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Nov 30, 2023

La tecnología de colocación de fibra a medida está haciendo que la fibra de carbono sea una opción más viable

Los avances en la tecnología de colocación de fibra personalizada están haciendo que la fibra de carbono sea más

Los avances en la tecnología de colocación de fibra personalizada están haciendo que la fibra de carbono sea una opción principal más viable. Más barato, más fuerte y mucho más adaptable, las posibilidades de fabricación son amplias, como explica Richard Harrington.

Agregar 'ligereza' es un método eficaz para aumentar la eficiencia y mejorar el rendimiento. Los compuestos han sido una opción de moda para lograr resultados de aligeramiento, pero las mejoras recientes en el proceso de colocación de fibra a medida (TFP) amplían aún más los beneficios tradicionales que se obtienen con el uso de fibra de carbono, incluida una mayor resistencia. El TFP moderno también reduce los costos y hace que el compuesto sea adecuado para una aplicación más amplia.

"Más allá de un puñado de aplicaciones de bajo volumen, la industria automotriz descubrió que la productividad relativamente baja, los altos costos, el desperdicio de material y los procesos de fabricación intensivos en mano de obra han sido prohibitivos para la adopción a mayor escala de fibra de carbono como material para grandes o complejos componentes", explica Julius Sobizack, director general deZ, SK , el fabricante alemán de máquinas de bordar responsable de los refinamientos innovadores realizados en el proceso TFP. "TFP ha existido desde la década de 1990, pero sus beneficios solo ahora se están extrayendo a través de los avances en la forma en que se colocan los materiales y la comprensión de sus propiedades complejas".

En esencia, TFP aumenta el nivel de automatización asociado con la fabricación de polímeros reforzados con fibra de carbono (CRFP) al mismo tiempo que reduce drásticamente el desperdicio de material. Aunque TFP fue una opción atractiva al principio, inicialmente no logró los niveles de productividad necesarios para convertirse en una técnica convencional. Las actualizaciones del proceso prometen resolver estas preocupaciones y la adopción ya se está generalizando entre los fabricantes de equipos aeroespaciales, de defensa, médicos, de energía limpia, de ropa inteligente y deportivos.

TFP ofrece una libertad virtualmente ilimitada en términos de aplicaciones y pone los beneficios de los compuestos al alcance tangible. Por ejemplo, CRFP puede ser 10 veces más fuerte que el acero y pesar una quinta parte. Esto se traduce en importantes ahorros económicos para la industria automotriz y aeroespacial, en particular. "Estudios independientes muestran que una reducción de peso del 10 % puede resultar en una mejora del 6-8 % en la economía de combustible", explica Sobizack. "Los ahorros son más marcados en el sector aeroespacial, donde, según un importante operador de aerolíneas, cada kilo extraído de su flota de aeronaves le ahorra a la empresa 20 000 dólares al año. Por supuesto, estos beneficios están perfectamente alineados con el requisito de reducción constante de las emisiones. "

Una de las desventajas más obvias de la fibra de carbono es el costo. Utilizando técnicas de fabricación tradicionales, los componentes pueden costar 20 veces más que una pieza de acero equivalente. Tampoco es adecuado para formas complejas o de carga: las propiedades físicas de las fibras de carbono son inmensamente fuertes solo cuando se aplican fuerzas a lo largo de su longitud. Debido a esto, las capas de fibra de carbono se aplican en diferentes ángulos para desarrollar la resistencia de un componente en múltiples direcciones, lo cual es un desafío para las formas complejas y requiere mucha mano de obra. Cada capa se corta a partir de láminas de fibra de carbono, que a menudo está preimpregnada con la resina de la matriz (llamada "prepreg"), lo que genera un alto desperdicio de un material costoso: tasas de hasta el 60 % en algunos casos. TFP aborda directamente estas preocupaciones.

TFP utiliza técnicas basadas en bordado para fabricar compuestos. A diferencia de los métodos tradicionales de construcción con laminado, TFP comienza con el material de refuerzo en su forma más resistente y generalmente más asequible: fibras secas. Sin capas que preparar antes de crear la preforma, la etapa de corte se elimina por completo. Al colocar fibras en su lugar y coser periódicamente a la capa base, los materiales de desecho se reducen hasta el punto de que la tasa de desperdicio de material en una pieza TFP está en la región de 1 o 2%.

