Los materiales compuestos han sido utilizados por el hombre desde hace miles de años, empíricamente nuestros antepasados realizaban mezclas de materiales naturales para aumentar la resistencia o durabilidad de sus utensilios y construcciones, por ejemplo, mezclando arcilla con paja. Con el tiempo, este concepto de mezclar diferentes materiales para mejorar su rendimiento se ha ampliado y especializado. Hoy en día, los composites desempeñan un papel fundamental en aplicaciones de muy alta tecnología, como aviones, satélites y cohetes, que no serían posibles sin la aplicación intensiva de estos materiales.
Figura 1– Material compuesto ancestral lado a lado, ladrillos elaborados con arcilla y paja y aplicación de compuestos modernos de alta tecnología, motor aeronáutico GE90, con estructura y aspas de fibra de carbono.
Según la definición formal, un material compuesto (o composite) es una combinación macroscópica de dos o más materiales diferentes, con una interfaz entre ellos. El compuesto resultante exhibe un equilibrio de propiedades superior al de cada uno de sus componentes individualmente.
Figura 2 – Material compuesto visto en detalle mediante microscopía electrónica de barrido (compuesto de fibra de carbono).
En esta definición encontramos tres elementos esenciales: dos materiales diferentes y una interfaz. En los composites ampliamente utilizados en la industria, estos materiales son refuerzos de fibras sintéticas, como fibra de vidrio, carbono y kevlar, y matrices poliméricas, como resinas de poliéster, ésteres vinílicos y epoxi, entre muchas otras opciones disponibles. El comportamiento del compuesto es el resultado de la interacción entre los refuerzos de fibra, la matriz polimérica y la interfaz fibra/matriz. La elección adecuada de los materiales, su relación de volumen y orientación son extremadamente importantes ya que afectan propiedades como densidad, rigidez, resistencia a la tracción, resistencia a la compresión, resistencia a la fatiga, modo de falla, conductividad térmica y eléctrica, inflamabilidad, resistencia química, además de la costos involucrados.
Refuerzo, Matriz e Interfaz: Los Pilares de los Materiales Compuestos
En cuanto al refuerzo, es el elemento encargado de dotar al material compuesto de sus características mecánicas de rigidez y resistencia a la rotura, por ejemplo. Los refuerzos pueden consistir en fibras orientadas, como en los tejidos, o tener una orientación aleatoria, como en las mantas. Además, los refuerzos pueden estar compuestos por fibras continuas o discontinuas. Existe una gran variedad de tipos de tejidos con fibras orientadas, como los tejidos tramados (WR, Twill, Satín), así como tejidos no tramados y cosidos (biaxiales, triaxiales y multiaxiales).
Figura 3 - diferentes tipos de tejidos de fibra de carbono
La matriz juega un papel fundamental en el material compuesto. Su trabajo es mantener las fibras en su lugar, transmitir cargas entre las fibras y protegerlas del daño ambiental. Además, la matriz juega un papel importante en la resistencia interlaminar, la resistencia a la compresión y la temperatura de funcionamiento. Existen diferentes tipos de matrices, incluidas las cerámicas y las metálicas, sin embargo, las matrices poliméricas encuentran un campo de aplicación mucho más amplio en la industria. Pueden ser resinas termoplásticas y termoendurecibles. Entre las matrices termoestables más comunes, podemos mencionar resinas como la de poliéster insaturado (UPR), éster vinílico (VE), epoxi (EP), fenólica (PF), poliuretano (PUR) y Diciclopentadieno (DCPD). En cuanto a las matrices termoplásticas, algunas de las más utilizadas son la poliamida (PA), el polipropileno (PP), el polietileno (PE), el tereftalato de polibutileno (PBT), el sulfuro de polifenileno (PPS), la polieterimida (PEI) y la polieteretercetona (PEEK).
Figura 4- Pieza aeronáutica fabricada con prepreg de fibra de carbono y resina termoplástica PEEK.
