Técnica de la fibra de vidrio / tecnología / lo que debes saber primero / capitulo 2.

Resistencia a la tracción[2] de algunos materiales Kpsi *

Hierro fundido                         10 – 40

Lamina de acero                 200 – 300

Acero de cuerda de piano            450

(Diámetro 0.12 mm)

Aleación de magnesio           30 – 40

Aleación de aluminio             20 – 80

Seda                                              50

Algodón                                         50

Fiberglass (E-glass) **                  500

Kevlar 49                                     700

* 1 Kpsi = 0.703 Kg / mm²

** La resistencia de los filamentos depende de su diámetro y va desde unos 20 Kpsi (14 Kg/mm2) para un diámetro de 0.005 pulg (0.13 mm)  hasta unos 500 Kpsi (351 Kg/mm₂) para un diámetro de 0.00025 pulg. (0.0065 mm).

Módulos de elasticidad "E"  (x 1000 psi)

Caucho                                              1 

Matriz  típica de resina                   800

Fibra de nylon                                800

Lignina del bambú (la matriz)     1 000

Fibra de bambú                          4 000

Madera (aprox., abeto)               2 000

Aluminio (2024T3)                    10 600

Kevlar 49 (fibra)                        19 000

Acero                                        30 000

Carbón (grafito) fibra                34 000

Oxido de aluminio (zafiro)        60 000

Diamante                                170 000

(Ver tabla A2 del apéndice para más información)

2.4 presentación de los refuerzos

Estos tres refuerzos pueden ser adquiridos en muchas formas y estilos de tejidos. Todos los tres están por lo general disponibles en fardos (Inglés: tows) (forma de fibra unidireccional pura),  “velos”(veil mats) [3], y telas tejidas (woven fabrics). La fibra de vidrio también es ofrecida como un “mat”, éste tiene la apariencia de una felpa formada por fibras recortadas y entreveradas o por fibras continuas ensortijadas sin ningún patrón de tejido. A continuación se describen con más detalle las presentaciones de los refuerzos.

a. Fardos de fibras paralelas sin ningún torcimiento (tows or rovings): El material en esta presentación exhibe las más altas propiedades posibles para una familia dada de fibras. Estos son típicamente suministrados en carretes de tal manera que pueden ser desenrollados desde bobinas y cortados como sea necesario para rigidizar áreas selectivas. Las fibras deben permanecer en tensión mientras cura la resina de lo contrario se pierde la ventaja mecánica. Una vez en servicio, deben primero tensionarse antes de que la fibra empiece a soportar la carga. Obviamente, mientras mas recta sea la colocación  inicial del tejido, mejor. Es posible enrollar tubos extremadamente fuertes usando esta forma de material.

b. Velos (veil mats):

Los “veil mats” (velos),  son capas delgadas de fibras continuas con ensortijamiento y entrelazadas al azar para formar rollos del material. Este tiene la consistencia del papel higiénico. Un aglomerante ligero se usa para mantener el velo unido. Mientras no sea  para uso estructural, este tiene dos funciones muy importantes.

Primero, puede ser colocado en el molde directamente detrás de la capa de superficie para  minimizar la impresión de las telas de refuerzo mas pesadas tendidas a continuación.  Este fino revestimiento exterior también permite  algo de pulido de la superficie de las piezas terminadas sin llegar afectar el material de refuerzo que esta debajo de el.

El segundo uso más importante es con núcleos usados en construcciones tipo sándwich. Un velo puede ser colocado directamente sobre el núcleo para mantener el espesor óptimo de la superficie de unión. El velo es también efectivo para prevenir el escurrimiento del exceso de resina dentro de las celdas de los núcleos del tipo de “panel de abejas” cuando no se usa la técnica de vacío.

c. CSM (Chopped Strand Mat) MAT de fibras de vidrio recortadas: Este material es justo lo que dice su nombre. Las fibras son típicamente de 3 a 4 pulgadas de longitud y están orientadas al azar. Las felpas de fibras recortadas no son materiales resistentes a causa de la corta longitud de las fibras. Sin embargo es un material isotrópico. Esto significa que tiene igual resistencia en todas las direcciones.

