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bobinado filamentario mandriles

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BOBINADO FILAMENTARIO Y EL USO DE MANDRILES PARA LA FABRICACION DE MATERIALES COMPUESTOS

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Equipos y utillajes

Maquinas de enrollamiento filamentario

El fin de este tipo de maquinas es realizar los distintos movimientos para aplicar las bandas de fibra impregnada sobre el mandril, en el proceso de bobinado ya determinado.La disposicin general de estas maquinas es con el mandril horizontal, entre la cabeza y el fondo de la maquina. El sistema de alimentacin de fibra avanza a lo largo de la pieza a una velocidad sincronizada con la rotacin del mandril para depositar el refuerzo en el ngulo de enrollado requerido.Son medianamente complejas segn la dificultad de las estructuras a bobinar clasificndolas de forma general en dos grupos

Mquinas de bobinado satlite o polar

Los dos principales movimientos de rotacin son del mandril alrededor de su eje de rotacin y el movimiento de rotacin del sistema distribuidor de mechas o del conjunto del sistema que lleva el mandril alrededor del otro eje generalmente concurrente

Tienen la ventaja de producir movimiento continuo y regular que minimiza los efectos inerciales ocasionados por cambios de velocidad y de direccin

La desventaja principal es que se necesita montar el mandril en puerta falsa por una de sus extremidades. En el caso de piezas grandes, la disposicin del mandril horizontalmente tendra que ser cambiado a la posicin vertical, lo que no es deseable si se realiza en la va hmeda. Habitualmente en las maquinas de bobinado para el proceso en piezas grandes se dispone de mandril en vertical, eliminando las deflexiones debidas al peso y permitiendo una construccin simple del brazo rotatorio de alimentacin, aunque se limita al procedimiento en fase seca.

Las formas realizables son limitadas, se utiliza generalmente para distribuir los refuerzos longitudinales, sobre piezas polares como esferas o depsitos cilndricos de fondo bombeado, por lo que se relaciona a estas maquinas un conjunto de bobinado helicoidal/circunferencial.

Bobinado polar o satliteMaquinas de bobinado helicoidal

Sus principales movimientos de rotacin son del mandril alrededor de su eje de revolucin y del movimiento de traslacin del sistema de distribucin de fibra a lo largo de la longitud del mandril.

La solicitacin de las mechas es provocada por el desplazamiento relativo del mandril con relacin al sistema distribuidor y que, en consecuencia, es posible conservar uno de los rganos fijo y animar al otro con un movimiento equivalente a dos movimientos compuestos. Asociando los dos movimientos primarios, se producen movimientos secundarios capaces de asegurar cualquier posibilidad siguiendo os tres ejes de coordenadas. Cada movimiento puede ser controlado independientemente por microprocesadores que permiten la parada y el movimiento independiente en cada eje. Con 6 movimientos independientes la maquina puede colocar las fibras entorno a esquinas, aperturas, aros, asas, etc.

Las desventajas de estas maquinas se presentan en los movimientos alternativos, aunque son las que ofrecen las posibilidades ms extensas, ya que pueden soportarse sus mandriles en sus dos extremidades, de igual forma las ventajas son en sus extensas formas realizables. La posicin del mandril generalmente es horizontal, lo que reduce los riesgos de prdida de resina en el caso del procedimiento por va hmeda y mejora las condiciones de acceso a los diferentes rganos.

Desde el punto de vista constructivo, se puede decir que todas las tcnicas han sido utilizadas. La relacin de velocidad entre los diferentes movimientos ha sido obtenida mediante cajas de velocidad, reductores sistemas diferenciales, etc. Las maquinas destinadas a tareas ms complejas, necesitan, adems mandos hidrulicos y casi siempre sistemas electrnicos de programacin, dirigiendo simultneamente todos los movimientos con gran precisin.

Con la llegada de la robtica, los autmatas programables han interrumpido en el bobinado continuo. Se han desarrollado robots que posen gran cantidad de grados de libertad y que, controlados mediante autmatas, permiten el posicionado del refuerzo sobre el mandril de forma precisa y sobre configuraciones con alto nivel de dificultad.

Maquinas de bobinado helicoidal

Mandriles o moldes para el proceso de enrollamiento filamentario

Los mandriles de bobinado deben responder a las siguientes exigencias: Ser idnticos al perfil y a las dimensiones de las piezas a moldear. Ser dimensionalmente estables y tener un coeficiente de expansin apropiado para el refuerzo usado Ser suficientemente resistentes para soportar su propio peso y para soportar los esfuerzos por el bobinado bajo tensin y las contracciones de polimerizacin sin deformarse No deben ser demasiados pesados, lo que ocasionara problemas de rendimiento de mquinas y manipulacin Ser capaces de soportar las condiciones de polimerizacin de las resinas, tanto desde el punto de vista qumico como desde el punto de vista trmico. Estar diseados para facilitar el desmolde sin perjudicar a las piezas El coste debe ser apropiado al valor del componente fabricado, y al nmero de piezas que se van a fabricar con ese til.

