Materiales compuestos - tubos en fibra de vidrio reforzados con resina poliester

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(1)PROYECTO DE GRADO: MATERIALES COMPUESTOS: TUBOS EN FIBRA DE VIDRIO REFORZADOS CON RESINA POLIESTER. PRSENTADO POR: GIOVANNI SALGADO. PRSENTADO A: ALEJANDRO MARAÑON. FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA. BOGOTA JUNIO DE 2009.

(2) Tabla de Contenido 1.. Introducción ................................................................................................................................ 6. 2.. Objetivos ................................................................................................................................... 10 2.1 Objetivo general ..................................................................................................................... 10 2.2 Objetivos específicos .............................................................................................................. 10. 3.. Bobinado de filamentos ............................................................................................................ 11 3.1. Marco teórico ......................................................................................................................... 11 3.2. Ventajas y desventajas .......................................................................................................... 12 3.3. Materias primas..................................................................................................................... 13 3.3.1. Fibras ............................................................................................................................... 13 3.3.1.1. Fibras de vidrio ............................................................................................................. 13 3.3.2 Resinas.............................................................................................................................. 14 3.3.2.1 Resinas termoestables .................................................................................................. 14 3.3.2.1.1. Resinas de poliéster .................................................................................................. 14 3.4 Modelo de simulación del proceso para bobinado de filamentos .......................................... 15 3.4.1 Submodelo Termoquímico ............................................................................................... 16 3.4.2 Submodelo movimiento de las fibras ............................................................................. 17 3.4.3 Submodelo esfuerzo – deformación ................................................................................ 18 3.4.4 Submodelo de porosidades .............................................................................................. 19 3.5. Bobinado de filamentos (Filament winding) .......................................................................... 20 3.5.1. Técnicas de Hilado ........................................................................................................... 22 3.5.1.1. Técnica Polar ................................................................................................................ 22 3.5.1.2. Técnica Anillos .............................................................................................................. 23 3.5.1.3. Técnica Helicoidal ......................................................................................................... 23 3.5.2. Aplicaciones ..................................................................................................................... 24. 4.. Metodología .............................................................................................................................. 24 4.1. Evaluación técnica del prototipo ........................................................................................... 25 4.1.1. Ventajas ........................................................................................................................... 25 4.1.2. Desventajas ..................................................................................................................... 26 4.1.1. Necesidades de Mejoramiento ....................................................................................... 27. 2.

(3) 4.2. Mejoramiento tecnológico ..................................................................................................... 28 4.3. Manufactura Tubos ................................................................................................................ 36 4.3.1. Materia prima.................................................................................................................. 36 4.3.1.1. Fibra de vidrio............................................................................................................... 36 4.3.1.2. Resina ........................................................................................................................... 37 4.3.2 Proceso de manufactura ................................................................................................. 37 4.3.3. Producto final .................................................................................................................. 44 4.4. Pruebas mecánicas ................................................................................................................. 45 4.4.1. Normas ASTM .................................................................................................................. 45 4.4.2. Fabricación de probetas .................................................................................................. 46 4.4.3. Resultados ....................................................................................................................... 47 5. Recomendaciones ......................................................................................................................... 54 6. Conclusiones.................................................................................................................................. 54 7. Bibliografía..................................................................................................................................... 56. 3.

(4) Listado de Figuras Figura 1 Esquema del proceso de bobinado de filamentos (2) ......................................................... 12 Figura 2 Esquema del bobinado de filamentos (4)............................................................................ 15 Figura 3 Esquema del submodelo de movimiento de fibras (4) ....................................................... 17 Figura 4 Bobinado con fibras pre-impregnadas ................................................................................ 21 Figura 5 Esquema básico del proceso de bobinado de filamentos “filament winding” ................... 21 Figura 6 Esquema básico de una máquina para bobinado de filamentos ....................................... 22 Figura 7 Bobinado polar .................................................................................................................. 23 Figura 8 Bobinado de anillos ............................................................................................................ 23 Figura 9 Bobinado helicoidal ............................................................................................................. 24 Figura 10 Prototipo Actual de la Maquina para Bobinado de Filamentos ........................................ 25 Figura 11 Rediseñó sistema de movimiento transversal. ................................................................. 28 Figura 12 Motores ............................................................................................................................. 29 Figura 13 Sistema de acoples ............................................................................................................ 30 Figura 14 Sistemas de control .......................................................................................................... 31 Figura 15 Sistema de entrega de filamentos. .................................................................................... 31 Figura 16 Soporte para aumento tensión y remoción del exceso de resina ..................................... 32 Figura 17 Sistema de recolección de resina ...................................................................................... 32 Figura 18 Esquema de velocidades ................................................................................................... 33 Figura 19 Rodillo apisonador ............................................................................................................ 35 Figura 20 Aspecto final del prototipo a escala de la máquina para bobinado de filamentos........... 36 Figura 21 Roving tipo E varios cabos ................................................................................................. 36 Figura 22 Resina cristalan 809 ........................................................................................................... 37 Figura 23 Interacción con el programa de velocidades .................................................................... 38 Figura 24 Calibración de las fuentes ................................................................................................. 38 Figura 25 prueba de la maquina en vacio para observa su funcionamiento .................................... 39 Figura 26 Pesaje de la resina que va a ser usada durante la prueba ................................................ 39 Figura 27 Preparación de las superficies ........................................................................................... 40 Figura 28 Hilado del carro transversal .............................................................................................. 40 Figura 29 Agregando el Catalizador a la resina cristalan 809............................................................ 41 Figura 30 vaciado de la resina en el recipiente principal del carro transversal ................................ 42 Figura 31 Proceso de bobinado ........................................................................................................ 42 Figura 32 Producto terminado .......................................................................................................... 43 Figura 33 Desmonte del mandril ....................................................................................................... 43 Figura 34 Desmonte y desarmado del cuerpo del mandril .............................................................. 44 Figura 35 Tubos fabricados con el prototipo inicial .......................................................................... 44 Figura 36 Tubos obtenidos con el prototipo después de la intervención ......................................... 45 Figura 37 Características de la probeta ............................................................................................ 45 Figura 38 Características de las probetas y modelo de análisis ........................................................ 46 Figura 39 Probetas longitudinales ..................................................................................................... 47. 4.

(5) Figura 40 Probetas radiales (anillos) ................................................................................................. 47 Figura 41 Comparación del esfuerzo vs el ángulo de hilado ............................................................. 49 Figura 42 Resultados obtenidos de la prueba a tensión de las probetas en forma de anillo para el tubo I1 a un ángulo de 30 J................................................................................................................ 49 Figura 43 Resultados obtenidos de la prueba a tensión de las probetas en forma de anillo para el tubo I2 a un ángulo de 30 J................................................................................................................ 50 Figura 44 Resultados obtenidos de la prueba a tensión de las probetas en forma de anillo para el tubo I1 a un ángulo de 60 J................................................................................................................ 51 Figura 45 Resultados obtenidos de la prueba a tensión de las probetas en forma de anillo para el tubo I2 a un ángulo de 60 J................................................................................................................ 51 Figura 46 Resultados obtenidos de la prueba a tensión de las probetas en forma de anillo para un ángulo de 60 J ..................................................................................................................................... 52 Figura 47 Comparación del esfuerzo vs el ángulo de hilado ............................................................. 54. Listado de tablas Tabla 1 esfuerzo de tracción de los diferentes tipos de fibra de vidrio ............................................ 14 Tabla 4 Parámetros de entrada (4) ................................................................................................... 20 Tabla 5 Parámetros de salida (4) ....................................................................................................... 20 Tabla 6 Caracterización del motor para el carro transversal ............................................................ 29 Tabla 7 Caracterización del motor para el mandril ........................................................................... 30 Tabla 8 Tabla de velocidades en término de voltajes ....................................................................... 34 Tabla 9 Tabla de ingreso de la variable ............................................................................................. 34 Tabla 10 Tabla selección del ángulo y rpm del motor carro transversal........................................... 35 Tabla 11 Resultados de prueba a tensión en tubos hilado a 30 J ...................................................... 48 Tabla 12 Resultados de prueba a tensión en tubos hilado a 60 J ...................................................... 48 Tabla 13 Resultados de prueba a tensión en tubos hilado a 80 J ...................................................... 48 Tabla 14 Resultados de pruebas a tensión de tubos hilados a 30 J .................................................... 50 Tabla 15 Resultados de pruebas a tensión de tubos hilados a 60 J .................................................... 52 Tabla 16 Resultados de pruebas a tensión de tubos hilados a 80 J .................................................... 53. 5.

