Hoy en día, la fabricación de materiales compuestos se encuentra en pleno desarrollo e innovación de cara al futuro del plástico.
La industria en este sector específico invierte un gran número de horas en procesos manuales, en los que los costos de producción son elevados y es difícil lograr la repetibilidad del proceso. Por lo tanto, encontrar procesos tecnológicos avanzados es clave para alcanzar los volúmenes de producción, costos y características de los materiales convencionales.
Otro de los principales problemas de los materiales compuestos es su reciclabilidad. Esto se debe a que el tipo de polímero utilizado como resina en la mayoría de las aplicaciones es termoestable. Este material se degrada cuando alcanza cierta temperatura, lo que hace imposible reciclarlo por fusión.
Por el contrario, los materiales termoplásticos son capaces de fundirse sin perder sus propiedades mecánicas; sin embargo, estas son generalmente inferiores a las que se encuentran en los termoestables.
Con respecto a los materiales de refuerzo comúnmente utilizados como la fibra de vidrio, la fibra de carbono o la fibra de aramida, tienen procesos de producción costosos y no ecológicos. Asimismo, su reciclabilidad es compleja.
A continuación, presentamos las tendencias de procesos y materiales en desarrollo que responden a algunas de las cuestiones planteadas anteriormente y son una referencia en la innovación de los materiales compuestos.
Pero antes de profundizar en el futuro de los compuestos, no olvides leer el artículo sobre la «Historia y evolución de los materiales compuestos» para conocer todos los detalles de la evolución de estos materiales y obtener una perspectiva más completa.
COLOCACIÓN AUTOMÁTICA DE FIBRA (AFP)
La colocación automática de fibra, conocida por sus siglas en inglés como AFP, es un método avanzado y automatizado de fabricación de materiales compuestos.
Este proceso consiste en calentar y compactar fibras no metálicas preimpregnadas con resina sintética en mandriles de herramientas generalmente complejos. La fibra se encuentra comúnmente en forma de «tow» o cable, que típicamente es fibra de carbono impregnada con resina epoxi. Los hilos se alimentan a un calentador seguido de un rodillo de compactación en el cabezal del FPM y mediante movimientos ejercidos por un brazo robótico, los hilos se colocan a lo largo de la superficie del molde. Generalmente, los hilos de carbono se colocan en orientaciones de 0º, 45º, -45º y 90º para formar capas que, en combinación, tienen buenas propiedades en todas las direcciones.
Las máquinas de colocación automática de fibra son un desarrollo reciente dentro de las tecnologías de fabricación de compuestos. Tienen como objetivo aumentar la relación, precisión y repetibilidad de la producción de piezas compuestas avanzadas.
Las máquinas AFP colocan refuerzos de fibra sobre moldes o mandriles de forma automática y utilizan una serie de hilos estrechos (típicamente de hasta 8 mm) de material termoestable o termoplástico prepreg para formar diferentes laminados.
Esta tecnología permite una mejor precisión y mayores tasas de deposición en comparación con los procesos manuales realizados por laminadores experimentados. Sin embargo, esta tasa no alcanza los niveles de las máquinas ATL (colocación automática de cinta), que solo son capaces de producir compuestos con geometrías más simples. En contraste, el nivel de complejidad que permite la tecnología AFP es increíblemente alto.
IMPRESIÓN 3D DE FIBRA CONTINUA
Recientemente se han desarrollado sistemas de fabricación aditiva para materiales compuestos. Para lograrlo, ha sido necesario integrar una máquina FFF (fabricación de filamento fundido) junto con una máquina AFP termoplástica.
En este caso, la resina a utilizar es un polímero termoplástico porque es necesario fundir el material para llevar a cabo esta tecnología. Recordando que los termostables se degradan a ciertas temperaturas, mientras que los materiales termoplásticos se funden antes de degradarse.
En este caso, se utilizan termoplásticos de alto rendimiento combinados con diferentes tipos de refuerzo de fibra.
Esta máquina es capaz de imprimir materiales solubles utilizados para crear soportes o partes de molde, cinta de fibra continua y fibra en formato picado.
El primer paso consiste en depositar el material soluble en la base de impresión, sobre la cual el robot imprimirá el refuerzo de fibra con el baño de resina termoplástica fundida. El material se consolida directamente, compactándolo en el proceso. En el caso de la cinta de refuerzo, se suelda con láser al material de soporte.
