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