(6) 1. Introducción En la constante evolución y el continuo avance de los materiales utilizados en la ingeniería, hay un nuevo sector donde ellos están ganando mayor fuerza y aceptación, estos son los materiales compuestos: son aquellos que se componen por dos o más fases diferentes e insolubles, donde las propiedades obtenidas son diferentes y generalmente son mejores que las propiedades de las fases constituyentes actuando por separado. Las dos fases que componen a un material compuesto se identifican como: matriz y una fase dispersa, donde la matriz es la fase continua, es la encargada de aglutinar y mantener fija la fase dispersa, a su vez esta última fase es la encargada de dar refuerzo a la matriz. Los materiales compuestos se pueden clasificar como tradicionales y sintéticos. Los tradicionales son aquellos que se encuentran en la naturaleza o fueron usados por antiguas civilizaciones, en los naturales se tenemos varios ejemplos: la madera es un material muy resistente y elástico estas propiedades las obtiene de una matriz de lignina reforzada con fibras de celulosa, el hueso que adquiere sus principales características de rigidez, elasticidad, dureza y muy bajo peso gracias a la combinación de componentes de calcio (apatita) y fibras de colágeno. El primer material compuesto fabricado por el hombre data desde 4000 a.c1., En la búsqueda de un material estructural se mezcla la arcilla con fibras de paja para la construcción de chozas y ladrillos. Los materiales compuestos sintéticos son aquellos que son manufacturados de forma separada y luego son combinados de forma controlada para explotar al máximo sus mejores propiedades, donde el más popular es el concreto este viene siendo utilizado desde del año 1800, de hecho el concreto es un material compuesto, conformado por cemento, arena y gravilla, es especialmente fuerte para las aplicaciones de compresión y débil para las aplicaciones de tensión, para mejorar esta debilidad se crea el concreto reforzado, el cual es combinado con varillas de acero. Los materiales compuestos sintéticos a su vez son subdivididos: Compuestos de Matriz Metálica: CMM (en ingles MMC), estos compuestos son la combinación de cerámicos, metales, obteniendo cermets, o también son procesados por medio de la metalurgia de polvos. Compuestos de Matriz Cerámica: CMM (en ingles CMC) son los menos populares y es la combinación de metales y cerámicos, obteniendo: carburos de cementados, óxidos de aluminio. Compuestos de Matriz Polimérica: CMP (en ingles PMC) es la matriz más popular y es la combinación de metales, polímeros y cerámicos, obteniendo: algunos compuestos de moldeo, epóxicos reforzados con Kevlar y plástico reforzado con fibra de vidrio (P.R.F.V) siendo este último de especial interés para el desarrollo de este proyecto. (1) Como podemos ver los compuestos tienen un amplio campo de uso, estudio y aplicación, debido a sus ventajas como son: materiales fuertes, rígidos y de muy ligero peso, las propiedades 1. W. Bender; F. Handle (1982). Brick and Tile Making. Bauverlag GmbH. Disponible en « http://www.kilsan.com/eng/topragin_dansi_eng.htm ». Consultado el 24 de Mayo de 2009.. 6.

(7) de fatiga generalmente son mejores que las de algunos aceros y aluminios, se diseñan para aumentar la vida útil, por ejemplo los plásticos reforzados con fibras (P.R.F.) son utilizados en ambientes altamente corrosivos donde un metal no podría resistir mucho tiempo, pero también tienen desventajas y muy importantes: la mayoría de las propiedades se comportan de forma anisotrópica, también pueden estar expuestos a solventes que los deterioran súbitamente, algunos procesos de manufactura son lentos y costos. Los productos de Polímero Reforzado con Fibras (P.R.F.), son los más populares en el mercado aunque algunas veces son de levado valor debido a sus materias primas, este costo se logra reducir aumentado el volumen de producción, estas materias primas tienen una gran variedad donde la selección y el uso de cada una ellas, depende de la aplicación y un correcto estudio para realizar un acertado dimensionamiento de los materiales, evitando elevar el precio del producto por desperdicios y sobredimensionamiento, logrando un producto de mayor confiabilidad. Que ha extendido sus aplicaciones desde la aeronáutica hasta aplicaciones simples como un poste de alumbrado público. Estas materias primas pueden ser: • Para la matriz Termoestables - Epóxicos - Resina de poliéster Termoplásticos • Resina termofijas. • fibras Fibra de vidrio • Tipo E Fibra de carbono Aramidas • Kevlar. Los primeros productos de polímero reforzado con fibra de vidrio se remontan a la década de 1940 en plena segunda guerra mundial, donde los primeros componentes de los radares y algunos elementos de los aviones fueron fabricados con este material, aunque se tiene una gran desventaja las materias primas en este momento eran muy costosas, los diseñadores del momento vieron las ventajas de este compuesto la facilidad para copiar figuras geométricas y buenos acabados externos lo que llevo a las industrias en la década de 1960 a retomar este material compuesto. Con el continuo avance y desarrollo de la tecnología se desarrollaron nuevos procesos de manufactura para obtener productos en base a polímeros reforzados con fibra, los cuales están divididos en grupos: moldeo por contacto, moldeo por transferencia y otros métodos. En moldeo por contacto, encontramos: tendido manual (Hand lay-up): quizás es el más antiguo versátil y más sencillo pero su desventaja es que es lento y requiere mucha mano de obra, el proceso se trata en la colocación de tela de fibra de vidrio o la fibra deseada, por secciones a lo largo del modelo y para la fijación de estas secciones se realiza un proceso similar al de pintar con una brocha o rodillo con el cual se aplica la resina previamente catalizada; bolsa de vacío: es un proceso complementario al tendido manual, una vez se termina con el recubrimiento del molde, se introduce el molde en un bolsa flexible y luego se genera un vacio dentro la bolsa, de forma que 7.

