El bobinado de filamentos es una técnica de fabricación que se utiliza principalmente para fabricar estructuras abiertas (cilindros) o cerradas (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) recorre horizontalmente en línea con el eje del mandril giratorio, colocando fibras en el patrón o ángulo deseado con respecto al eje de rotación. Los filamentos más comunes son de vidrio o carbono y se impregnan con resina al pasar a través de un baño a medida que se enrollan en el mandril. Una vez que el mandril está completamente cubierto hasta el 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 que la resina se ha curado, el mandril se retira o se extrae, 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 barrera para proteger el compuesto del fluido que se va a almacenar.
El bobinado de filamentos es muy adecuado para 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 de bobinado, el ancho de banda y el espesor del haz de fibras. El ángulo en el que se enrolla la fibra tiene un efecto sobre 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 producen utilizando esta técnica varían desde tuberías , mangos de palos de golf , carcasas de membranas de ósmosis inversa , remos , horquillas de bicicleta, llantas de bicicleta, postes de electricidad y transmisión, recipientes a presión , carcasas de misiles , fuselajes de aviones , postes de farolas y mástiles de yates .
Las máquinas de bobinado más sencillas tienen dos ejes de movimiento, el giro del mandril y el desplazamiento del carro (normalmente horizontal). Las máquinas de dos ejes son las más adecuadas para la fabricación de tuberías únicamente. Para recipientes a presión como, por ejemplo, contenedores de GLP o GNC, es normal tener una máquina de bobinado de cuatro ejes. Una máquina de cuatro ejes tiene además un eje radial (de avance transversal) perpendicular al desplazamiento del carro y un cabezal de desenrollado de fibra giratorio montado en el eje de avance transversal. La rotación del cabezal de desenrollado se puede utilizar para evitar que la banda de fibra se tuerza y, por tanto, varíe de anchura durante el bobinado.
Las máquinas con más de cuatro ejes se pueden utilizar para aplicaciones avanzadas; las máquinas de bobinado 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 ordenador/ CNC , sin embargo, en la actualidad, las nuevas máquinas de 2 ejes tienen principalmente control numérico. Las máquinas de bobinado de filamentos controladas por ordenador requieren el uso de software para generar los patrones de bobinado y las trayectorias de la máquina; dicho software normalmente lo pueden proporcionar los fabricantes de máquinas de bobinado de filamentos o mediante el uso de productos independientes como: - Cadfil [1] - TaniqWind Pro, [2] - Cadwind, [3]
Se puede encontrar una base teórica sobre la tecnología de bobinado de filamentos en el libro de [4] .
Entre 2005 y 2007, dos empresas pioneras, MF Tech (Francia) y TANIQ (Países Bajos), empezaron a utilizar robots industriales para el bobinado de filamentos. Un robot industrial estándar tiene 6 grados de libertad (gls), lo que supone una alternativa asequible y robusta, con capacidades de movimiento ampliadas. Rápidamente, se desarrollaron conceptos de bobinado innovadores en los que el robot sujeta un mandril giratorio y también ejecuta pasos de automatización adicionales para manipular los mandriles. Los robots de bobinado de filamentos se abordaron en el software como si fueran máquinas CNC, hasta que la empresa holandesa TANIQ desarrolló un posprocesador robótico dedicado, que utiliza las capacidades máximas de movimiento del robot.
Después de que se desarrollaron más sistemas robóticos de bobinado de filamentos para la colocación de cintas termoplásticas, se requirió un software de colocación de trayectorias diferente y cabezales de colocación de cinta dedicados.
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 diámetro pequeño a muy grande y de baja presión 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, alcantarillado, aguas residuales). Las máquinas de bobinado continuo de filamentos suelen ser máquinas de 2 ejes capaces de colocar fibra, tejido de fibra de vidrio y velo en un patrón de aro continuo. Estas máquinas suelen estar equipadas con varios motores de corte (para impartir una colocación multidireccional de la fibra en la pieza) y tolvas de arena (para dejar caer arena sobre la pieza y impartir un núcleo estructuralmente reforzado).
