Un proceso Lay-Up es un proceso de moldeo para materiales compuestos , en el que el producto final se obtiene superponiendo un número específico de capas diferentes, generalmente hechas de fibras poliméricas o cerámicas continuas y una matriz líquida polimérica termoestable . Se puede dividir en Dry Lay-up y Wet Lay-Up, dependiendo de si las capas están preimpregnadas o no. Dry Lay-up es un proceso común en la industria aeroespacial , debido a la posibilidad de obtener formas complejas con buenas propiedades mecánicas, características requeridas en este campo. Por el contrario, como Wet Lay-Up no permite telas unidireccionales, que tienen mejores propiedades mecánicas, se adopta principalmente para todos los demás campos, que en general tienen menores requisitos en términos de rendimiento. [1] [2]
Las principales etapas del proceso Lay-Up son el corte, la laminación y la polimerización. [ cita requerida ] Aunque algunos de los pasos de producción se pueden automatizar, este proceso es principalmente manual (por lo que a menudo se lo denomina proceso Hand Lay-Up ), lo que da lugar a laminados con altos costos de producción y bajas tasas de producción con respecto a otras técnicas. [ cita requerida ] Por lo tanto, hoy en día, es principalmente adecuado para producciones en series pequeñas de 10 a 1000 piezas. [2] [3]
El corte de los tejidos es la primera etapa del proceso Lay-Up. Aunque las fibras, en general, tienen una alta resistencia a la tracción, la resistencia al corte suele ser bastante baja, por lo que son bastante fáciles de cortar. Este proceso puede ser manual, semiautomático o completamente automático. [1]
En cuanto a las herramientas de corte, las más habituales son las tijeras, cutters, cuchillos y sierras. Alternativas más automatizadas son los sistemas de troquelado, que permiten alcanzar mayores ritmos de producción a la vez que limitan los costes globales, ya que permiten cortar más capas de tejido simultáneamente. [ cita requerida ] Estos métodos requieren diferentes habilidades del operario y proporcionan distintas precisiones de acabado, pero todos son procedimientos mecánicos y tienen una gran desventaja en común: el contacto físico entre la herramienta de corte y las fibras. [4] Un proceso alternativo con menor fricción es el método de ultrasonidos, que consiste en cortar los tejidos con una cuchilla accionada por vibraciones mecánicas de alta frecuencia, producidas por una fuente interna integrada en el sistema. [1] También existen técnicas de corte completamente sin contacto, como el corte por láser y el corte por chorro de agua , ambos habitualmente embebidos en máquinas CNC . [ cita requerida ] El primero se obtiene a través de un haz de radiación convergente que vaporiza el material que se encuentra debajo y utiliza gas a presión para eliminar las partículas volátiles y el material fundido. Este último se basa en un haz de líquido a alta presión que alcanza una velocidad de 2,5 veces la velocidad del sonido, creando una presión sobre el tejido que es mayor que la resistencia a la compresión del material y dando como resultado un corte neto. [ cita requerida ] Ambos métodos comparten una desventaja común que debe considerarse antes de elegir los métodos de corte: los haces crean áreas de alta temperatura a lo largo de los ejes de corte, en las que las características físicas del material pueden alterarse significativamente. [1] [5]
Durante el proceso de corte, un parámetro fundamental a tener en cuenta es el nesting layout , que es la disposición de las diferentes formas a cortar de la tela con el fin de reducir los retales. [ cita requerida ] Los patrones se crean generalmente digitalmente y, cuando es posible, se entregan a una máquina CNC o, en su defecto, se replican a mano. [1]
La laminación de los tejidos es la segunda etapa del proceso Lay-Up. Se trata del procedimiento de superposición de todas las capas en el orden correcto y con la orientación correcta. En el caso del Wet Lay-Up, la preparación de la resina está incluida en esta operación, ya que los tejidos no están ya impregnados. La laminación se realiza habitualmente en sala limpia para evitar inclusiones de partículas dentro de las capas, que interferirían con las características del producto final. [1]
La herramienta más importante es el molde , que puede ser macho o hembra según la aplicación. Puede estar hecho de diferentes materiales, dependiendo de la contracción y el coeficiente de expansión térmica del material compuesto, la rigidez requerida, el acabado superficial necesario, los ángulos de desmoldeo y el ángulo de curvatura. [ cita requerida ] Además, el molde debe ser estable a la temperatura de laminación, soportar la presión operativa, ser resistente al desgaste, ser compatible con las otras herramientas utilizadas, ser resistente a los disolventes de lavado y debe ser fácil de aplicar agentes desmoldantes. [6]
El primer paso de la laminación es la aplicación de un desmoldante sobre el molde, fundamental para evitar la adhesión entre la resina y el propio molde. Si es necesario para el acabado superficial, se puede añadir una capa de peel-plies. [ cita requerida ] Los peel-plies son películas de nailon que se utilizan para obtener una rugosidad específica de la superficie sobre la que se aplican, para protegerlas durante el almacenamiento y para atrapar partículas volátiles durante la polimerización. [ cita requerida ] A continuación, se superponen todas las capas de tejido siguiendo las instrucciones del ply-book, que contiene una lista de todas las operaciones a realizar durante este proceso. [ cita requerida ] Normalmente, se realiza una compactación intermedia cada 4 o 5 capas, con el fin de dejar evacuar el aire y obtener un producto final con mejores características mecánicas. [1]