(8) esta comienza a copiar el molde y mejora la distribución de resina y disminuye la porosidad, aumentando la resistencia mecánica de la pieza; Autoclave: una vez se tiene finalizado se introduce en un autoclave donde se generan presiones de vacio entre 600 y 1380 KPa, las cuales son aún mayores que las bolsas de vacio mejorando aun mas sus propiedades mecánicas. En el moldeo por transferencia encontramos: moldeo por transferencia de resina MTR (en ingles RTM), se tiene un molde cerrado donde previamente se colocaron fibras a forma de refuerzo y la resina previamente catalizada es inyectada a presión dentro del molde por un vertedero y este proceso se detiene cuando por los respiraderos sale la resina, el vertedero y los respiraderos son cerrados y se deja curar la pieza y luego es retirada. En el grupo de otros moldeos encontramos la pultrusión: es un proceso similar a la extrusión, por medio de una matriz caliente se tira una combinación de resina con fibras continuas, para elaborar perfiles o formas continúas. Bobinado de filamentos (en ingles Filament winding), este proceso se bobinan filamentos continuos en un mandril previamente humectados por un baño de resina, el mandril es el encargado de dar la forma interna del producto ya terminado, la configuración del bobinado depende de la relación de velocidades entre el mandril y el dispositivo que distribuye el refuerzo, se tienen tres posibles técnicas para realizar el bobinado: técnica helicoidal: los filamentos logran un ángulo de importancia respecto al eje del mandril dependiendo de la relación de velocidades, técnica polar: generalmente los filamentos son paralelos al eje y cubren los extremos en cada pasada y técnica circunferencial o anillos: el dispositivo que distribuye el refuerzo avanza un distancia igual al ancho de la fibras por cada vuelta que da el mandril. En la actualidad el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes cuenta con un prototipo a escala de una máquina para la producción de tubos por medio del bobinado de filamentos (filament winding), la cual produce tubos de 3” de diámetro interno y una longitud de 75 cm, los cuales presentan diferentes problemas como lo son un deficiente acabado externo, exceso de resina, baja tensión en las fibras, inconvenientes en la relación de velocidades produciendo problemas con los ángulos de hilado, se requiere la evaluación de la formulación de la resina ya que se presentas problemas con el curado, por lo tanto se requiere un amplio estudio de este proceso de manufactura para conocer las variables a controlar del mismo, logrando realizar una evaluación técnica de los diferentes componentes del prototipo y así poder plantear una posible solución, donde se tengan en cuenta cada una de la variables y obtener un buen producto. El proceso de bobinado de filamentos es uno de los más populares a nivel industrial debido a sus aspectos favorables, es un proceso rápido y económico. Que continuamente está avanzando y encontrando cada vez mayores aplicaciones en el mercado, además es un proceso que está tomando fuerza en la industria colombiana, de aquí nace el interés por el estudio y la investigación de este proceso de manufactura. Por lo tanto se requiere del conocimiento acerca. 8.

(9) del proceso de manufactura y una exploración de las propiedades mecánicas de los tubos obtenidos por medio del bobinado de filamentos, pero esto solo se lograra con el correcto funcionamiento del prototipo existente.. 9.

(10) 2. Objetivos 2.1 Objetivo general Rediseñó del prototipo de maquina a escala de hilado de filamentos, que actualmente existe en el departamento de ingeniería mecánica, permitiendo de esta forma tener mejoras en el proceso de manufactura de polímeros reforzados con fibra para tubos, realizando pruebas de hilado para tres diferentes ángulos y realizar la caracterización mecánica de los tubos obtenidos.. 2.2 Objetivos específicos • •. • •. Evaluación técnica del prototipo existente Mejoramiento tecnológico del proceso: - Rediseño de los componentes que se consideren un vez finalizada la evaluación técnica del prototipo. - Diseño de un programa para el cálculo del ángulo de hilado en términos de la velocidad mandril y el sistema que distribuye el refuerzo. - Diseño de un sistema para aumentar la tensión en las fibras. - Reducción del desperdicio de resina. - Reformulación de la preparación de resina para tener un mejor curado. Manufactura de tubos con mejoramiento en la superficie. Pruebas mecánicas de los tubos fabricados.. 10.

(11) 3. Bobinado de filamentos 3.1. Marco teórico El bobinado de filamentos, es un proceso de manufactura en el cual se procesan refuerzos de fibra de forma continua, son entregados a un mandril que está girando de forma constante y este realiza el proceso de bobinado, hay tres formas distintas de entregarle los refuerzo al mandril: 1) húmedo: los filamentos secos son pasados a través de un baño de resina y luego son bobinados, 2) Preimpregnación: los filamentos son preimpregnados por la resina y parcialmente curados lo que evita que sean pasados por el baño de resina y luego son bobinados en un mandril calentado 3) postimpregnación: se realiza el bobinado con el refuerzo completamente seco una vez finalizado el bobinado se realiza la impregnación con brocha o otra técnica. la forma geométrica externa del mandril es la forma interna del producto generalmente el exterior del mandril requiere un excelente acabado. Por este proceso de manufactura solo se pueden obtener formas convexas, para las cóncavas se necesitan procesos adicionales, el patrón de enrollamiento de filamentos es un relación directa entre las velocidades del mandril y el carro transversal con la variación de estas velocidades logramos 3 patrones conocidos como helicoidal: los refuerzos de fibra son bobinados en forma de espiral, polar: los filamentos se extienden de forma paralela a lo largo del eje y el mandril rota una distancia igual al espesor de los filamentos, circunferencial (aro): el carro transversal avanza una distancia igual al ancho de los refuerzos por cada vuelta que da el mandril, con la continuación de uno de estos patrones entre un inicio y un final de carrera se logra un recubrimiento parcial de la superficie del mandril, con la repetición de esta operación se recubre completamente la superficie y es repetida hasta lograr el espesor deseado, una vez terminado el proceso de bobinado se deja curar completamente a temperatura ambiente o se introduce en horno para tener mejores propiedades mecánicas. Este proceso es muy popular a nivel industrial debido a sus bajos costos de operación y de producción, no se requiere de equipos especializados para este proceso, se puede realizar en un torno convencional, adicionalmente con estos bajos costos se pueden tener productos de muy buena calidad, de alta rigidez con muy bajo peso, las propiedades de fatiga son mejores que algunos tipos de metales, las fibras se pueden acomodar de tal forma que se les saque el mejor provecho, los productos obtenidos son resistentes a la corrosión a continuación trataremos en forma específica este proceso de manufactura.. 11.

(12) Fibras. Recipiente de resina. Entrega de fibras. Mandril Fibras impregnadas. Figura 1 Esquema del proceso de bobinado de filamentos (2). 3.2. Ventajas y desventajas •. Desventajas: -. •. Limitado a formas geométricas convexas, la forma del mandril debe ser tal que permita su extracción después del bobinado. Presencia de crossovers en el producto actuando como concentradores de esfuerzos reduciendo su resistencia. Se requieren resinas de baja viscosidad, lo que disminuye las propiedades mecánicas de la misma. En el post-procesamiento del producto se generan problemas de salud ocupacional ya que se generan irritaciones en la piel. Una vez terminada la vida útil del producto se tienen inconvenientes al momento de reciclarse ya que se utiliza resinas termoestables, dificultando su procesamiento. El comportamiento del material es diferente al de los aceros ya que generalmente se presente la falla catastrófica (rotura) sin presentar fluencia.. Ventajas: -. -. Gran resistencia a la corrosión en comparación a la mayoría de materiales de ingeniería, logrando una mayor vida útil, con muy bajo mantenimiento. Elevada relación esfuerzo/peso, superior en comparación a los materiales convencionales como acero, concreto, madera. Proceso económico y ágil, se puede controlar tanto la cantidad de resina como la fibra a utilizar en un proceso de bobinado disminuyendo el desperdicio. Excelentes propiedades mecánicas. Con un adecuado control de la velocidad y avance en la maquina se obtienen muy bueno acabados externos, con un buen acabado en la superficie del mandril se obtienen buenos acabado internos en los tubos. Baja conductividad eléctrica, ligero peso facilitando el montaje en campo.. 12.

(13) -. Se pueden mezclar fibras de alto costo con resinas de muy bajo costo, lo que produce un producto altamente competitivo. Es un proceso de fácil automatización, permitiendo una gran producción con baja mano de obra y con maquinas herramientas de bajo costo. Excelente estabilidad dimensional, es un proceso fácilmente repetible logrando una alta exactitud. Con una optima relación de velocidad y avance, o con la combinación de las técnicas de hilado se pueden disminuir la presencia de crossovers, aumentando su resistencia mecánica de forma significativa.. 3.3. Materias primas Las materias primas utilizadas para la fabricación de tubos y accesorios, cuyo proceso de manufactura son las maquinas de hilado son: fibras continúas y resinas.. 3.3.1. Fibras. Generalmente se cuentan con tres tipos de fibras que son las más usadas a nivel industrial, que son: fibra de vidrio, fibra de carbono o fibras de aramida (kevlar), para el desarrollo de este proyecto se usara la fibra de vidrio.. 3.3.1.1. Fibras de vidrio. Es una fibra mineral que es fabricada a partir de la mezcla de sílice, cal, alúmina y magnesita. A estas materias se le añaden diversos óxidos y trituran finamente hasta tener una mezcla homogénea luego es introducida en un horno que supera los 1500 grados centígrados, una vez fundida esta mezcla es extruida y le son aplicados unos aditivos especiales según el tipo de fibra deseado de esta forma obtenemos 5 diferentes tipos de fibra de vidrio (3), que son:. • • • • •. Tipo E: se caracteriza por sus propiedades dieléctricas y excelentes propiedades mecánicas, bajo costo. Su uso supera el 90% del total del mercado de la fibra de vidrio. Tipo R: tiene las mejores propiedades mecánicas, lo que la hace especial para sectores como: la aviación, industria militar y aplicaciones avanzadas. Pero su uso es limitado por su elevado costo. Tipo D: su principal característica es su poder dieléctrico, es utilizado en la fabricación de antenas radares, bajas propiedades mecánicas. Tipo AR: posee un alto contenido de oxido de circonio, buena resistencia a los álcalis. Tipo C: gran resistencia a diferentes agentes químicos.. 13.

