Los tejidos de fibra de carbono son esenciales en la fabricación de compuestos. Se forman entrelazando filamentos de carbono en patrones específicos. Cada haz de fibras, llamado estopa, incluye miles de filamentos. Los tamaños de remolque comunes incluyen 3000 libras, 6000 libras, 12000 libras y 24000 libras. El patrón de tejido controla cómo se cruzan estos cables. Esto afecta directamente la resistencia, la caída y el acabado superficial de la tela.
En la fabricación, el tejido debe coincidir con la geometría y el proceso de la pieza. Los tejidos lisos son apretados y estables, pero son más difíciles de formar. Los tejidos de sarga y satén son más flexibles y se ajustan a las curvas con mayor facilidad. Durante el laminado, el tejido afecta el flujo de resina y la compactación. Las telas preimpregnadas se utilizan a menudo para obtener precisión en el contenido de fibra. Estos materiales funcionan bien en configuraciones de autoclave o moldeo al vacío.
Los ingenieros eligen tejidos basándose en la función de la pieza y las rutas de tensión. En el sector aeroespacial, los laminados tejidos soportan cargas elevadas en múltiples direcciones. En los automóviles, la atención se centra en la resistencia y el bajo peso en caso de impacto. La dirección del tejido y el apilamiento de capas se simulan antes de la fabricación.
¿Qué son los tejidos de fibra de carbono?
Los tejidos de fibra de carbono son refuerzos de alto-rendimiento en piezas compuestas. Se producen mediante el tejido de cables de carbono para crear formas estructuradas de textiles. Los miles de filamentos continuos de cada cable suelen tener un grosor de siete micras. El tejido atrapa estos cables en rutas rígidas, creando una estructura de fibra predecible y repetible.
El poliacrilonitrilo es el precursor inicial común de las fibras. Estos se estabilizan, oxidan y carbonizan por encima de los 1200 grados Celsius. Los componentes distintos del carbono se pierden mediante la carbonización hasta convertirse en átomos de carbono puro fijados en capas cristalinas. Luego se trata la superficie-y se recubre con apresto. El apresto mejora el manejo y es más receptivo a la resina.
Después del tratamiento, los filamentos se convierten en haces llamados estopas y se colocan en telares. Los telares avanzados mantienen las fibras alineadas, la tensión constante y el espaciado del cable. Los diseños más extendidos son los lisos, los de sarga y los de raso con diferentes rizados y caídas. La tensión se controla automáticamente para garantizar la rectitud de la fibra y restricciones sobre micro-defectos. Es durante esta etapa cuando se fijan las prestaciones mecánicas de la pieza final.
Los tejidos suministrados se pueden entregar secos o como preimpregnados. Los tejidos secos se aplican en procedimientos de fabricación como la infusión de resina o el moldeo por compresión. Los preimpregnados son aquellas resinas infundidas entre fibras en condiciones controladas. Esto garantiza una proporción precisa de fibra y resina y mejora el acabado de la superficie. El tejido afecta las trayectorias del flujo, la presión de consolidación y la compactación de las capas durante el curado.
Patrones de tejido de fibra de carbono
Los tejidos de fibra de carbono están en patrones. Estos patrones regulan el cruce de cables de fibra. Todos ellos influyen en el rendimiento y la fabricación de una pieza. Los ingenieros seleccionan los tejidos según su resistencia, forma y requisitos de procesamiento.
Los tejidos apretados mantienen mejor su forma durante el laminado. Los materiales más sueltos caen en moldes. La tendencia también influye en el flujo de resina, la orientación de las fibras y la rigidez. Tomar la decisión correcta es vital para la estabilidad del proceso y del rendimiento.
A continuación se resumen los tipos más comunes de tejidos que se utilizan en piezas de alto-rendimiento. Todos ellos tienen diferentes aspectos de caída, estabilidad y resistencia.
Tejido liso
El tejido tafetán es el patrón más básico. Cada remolque pasa por encima de uno y por debajo de uno. Esto provoca una organización estrecha y horizontal. Hay un poderoso cruce entre los dos en ángulo recto.
Su ángulo de engarce es grande. Esto implica que las fibras se doblarán más en cada cruce. Esto aporta estabilidad a expensas de la resistencia a la tracción. También hace que sea más difícil que la tela caiga en curvas.
El tejido liso es resistente a la forma. Esto lo hace adecuado para piezas planas o moldes básicos. Ayuda en el flujo de resina y la orientación de las fibras. Sin embargo, si no se manipula con cuidado, puede arrugarse en una superficie complicada.
Tejido de sarga
Se produce un patrón diagonal cuando se utiliza tejido de sarga. Una forma es sarga 2X2. Cada remolque de más de dos y menos de dos. Esto desplaza cada punto de cruce a lo largo del material.
El engarzado de sarga es más bajo que el tejido liso. Las fibras no se doblan fácilmente y por tanto soportan la carga. Cuelga y se adapta a formas más complicadas con menor cantidad de arrugas.
El tejido se puede utilizar con partes de carbono visibles. Tiene una superficie lisa y reflectante. Se emplea en cuadros de bicicletas, paneles de automóviles y carenados. La sarga también proporciona un acabado y una forma superiores a los moldes curvos moldeados.
Tejido satinado
Los tejidos satinados tienen largos recorridos de flotación. En un satén de 5 arneses, cada mechón pasa por encima de 4 y por debajo de 1. Esto produce una tela suave y de muy bajo rizado.
Las fibras quedan mejor orientadas. Eso mejora el flujo y la fuerza de la resina. El satén cuelga y cae muy bien para crear una forma fácil-curva o profunda.