Mandril destructible de yeso

Materiales habitualmente usados para la construccin de moldesPara el bobinado de piezas no estructurales y con pocos requerimientos dimensionales se usan mandriles de cartn, madera o resina epoxi. Para la fabricacin de piezas de altos requerimientos estructurales y dimensionales se usan mandriles de acero diseados para un uso prolongado en condiciones adversas de temperatura, carga y polimerizacin.

En aplicaciones que polimerizan en horno (315 C) se usan mandriles de grafito por su bajo coeficiente de expansin trmica.

Existen aplicaciones, como las carcasas de los motores de cohetes espaciales y algunos depsitos que tienen reas muy reducidas en los extremos, por lo que resulta difcil el desmolde de la piezas. En estos casos se utilizas materiales para construccin de mandriles que sean fcilmente rompibles. En este caso tenemos mandriles de arena soluble en agua, mandriles destructibles en yeso, mandriles de yeso soluble, de sal soluble o fundible y mandriles fundibles en aleaciones metlica de bajo punto de fusin.

Tipos de mandriles

Mandriles desmontables en aleacin ligera: realizacin delicada, precio elevado. Desmontajes y montajes gastan tiempo, precisos, resistentes y ligeros, utilizados en fabricacin de series importantes Mandriles destructibles en yeso: moldeados, fabricados y tratados en superficie. aplicaciones de gran dimetro. Necesitan refuerzos interiores para soportar la presin del bobinado. Se rompen por el interior, la rotura puede ser complicada y causar daos a la pieza. Utilizados para piezas complejas y en series limitadas Mandriles fundibles en aleaciones metlicas: muy pesados, deformacin por creep ante moderadas tensiones de bobinado, limitados para depsitos pequeos del orden 0.3 m de dimetro por 0.3 de longitud Mandriles de arena solubles en agua: usados en piezas de dimetro superior a 1.5 y en series limitadas. Baja resistencia a compresin. Solubles en agua caliente Mandriles de sal fundible: dimetros de pieza superiores a 0.6 m, fcilmente extrables. Mandriles inflables: fabricacin de piezas de forma cncava con curvatura entrante. Transferencia de piezas sin curar a un molde cerrado. Polimerizacin con forma cncava.

La eleccin de una de las soluciones entra en funcin del tipo de pieza a realizar y de la cantidad y del coste.

La presin que debe de soportar el mandril durante el bobinado es el 20% de la presin interior del depsito y se plantea como requerimiento el que el desplazamiento radial sea igual o inferior a 0.5 mm.

Relacin entre el dimetro y el espesor de pared de un mandril de un depsito a presin fabricado con distintos materialesSimulacin del proceso

El enrollamiento continuo ofrece uno de los ms altos grados de automatizacin en cuanto a impregnacin, posicionamiento y orientacin de fibras en el material compuesto. Actualmente existe software de simulacin que permite calcular los ngulos de enrollamiento y colocacin de fibra en el mandril dado un requerimiento de resistencia. De esta forma se optimiza la colocacin de fibra y se consigue una reduccin en el peso. As se puede conseguir valores diferentes de rigidez en diferentes secciones.Se puede lograr economizar hasta un 30% de material y un 70% de tiempo. Adems aseguran el posicionamiento de la fibra, logran una tensin uniforme, y realizan una impregnacin definida. Controla los movimientos de la maquina suavizndolos y aprovechando las mayores velocidad y aceleraciones para reducir el tiempo de produccin

Este tipo de software de simulacin puede ir ensamblados a programas de elementos finitos lo que permite estudiar deformaciones producidas en la estructura laminada permitiendo realizar estudios previos de diferentes configuraciones.

Simulacin de enrollamiento contino

Normativa asociada al procesoLas normas ASTM enlistadas a continuacin, son las relacionadas con el proceso de bobinado continuo y la elevacin de la calidad de las piezas fabricadas mediante este proceso

Referencia ASTMDescripcin

D2290Determinacin de la resistencia aparente de piezas tubulares de plstico reforzado

D2291Fabricacin de aros de ensayo de composites reforzados con fibra de vidrio

D2585Preparacin y ensayo resistente de depsitos a presin fabricados por enrollamiento continuo

D2586Resistencia a compresin hidrosttica de cilindros de plsticos reforzados con vidrio