(14) tipo fibra E R D AR C. Sy (Mpa) 3400 4400 2500 3000 3100. Tabla 1 esfuerzo de tracción de los diferentes tipos de fibra de vidrio. 2. 3.3.2 Resinas. En los materiales compuestos quizás la resina es uno de los materiales más importantes, ya que son lo que proporcionan la fase continúa del compuesto, aglomera las fibras de refuerzo y es la interface que aísla los refuerzos del ambiente, se tienen dos tipos de matrices poliméricas: termoestables y termofijas, para el desarrollo de este proyecto usamos las resinas termoestables.. 3.3.2.1 Resinas termoestables. Son aquellas que presentan un cambio químico conocido como curado, después de que ocurre este proceso la resina suele tornarse rígida e insoluble, lo que es una gran desventaja para este tipo de resina ya que no se puede procesar para ser reutilizada fácilmente, pero esta desventaja contrasta con sus ventajas: alta estabilidad térmica, resistencia a la fluencia, estabilidad dimensional, gran resistencia mecánica y dureza. Donde las resinas predominantes en el mercado son las resinas de poliéster y los epóxicos, sea cualquiera de estos dos termoestables utilizados se requiere que ambos tengan una viscosidad muy baja para lograr una perfecta humectación de las fibras además la velocidad de hilado depende de la viscosidad. (3) (1). 3.3.2.1.1. Resinas de poliéster. Las resinas de poliéster pueden curarse de diversas formas logrando que sean frágiles, y duras, tenaces y elásticas, el proceso de curado se inicia mediante la adición de un catalizador que es un peróxido, la cantidad de este se elige dependiendo de la rapidez del curado, estos poliésteres termoestables son utilizados como la matriz de los compuestos denominados comerciales. (3) (1). •. Donde adquiere especial la resina denominada cristalan 809. 2. AITEX, Fibras de Vidrio. En: Manual de fibras uso técnico. [en línea]. Vol. 3 (2005). [consultado 25 de mayo de 2009]. Disponible en <http://www.textil.org/extranet/inf/Revista18/pag19.pdf>. 14.

(15) 3.4 Modelo de simulación del proceso para bobinado de filamentos Según Gutowski (4), durante el proceso de bobinado de filamentos se tienen una serie de variables que son controlables antes de iniciar el proceso, otras que son resultado del proceso de manufactura que es la combinación de la selección las variables controlables y la interacción de las materias primas con el medio donde se realiza el procesamiento. Inicialmente se nombraran las variables que se pueden controlar en el proceso de manufactura:. • • •. Velocidad de bobinado. Tensión inicial de las fibras. Temperatura del medio ambiente (Lugar donde se procesa las fibras).. Una vez se realizan la selección de cada una de estas variables, en función del producto deseado y de sus propiedades, obtenemos las siguientes variables que están en función de la posición y el tiempo:. • • • • • • •. Temperatura interna tanto del mandril y como del compuesto. Grado de curado de la resina (matriz del compuesto). Viscosidad de dentro del compuesto. Esfuerzo y deformación tanto del compuesto como del mandril. Posicionamiento de la fibra. Porosidad dentro del compuesto. Tiempo de bobinado y curado.. COMPUESTO. FIBRA CARRO TRANSVERSAL. MANDRIL. Figura 2 Esquema del bobinado de filamentos (4). Para la realización de una simulación de un proceso de bobinado de filamentos se deben analizar por separado los siguientes submodelos: 15.

(16) • • • •. Submodelo termoquímico: el cual provee la temperatura, la viscosidad, el grado de curado de la resina y el tiempo de curado requerido para completar el proceso de curado. Submodelo movimiento de las fibras: el cual proporciona la ubicación de las fibras y la distribución de la resina. Submodelo de esfuerzo: proporciona el esfuerzo y las deformaciones, en el compuesto y en el mandril. Submodelo de porosidades: predice la porosidad dentro del compuesto.. A continuación se desarrollarán cada uno de estos submodelos, de forma separada pero debemos tener en cuenta que cada uno de ellos desarrollar de forma simultánea, adicionalmente solo analizaremos de forma general las variables que relaciona y los resultados que produce. Cada uno de estos procesos cuenta con un completo desarrollo matemático en el libro de Gutowski referencia que fue citada anteriormente, este proceso matemático no será desarrollado en este trabajo para una mayor profundización por favor remitirse a esta referencia.. 3.4.1 Submodelo Termoquímico. Analiza y estudia los procesos térmicos, químicos que ocurren al interior del compuesto durante el proceso de hilado, el curado y un registro histórico de la temperatura en el mandril. El análisis se inicia con el planteo de la ecuación de energía teniendo en cuenta las variaciones radiales y axiales de la temperatura a si como la transferencia de calor que ocurre entre el mandril y el material compuesto durante su manufactura. Para el desarrollo de este submodelo se tienen en cuenta las propiedades físicas: densidad, calor específico, conductividad térmica, se realiza un planteamiento de las condiciones de frontera teniendo en cuenta: material compuesto, mandril y alrededores. Adicionalmente se tiene en cuenta la distribución de curado que está en función del tiempo. a partir de este submodelo tenemos información acerca de temperatura, grado de curado, viscosidad y una aproximación al tiempo requerido en el bobinado de filamentos.. . . . . . . . . (1). El modelo inicia con la ecuación de energía, para hallar la distribución de temperatura en sentido radial y axial, el último término está definido por la reacción química del compuesto, a continuación se definirá el termino en relación a los calor generado por las reacciones químicas.. . . (2). Donde:. ! " #! $ %. 16.

(17) ! & % ! " ! &' & !% ! " ! &' ' ! ! ! " ! &' 3.4.2 Submodelo movimiento de las fibras. Figura 3 Esquema del submodelo de movimiento de fibras (4). Con este submodelo se pretende estudiar la posición y distribución de las fibras y de la resina en la superficie del mandril. El estudio se realiza con el análisis de los movimientos a que están expuestas las fibras durante el proceso de bobinado, generando cambios tanto en la tensión como en la ubicación de las fibras. El autor plantea ecuaciones de equilibrio en la última pasada del bobinado, sin olvidar la presión interna del cilindro, los esfuerzos internos del material compuesto, la fuerza de tensión en las fibras, las expansiones y contracciones propias del proceso de curado de la resina.. ( ( )*. %. (3). %+,. (4). Donde la ecuación número (3), relaciona la sección transversal, donde A=bΔh, b es el ancho de la banda y h es el espesor de la fibra respectivamente y vf es la fracción volumétrica la ecuación número (4) relaciona la posición radial instantánea de la fibra (rf), el desplazamiento radial de la fibra relativo a la resina (uf), los cambios de temperatura en el mandril y el compuesto están dado por: (umc=um+uf) y el primer termino nos denota la posición en función del tiempo. .. - /. 0. (5). 17.

