Autoclave Terminado
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Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Unidad Profesional Ticomán
“Proceso de Vacío con Autoclave”
Presentan:
Alvarado Luis Alberto
Gómez Herrera Damián
Huerta Mogollan Miguel Ángel
Rosales Ochoa Miguel Angel
Grupo: 7AV3
Fecha de Entrega: 29 de Septiembre del 2015
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Índice
1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 3
2 MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 4
2.1 MATERIALES USADOS EN LA AUTOCLAVE, LOS PREIMPREGNADOS ......................... 4
2.2 ANÁLISIS DEL PROCESO ..................................................................................... 4
2.2.1 Proceso de infusión de resina .................................................................. 4
2.2.2 El Laminado Manual de la Fibra Preimpregnada ..................................... 4
2.2.3 PREPARACIÓN DEL LAMINADO PARA EL CURADO. .............................................. 5
2.3 AUTOCLAVE ...................................................................................................... 7
2.3.1 La cámara presurizada ............................................................................ 8
2.3.2 Los dispositivos de calentamiento ........................................................... 8
2.3.2 Sistema de Presurización ........................................................................ 8
2.3.3 Sistemas de Vacío ................................................................................... 9
2.3.4 Los Sistemas de Control ........................................................................ 10
2.4 CONTROL Y MODELADO DEL PROCESO ............................................................. 10
2.4 PROCESO DE CURADO ..................................................................................... 11
2.6 VENTAJAS Y DESVENTAJAS .............................................................................. 13
2.6.1 Ventajas ................................................................................................. 13
2.6.2 Desventajas ........................................................................................... 13
2.7 APLICACIONES ................................................................................................ 13
3. CONCLUSIONES ............................................................................................. 15
5 REFERENCIAS .................................................................................................. 16
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1 Introducción
La industria con el increíble desarrollo de la tecnología y las comunicaciones ha
logrado avanzar con pasos agigantados a través de los años. A finales del siglo
anterior con la aparición de nuevos materiales, la industria se ha estado modificando
día con día en diversas áreas.
En la industria aeronáutica con aeronaves como el Airbus 380 y 350. En la industria
automotriz con los autos de Fórmula 1, en el campo aeroespacial con cohetes y
satélites, e incluso en una gran cantidad de equipos utilizados de manera cotidiana,
como tablas de surf, carcasas, vigas estructurales y otros muchos ejemplos más,
tienen en común que están fabricados con materiales compuestos de última
generación, entre los que se encuentras las fibras de vidrio, aramidas, poliamidas,
polímeros y plásticos especiales.
Estos materiales se han implementado cada vez más por tener una gran resistencia
y a su vez ser ligeros, situación que causaba controversia con los metales y las
aleaciones. Hoy en día la comunidad científica busca mejorar estás propiedades y
desarrollar mejores materiales que se adecúen con las características de su
aplicación.
Los procesos de fabricación de estos materiales tienen características y procesos
muy específicos que determinarán un mejor o peor rendimiento del material
compuesto. Existiendo muchos tipos de procesos y todos con un objetivo en
particular, este trabajo está enfocado en el Proceso de Vacío con Autoclave,
desarrollando los conceptos generales del tema.
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2 Marco Teórico
2.1 Materiales usados en la autoclave, los Preimpregnados
Son materiales que se pueden presentar como láminas de tejido, unidireccional,
roving, que han sido impregnados previo a su uso y almacenamiento, generalmente
a bajas temperaturas.
La principal característica de estos materiales es que la resina que los componen
se encuentra en un estado semicurado, lo que le confiere un tacto semipegajoso,
denominado “tacking”. Las ventajas de este compuesto es que el porcentaje de
fibra es muy alto, lo que lo hace un material ampliamente utilizado. La segunda es
que el proceso de laminado de la pieza se simplifica considerablemente, reduciendo
en gran manera los posibles defectos de fabricación de la misma. La gran
desventaja es que la necesidad de almacenaje y transporte en lugares refrigerados
de como consecuencia altos precios.
2.2 Análisis del proceso
2.2.1 Proceso de infusión de resina
El proceso de infusión de resina se lleva a cabo en un cuarto limpio designado con
una determinada clase. Cada clase determina la cantidad máxima de partículas
permitidas y también define las limitaciones de temperatura y humedad. La mayoría
de las operaciones se hacen en un cuarto con clase 100,000, aunque algunas
industrias lo hacen con una clase 400,000 puesto que es más fácil de mantener.