"Una de las principales ventajas de TFP es que las fibras individuales se pueden colocar exactamente como se requiere, sin necesidad de múltiples capas, lo que brinda a los diseñadores una libertad casi ilimitada para optimizar una estructura en función de las fuerzas que actúan sobre ella", señala Melanie Hoerr, técnico de ZSK. gerente de bordado. "Su nivel de automatización hace que TFP sea completamente repetible, lo que minimiza la variación en la dimensión, la densidad o la posición de la fibra y elimina el error humano, lo que garantiza un rendimiento estructural constante.

"Con este proceso, se pueden depositar capas de hilo sin coserlas al material base a intervalos regulares", continúa. "Para mantener la posición, las capas se pueden anclar en algunos puntos clave, lo que permite que la preforma se deforme en formas 3D complejas cuando se presiona en un molde, lo que da como resultado una geometría que sería casi imposible de replicar utilizando métodos automatizados alternativos. Esto permite que la fibra de carbono convertirse en una opción rentable para los fabricantes que diseñan componentes livianos que soportan carga, como componentes de suspensión, elementos de carrocería, soportes de montaje y otros elementos estructurales y semiestructurales que tradicionalmente se habrían fabricado con acero o aluminio. el ahorro de peso es considerable".

Antes de TFP, no siempre había sido posible satisfacer una gama completa de condiciones de carga con orientaciones de fibra fijas, incluso mediante la acumulación de múltiples capas. Cada capa debe cortarse individualmente, a menudo de preimpregnado, lo que genera un desperdicio considerable y requiere mucha mano de obra. Los materiales preimpregnados también tienen sus propios matices y barreras de entrada: deben mantenerse a baja temperatura para evitar que la resina termoestable envejezca, y la tecnología de corte requerida puede ser compleja y costosa. Esto limita el alcance de la producción en masa y eleva el costo de los productos terminados. En comparación, los termoplásticos que generalmente se usan como parte de una matriz TFP se pueden mantener a temperatura ambiente y tienen una resistencia al impacto mucho mejor en comparación con las resinas termoestables.

Una de las innovaciones de ZSK que ha resultado en la evolución de la accesibilidad de TFP es la introducción de su tecnología Fast Fiber Laying. Esta técnica permite colocar capas intermedias de hilo de forma extremadamente rápida y con un mínimo de puntadas, centrándose en el anclaje y los cambios de orientación del hilo. Luego, la capa superior se cose a fondo, fijando las capas de abajo. Esto es mucho más rápido que unir cada capa a la capa base a intervalos regulares y complementa la huella de fabricación flexible que es inherente a TFP.

El proceso automatizado se extiende al cambio entre cambios de hilo o bobina y es altamente escalable. Cada cabezal de máquina ZSK puede colocar entre 1 y 3 kg de preforma de fibra de carbono por hora y puede manejar dos mechas de hasta 60 000 fibras cada una. Las máquinas con hasta ocho cabezales pueden crear componentes simultáneamente para reducir considerablemente el tiempo de ciclo. TFP es un concepto simple, pero complejo de perfeccionar. Los diseñadores deben comprender la simulación de drapeado (dónde agregar o quitar material para garantizar que las preformas 2D presionen con éxito una estructura 3D) y dónde y cómo se deben aplicar las puntadas para una distorsión óptima y la fuerza deseada. Debido a esta complejidad, ZSK ha establecido centros de investigación y capacitación tanto en Europa como en Seattle, EE. UU. Estos centros permiten a los ingenieros familiarizarse con el proceso, pero también comprender mejor su importante potencial.

"Los principios de TFP se pueden aplicar a algo más que a la fabricación de compuestos de carbono", concluye Sobizack. "Para una variedad de industrias, una máquina de bordar de dos cabezales, por ejemplo, se puede usar para coser un componente integrado, como cableado eléctrico, elementos calefactores, medidores de tensión o antenas. Esto permite una utilización más generalizada de textiles inteligentes integrados con elementos como componentes RFID. Incluso los sistemas de cableado complejos se pueden bordar para aplicaciones tales como interiores automotrices o aeroespaciales de próxima generación; el potencial es enorme".