Los CSM y los rellenos[4] (fillers) son los únicos refuerzos de CFRP que exhiben esta característica. Este es la forma más barata de refuerzo y por tanto la más ampliamente usada. Esta disponible para producción de moldes y piezas. La orientación al azar efectivamente oculta la impresión de la tela a través de la capa de gelcoat y  produce moldes que son igualmente rígidos en todas las direcciones. Debe anotarse que el CSM solamente es compatible con las resinas poliéster.

d. Telas tejidas: Los telas tejidas son muy resistentes porque las hebras están orientadas solamente en dos direcciones. Las fibras longitudinales y las fibras transversales corren a 0 y 90 grados respectivamente. Por lo tanto, las telas resultantes son anisotrópicas, o resistentes solamente en dos direcciones. Las telas necesitan ser orientadas de tal forma que las hebras corran paralelas a las cargas esperadas. Si se necesita resistencia extra en una dirección, debe añadirse otra capa a un ángulo dado respecto de la primera. Los  ángulos  mas comunes son +/- 45 grados. Hay muchos estilos de tejidos de telas de donde escoger entre los principales tenemos:

• Los tejidos llanos(plain weaves). Son las telas mas empleados. En este tipo de tejidos, las hebras longitudinales se van cruzando  alternativamente, de forma ondulante a las hebras transversales  Estos tejidos son generalmente los menos laminables, pero son fáciles de cortar y manipular porque no se deshilan con facilidad, sin embargo su resistencia esta comprometida debido al severo doblamiento presente en la tela. Como ya se dijo cuando  se trato el tema de los haces paralelos de fibras “tows”, estas (las fibras) solamente producen su máxima resistencia cuando están perfectamente rectas. El continuo ondulamiento arriba/abajo/arriba/abajo reduce la resistencia de estas telas, aunque son todavía adecuadas para casi todas las aplicaciones excepto las de más alto desempeño.

·         Los tejidos satinados (satin fabrics),son altamente laminables y más fuertes que los tejidos sencillos vistos anteriormente. En los tejidos satinados, una hebra transversal flota sobre otras 3-7 hebras longitudinales antes de ser hilvanada bajo otra hebra longitudinal de la urdiembre. Las hebras corren rectas por más longitud en este tipo de tejido suelto, conservando la resistencia teórica de la fibra. Obviamente, la laminabilidad es superior, estas telas se adaptan fácilmente a formas complejas. Una vez cortadas, sin embargo, pueden deshilarse fácilmente a causa de la separación más amplia de las hebras.

·         Los tejidos cruzados(Twill weaves), este tipo de tejido tiene una secuencia de la urdiembre “sobre-dos-bajo-una” esto es una hebra corre longitudinalmente por encima de dos hebras transversales y luego por debajo de una, luego sobre dos y nuevamente bajo una y así sucesivamente. Ofrecen un equilibrio entre los tejidos satinados y los tejidos llanos, así como un frecuentemente deseado acabado cosmético de esqueleto de pescado (apariencia diagonal de la urdiembre).

2.5. Guía práctica para seleccionar el refuerzo

Para seleccionar el refuerzo  deben primero considerarse las exigencias de la pieza terminada. Haga un listado de la rigidez, peso, resistencia a la abrasión, o tolerancia a un daño específico así como si necesita o no de una estructura. No olvide considerar también el costo. Compare esta carta de referencia con las cartas de descripción de los materiales a fin de seleccionar el más aproximado. Recuerde que es debido al bajo costo en relación a su desempeño que la fibra de vidrio todavía esta vigente.

En general, cualquier tela de tejido simple puede ser usada para laminar una capa de protección sobre Madera. Si el laminado es para uso naval, al menos dos capas deberían de considerarse.

Los tejidos llanos de peso medio entre 6 y 10 onzas/yarda    son quizás los mas versátiles. Llamados típicamente telas de bote, son económicas, fuertes, y fácilmente conformables. Estas son a menudo combinadas con CSM cuando se construyen moldes, o usadas para proteger el núcleo en construcciones que no usan molde.

Los tejidos cruzados o satinados para aeronáutica deben ser usados donde se necesiten elevadas propiedades físicas.

