Los compuestos tridimensionales utilizan preformas de fibra construidas a partir de hilos o cabos dispuestos en estructuras tridimensionales complejas. Estas pueden crearse a partir de un proceso de tejido 3D, un proceso de tejido de punto 3D, un proceso de trenzado 3D o una disposición 3D de fibras cortas. Se aplica una resina a la preforma 3D para crear el material compuesto. Los compuestos tridimensionales se utilizan en aplicaciones altamente técnicas y de ingeniería para lograr propiedades mecánicas complejas. Los compuestos tridimensionales están diseñados para reaccionar a tensiones y deformaciones de maneras que no son posibles con los materiales compuestos tradicionales compuestos de cabos unidireccionales, o compuestos tejidos 2D, compuestos sándwich o materiales laminados apilados.
Los tejidos tridimensionales son tejidos que pueden formarse hasta alcanzar una forma casi neta con un grosor considerable. No es necesario superponer capas para crear una pieza, ya que una sola tela proporciona el refuerzo tridimensional completo. El tejido tridimensional es una variante del proceso de tejido bidimensional y es una extensión de la técnica muy antigua de crear telas tejidas dobles y triples. El tejido tridimensional permite la producción de tejidos de hasta 10 cm de grosor. [1] Las fibras colocadas en la dirección del grosor se denominan hilo Z, hilo de urdimbre o hilo de unión para tejidos tridimensionales. Se teje más de una capa de tela al mismo tiempo y el hilo Z entrelaza hilos de urdimbre y trama de diferentes capas durante el proceso. Al final del proceso de tejido, se produce una estructura tejida tridimensional integrada, que tiene un grosor considerable. [2] Las estructuras tejidas tridimensionales pueden crear materiales compuestos con fracciones de volumen de fibra de alrededor del 50% tanto en celdas unitarias 3D como en estructuras ortogonales 3D. [3]
Las estructuras tejidas tridimensionales con entrelazado en ángulo también son comunes para crear preformas tejidas mucho más gruesas. En las estructuras entrelazadas, los hilos se pueden tejer de una capa de hilos a otra y luego de vuelta a la capa original para unir las capas adyacentes entre sí. En las estructuras entrelazadas complejas, los hilos se pueden tejer en puntos específicos en varias capas para unir múltiples capas. Estas estructuras tienen una gran ventaja sobre los materiales laminados debido a su excelente resistencia a la delaminación de las capas. [4]
Al utilizar técnicas de tejido jacquard como la bifurcación, las preformas tejidas en 3D se pueden crear en formas casi infinitas que van desde una viga en I estándar hasta una viga en I compleja con curva sinusoidal, pasando por perfiles aerodinámicos y muchas otras formas. Se han producido compuestos tejidos en 3D, terminados con moldeo por transferencia de resina, de más de 26 pies de largo. [5]
Los compuestos tejidos en 3D se utilizan para diversas aplicaciones de ingeniería, incluidos rotores de motores, conos de nariz y boquillas de cohetes, soportes de motores, estructuras de aeronaves, paneles en forma de T y X, bordes de ataque para alas de aeronaves y vigas en I para infraestructura civil. [6]
Existen varios tipos de tejidos 3D disponibles comercialmente; se pueden clasificar según su técnica de tejido. [7]
" La tecnología de tejidos trenzados en 3D es una extensión de la tecnología de trenzado en 2D, bien establecida, en la que el tejido se construye mediante el entrelazado de dos o más sistemas de hilos para formar una estructura integral". [13] Desarrollada a fines de la década de 1960, en un esfuerzo por evitar los problemas relacionados con los laminados compuestos en 2D y, al mismo tiempo, conservar los beneficios del proceso de trenzado. [14] Las estructuras trenzadas, utilizadas como preformas compuestas, tienen una serie de ventajas sobre otros procesos competitivos, como el bobinado y el tejido de filamentos. [15]
Los compuestos trenzados tienen una tenacidad y una resistencia a la fatiga superiores a las de los compuestos de filamentos enrollados. Los tejidos tienen un entrelazado ortogonal, mientras que las trenzas se pueden construir en una amplia gama de ángulos, desde 10° hasta 85°. Se puede introducir un conjunto adicional de hilos axiales en el proceso de trenzado para producir trenzas triaxiales (Fig. 1); las trenzas triaxiales son más estables y presentan propiedades casi isotrópicas.