(18) 7 -2 11 3 - 456 89* : ;< ;=. . < . . @@@@@@ >?? 0. (6) (7). En la ecuación (5) tenemos que F es la tensión instantánea de la fibra, en (6) es la componente circunferencial del esfuerzo, en (7) se modela el cambio de la presión, el modelo es mostrado en la figura.. 3.4.3 Submodelo esfuerzo – deformación Para el desarrollo de este submodelo se considera que el compuesto consiste en delgadas capas cilíndricas. El mandril es considerado como cilindro compuesto de uno o más capas adicionalmente las propiedades de los materiales de cada una de estas capas pueden tener propiedades diferentes. Se simula el compuesto como una sucesión de tanques de pared delgada, los esfuerzos en el material están dados por la relación de fenómenos diferentes: tensión inicial en la fibra, cambios en la tensión inicial debido a cambios térmicos que generan expansión y contracción, adicionalmente los diferentes cambios químicos que sufre la resina en su proceso de curado, cada uno de estos cambios están en función del tiempo. Generando soluciones numéricas de cada uno de estas características y proporcionando una solución en general para todo el submodelo. B -A CD* EB (8). -A. *8BF:. *8BF:. -. 8JF:. GH47 I*. K L+. (9). L,B (10). La ecuación (8) y (9) relacionan el esfuerzo de las fibras en dirección radial y axial, la ecuación (10) indica el número de capas que contiene el compuesto. En un tiempo (t), el esfuerzo y la deformación, están dados por la tensión inicial instantánea de las fibras donde:. M- N O. - E MY N O. Y E. P. P. 8TU :W V. QSX. S. MR- N O. 8TU :W S QSX VMRY N O. (11) (12). En las ecuaciones (13) y (14) relacionamos los cambios en el esfuerzo y la deformación debido al cambio en la temperatura y la reacción química.. M- N O Z - E MY N O Z Y E. P. P. 8TU :W V. QSX. 8TU :W V. QSX. S. MR- N O. S. MRY N O. (13). (14). 18.

(19) Para hallar la deformación y el esfuerzo total de las fibras en el material compuesto es por una relación directa entre las ecuaciones (11), (12), (13) y (14), la solución de esta relación se muestra a continuación:. -E[\ -Z. -.. (15). YE[\ YZ. Y.. (16). 3.4.4 Submodelo de porosidades. Se tienen en cuenta los procesos de expansión y contracción durante el proceso de curado y como pueden afectar las propiedades de la resina un estudio detallado puede ser encontrado en (7). El autor Gutowski realiza una solución por métodos numéricos utilizando de forma simultánea los 4 submodelos nombrados, a continuación se mostraran los variables de entrada y salida del proceso. Geometría promedio Longitud del cilindro Radio de superficies interiores del mandril Radio de superficies exteriores del mandril Número total de capas del compuesto Parámetros de bobinado de filamentos Espesor de capa Velocidad angular del mandril Angulo de hilado Tensión inicial de fibras Fracción volumétrica de las fibras por capa Temperatura inicial de la capa Temperatura exterior de la superficie contra variación del tiempo Temperatura interior de la superficie del mandril contra el tiempo Parámetros del submodelo termoquímico Espesor de cada capa Densidad de fibra, resina y mandril Capacidad calorífica del mandril y la resina Coeficiente de conducción térmica del mandril y la resina Temperatura de reacción de la resina Relaciones entre el grado de curado y la temperatura en la resina Relaciones entre la viscosidad y la temperatura en la resina. 19.

(20) Parámetros del submodelo de movimiento de fibra y esfuerzodeformación Permeabilidad Módulo de elasticidad longitudinal de la fibra Módulo de Young del compuesto (3 ejes) Módulo de Poisson del compuesto (3 ejes) Módulo de cortante del compuesto (3 ejes) Coeficientes de expansión térmica del compuesto (3 ejes) Módulo de Young del mandril Módulo de Poisson del mandril Coeficiente de expansión térmica del mandril Resistencia a tensión del compuesto Resistencia a cortante del compuesto Parámetros del submodelo de porosidad Diámetro inicial de poros en cada capa Concentración de humedad inicial en cada capa Nivel máximo de saturación Relación entre la tensión superficial y la temperatura en la resina Relación entre la difusividad y la temperatura Tabla 2 Parámetros de entrada (4). Temperatura en el mandril y el compuesto Grado de cura Viscosidad Posición de las fibras Tensión de las fibras Esfuerzos y deformaciones Tamaño de poros Resistencia del cilindro. Tabla 3 Parámetros de salida (4). 3.5. Bobinado de filamentos (Filament winding) En el embobinado de filamentos hay tres diferentes formas para realizar este proceso, que son:. • •. Hilado por impregnación: este es el proceso más económico y común de todos requiere una maquina sencilla, las fibras son pasadas por un recipiente donde son humectadas por la resina y luego son entregadas para el bobinado. Hilado por post-impregnación: en este proceso se realiza el bobinado con las fibras, totalmente secas y una vez conseguido el espesor deseado se le aplica la resina como si se estuviera pintando con brocha o con aerosol, es un proceso lento y delicado para así asegurar un correcto cubrimiento.. 20.

(21) •. Hilado por Pre-impregnados: en este proceso las fibras vienen previamente impregnadas con la resina, luego se realiza el bobinado, en este proceso se pueden usar maquinas con más grados de libertad, es un proceso ágil pero el costo de las fibras y las maquinas es elevado.. 3. Figura 4 Bobinado con fibras pre-impregnadas. El principal método es el hilado por impregnación, los otros dos son simplemente ligeras variaciones que han surgido con el perfeccionamiento de las técnicas y dependiendo del producto requerido, a continuación se realizara una mejor explicación del hilado por impregnación.. Mandril. Fibras Figura 5 Esquema básico del proceso de bobinado de filamentos “filament winding”. 4. En la anterior figura podemos observar el esquema más sencillo de una máquina para bobinado de filamentos (filament winding), de allí podemos observar que el sistema consta de dos partes principales que son: Mandril y carro transversal. Tenemos que él mandril funciona como un molde, es importante recalcar que solo se pueden obtener figuras geométricas por revolución, generalmente este mandril esta rotando a una velocidad constante, se requiere que el acabado superficial del mandril sea muy bueno 3. Imagen toma de: etamax engineering. En: Filament Winding. [ en línea], [consultado 25 de mayo de 2009]. Disponible en:< http://www.etamax.com.au/images/filament_winding_machine200x300.JPG> 4 Imagen toma de:Thai Composites Company Limited. What is Filament Winding?. [en línea]. [consultada 25 de mayo de 2009]. Disponible en: http://www.thaicomposites.com/images/filament-winding.gif&imgrefurl. 21.

(22) porque de esto depende el acabado interno del tubo. El carro transversal contiene un recipiente con resina esina por donde pasan las fibras de vidrio que se humectan con la resina y luego son entregadas al mandril que hace el bobinado, este carro se desplaza a una velocidad constante entre dos puntos que se conocen como inicio y final de carrera, la relación d dee velocidades entre el desplazamiento y rotación del mandril son las encargadas para dar el ángulo de las fibras, se debe tener en cuenta el tiempo de secado de la resina ya que esta puede secarse dentro del recipiente y así frenando el avance de las fibras ocasionando un daño en la maquina. Una vez obtenido el espesor deseado se debe dejar rotando el mandril, para evitar el escurrimiento de la resina, después de haber completado el tiempo de curado, se desmonta el mandril, se desajustan una serie de tornillos para desarmarlo y así extrae el producto ya terminado, donde el diámetro interno del tubo esta dado por el diámetro externo.. Figura 6 Esquema básico de una máquina para bobinado de filamentos. 5. 3.5.1. Técnicas de Hilado. Las técnicas de hilado son simplemente variaciones de la forma como el carro transversal entrega las fibras al mandril, pueden ser un aumento o disminución en la velocidad, como sucede en la técnica helicoidal y por anillos o una téc técnica nica más elaborada como el método polar que solo se detiene en los extremos del mandril.. 3.5.1.1. Técnica Polar. Este tipo de hilado es especialmente recomendado para piezas pequeñas o para piezas que sus extremos son cónicos (tanques de almacenamiento almacenamiento), ), debido a que este proceso avanza entre los extremos del mandril, este solo queda recubierto en un circuito, para brindar un completo recubrimiento se requiere mayor cantidad de pasadas, por lo tanto incrementa el costo. 5. Imagen toma de: Materiales Compuestos . En: Enrollamiento filamentario. [ en línea], [consultado 25 de mayo de 2009]. Disponible en < http://books.google.com.co/books?id=cJvCLh9kOK0C&printsec=frontcoverIPPA728,M1 oks.google.com.co/books?id=cJvCLh9kOK0C&printsec=frontcoverIPPA728,M1 pagina 728> oks.google.com.co/books?id=cJvCLh9kOK0C&printsec=frontcoverIPPA728,M1,. 22.