Una vez que todas las capas de tejido se han colocado en la posición correcta, se aplica otra capa de peel-ply encima, con el mismo propósito que la primera. Una secuencia de otras capas se agregan encima: la película de liberación, que separa el laminado de las otras capas pero aún permite que pase el exceso de resina; [ cita requerida ] el sangrador, cuya función principal es absorber el exceso de resina; una barrera, para separar el sangrador del respiradero; el respiradero, para distribuir el vacío de manera homogénea a través de las superficies externas y evitar que los pliegues de la bolsa de vacío se transfieran a la superficie del laminado; la bolsa de vacío, una película polimérica flexible, generalmente hecha de nailon, capaz de mantener el vacío creado con una bomba de vacío . Otros elementos importantes son las válvulas y el sellador utilizado para sellar herméticamente la bolsa de vacío. [1] [7] [8] [9]
Este proceso puede ser manual, semiautomático o completamente automático. Cuando se realiza completamente a mano, la laminación es un proceso largo y difícil (debido a las estrictas tolerancias requeridas). Una alternativa es un proceso semiautomático, también llamado "asistido mecánicamente", que consiste en una máquina que manipula las capas, que luego son aplicadas sobre el molde por un operario. Es completamente automático si una máquina, como una máquina de colocación de cinta automática, también puede colocar las capas en la posición y orientación correctas. Estos métodos automáticos permiten alcanzar altas tasas de producción. [1]
La polimerización del laminado es la tercera y última etapa del proceso de Lay-Up. Esta fase es de suma importancia para obtener las características requeridas del producto final. [1]
Este proceso se puede realizar a temperatura ambiente con sólo una bomba de vacío , para controlar el vacío, con la ayuda de un horno industrial conectado a una bomba de vacío, para controlar la temperatura y el vacío, o con un autoclave , para controlar la temperatura, el vacío y también la presión hidrostática . [1] [10]
La polimerización en autoclave es una técnica que permite obtener laminados con las mejores propiedades mecánicas, pero es la más cara y sólo permite el uso de moldes abiertos. La ventaja se debe a que la presión ayuda a unir las capas del compuesto y a expulsar inclusiones de aire y productos volátiles, aumentando la calidad del proceso. [8] [11] Cada combinación de tejido y resina tiene sus propios ciclos óptimos de polimerización, que dependen de la humectabilidad de las fibras y de las propiedades de la resina, como la viscosidad y el punto de gel. [ cita requerida ] Normalmente, los tres ciclos de temperatura, presión y vacío se estudian experimentalmente para obtener la mejor combinación de los tres parámetros. La polimerización en horno industrial es similar pero sin control de presión. Es menos costosa y por lo tanto se utiliza para todos aquellos laminados que no necesitan tener las más altas propiedades de resistencia mecánica y rigidez. Además, como los hornos industriales son, en general, más grandes que los autoclaves, se utilizan para componentes con dimensiones no estándar. [1]
La polimerización con moldeo en matriz combinada se utiliza para laminados planos o de geometría simple y puede incluir una bomba de vacío y una fuente de calor eléctrica o hidráulica . Se compone de una prensa con moldes macho y hembra que se cierran para formar un hueco con la forma del componente, cuyo ancho se regula para controlar el espesor de la pieza. La prensa no puede aplicar presión hidrostática como en un autoclave, sino solo vertical. El moldeo en matriz combinada permite un grado muy alto de control dimensional, un buen acabado superficial en ambas superficies y velocidades de producción razonables pero, por otro lado, puede permitir desalineaciones de las fibras y es muy costoso. [1] [8] [12]
Como Meola et al. señalaron en Termografía infrarroja en la evaluación de materiales compuestos aeroespaciales , "Durante la fabricación de materiales compuestos pueden ocurrir varios tipos diferentes de defectos, siendo los más comunes la desalineación de las fibras/juegos, fibras rotas, grietas en la resina o grietas en las capas transversales, huecos, porosidad, inclusiones de escoria, relación de volumen de fibra/resina no uniforme, regiones interlaminares desprendidas, uniones por contacto, curado incorrecto y daño mecánico alrededor de orificios y/o cortes mecanizados". [13]
Además, se deben considerar tres problemas principales relacionados con el corte de materiales compuestos polimerizados. El primero es que las fibras de refuerzo son abrasivas, por lo que las herramientas de corte tradicionales no son adecuadas, ya que su vida útil sería muy corta y sus bordes romos dañarían los materiales. [ cita requerida ] El segundo es que los materiales compuestos tienen una baja conductividad térmica, lo que puede provocar acumulaciones de calor y deformaciones. [ cita requerida ] El último es que los materiales compuestos tienden a deslaminarse cuando se cortan, por lo que es necesario considerar esto al elegir un método de corte. [ 14 ] [ 15 ]