2.6  Selección de la resina

La selección de la resina esta basada en su compatibilidad con la tela, condiciones de servicio, y características deseadas de la pieza terminada. Hay dos tipos comunes de resinas termofijables de las cuales se puede elegir: Epoxy y Poliéster. La confección de moldes, el moldeo, el laminado, y las operaciones de fundido pueden ser ejecutadas con cualquiera de estos sistemas.

El sistema epoxi es el de más alto desempeño y precio. Este es usado en casos donde el peso es crítico, y en aplicaciones de alta resistencia y precisión dimensional.

Las resinas poliéster son menos caras, ofrecen mayor resistencia a la corrosión,  y son mas tolerantes que las epóxicas. Por esta razón, estas son las más ampliamente utilizadas.

Ciertas resinas no son compatibles con las telas. Por ejemplo, el Kevlar a menudo tiene problemas  de adhesión, por lo que debería usarse con epoxi o  poliéster de la más alta calidad. También, los “mats[5]” de fibra de vidrio tienen un aglomerante de poliéster soluble, las resinas epoxi no pueden disolver este, y no deberían usarse nunca con los CSM. Verifique la compatibilidad de los materiales completamente cuando este diseñando su proyecto.

Las siguientes son algunas de las recomendaciones para la selección de las resinas.

·         Aplicaciones como adhesivos  Cuando una aplicación requiere propiedades adhesivas, las resinas epoxi son altamente recomendadas. Seleccione un epoxi con una “vida de cubeta” (pot-life) lo mas cerca posible al tiempo de trabajo requerido. Las fibras trituradas de vidrio pueden ser aglomeradas para crear una pasta de relleno estructural cuando sea necesario.

·         Aplicaciones para moldes: Se recomienda las resinas   de propósito general para la fabricación de moldes y/o piezas. Corte la tela y manténgala lista a la mano. Use brochas, rodillos de saturación y planchitas de caucho, para saturar la tela.

·         Para piezas que serán usadas en ambientes altamente corrosivos, Se recomiendan las resinas vinyl-ester.

·         Para reparaciones de propósito general y laminaciones delgadas: se recomiendan las resinaspoliéster enceradas (ver 3.5 para mas detalles). Si selecciona una resina epoxy, use una versión de corta vida de cubeta (pot-life) que curara más rápido cuando se rocíe en secciones delgadas.

¨Para aplicaciones que requieren mínima distorsión.Las resinas epoxy siempre producen las piezas y moldes dimensionalmente mas estables, pero un grado Premium de resina poliéster  puede ser usado exitosamente.

·         Para aplicaciones de fundición (casting): en las secciones gruesas deben utilizarse resinas especiales para vaciado. Las resinas estándar no son recomendadas para ser vaciadas en una masa lo suficientemente grande como el requerido por un proceso de  fundición.

2.7 selección de las herramientas

Comparado con el mecanizado clásico,  pocas herramientas especializadas son necesarias cuando se trabaja con CFRP. Sin embargo, hay un número de items que facilitan la tarea al tiempo que mejoran la calidad de la producción.

Rodillos de laminación pueden ser de plástico o metal. El tamaño depende del peso del laminado.

Objetos apropiados como paletas para mezclar, balanzas,y otros equipos de medida, tijeras de calidad, y muchos pares de guantes son ítems sencillos pero que con frecuencia son pasados por alto.

Planchas de caucho, brochas y rodillos son los aplicadores mas recomendados para saturar los refuerzos con resina. Las planchas de caucho y los rodillos de saturación pueden también ser usados para expurgar el aire y comprimir las capas del laminado, navajas de afeitar, y sierras de calar,son necesarias para recortar las piezas terminadas y los moldes. Use hojas de calidad para CFRP con dientes de paso medio para acelerar el corte. Lijadoras mecánicas, esmeriles, y topes son de ayuda en tareas largas, pero el trabajo puede ser hecho a mano con suficiente esfuerzo y tiempo. Finalmente se recomienda un bastidor-cortador para sostener y almacenar el material. El bastidor soporta  la tela horizontalmente sobre un tubo, y puede ser hecho con materiales de construcción simples.