(23) en los materiales, adicionalmente las maquinas trabajan con mas grados de libertad por lo tanto son más costosas.. Figura 7 Bobinado polar. 6. 3.5.1.2. Técnica Anillos. Este proceso es generalmente utilizado para recipientes que deben soportar una alta presión, como lo son pipas, tanques. En este proceso se requiere un especial cuidado entre las relaciones de velocidad ya que por cada vuelta que da el mandril el carro transversal debe desplazarse una distancia igual al ancho de las fibras que se a bobinando, generalmente el ángulo de hilado es cercano a los 90 grados, es una técnica que no presenta huecos, es un proceso lento pero con resultados muy buenos.. Figura 8 Bobinado de anillos. 7. 3.5.1.3. Técnica Helicoidal. La técnica helicoidal es la más popular y usada por las empresas que se basan en el enrollamiento de filamentos debido a sus altas prestaciones es un proceso rápido y ágil los 6. Imagen toma de: Materiales Compuestos . En: Enrollamiento filamentario. [ en línea], [consultado 25 de mayo de 2009]. Disponible en < http://books.google.com.co/books?id=cJvCLh9kOK0C&printsec=frontcoverIPPA728,M1, pagina 728> 7 Imagen toma de: Alpha star corporation . En: filament winding. [ en línea], [consultado 25 de mayo de 2009]. Disponible en < http://www.alphastarcorp.com/genoa/fact-sheet/FactSheet_FW.pdf >. 23.

(24) productos obtenidos tienen excelentes propiedades mecánicas, el hilado entre ángulos de 15 – 45 grados se presentan grandes dificultades ya que se requieren altas velocidades y la presencia de crossovers es mayor en estos ángulos debido a la posición de las fibras, generalmente los ángulos más usados para el hilado está entre 45-80 grados, ya que se trabaja en velocidades optimas para las maquinas, tiene un mejor cubrimiento entre las fibras disminuyendo las irregularidades así como la cantidad de material requerido para obtener las propiedades deseadas.. Figura 9 Bobinado helicoidal. 8. 3.5.2. Aplicaciones Con el avance y el estudio de este tipo de procesos se puede encontrar gran diversidad de productos: •. •. • •. Tubos: - Petroleros. - Transporte de agua. - Químicos altamente corrosivos. - Variadas formas geométricas. Tanques de almacenamiento: - De gasolina. - De agua. - De químicos. - Silos. Postes: - Alumbrado público. - Semáforos. De alta ingeniería: - Aspas para aerogeneradores eléctricos. - Toberas de escape en aviones.. 4. Metodología A continuación se describirán los diversos pasos que fueron seguidos para el desarrollo de este proyecto:. 8. Imagen toma de: Alpha star corporation . En: filament winding. [ en línea], [consultado 25 de mayo de 2009]. Disponible en < http://www.alphastarcorp.com/genoa/fact-sheet/FactSheet_FW.pdf >. 24.

(25) 4.1. Evaluación técnica del prototipo Una vez terminado el estudio teórico del proceso de manufactura e identificadas cada una de las variables del proceso, se procede a realizar una evaluación técnica del prototipo a escala de la máquina para bobinado de filamentos que posee el departamento de ingeniería mecánica. La evaluación técnica es realizada tanto a la parte eléctrica como la mecánica, buscando realizar un mejoramiento del proceso de manufactura de P.R.F., mediante la evaluación de las ventajas y desventajas del prototipo actual, analizando las necesidades de mejoramiento del producto ya terminado.. Figura 10 Prototipo Actual de la Maquina para Bobinado de Filamentos. 4.1.1. Ventajas. Es un sistema ligero y compacto que permite la rápida y fácil producción de tubos por medio del bobinado filamentos, es un prototipo modular que permite el fácil cambio de cada uno de sus elementos mecánicos. Se divide en tres componentes generales: mandril, carro transversal y sistema de control. El mandril: es un componente que rota a una velocidad constante, funciona como molde nos da tanto el diámetro interno como el acabado interno de cada tubo, de fácil desarmado para la extracción de producto. Carro transversal: sistema que entrega las fibras, consta de dos rodillos tensionadores y una polea que siempre está sumergida en el recipiente de la resina, este es el encargado de humectar las fibras con resina. Su movimiento transversal lo realiza por medio de un tornillo sin fin que está conectado a un motor que gira a unas rpm constante que dependen del ángulo, adicional se desplaza entre dos puntos un inicio y fin de carrera. Sistema de control: se tiene dos visores que indica la función en que se encuentra la maquina, se tienen botones de reset, pausa y marcha adelante, se cuenta con una serie se potenciómetros que funcionan como variadores de velocidad para los motores.. 25.

(26) 4.1.2. Desventajas. Una vez finalizada la evaluación técnica del prototipo en la parte mecánica se encontraron una serie de desventajas. Los principales inconvenientes del prototipo tienen que ver con el proceso de manufactura de las partes mecánicas, donde estas partes presentan desajustes severos, se encontraron piezas holgadas y otras ajustadas, debido a estos desajustes cuando el prototipo se ponía en marcha este tendía a trabarse cuando se realizaba el cambio de giro del motor, adicionalmente por la piezas tan ajustadas se presentaban sobre cargas en el sistema eléctrico. El sistema de acoples rígidos presentaban inconvenientes debido a que no tenían ningún tipo de traba mecánica para transmitir la potencia del motor, ya que no se contaba ni con un cuñero o tornillo prisionero, adicionalmente este tipo de acople no es recomendable en este tipo maquinas, debido a que todo el par de arranque es absorbido directamente por el motor y las sobrecarga generada es transmitida directamente al sistema eléctrico. Cuando se puso en marcha el sistema presentaron otra serie de desventajas que tienen que ver con el montaje de la maquina, ya que se presentaba desalineación en el sistema que permite el desplazamiento del carro transversal adicional el tornillo sinfín presentaba un ligero pandeo. Cuando se iniciaba el proceso de bobinado las fibras pasaban con una tensión muy baja prácticamente nula adicionalmente no había forma de remover el exceso de resina en la fibras. Se presento una mala relación de velocidades para el bobinado entre el mandril y el carro transversal, esto se comprobó de dos formas durante el proceso de bobinado y cuando se realiza la inspección del producto terminado, se aprecia una mala distribución de las fibras y de la resina a lo largo de la superficie del mandril, se puede observar como siempre en el proceso de bobinado se pasa de forma repetida por un mismo lugar y los extremos del tubo se presenta un exceso de material, lo que influye severamente en el acabado superficial del tubo y adicionalmente en las propiedades mecánicas del mismo. La parte electrónica fue la que presento los problemas más graves, debido a la sobre carga que estaba sometida constantemente llevo su rápido deterioro, se encontraba en un proceso de bobinado cuando esta dejo de funcionar, este sistema fue revisado por una persona técnica con amplia experiencia en el campo y es quien determina que los integrados de referencia L293B se encuentran quemados estos son los que permiten el funcionamiento automático de la maquina y que sin la copia de la programación de estos integrados debía hacerse de nuevo el sistema eléctrico, el integrado LM555 también se encontraba quemado este es el que permite la variación de la velocidad de uno de los motores por medio del control de una serie pulsos. La caracterización de los motores para la relación de velocidades no es correcta.. 26.