El proceso de bobinado discontinuo se utiliza para fabricar piezas de alta presión, tuberías, recipientes a presión y componentes complejos. Se utilizan máquinas multieje para personalizar el ángulo de colocación de la banda de fibra de vidrio.
Los rovings directos de fibra de vidrio se sumergen en un baño de resina donde se recubren con un sistema de resina. Cada hebra del roving de fibra de vidrio se recubre con una química de encolado que proporciona una unión secundaria entre la hebra de fibra de vidrio y la resina. El encolado 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 encolado es fundamental para garantizar 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 al encolado igualmente bien. Los sistemas de impregnación de resina convencionales son el "baño de inmersión en W" o el diseño de "rodillo de encolado", sin embargo, recientemente ha habido avances importantes en el baño de impregnación para reducir el desperdicio, maximizar la efectividad de la impregnación de resina y mejorar las propiedades de la matriz compuesta. [6] Esto da como resultado una impregnación y un control de la relación resina-vidrio muy superiores en comparación con los baños convencionales.
Los filamentos impregnados se enrollan luego literalmente alrededor de un mandril (núcleo del molde) en un patrón controlado para formar la forma de la pieza. Después del bobinado, la resina se cura, generalmente usando calor. El núcleo del molde se puede quitar o se puede 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 el bobinado de filamentos. Se ha combinado con otros métodos de aplicación de fibra, como el laminado 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 pueden impregnarse con resina antes del bobinado (bobinado húmedo), preimpregnarse (bobinado seco) o posimpregnarse. El bobinado húmedo tiene las ventajas de utilizar los 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 bobinar más rápido.
La tensión de las fibras es un elemento crítico en la construcción de estructuras compuestas. Si la tensión en el filamento es demasiado baja, la estructura laminada compuesta tendrá menor resistencia mecánica y rendimiento. Si la tensión es demasiado alta, los filamentos pueden sufrir desgastes en los soportes o acumulaciones de pelusa. [ aclaración necesaria ] Debido a una tensión excesiva, la relación resina-vidrio en el laminado también puede aumentar hasta superar los límites aceptables, lo que da como resultado laminados que no son adecuados para aplicaciones que transportan medios y líquidos. [ aclaración necesaria ]
Los tensores de fibra de vidrio [ aclaración necesaria ] pueden impartir tensión seca o húmeda dependiendo de su ubicación, antes o después de la impregnación de las hebras de fibra de vidrio.
La fibra de vidrio es la fibra que se utiliza con más frecuencia para el bobinado de filamentos, aunque también se utilizan fibras de carbono y aramida. La mayoría de las estructuras aeroespaciales críticas de alta resistencia se producen con resinas de epoxi o poliuretano, aunque para la mayoría de las demás aplicaciones se especifican resinas de epoxi, poliuretano o poliéster más económicas. La capacidad de utilizar un 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 entre el 60% y el 80%. Solo la superficie interior de una estructura de bobinado de 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 el mecanizado o el rectificado (Furness, J., Azom.com). [ cita requerida ]
Los empleados que trabajan en procesos de fabricación de fibra de vidrio que utilizan sistemas de resina de poliéster y de éster de vinilo están expuestos a múltiples peligros: altos niveles de estireno . [7] 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 requerida ]
El bisfenol A (BPA) es un componente clave de los sistemas de resina epoxi . Se sospecha que el BPA es un disruptor endocrino y su uso está prohibido en muchos países en productos como los biberones. Dado que el BPA es un tóxico sistémico, reproductivo y de desarrollo en estudios con animales y es débilmente estrogénico, existen dudas sobre su posible impacto, en particular en la salud de los niños y el medio ambiente. La EPA de los Estados Unidos tiene la intención de iniciar análisis alternativos para el BPA en materiales a base de BPA que revisten las tuberías de agua y aguas residuales, ya que esta aplicación puede tener un potencial de exposición humana y ambiental. [8] El BPA de productos compuestos a base de epoxi, como las tuberías, puede filtrarse en el medio fluido (agua) cuando se somete a temperaturas elevadas y es motivo de preocupación. [ cita requerida ]