2.2.2 El Laminado Manual de la Fibra Preimpregnada
El proceso comienza con el marcado y corte de la lámina individual con el perfil
deseado, para ser apilada capa a capa sobre el molde. Cada cierto número de
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capas dispuestas, se procede a compactar el conjunto mediante la técnica de vacío,
para eliminar el aire atrapado en el laminado.
La frecuencia de compactación previa al curado depende de la geometría de la
pieza, de modo que, por ejemplo, para piezas cilíndricas o superficies curvas, la
frecuencia de compactación habrá de ser mayor que para piezas planas o de
geometría sencilla.
Una vez terminado el laminado, se coloca sobre él un film poroso, que permitirá la
expulsión de los componentes volátiles que se produzcan durante el curado de la
resina, así como el propio exceso de la misma. A continuación se coloca la bomba
de vacío, con los sellados pertinentes, y la pieza está preparada para el curado.
2.2.3 Preparación del laminado para el curado.
Una vez finalizada la secuencia de apilamiento del laminado, se prepara éste para
el proceso de curado. Para ello se dispone sobre éste una serie de elementos, cada
uno de ellos con una misión específica:
1. Film antiadherente no perforado: se utiliza como desmoldeante, para que
la pieza no quede adherida al molde.
2. Peel ply: tratado con agentes antiadherentes, se coloca sobre el
laminado, garantizando una superficie sin impurezas.
3. Film de sangrado perforado: se coloca sobre el laminado y permite la
eliminación de la resina sobrante a través de sus perforaciones.
4. Manta de sangrado: absorbe la resina sobrante del laminado.
5. Barrera: se coloca entre la manta de sangrado y la de aireación, evita que
la manta de aireación se impregne de resina y no pueda cumplir su
cometido.
6. Termopar: colocado entre el film de barrera y la manta de aireación, en
los extremos del laminado. Informan de la temperatura de la pieza durante
el curado.
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7. Manta de aireación: permite la aplicación uniforme de la presión de vacío
sobre toda la geometría de la pieza, así como la eliminación de aire
atrapado durante el laminado.
8. Retén: se coloca en la periferia de la pieza, evita deformaciones en los
extremos de la pieza, debidos a la acción de la bolsa de vacío.
9. La bolsa de vacío: membrana delgada plástica, no reutilizable, que cubre
todos los elementos anteriores. Permite la aplicación del vacío y la
efectividad de la presión a la que se someterá al laminado.
10. La bolsa es adherida al molde mediante un sellante.
11. Válvula de vacío: conecta el interior de la bolsa con la línea de vacío.
Una vez colocados todos estos componentes se aplica el vacío a la pieza, a
temperatura ambiente. La línea de vacío se desconecta entonces de la válvula y se
comprueban las posibles fugas con manómetros que se conectan a las mismas. Los
componentes se pueden observar en la Figura 1.
Figura 1. Componentes del sistema de vacío.
Ahora el laminado estará listo para entrar al autoclave.
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2.3 Autoclave
Una autoclave es un recipiente, normalmente de forma cilíndrica, con un sistema de
temperatura y presurización, utilizado para curar y consolidar materiales
compuestos. El tamaño y el diseño del autoclave dependen de la aplicación y del
tipo de piezas a procesar. Uno de los sectores que más utiliza esta técnica es el
aeronáutico, por lo que en ocasiones estos sistemas tienen dimensiones muy
grandes. Representado en la Figura 2, dos son las funciones principales de un
autoclave en el proceso de fabricación de una pieza. Las cuales son la aplicación
simultánea de presión y calor.
Figura 2. Proceso de fabricación por autoclave.
Elementos principales:
Los elementos principales de una autoclave son:
Una cámara presurizada.
Dispositivos de calentamiento.
Sistema de presurización del gas.
Sistema de aplicación del vacío.
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Sistema de control de los parámetros del curado.
Soporte de los moldes para su introducción en la cámara.
2.3.1 La cámara presurizada
Normalmente está fabricada en acero del carbono, material indicado para cámaras
de presión. Con hasta 150mm de espesor, éste es enrollado entorno de una
superficie cilíndrica y soldado.
El diseño, proceso de fabricación y los materiales empleados habrán de seguir la
normativa al respecto para posteriormente ser sometida la estructura a ensayos
hidrostáticos, e inspeccionada periódicamente. Una vez finalizada, se prepara la
instalación de la estructura interna, aislamiento térmico, canalizaciones y soportes
de todos los componentes que se montarán en el autoclave.
2.3.2 Los dispositivos de calentamiento
El más utilizado en grandes autoclaves es la combustión de gas. Los productos de
la combustión pasan a través de una bobina y permite temperaturas de hasta 540°C.
