El bobinado de filamentos es una técnica de fabricación que se utiliza principalmente para fabricar estructuras de extremos abiertos (cilindros) o cerrados (recipientes o tanques a presión). Este proceso implica enrollar filamentos bajo tensión sobre un mandril giratorio . El mandril gira alrededor del husillo (Eje 1 o X: Husillo) mientras que un ojo de entrega en un carro (Eje 2 o Y: Horizontal) lo atraviesa horizontalmente en línea con el eje del mandril giratorio, depositando las fibras en el patrón o ángulo deseado. al eje de rotación. Los filamentos más comunes son los de vidrio o carbono y se impregnan de resina al pasarlos por un baño mientras se enrollan en el mandril. Una vez que el mandril está completamente cubierto hasta el espesor deseado, se cura la resina. Dependiendo del sistema de resina y sus características de curado, a menudo el mandril se esteriliza en autoclave , 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, quedando 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 una barrera para proteger el compuesto del fluido que se va a almacenar.
El bobinado de filamentos se adapta bien a la automatización y existen muchas aplicaciones, como tuberías y pequeños recipientes a presión que se enrollan y curan sin intervención humana. Las variables controladas para el bobinado son el tipo de fibra, el contenido de resina, el ángulo del viento, el remolque o ancho de banda y el espesor 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 (ya sea polar o helicoidal) proporcionarán una mayor resistencia a la tracción longitudinal/axial.
Los productos que actualmente se fabrican utilizando esta técnica van desde tuberías , ejes de palos de golf , carcasas de membranas de ósmosis inversa , remos , horquillas y llantas de bicicletas, postes de potencia y transmisión, recipientes a presión , carcasas de misiles , fuselajes de aviones , farolas y largueros de yates .
Las máquinas bobinadoras más sencillas tienen dos ejes de movimiento, el de rotación del mandril y el de recorrido del carro (normalmente horizontal). Las máquinas de dos ejes son las más adecuadas únicamente para la fabricación de tubos. Para recipientes a presión como contenedores de GLP o GNC (por ejemplo) lo normal es disponer de una máquina bobinadora de cuatro ejes. Una máquina de cuatro ejes tiene además un eje radial (alimentación transversal) perpendicular al recorrido del carro y un cabezal de distribución de fibra giratorio montado en el eje de alimentación transversal. La rotación del cabezal desenrollador se puede utilizar para detener la torsión de la banda de fibra y, por tanto, variar su anchura durante el bobinado.
Para aplicaciones avanzadas se pueden utilizar máquinas con más de cuatro ejes, las máquinas bobinadoras de seis ejes suelen tener 3 ejes lineales y 3 de rotación. Las máquinas con más de 2 ejes de movimiento tienen control por computadora/ CNC , sin embargo, hoy en día las nuevas máquinas de 2 ejes tienen control numérico. 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; dicho software normalmente puede ser proporcionado por los fabricantes de máquinas de bobinado de filamentos o mediante el uso de productos independientes como Cadfil [1] o Cadwind, [2] una revisión de Las técnicas de programación para máquinas CNC se pueden encontrar en [3] Se puede encontrar un ejemplo de dicho proceso de bobinado en toda la web.
El proceso de bobinado de filamentos;
Los procesos de bobinado de filamentos pueden ser de tipo continuo o discontinuo.
Los procesos de bobinado continuo se utilizan para fabricar tuberías de baja presión, de diámetro pequeño a muy grande, de forma continua sobre 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, aguas residuales, aguas residuales). Las máquinas de bobinado de filamento continuo 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 una colocación de fibra multidireccional en la pieza) y tolvas de arena (para dejar caer arena sobre la pieza e impartir un núcleo estructuralmente reforzado).
El proceso de bobinado discontinuo se utiliza para fabricar piezas, tuberías, recipientes a presión y componentes complejos de alta presión. Se utilizan máquinas de múltiples ejes para personalizar el ángulo de colocación de la banda de fibra de vidrio.
Las mechas directas de fibra de vidrio se sumergen en un baño de resina donde se recubren con un sistema de resina. Cada hilo de la fibra de vidrio está recubierto con una química de apresto que proporciona una unión secundaria entre el hilo de fibra de vidrio y la resina. El apresto 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 garantizar una unión entre la resina y la fibra, excepto en el caso de sistemas de resina de poliuretano donde la resina se adhiere directamente al vidrio y al apresto igualmente bien. Los sistemas de impregnación de resina convencionales son el diseño "W Dip Bath" o "Doctoring Roll". Sin embargo, recientemente se han producido importantes avances en el baño de impregnación para reducir los residuos, maximizar la eficacia de la impregnación de resina y mejorar las propiedades de la matriz compuesta. [5] Esto da como resultado una impregnación y un control de la proporción de resina a vidrio muy superiores en comparación con los baños convencionales.
Luego, los cables impregnados se enrollan literalmente alrededor de un mandril (núcleo del molde) en un patrón controlado para darle la forma a la pieza. Después de enrollar, la resina se cura, generalmente usando calor. El núcleo del molde puede retirarse o dejarse como 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 filamento. Se ha combinado con otros métodos de aplicación de fibras, como el laminado manual, la pultrusión y el trenzado. La compactación se realiza mediante tensión de la fibra y el contenido de resina se dosifica principalmente. Las fibras pueden impregnarse con resina antes del bobinado (bobinado húmedo), preimpregnadas (bobinado seco) o postimpregnadas. El bobinado húmedo tiene las ventajas 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, pueden enrollarse más rápido.
La tensión de las fibras es un elemento crítico en la construcción de estructuras compuestas. Si la tensión en el hilo es demasiado baja, la estructura laminada compuesta tendrá menor resistencia mecánica y rendimiento. Si la tensión es demasiado alta, los hilos pueden deshilacharse o acumularse pelusa. [ aclaración necesaria ] 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 resulta en laminados que no son adecuados para aplicaciones que transportan medios y líquidos. [ se necesita aclaración ]
Los tensores de fibra de vidrio [ se necesita aclaración ] pueden impartir tensión seca o húmeda dependiendo de su ubicación, antes o después de la impregnación de los hilos de fibra de vidrio.
La fibra de vidrio es la fibra más utilizada para el bobinado 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 para la mayoría de las demás aplicaciones se especifican resinas epoxi, poliuretano o poliéster más baratas. La capacidad de utilizar refuerzo continuo sin roturas ni uniones es una ventaja definitiva, al igual que la alta fracción de volumen de fibra que se puede obtener, aproximadamente del 60% al 80%. Sólo la superficie interior de una estructura enrollada con filamentos 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. Normalmente no son necesarias operaciones de acabado como mecanizado o rectificado (Furness, J., Azom.com). [ cita necesaria ]
Los empleados en los procesos de fabricación de fibra de vidrio que utilizan sistemas de resina de poliéster y viniléster están expuestos a múltiples peligros: altos niveles de estireno . [6] A medida que los controles y límites de emisiones de estireno se vuelven más estrictos, la industria está cambiando lentamente hacia sistemas de resina como los poliuretanos que no tienen solventes volátiles. [ cita necesaria ]
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 biberones. Debido a que el BPA es un tóxico para la reproducción, el desarrollo y sistémico 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 el BPA en materiales a base de BPA que recubren tuberías de agua y aguas residuales, ya que esta aplicación puede tener un potencial de exposición humana y ambiental. [7] El BPA de 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. [ cita necesaria ]