Esta estación de corte esta equipada con dos rodillos para sostener el material, haciéndolo ideal para almacenar y cortar los telas, con un rodillo y una guía tensionantes, los telas pueden ser extendidos  sobre el tablero y mantenidos lisos y rectos mientras son cortados. Dimensiones ancho 64” alto  59” profundidad 30” (1.63 x 1.5 x 0.76 metros).

2.8 Estimación del peso y costo del material

Las estimaciones precisas de material son necesarias por dos razones. Primero, por obvias razones, estas son  necesarias para ordenar correctamente el pedido, stock de materiales, y oferta de proyectos. Más importante aun, las estimaciones ofrecen la oportunidad para calcular el peso y costo de la pieza usando una variedad de configuraciones antes de comenzar a construirlo.

A diferencia de las estimaciones que se hacen cuando se trata de la pintura, la cantidad de  resina variara dependiendo del tipo de refuerzo que será utilizado. Mientras más pesado es el refuerzo, mas resina necesitará para humedecerse. Un buen laminado a mano consiste de alrededor de 50% de tela y 50% de resina en peso.

Por ejemplo, si una aplicación requiere 3 yds  de un tela de 4 oz/ yd[1]  (el peso total del tela = 12  onzas), 12 onzas de resina también serán necesarios. Sin embargo, si se escoge 3 yds de un tela de 10 oz / yd   (el peso total del tela = 30 onzas), serán necesarias también 30 onzas de resina.

Los “MAT” de fibra de vidrio requieren un mínimo de   onzas de resina por cada onza de material. Por consiguiente, si una aplicación para  40 pies² (3,71 mt²) requiere   de un “mat” de 1-1/2  oz/pie² (5 Kg / mt²)^, este requerirá un mínimo de 60 onzas (18,55 Kg) de resina. Recuerde que los “MAT” son especificados en onzas por pie cuadrado, o en Kilos por metro cuadrado mientras que las telas son especificadas en onzas por yarda cuadrada. Un mat de 1-1/2 oz/pie² (5 Kg / mt²)  pesa realmente 13.5 oz/yd².

Desde que hay muchas posibles combinaciones de materiales, uno debe calcular el peso y el costo de una sola capa usando una variedad de refuerzos. Estos pueden entonces ser añadidos o sustraídos del laminado teórico hasta conseguir las propiedades del diseño.

2.9 Hoja de trabajo para la estimación de los materiales

1) Comience calculando el área superficial del proyecto. Estime también las formas redondeadas midiendo el tamaño aproximado de los rectángulos que los contienen. Multiplique la longitud por el ancho de cada rectángulo, y entonces sume todos los rectángulos individuales para conseguir el área superficial total de la pieza  Si el calculo esta en pies cuadrados, divida por nueve para tener yardas cuadradas.

2) Haga una lista de todos y cada uno de los tipos de refuerzo considerados para la laminación. Multiplique las yardas  cuadradas calculadas anteriormente por el peso en onzas por yarda cuadrada del tela, este valor es el peso de una sola capa de tela, éste es también el peso de resina requerida para saturarlo. Una vez hecho este calculo para dos o tres materiales diferentes, es posible calcular el peso y costo de un laminado construido con cualquier combinación de estas telas. Para convertir el peso de onzas a libras, divida por 16. Los inexpertos en saturación de fibras sintéticas  tienden a usar mucha mas resina que la necesaria. Un laminado bien saturado es uniformemente translucido, sin bolsas secas de apariencia lechosa,  pero por motivos de peso y costo, tiene un pequeño exceso de resina en él.

3) La etapa final es calcular el recubrimiento de gel coat. Todos los laminados requieren gel coat, a excepción de los laminados moldeados muy ligeros. Este gel coat deberá ser de 15-20 milésimas (de pulgada) de espesor. 

Un gel coat de 20 mil requerirá un galón de gel coat por cada 7.4 mt² (0,56 Kg / mt²) de superficie de molde. Cuando se recubre plywood con fibreglass, se requerirá resina adicional para fondear la madera. Para la mayor parte de las maderas este recubrimiento requerirá alrededor de 3 onzas de resina por cada pie cuadrado de superficie (0,904 Kg. de resina por cada metro cuadrado). Esto es en adición a la resina requerida para saturar la fibra. Solo por seguridad,  añada 20% más de resina al estimado original.

