster y viniléster están expuestos a múltiples peligros: altos niveles de estireno . A medida que los controles y límites de emisión de estireno se vuelven más estrictos, la industria está cambiando lentamente hacia sistemas de resina como los poliuretanos que no tienen solventes volátiles ((cn)).

El bisfenol A

El bisfenol A (BPA) es un componente clave de los sistemas de resina epoxi . Se sospecha que el BPA es un disruptor endocrino y en muchos países está prohibido su uso en productos como los biberones. Debido a que el BPA es un tóxico para la reproducción, el desarrollo y sistémica en estudios con animales y es débilmente estrogénico, existen dudas sobre su impacto potencial, particularmente en la salud de los niños y el medio ambiente. La US-EPA tiene la intención de iniciar análisis de alternativas para BPA en materiales a base de BPA que recubren las tuberías de agua y aguas residuales, ya que esta aplicación puede tener un potencial de exposición humana y ambiental. El BPA de los productos compuestos a base de epoxi, como las tuberías, puede filtrarse al medio fluido (agua) cuando se somete a temperaturas elevadas y es motivo de preocupación.

Curativos tóxicos y peligrosos

• MEKP es un irritante grave de la piel y se sospecha que causa daño corrosivo progresivo o ceguera.
• MDA (4, 4'- diaminodefenil metano ) es un carcinógeno sospechoso

Referencias

enlaces externos

• Grupo de compuestos de uretano: innovadoras resinas de poliuretano para bobinado de filamentos, tecnología y equipos
• Autonacional