Las propiedades alcanzadas con esta tecnología son muy competitivas y la porosidad de la pieza final se puede comparar con la producción en autoclave.
INYECCIÓN DE FIBRA CONTINUA
La empresa EURECAT ha desarrollado un sistema en el que la fibra continua se inyecta al mismo tiempo que la resina termoplástica fundida. Para ello, es necesario crear cavidades tubulares o moldes huecos de pequeño diámetro para hacer pasar el material a través de ellos.
Para esta tecnología, es importante conocer los parámetros de curado del material compuesto, ya que se debe verificar que alcance todos los puntos diseñados.
Una vez curado, la resina se solidifica y unifica todo el material junto con la cavidad en la que se encuentra.
Esto permite la creación de piezas altamente optimizadas fabricadas con materiales muy ligeros reforzados únicamente en sus puntos críticos mediante nervios de material compuesto de alto rendimiento.
ADICIÓN DE GRAFENO EN MATERIALES PLÁSTICOS
El grafeno está compuesto puramente de moléculas de carbono, con sus átomos dispuestos en un patrón hexagonal regular. Este material ofrece un valor de resistencia muy alto, por lo que al agregar un porcentaje en peso de solo 0,5% con materiales plásticos puede mejorar la rigidez hasta 2,5 veces y la resistencia a la tracción de estos materiales en un 15%.
VÍTRIMEROS
En respuesta a este gran inconveniente, se ha desarrollado un material llamado Vitrímero. Este material está altamente reticulado, como los termoestables, ofreciendo las buenas características asociadas.
Sin embargo, a diferencia de los termoestables, que tienen una forma fija permanente después del curado, la química de los vítrimeros da como resultado un producto que puede ser remoldeado.
Los vítrimeros consisten en cadenas moleculares unidas por fuertes enlaces covalentes. La principal diferencia con los termoestables es que, gracias a los procesos de reacción de intercambio, los enlaces covalentes se vuelven reversibles cuando se aplica calor.
Esto significa que a altas temperaturas la viscosidad del material disminuye, haciéndolo capaz de fluir. Cuando se enfría, la viscosidad aumenta nuevamente, comportándose como un sólido blando con características y propiedades similares a las de los termoestables.
Por lo tanto, este material les permite ser maleables después de haber sido completamente curados y remodelados trabajando a una temperatura específica.
Una aplicación muy interesante es la de piezas que pueden autorrepararse por sí mismas. Al aplicar cierta temperatura al área en cuestión, el material fluirá lo suficiente como para volver a endurecerse en su posición.
COMPUESTOS DE MACROFIBRA
Estos materiales compuestos inteligentes no están vivos, pero son capaces de «sentir» y moverse. Es un material desarrollado por la NASA en 1999, que consiste en un laminado de barras piezoléctricas rectangulares intercaladas entre capas de adhesivo, electrodos, películas de poliamida y epoxi estructural.
Los electrodos se adhieren a la película en un patrón interdigital que transfiere el voltaje aplicado directamente hacia y desde las barras en forma de cinta. Así, este conjunto permite la polarización, actuación y detección en el plano.
El MFC también se puede adherir (generalmente pegado) como una película delgada a la superficie de varios tipos de estructuras, o incrustado en una estructura compuesta. Si se aplica tensión, funciona como actuador y doblará o distorsionará materiales, contrarrestará vibraciones o las generará. Si no se aplica voltaje, puede funcionar como una galga de deformación muy sensible, detectando deformaciones, ruido y vibraciones.
El MFC también es un excelente dispositivo para aprovechar la energía de las vibraciones; a gran escala podría utilizarse como un útil recuperador de energía eléctrica.
Utilizando todas las propiedades que estos materiales nos ofrecen, podemos lograr partes y materiales inteligentes necesarios para el surgimiento de la industria 4.0 en el sector de los materiales plásticos.
FIBRAS NATURALES
El uso de fibras naturales está creciendo significativamente en la industria de los polímeros debido a la tendencia en la búsqueda de materiales biocompatibles, reutilizables y ecológicos.
El costo de procesar este tipo de refuerzo es generalmente bajo, por el contrario, sus propiedades mecánicas también son bajas. Sin embargo, las fibras híbridas (entendidas como una mezcla de sintéticas y naturales) pueden ofrecer características muy competitivas.
Las fibras más comunes utilizadas en la fabricación de materiales compuestos son: Cáñamo, Lino, Yute, Agave, Coir y Gomuti.