 Ejemplo

El siguiente ejemplo le ayudara a clarificar la estimación del material así como cubrir algunos aspectos del diseño. La construcción a de empezar  sobre un bote de 3.6 mt de largo, por 1.20 mt de ancho, cada lado es 75 cm de alto, y el  travesaño es de 1.2 x 0.75 mt. La plywood de ¾” (3/4 pulgadas) soporta las cargas, pero la fibra de vidrio necesita sellar y proteger el interior y el exterior del bote. Se ha seleccionado fibra de vidrio en lugar del Kevlar para mantener bajos los costos. ¿Cuanto material tomara, y cuanto peso será añadido?

Bote de Plywood cuya superficie será recubrirá por dentro y por fuera de resina reforzada con una capa de tela de fibra de vidrio.

1) Comenzamos calculando el área superficial de cada pieza.

- Piso:                  3.6 mt x 1.2 mt = 4.32 mt²

- Lados:                 3.6 x 0.75 x 2  = 5.4 mt²

- Travesaño                  1.2 x 0.75 = 0.9 mt²

                                  TOTAL       10.62 mt²

Hay 10.62 mt² por capa, y 2 capas serán añadidas tanto al lado interior como al exterior del bote. Seguidamente, transforme 10.62 mt² a yardas cuadradas. Esta conversión es necesaria así el área puede ser comparada con los pesos del tela que son listados en yardas cuadradas.

   10.62 mt² x 1.196 yd² / mt² = 12,70 yd²

También:

    10.62 mt² x 10.764 ft²/ mt² = 114,31 ft²

Los telas bajo consideración son tejidos llanos (plain weaves) de 10 onzas/ yd² y 7.5 onzas/ yd² respectivamente. El peso de la tela será multiplicado por el área superficial para determinar el peso total de una capa de tela.

 10 oz / yd²x 12.7 yd² = 127 oz.

         127 oz./ 16 = 7.9 lbs/ capa

7.5 oz/ yd²x 12.7 yd² = 95.25 oz

         95.25 oz / 16 = 5.9 lbs/ capa

Con una relación tela-resina 50/50,  la resina pesara también igual que la tela. Desde que el bote será usado solamente cerca de una playa arenosa, se selecciona una tela de 7.5 onzas, ahorrando 4 libras en total por capa (2 lbs de tela, y 2 lbs de resina). Si la playa ha de ser rocosa, la tela de 10 onzas podría haber sido una buena selección para larga duración y durabilidad independientemente del peso extra.

Para la capa extra de resina para recubrir el plywood, se necesitaran 0,904 Kg por metro cuadrado de área superficial para recubrir suficientemente la superficie, por lo tanto.

0,904 Kg/ mt² x 10.62 mt² = 9,6 Kg

9,6 Kg x 2.2 Lb/Kg = 21.12  lbs de resina.

En resumen. Se necesitan comprar:

- 12.7 yd²/capa x 4 capas = 50.8 yd de tela    de  7.5  oz/sq yd

- 5.9 lb/capa x 4 capas + 21.12 lb (capa extra) = 44,72 lb de resina (aproximadamente un bidón de 5 galones)

El peso de todos estos materiales es:

Resina: 5.9 lb x 4 capas = 23.6 lb

Tela                             = 23.6 lb

Capa extra de resina      = 21.12 lb

                         TOTAL   = 68.32 lb (31 Kg)

Conclusión

Se entiende que esta guía es para ayudar al principiante a conceptuar el proceso para hacer CFRP. Debido a los recientes avances  y disponibilidad de otros materiales compuestos de alto desempeño, algunos de ellos han sido incluidos también en este documento. La importancia de la selección de la fibra es crítica.

 Diseñe los proyectos alrededor de las propiedades de estas telas, seleccione entonces un sistema de resina que sea compatible con la tela y las condiciones finales de servicio que tendrá la pieza. La estimación de los materiales es también importantes en el proceso de diseño. Variaciones en la configuración del laminado pueden ser comparados en la etapa de diseño, y el laminado puede ser ajustado a las condiciones de servicio y presupuesto del proyecto.

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