Este método es más económico que un sistema de calentamiento eléctrico, el cual
es utilizado en pequeños autoclaves calentados mediante resistencias eléctricas, a
través de los cuales pasa el flujo de gas.
Para que el flujo sea uniforme, y con esto haya uniformidad en el calentamiento de
los laminados, se instala un ventilador en uno de los extremos de la cámara. El flujo
tendrá una velocidad aproximada de 1 a 3m/s evitando que se desprenda la bomba
de vacío.
2.3.2 Sistema de Presurización
Comúnmente se utilizan tres tipos de gases para la presurización de la cámara, Aire,
nitrógeno y dióxido de carbono.
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El aire es el más común cuando las temperaturas son bajas, pero cuando son
mayores de 150°C existe el riesgo de haber una combustión.
El nitrógeno inhibe la combustión y se difunde bien en el aire cuando la cámara se
abre. La desventaja del nitrógeno es su almacenamiento de forma criogénica que
tiene como consecuencia altos costos.
El dióxido de carbono se almacena en estado líquido refrigerado. Sus principales
desventajas son su alta densidad, el peligro para los operadores y su fluidez. En la
Figura 3 se muestran los principales componentes del sistema de presurización.
Figura 3. Principales componentes del sistema de presurización.
2.3.3 Sistemas de Vacío
El proceso de vacío es fundamental en el proceso de fabricación de una pieza.
Mediante la bolsa de vacío se hace una primera compactación del laminado, y se
eliminan los componentes volátiles de la resina. Dicha bolsa permite la aplicación
de presión sobre el mismo, sin que esté expuesto a la atmósfera del autoclave.
Originalmente se utilizaban una válvula, un manómetro, un depósito de vacío y una
bomba, pero los nuevos sistemas de resinas y los estrictos controles de calidad
exigen un control exhaustivo del sistema de vacío.
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Completamente computarizados, la presión sobre la pieza, al igual que la
temperatura, están monitorizados a lo largo de todo el proceso de curado. Los
principales elementos en el sistema de vacío fueron mostrados en la Figura 1.
2.3.4 Los Sistemas de Control
Estos han evolucionado paralelamente con la tecnología de computadores. De
hecho los autoclaves controlados por microprocesadores dieron paso a un control
computarizado del proceso. Con el fin de optimizar la reproductividad de los ciclos
de curado, éste está controlado por termopares, transductores y sensores
ultrasónicos, cuyas señales quedan registradas. La historia de la pieza durante el
proceso del curado queda así grabada, para un posterior control de calidad.
2.4 Control y Modelado del Proceso
El proceso de autoclave se controla mediante la manipulación de variables como la
temperatura, presión y el vacío. Las cuatro condiciones que deben ser conseguidas
son:
1. Control de la porosidad.
2. La ventana de proceso de consolidación debe ser adecuada y permitir una
correcta consolidación de todos los laminados en el proceso.
3. La resina debe ser curada completamente en todas las partes de las láminas
y la exotermia no controlada debe ser eliminada.
4. El tiempo total de proceso debe ser minimizado.
La temperatura se puede seguir con la colocación permanente de termopares en
varias posiciones dentro del autoclave. Las lecturas de estas temperaturas se llevan
hasta un ordenador donde se almacena la historia de temperatura de cada zona. La
viscosidad de la resina y el grado de curado se siguen indirectamente midiendo las
constantes dieléctricas de la resina mediante sensores que miden tanto la
temperatura como estas constantes. Los sensores de presión pueden ser
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embebidos en el laminado para seguir la presión local hidrostática aunque sólo el
campo de la investigación justifica su alto precio.
2.4 Proceso de curado
Inicialmente, un vacío es aplicado para atrapar el aire y otras partículas. El
calentamiento inicia con un específico rango de temperatura. Como el pre
impregnado es calentado en el autoclave, la viscosidad de la resina en la etapa B
disminuye, hasta llegar a un mínimo, y luego incremente rápidamente. En la Figura
4 se muestra un típico ciclo de curado con dos etapas.
En la primera etapa del ciclo de curado consiste en aumenta la temperatura hasta
125°C y mantener esa temperatura por cerca de 60 minutos, hasta que la viscosidad
mínima de la resina es alcanzada. Durante este periodo, una presión externa es
aplicada, causando que el exceso de resina fluya al exterior. El flujo de reina es
crítico, ya que esto permite que el aire y las partículas atrapadas en el pre
impregnado se remuevan. Al final de ese calentamiento, la temperatura del
autoclave se aumenta a la temperatura de curado y es mantenida por dos horas,
hasta que un predeterminado nivel de curación ha ocurrido.