(27) El tiempo de curado no es correcto ya que la principal característica de este proceso de manufactura es la rápida producción de tubos, pero cuando se inicio con el desarrollo del proyecto se encontraron tubos que tienen un tiempo de curado superior a los 4 meses y aun se encontraban táctiles los que sugiere una mala formulación de la resina en cuanto a la relación del catalizador.. 4.1.1. Necesidades de Mejoramiento. Las necesidades de mejoramiento de este proceso de manufactura van muy de la mano con los objetivos planteados por este proyecto de grado. La principal necesidad de mejoramiento fue la base de este proyecto de grado, donde se requiere mejorar el acabado superficial de los tubos obtenidos de con esta máquina prototipo, ya que con un mejor acabado superficial se pueden obtener mejores propiedades mecánicas adicionalmente una fácil comercialización del producto donde este fuera el objetivo. Se requirió realizar un mejoramiento en la relación de velocidades entre el carro transversal y mandril, ya que este es un factor determinante para obtener un mejor acabado superficial en los tubos, lo que con lleva una mejor distribución de las fibras y la resina a lo largo de la superficie del mandril mejorando las propiedades mecánicas de los productos obtenidos. Adicionalmente se requiere de un programa para el cálculo de las velocidades de los motores de la maquina en términos del ángulo de hilado deseado. Se requirió aumentar la tensión en las fibras de forma constante y aumentar el nivel de compactación en las fibras una vez son entregadas al mandril, también se requiere de un elemento que retire el exceso de resina en las fibras ya humectadas. Se requirió mejorar el tiempo de curado de los tubos, se quiere llevar este tiempo alrededor de 45 a 60 minutos, que es un tiempo prudente para realizar un correcto curado y un buen proceso de bobinado de filamentos, el mejoramiento en el tiempo de curado permitirá aumentar la producción de tubos obtenidos mediante este proceso de manufactura y facilitara el desmonte del producto del mandril. Estas necesidades de mejoramiento se plantean en pro de optimizar este proceso de manufactura, buscando mejorar el producto final. Estas mejoras se pueden evaluar por medio de las propiedades mecánicas de los tubos, adicionalmente se busca diseñar una maquina más ágil y eficiente, que aproveche las materias primas y minimizar el desperdicio de estas, logrando ser un proceso de manufactura altamente efectivo.. 27.

(28) 4.2. Mejoramiento tecnológico En el mejoramiento tecnológico se plantea el rediseñó de diferentes componentes del sistema los cuales se consideraron como ineficientes. El primer sistema que se mejoro fue todo lo que funcionamiento del carro transversal:. a). tiene que ver con el correcto. b). c). Figura 11 Rediseñó sistema de movimiento transversal. a) Montaje general del sistema, b) Tambor en bronce y soporte en ABS, c) soporte principal. El rediseño del sistema de movimiento transversal se inicia con la manufactura del soporte o guía que convierte la rotación del tornillo sinfín en movimiento lineal horizontal, denominada tambor, la fabricación de este tambor se realizo en bronce SAE 65 auto lubricado, especialmente recomendado para estas aplicaciones debido a su alta duración y baja fricción, para el ajuste de este tambor se utilizo la denominación H7/g6 es un ajuste deslizante que permite el movimiento de los componentes, los deja girar libremente y los ubica con un alto grado de precisión. Para la ubicación de este tambor se utiliza un soporte fabricado en ABS el cual tiene la forma hexagonal externa del tambor que es de 1 ¼”, para la fijación de este soporte de ABS y la fijación de las guías lineales, se diseño un soporte principal donde se ubican con precisión las guías y el soporte principal como se ilustra en el Figura 9. Se realiza el cambio de los motores, por dos motores de 24 voltios, los cuales son controlados por fuentes independientes. Sabemos que las rpm de giro del motor están en función del voltaje de entrada. Seguidamente se realiza la calibración de cada uno de los motores por medio de la variación de los voltajes y con la ayuda de la lámpara estroboscópica se miden las rpm a las que está girando el motor para el voltaje dado. A continuación se presentaran las tablas de calibración para cada uno de los motores.. 28.

(29) a). b) Figura 12 Motores a). Motor carro transversal, b) Motor mandril. Para el movimiento del carro transversal se selecciono un motor de 24 V, el cual gira a un máximo de 600 RPM, utiliza una corriente de 1,5 amperios, tiene un torque de 16 kg/cm2. Voltaje (V) Velocidad (RPM) 1 2 3 41 4 64 5 87 6 105 7 136 8 170 9 192 10 220 11 249 12 277 13 305 14 329 15 369 16 390 17 414 18 446 19 477 20 501 21 529 22 561 23 581 24 606. Tabla 4 Caracterización del motor para el carro transversal. Para el movimiento del mandril se utiliza un motor de 24 V, que gira a 180 RPM como máximo y tiene un torque de 8 Kg/cm, funciona con una corriente 1,5 amperios. Los resultados obtenidos por la caracterización se muestran a continuación.. 29.

(30) Voltaje (V) Velocidad (RPM) 1 2 13 3 22 4 31 5 39 6 48 7 57 8 66 9 76 10 86 11 96 12 106 13 114 14 124 15 136 16 144 17 163 18 172 19 188 20 190 21 200 22 23 24 -. Tabla 5 Caracterización del motor para el mandril. El sistema de los acoples se cambio de un sistema rígido a un sistema de acoples de tipo araña flexibles, esto se realiza a fin de prolongar la vida de los motores y del sistema eléctrico, adicionalmente para mejorar la transmisión de potencia ya que se evita el deslizamiento.. a). b). Figura 13 Sistema de acoples a). Acoples rígidos, b) Acoples flexibles tipo araña. Para el control de los motores se implementan dos fuentes eléctricas que manejan casa uno de los motores por separado, las cuales son la encargadas de mantener la relación de potencia eléctrica D ] ^ _ , ya que se manipula el voltaje se debe incrementar la corriente para que permanezca la potencia constante, este incremento debe ser menor igual a los 3 Amperios, ya que una vez superado esta corriente se quemara el fusible de seguridad para evitar daños mayores en las fuentes de control. A continuación se muestras las fuentes de control en la figura 12. 30.

(31) ) b). a Figura 14 Sistemas de control a). Fuente de control motor carro transversal, b) fuete de control motor mandril. Para aumentar la tensión en las fibras y retirar el exceso de resina se diseña un dispositivo de entrega y posicionamiento de las fibras ya humectadas, buscando un espesor más uniforme y una distribución más uniforme a lo largo del mandril, en la selección de este dispositivo debemos tener en cuenta las velocidades de bobinado así como también el tipo de filamento y el tamaño de los cabos, a continuación se presentara unas imágenes preliminares que funcionaron de base para la el diseño final.. a). b). Figura 15 Sistema de entrega de filamentos.. 9. a) Sistema de entrega por aro, b) Sistema de entrega por peine. •. •. Entrega de fibras por aro: - Ventajas Permite un amplio rango de ángulos, apropiado para una alta densidad de hilos, se puede colocar más cerca al mandril. - Desventajas Los hilos requieren un amplio espaciado antes de entrar al anillo, la densidad de los hilos varia, especialmente para ángulos de hilado bajos. Entrega de fibras por peine. 9. MIRAVETE, Antonio. Materiales Compuestos. Barcelona, Reverte, 2000, p. 728 – 744. [17 de Abril de 2009], Disponible en <http://books.google.com.co/books?id=cJvCLh9kOK0C&printsec=frontcoverIPPA728,M1>. 31.