El rendimiento de los compuestos está profundamente vinculado a la relación entre matriz y refuerzo y esta relación es una función de la interfaz. Podemos decir que la interfaz es la superficie delimitadora entre la matriz y el refuerzo, a través de la cual se produce una discontinuidad de propiedades. En esta región, propiedades como módulo de elasticidad, densidad y coeficiente de expansión térmica, tienen un cambio abrupto de un lado al otro de esta superficie delimitadora. Por ejemplo, una alta rigidez de la fibra, por un lado, se encuentra con una baja rigidez de la matriz, por el otro. Esta discontinuidad se hace compatible a través de la interfaz. Factores como la humectabilidad, la tensión superficial y la rugosidad de las fibras de refuerzo interfieren directamente con el comportamiento de la interfaz y, por tanto, con las propiedades finales de un composite.
Lee, C.H.; Khalina, A.; Lee, S.H. Importance of Interfacial Adhesion Condition on Characterization of Plant-Fiber Reinforced Polymer Composites: A Review. Polymers 2021, 13, 438. https://doi.org/10.3390/polym13030438
Figura 5- Esquema de la interfaz entre fibra y matriz.
Figura 6 - Diferencia entre una interfaz con fallas de adhesión (izquierda) y una interfaz excelente entre fibra y resina (derecha)
La Interrelación entre Materiales, Diseño y Procesos de Fabricación.
Cuando se trata de compuestos, es importante tener en cuenta que las propiedades de un laminado dependen de la interacción entre tres áreas distintas de la ingeniería: materiales, diseño y procesos de fabricación. En los composites, un mismo material con diferentes diseños da como resultado diferentes propiedades finales, ya que el laminado se diseña teniendo en cuenta no sólo los materiales, sino también la orientación de las fibras y el número de capas. Asimismo, las propiedades obtenidas de un mismo diseño de laminado pueden variar dependiendo del proceso de fabricación elegido. Por ejemplo, cuando se utilizan diferentes procesos de fabricación en un diseño laminado determinado, las propiedades finales también serán diferentes.
Figura 7- Diferencia en propiedades mecánicas y porcentaje de fibra para diferentes procesos de fabricación
Al diseñar un producto en materiales compuestos, es crucial abordar algunas preguntas fundamentales que guiarán estas tres áreas de la ingeniería. ¿Cuáles son las propiedades mecánicas requeridas? ¿Cuáles son las condiciones ambientales en las que se utilizará la pieza? ¿Cuál es la escala de producción requerida? A partir de esta información es posible orientar los esfuerzos para cumplir con todos los criterios, recordando que no existe una solución única para esta ecuación sino un número infinito de posibilidades.
¿Por qué FanTR opta por utilizar material compuesto en la fabricación de sus aspas?
Los materiales compuestos ofrecen una serie de ventajas, incluyendo el bajo peso estructural, la alta resistencia, la posibilidad de optimizar las propiedades mecánicas, la capacidad de crear geometrías complejas, la reducción del número de componentes y sujetadores, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión.
En FanTR, nuestro equipo de ingeniería tiene conocimiento y amplia experiencia en el diseño de grandes ventiladores industriales. La empresa dispone de herramientas computacionales avanzadas para el diseño y dimensionamiento de nuestros productos. Con esto, pudimos aprovechar al máximo la libertad geométrica que ofrecen los materiales compuestos, utilizando un software de simulación dinámica de fluidos (CFX) para diseñar perfiles aerodinámicos de alto rendimiento y bajo ruido. Asimismo, en el cálculo estructural utilizamos un software de simulación de elementos finitos (ANSYS Mechanical), con el que conseguimos optimizar las estructuras, dimensionando las cantidades de material, así como el direccionamiento de las fibras hacia las mayores cargas mecánicas, produciendo piezas muy ligeras y resistentes.
Figura 8- Proceso de infusión de resina al vacío en aspas eólicas y aspas de ventilador.
En cuanto al proceso de fabricación, utilizamos infusión de resina al vacío, lo que produce piezas con una alta relación fibra/resina, es decir, laminados más ligeros, resistentes y con un excelente control de repetibilidad. Además, contamos con varios bancos de pruebas para validar nuestros productos en términos de rendimiento mecánico, fatiga, temperatura de funcionamiento, rendimiento aerodinámico y ruido de los ventiladores. Así, FanTR ofrece soluciones de alta tecnología, aplicando materiales compuestos con excelencia y, de esta manera, se posiciona como uno de los proveedores de ventiladores industriales más importantes del mercado global.