Al final del ciclo de curado, la temperatura es lentamente reducida mientras que el
laminado todavía está presurizado. El laminado es removido de la bolsa de vacío y,
si es necesario, pos curado a una elevada temperatura en una cámara que permita
la circulación de aire.
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Figura 4. Típico proceso de curado de 2 etapas.
La temperatura y presión son seleccionados cumpliendo los siguientes
requerimientos:
- La resina es curada uniformemente y se debe conseguir un grado específico
de curado en el menor tiempo posible.
- La temperatura en cualquier posición dentro del pre impregnado no debe
exceder el límite preestablecido.
- La presión de curado debe de ser suficiente para exprimir todo el exceso de
resina antes de que la resina de enfríe.
Otros factores importantes que se debe tener en cuenta:
- Determinar la cantidad adecuada de material.
- Determinar la cantidad mínima de energía necesaria para calentar el
material.
- Determinar el tiempo mínimo necesario para calentar el material.
- Determinar la técnica de calefacción adecuada.
- Predecir la fuerza necesaria, para asegurar que el material alcance la forma
adecuada.
- Diseño de molde para un enfriamiento rápido después de que el material ha
sido comprimido en el molde.
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2.6 Ventajas y desventajas
2.6.1 Ventajas
- Capacidad de fabricar geometrías complejas
- Baja porosidad
- Alto porcentaje de fibra
- Curado controlado
- Capacidad para mantener temperatura uniforme y controlada
- Posibilidad tanto de fabricar con tejido, cinta unidireccional y núcleos
2.6.2 Desventajas
- El costo de presurización, calenamiento, enfriado y vacío es muy elevado.
- La operación requiere much tiempo
- El proceso no se puede llevar a cabo para producir en serie
- Los materiales son muy caros
2.7 Aplicaciones
Los elementos estructurales de material compuestos son usados en una gran
variedad de componentes en la industria automotriz, aeroespacial, marina y
arquitectura, además de otras áreas como deportes.
El uso de materiales compuestos ha ido incrementado año con año. El porcentaje
de estructuras de material compuesto en aviones militares y civiles ha aumentado
a aproximadamente 90% en muchas aplicaciones.
En la Figura 5 se muestra un helicóptero construido casi totalmente de materiales
compuestos. Este es un claro ejemplo del uso de materiales compuestos hechos
por autoclave. El método de autoclave es el método más usado en la industria
aeroespacial, debido a su gran calidad y desempeño.
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Figura 5. Helicóptero Airbus H150. Está hecho casi completamente de materiales compuestos.
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3. Conclusiones
El autoclave, al ser un proceso caro pero de alta calidad, es ideal para ser usado en
la industria aeroespacial. Se puede llegar a obtener que el porcentaje de fibra sea
del 60%, por lo que el porcentaje de la matriz es del 40%. Esto se considera lo ideal
en un material compuesto, por lo que la autoclave es un buen método para la
realización de componentes de material compuesto.
El proceso es muy largo, por lo que no es recomendable para la producción en serie.
Los estándares para la realización de la autoclave son altos, de otra forma la calidad
del material sería menor. Por lo anterior, determinar las temperaturas y presiones
de curado es crucial para que la resina sobrante pueda fluir y así evitar aire y otras
partículas en el material.
Los materiales ideales para este proceso son, en cuanto a fibras, carbono, kevlar y
vidrio, mientras que para la matriz, las resinas epoxi y fenólicas, debido a las
características propias de los materiales y a que con ellos se pueden alcanzar
materiales con grandes resistencias y poco peso.
Este proceso es ideal en la industria aeronáutica, pues ésta tiene altos estándares
en la elaboración de sus piezas, aunque también se le dan otras aplicaciones como
en la industria automotriz.
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5 Referencias
Gueneri Akovali. Handbook of Composite Fabrication. Rapra technology Ltd.
Besednjak Dietrich. Materiales compuestos. Procesos de fabricación de
embarcaciones. Aula Politécnica / Náutica. Primera Edición. Septiembre 2005.
Direct Industry. Autoclave para pieza de materiales compuestos. Disponible en:
http://www.directindustry.es/prod/olmar/product-55217-363150.html
Marcelo R. Cimino. De Compuestos y Autoclaves. Disponible en:
http://interdefensa.argentinaforo.net/t4726-de-compuestos-y-autoclaves