(32) - Ventajas Se tiene máxima precisión, control en el ancho de banda y la densidad de los filamentos tanto para ángulos elevados como bajos. - Desventajas Gran dificultad para montar todos los hilos en el peine, variaciones de tensión pueden cambiar la orientación de la banda, no apto para filamentos de varios cabos en una solo banda.. Figura 16 Soporte para aumento tensión y remoción del exceso de resina. En la figura 14 podemos observar el sistema que se instala en el prototipo, este sistema está realizando dos operaciones básicas: retira el exceso de resina de las fibras y aumenta la tensión en n las fibras por medio de una compresión, el sistema está especialmente calibrado de forma que cuando se cierre completamente las fibras no queden completamente frenadas, la diámetro promedio de la fibras completamente secas es de 0.35mm y una vez las fibras fibr son humectadas el diámetro pasa a 0.55mm, el espacio por donde están pasando las fibras en este soporte es de 0.33mm.. Figura 17 Sistema de recolección de resina. El sistema recolección esta justo debajo del recorrido que re realizan las fibras ya humectadas, su ubicación se inicia justo antes del tensionador y removedor del exceso de resina y termina entregando la resina recolectada en el recipiente principal, de esta forma se logro llevar al mínimo el desperdicio de la resina.. 32.

(33) Para el diseño del programa de cálculo de velocidades se utilizo la hoja cálculo de Excel buscando agilizar el cálculo para diferentes ángulos, a continuación mostraremos el esquema que fue utilizado para la relación de las velocidades en términos del ángulo y donde nuestra variable de control son las rpm de cada uno de los motores.. Mandril. Velocidad Lineal Ø Mandril. Fibra. Velocidad Carro transversal. Tornillo sinfín Carro transversal. Figura 18 Esquema de velocidades. Para convertir las rpm de cada uno de los motores tenemos que:. ]`[abc\ de ^ 8+[abc\ : ^ 8 +[abc\ :. (17). ],[E 8Eac\\E : ^ 8Eac\\E fgh ca : (18) Por medio de la relación de triángulos mostrada en la figura 16, conociendo el ángulo Ø de hilado, conociendo la VMandril, podemos despejar a Vcarro que es la variable de nuestro interés.. ij689: . klmnopqr ksmppt. 7u^8vmnopqr :^8 <+vmnopqr : wtpnqrrt :^8<[xEwtpnqrrt yz{ 0qn :. 8<+. (19). Ya que nuestra variable de interés es Vcarro y de la anterior ecuación la podemos obtener, procedemos a despejar las rpmtornillo, que es nuestra variable a controlar. A continuación mostraremos la tabla donde relacionamos el voltaje de cada uno de los motores y obtenemos las rpm a las que van a estar girando, primero debemos seleccionar el ángulo de hilado el cual es de libre elección o esta dado por la aplicación en la que se valla utilizar el tubo. Segundo seleccionamos un voltaje preliminar al que va estar girando el motor del mandril, a continuación lo mostramos resaltado de color amarillo, en la Tabla 8. Este valor luego es ingresado en la Tabla 9, este valor puede ser iterado hasta encontrar una velocidad apropiada para las rpm del motor del carro transversal, y de la Tabla 10 obtenemos las rpm de giro del. 33.

(34) motor, que para este caso ilustrativo ubicamos un ángulo de 80 grados y unas rpm de 101,84, luego nos remitimos a la Tabla 8 y ubicamos la velocidad más próxima que es de 108 rpm y obtenemos el voltaje deseado que es de 6 V para el ángulo requerido de 80grados, en este caso es resaltado de color rojo. Una vez identificado los voltajes y el ángulo requerido procedemos al bobinado de filamentos. Voltaje motor(V). motor mandril (RPM). 12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24. 13 22 31 39 48 57 66 76 86 96 106 114 124 136 144 163 172 188 190 200. carro transversal (RPM) 41 65 86 108 136 170 192 220 249 277 305 329 369 390 414 446 477 501 529 561 581 606. Tabla 6 Tabla de velocidades en término de voltajes En la tabla 8, el color amarillo indica que seleccionamos en primera instancia la velocidad del motor del mandril y el color rojo es la velocidad del motor del carro transversal que es seleccionada después de realizar los cálculos.. Radio (m) Paso (m) RPM Molde. 0,0385 0,005 114. Tabla 7 Tabla de ingreso de la variable En la tabla 9, introducimos el valor de la velocidad del motor del mandril que fue seleccionada en la tabla 8.. 34.

(35) Angulo. Angulo (RAD) VL molde. 0,1 10 20 30 45 50 60 70 80 89. 0,00 0,17 0,35 0,52 0,79 0,87 1,05 1,22 1,40 1,55. RPM Carro. 2,89 2,89 2,89 2,89 2,89 2,89 2,89 2,89 2,89 2,89. 330922,5 3275,6 1586,9 1000,4 577,6 484,6 333,5 210,2 101,8 10,1. Tabla 8 Tabla selección del ángulo y rpm del motor carro transversal En la tabla 10 seleccionamos en primera instancia el Angulo de hilado y de allí tomamos la velocidad del motor de carro transversal, luego nos dirigimos a la tabla 8 donde ubicamos esta velocidad o un cercana y sabemos el voltaje que debe tener el motor. e diseña un rodillo apisonador con el fin de aumentar la compactación de las fibras por medio de la presión que es ejercida en toda la superficie de contacto del rodillo, adicionalmente proporciona un acabado más regular en la superficie externa del tubo.. a). b). c). Figura 19 Rodillo apisonador a) montaje general del sistema, b) rodillo apisonador, c) soporte para montaje del rodillo. 35.

(36) Figura 20 Aspecto final del prototipo a escala de la máquina para bobinado de filamentos. 4.3. Manufactura Tubos 4.3.1. Materia prima. Entre los diversos materiales que pueden ser utilizados para el proceso de bobinado de filamentos, se selecciono un tipo de fibra y de resina que tuvieran una alta representación comercial en el país adicionalmente que presenten buenas propiedades mecánicas.. 4.3.1.1. Fibra de vidrio. Para la realización de este proyecto se selecciono la fibra de vidrio tipo E, en el mercado colombiano se consigue como fibra continua tipo E de varios cabos, el cual es especialmente recomendado para los procesos de hilado, debido a su fácil manipulación, gran resistencia mecánica adicionalmente la fácil y rápida humectación.. a). b). Figura 21 Roving tipo E varios cabos. 36.

(37) a). Carrete de fibra de vidrio, b) detalle de la fibra. A continuación se mostraran otras propiedades de especial interés en este tipo de fibra:. • • •. Tenacidad (N/tex):1.30 Esfuerzo a la tracción (MPa): 3400 Elongación hasta la rotura(%): 4.5. 4.3.1.2. Resina. Como matriz polimérica se selecciona la resina cristalan 809, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, su principal característica es la rápida impregnación de las fibras en moldeos por contacto, para las fibras de vidrio disminuye el tiempo de impregnación entre un 15 y un 20%, es un refuerzo muy apropiado para los compuestos con alta presencia de fibras, su menor temperatura exotérmica permite la aplicación de varias capas de forma consecutiva, adicionalmente es una resina que ya esta pre-acelerada, solo requiere la adición de catalizador lo que aumenta la producción de tubos y disminuye el tiempo de rotación en los moldes.. Figura 22 Resina cristalan 809. 4.3.2 Proceso de manufactura El proceso de manufactura se inicia con la selección del ángulo de hilado, después seleccionamos las rpm del mandril, se utiliza el programa de cálculo de velocidades y obtenemos las rpm a las que debe girar el motor del carro transversal para el ángulo deseado. • •. Angulo de hilado: 80 J Rpm del motor del mandril: 114. Para empezar con el proceso de manufactura, de bobinado de filamentos, se debe interactuar con el programa para calcular las velocidadesy se deben seguir los pasos recomendados en la figura Figura 21, 1) seleccionar el angulo, 2) seleccionar las velocidad de giro. 37.