Desarrollo de tecnología aditiva de preformado de composites

Desarrollo de tecnología aditiva de preformado de composites en el proceso productivo

16 septiembre, 2021 Enrique Hernández

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Las tecnologías aditivas están transformando los procesos de fabricación de plásticos y composites, permitiendo automatizar las series cortas y escalarse para su adaptación a las series largas. Además, la hibridación de las tecnologías aditivas con procesos convencionales permite superar sus actuales limitaciones aprovechando una gran parte de sus ventajas. La todavía inmadurez de la fabricación aditiva hace de este momento el óptimo para explorar, proteger y explotar estas tecnologías.

¿Cómo imaginamos el proceso productivo ideal? Posiblemente quisiéramos que aportara total libertad de diseño, que el coste de los equipamientos no fuera elevado y que fuera industrializable, versátil y escalable. Las tecnologías de fabricación aditiva son las únicas que nos permiten fabricar piezas de plástico y composite sin necesidad de utillajes, reduciendo al máximo, la distancia entre diseño y producción, superponiendo, dosificando y posicionando con precisión diversos materiales. Para ello, es necesario hibridar los procesos de fabricación, combinando la impresión 3D con otros post-procesos que complementen las actuales limitaciones de la fabricación aditiva.

La fabricación aditiva desde una perspectiva no tecnológica, podríamos decir que consiste en hacer crecer una pieza o un sistema incorporando material o una combinación de materiales de una manera dimensionalmente muy precisa y sin necesidad de utillajes.

De esa forma es posible fabricar todo lo que nuestra creatividad y conocimiento técnico pueda imaginar. Podríamos decir que todo lo que se puede dibujar se puede imprimir y convertir en un producto. De este modo podemos conseguir reducir los plazos de desarrollo, simplificar la gestión de modificaciones o las mejoras que requiere un diseño y reducir los costes de puesta en el mercado de productos. En definitiva, facilitar el lanzamiento al mercado nuevos productos con muchas menos barreras económicas.

Todo este conjunto de capacidades que aporta la fabricación aditiva nos permite mejorar la competitividad de nuestros productos y procesos y generar cambios disruptivos en la producción y puesta en el mercado de nuevos productos sus los modelos de negocios para comercializar esos productos, como explica detalladamente nuestro compañero Luis Palenzuela.

Por tanto, es esencial trabajar en el corto plazo, maximizando las prestaciones que pueden obtenerse con las tecnologías actuales, adecuándolas a nuevos campos de aplicación y en el medio plazo, desarrollando nuevos materiales, procesos y productos sofisticados multifuncionales.

En este contexto, en TECNALIA creemos que primero debemos centrarnos en el desarrollo de la materia prima o semielaborado, que va a requerir la tecnología de impresión por fusión, para posteriormente abordar lo que es la impresión propiamente dicha y finalmente en el postproceso que requiere este concepto tecnológico. Estas son algunas de las tareas que estamos abordando:

  • Por un lado, el desarrollo de nuevos filamentos reforzados con fibra continua para aplicarlos en el preformado aditivo de composites, se trata de una tarea compleja, en la que creamos nuevos conceptos de diseño que permiten mejorar y personalizar las prestaciones funcionales de las piezas. El preformado aditivo de fibra continua permitirá fabricar refuerzos localizados, isogrids y estructuras auto-reforzadas, integrables en tecnlogías como la inyección o el conformado en caliente, para su aplicación en funciones estructurales fijas o móviles de los sectores automoción, aeronaútica, energía o deporte.
  • Por otro lado, la adaptación de la fabricación aditiva al desarrollo de preformas para hacer composites, imprimiendo materiales y formatos que de por sí, no son imprimibles, como fibra de refuerzo de carbono, vidrio, etc. En esta preforma más de un 90% en peso de su composición es la fibra.

Finalmente, esta preforma será después impregnada con la resina final ya sea mediante un proceso de RTM o de infusión. El moldeo por transferencia de resina (RTM) se ha utilizado recientemente para para fabricar estructuras de compuestos poliméricos para aplicaciones de automoción, aeroespaciales y de ingeniería civil. Aquí, un compuesto polimérico típico está hecho de tejido de refuerzo que contiene fibras de vidrio y carbono (es decir preformas) y una matriz polimérica termoplástica o termoestable. El proceso RTM implica varias etapas: carga de la preforma en una cavidad del molde seguida de la infusión de resina, el curado y el desmoldeo.

Binders basados en termoplásticos

En este proceso, los binders basados en termoplásticos se han desarrollado para ayudar a la compactación y colocación de las preformas antes de la fabricación de los materiales compuestos, permitiendo el termoformado de las preformas. Habitualmente, estos binders termoplásticos se depositan en la superficie del tejido antes de la consolidación de la preforma. La aplicación de calor y presión durante el termoformado ablanda el aglutinante y, al enfriarse, se vuelve a consolidar para para unir las capas adyacentes.

Sin embargo, y este es el mayor reto al que nos enfrentamos en TECNALIA, el binder utilizado en la consolidación de la preforma aditiva debe disolverse durante la infusión de la resina matriz. De esta forma, se favorece la penetrabilidad de la resina en la preforma aditiva. El resultado es una matriz termoestable de resina cuyo núcleo está reforzado con fibra de carbono continua.

Por tanto, son numerosos y apasionantes los retos que se nos proponen y es que aunar diversos mundos como son la fabricación aditiva de fibra continua y la consolidación de preformas por infusión requiere de una alta componente innovadora tecnológica.

Sobre Enrique Hernández

Me llamo Enrique Hernández y soy un chico de Zaragoza. Desde 2019 soy ingeniero industrial superior graduado por la Universidad de Zaragoza, donde estudié el grado bolonia en ingeniería e hice el máster industrial, especializándome en robótica. Ese mismo año, realicé mi TFM y mis prácticas en el Departamento de Sistemas Informáticos y Control Automático del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A), donde acabé quedándome de prácticas y posteriormente empecé mi doctorado en ese mismo departamento. Allí, fui miembro investigador del proyecto europeo de la Universidad de Zaragoza COMMANDIA (Collaborative Robotic Mobile Manipulation of Deformable Objects in Industrial Applications SOE2/P1/F0638). http://commandia.unizar.es.

Durante este periodo de tiempo asistí a la conferencia “IEEE International Conference of Emerging Technologies and Factory Automation” en la que presenté un póster e hice una publicación (10.1109/ETFA.2019.8869096) y presenté otro póster en las Jornadas de Jóvenes Investigadores del I3A (https://doi.org/10.26754/jji-i3a.003572) .

Fue en el verano de 2020 cuando recibí la oferta de doctorado en Química Aplicada y Materiales Poliméricos por parte de la UPV y Tecnalia. Desde entonces estoy trabajando como investigador predoctoral con una beca 2+2 colaborando tanto con la UPV como con Tecnalia en fabricación aditiva de composites. El ámbito de mi tesis es. la investigación en las Tecnologías de Fabricación Aditiva aplicadas a composites de altas prestaciones.

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