Las trenzas se pueden producir como tubos sin costura o como tejidos planos con un orillo continuo. Los compuestos producidos con las preformas trenzadas presentan una resistencia superior y una mayor resistencia a las grietas en comparación con los compuestos de tela ancha, debido a la continuidad de las fibras; los compuestos con orificios trenzados (Fig. 2) presentan una resistencia aproximadamente 1,8 veces superior en comparación con los orificios perforados, nuevamente debido a la continuidad de las fibras.
Existen dos tipos principales de trenzadoras 3D: las de engranajes de bocina y las de cadenas y columnas. Las trenzadoras 3D de engranajes de bocina utilizan una gran cantidad de engranajes de bocina tradicionales para la propulsión de los portaaviones. Al disponer los engranajes de bocina en un cuadrado, se pueden producir trenzas sólidas 3D con una variedad de secciones transversales (por ejemplo, sección en H). [16] [17]
Aplicaciones de los composites trenzados 3D
La costura de laminados en la dirección del espesor con un hilo de alta resistencia ha demostrado ser un método simple y de bajo costo para producir compuestos 3-D. El proceso de costura básicamente implica coser hilo de alta resistencia a la tracción (por ejemplo, vidrio, carbono o kevlar), a través de un laminado preimpregnado sin curar o capas de tela seca utilizando una máquina de coser industrial. [18] [19]
Los estudios informan una mejora en las propiedades mecánicas en el plano debido a la costura, mientras que otros encuentran propiedades sin cambios o degradadas. Los datos reunidos para laminados cosidos revelan que la resistencia a la tensión, compresión, flexión, corte y orificio abierto se mejoran o degradan hasta en un 20% mediante la costura en relación con los laminados sin coser. [20]
Aplicaciones de los composites cosidos en 3D
Este método alternativo al proceso de costura estándar se introdujo por primera vez a finales de los años 80 y fue desarrollado comercialmente por la empresa Aztex como tecnología Z-Fiber. "Esta tecnología consiste en incrustar fibras de refuerzo previamente curadas en una espuma termoplástica que luego se coloca sobre un preimpregnado, o tejido seco, se coloca en capas y se envasa al vacío". 12 La espuma colapsará a medida que aumenten la temperatura y la presión, lo que permite que las fibras se empujen lentamente hacia el interior de las capas. El refuerzo 3D en lo que respecta al Z-pinning es necesario para introducir un enlace mecánico entre las diferentes capas de la lámina compuesta, siendo este enlace una varilla rígida de fibra de carbono en el Z-pinning. Los compuestos Z-pin (fibra de carbono de pequeño diámetro incrustada en la dirección del espesor z) son un medio para proporcionar una mayor rigidez y resistencia a través del espesor que los compuestos tejidos 2D no poseen.
Aplicación de composites 3D Z-Pinned
Muchas preformas tridimensionales se transforman en materiales compuestos complejos cuando se aplica una resina y se cura dentro de la preforma para crear una matriz sólida reforzada con fibra. La forma más común de aplicación de resina para preformas 3D es el proceso de moldeo por transferencia de resina, en el que se crea un molde con la forma de una preforma y luego se coloca la preforma en su interior. El molde se cierra y luego se inyecta la resina del material de la matriz a una temperatura y presión determinadas, y luego se deja curar. Luego, el molde se retira del exterior del material compuesto 3D. [20]
La microestructura de un compuesto tejido 3D está determinada principalmente por la arquitectura de la fibra de la preforma tejida y el proceso de tejido, y en menor medida por el proceso de consolidación. Durante el proceso de tejido 3D se crean inadvertidamente varios tipos de defectos que pueden degradar las propiedades en el plano, a través del espesor y de impacto del compuesto 3D. Las investigaciones han descubierto que al probar varios materiales compuestos 3D, "... la resistencia es la misma o ligeramente superior a la de un material bidimensional (2D) equivalente". En comparación con un compuesto 2D, la resistencia al impacto, la compresión después del impacto (CAI) y el control de la delaminación mejoran significativamente con un compuesto 3D sin reducir significativamente las propiedades mecánicas a lo largo del plano. [21]
{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: falta la ubicación del editor ( enlace )