Se aplica frecuentemente donde la apariencia y la calidad de la superficie son importantes. Sin embargo, el satén es más inestable. Durante el manejo, los remolques están sujetos a cambios. También debe estar estrechamente colocado para evitar desalineaciones o distorsiones de las fibras.
Tejidos especializados y tejidos híbridos
Otros tejidos mezclan fibras. Estos son los tejidos híbridos, por ejemplo, en el tejido se pueden combinar carbono y aramida. Eso proporciona una combinación de rigidez y absorción de impactos.
En otras telas se utilizan diseños no-estándar. Los tejidos de cesta se elaboran con estopas gruesas en estilo cuadrado. Las telas biaxiales orientan los remolques en dos direcciones de la tela. Los tejidos triaxiales y cuadraxiales emplean una fibra de tres- y cuatro-ángulos.
Estos patrones minimizan el número de capas y aceleran el laminado. Se encuentran en paneles estructurales, embarcaciones y palas eólicas. Todos ellos están alineados con las trayectorias de carga de la pieza. Cuantas menos capas tengamos, más rápido se podrán producir los productos y menos errores.
Impacto del tejido en el rendimiento mecánico
Alineación de fibras y rutas de carga
La fibra está alineada por el patrón de tejido. Las cargas de tracción se pueden transferir fácilmente mediante fibras rectas. Un rizado adicional provoca la flexión de las fibras, lo que disminuye la resistencia a la tracción. Los tejidos pequeños poseen una buena flexión de la fibra y ofrecen un tejido estable para colocar. Cuanto más suelto sea el tejido, mayor será la alineación de las fibras y la resistencia. Este equilibrio está determinado por la geometría de las piezas y los requisitos.
Rigidez y resistencia en-plano
Los tejidos de ligamento tafetán presentan una rigidez regular en-el plano. Sus cruces entre sí son numerosos y provocan fricciones. Esto mejora la resistencia al corte en el plano-. Los tejidos de sarga y satén minimizan el rizado de la fibra para poder lograr mejores propiedades de tracción. Son eficientes en ubicaciones que tienen piezas con formas curvas o difíciles. Los diseñadores eligen los tejidos para adaptarse a las propiedades de exigencia de rigidez y facilidad de formación.
Resistencia al corte y delaminación
Los puntos de cruce del tejido afectan la resistencia al corte interlaminar. La mayoría de los cruces en tejidos lisos provocan una alta fricción y resistencia a la delaminación. En los tejidos satinados, hay menos cruces y pueden beneficiarse de un endurecimiento adicional de la resina. En su ausencia, las telas satinadas son propensas a deslaminarse bajo el corte. Evitar la delaminación depende de la correcta selección de resina y apilamiento de capas.
Vida útil a fatiga y cargas en-servicio
El comportamiento a la fatiga con cargas cíclicas está influenciado por la elección del tejido. Se retrasa el crecimiento de grietas y las fallas debido a fibras bien-alineadas. Los tejidos multiaxiales e híbridos dividen las tensiones que se encuentran en más direcciones. Esto minimiza el daño por fatiga y mejora la vida. Las simulaciones ayudan a los ingenieros a diseñar patrones de tejido de cargas dinámicas anticipadas. Esta optimización aumenta la vida útil de la pieza compuesta.
Técnicas para hacer tejidos de fibra de carbono.
La producción de tela de fibra de carbono es una tarea manual y minuciosa. Comienza con fibra de carbono en bruto y existe como tela en una forma lista para moldear. Cada paso del proceso afecta la resistencia y el rendimiento de la tela durante el proceso de fabricación.
Debe tener un fuerte manejo de la tensión y el espaciado de las fibras. Las propiedades mecánicas del tejido están determinadas por el patrón de tejido. Los operadores hábiles trabajan en un telar especializado para garantizar que las fibras permanezcan en su alineación natural y sin daños. Se aplican en industrias desafiantes como la aeroespacial y los deportes de motor.
Producción y preparación de fibras.
Los precursores son hilos de polímeros que se presentan en forma de fibras de carbono. Se calientan gradualmente al aire y rápidamente en un horno sin oxígeno. Esto los convierte en filamentos de carbono delgados y fuertes. Este paso influye en la calidad de la rigidez y resistencia de las fibras.
Cuando las fibras carbonizadas se depositan con una fina capa. Esto los cubre y ayuda a que la resina se adhiera más tarde. Las fibras se recogen en estos grupos o haces, y los haces varían en espesor. El tamaño del cable altera el peso y la resistencia del tejido.
Proceso de tejido y maquinaria
Los paquetes se alimentan a máquinas de tejer que prestan mucha atención a la tensión. Las fibras se tejen en formas superponiéndose y superponiéndose entre sí. El diseño varía según la aplicación del material final: algunos deben ser rígidos y otros deben ser flexibles.
Los telares más modernos pueden emplear chorros de aire para impulsar los paquetes, obligándolos a pasar por el telar mucho más rápido. Las máquinas también igualan el ancho y el largo de una tela. Esta precisión respalda la alineación de las fibras, lo cual es fundamental para el rendimiento.
Acabado de telas y aplicación de resina.
El tejido puede venderse seco o con impregnación ya realizada con resina (preimpregnado). Los textiles secos requieren que la adición de resina se realice más tarde durante el moldeo. El tejido preimpregnado es un tejido sobre el que se ha depositado resina, y esto se ha hecho en condiciones precisas de temperatura.
Los preimpregnados son pegajosos, por lo que su apilamiento y manipulación son fáciles. Esto ayuda a mantener las capas de tela y minimizar la porosidad en la pieza terminada. Los preimpregnados proporcionan compuestos de refuerzo que son más robustos y uniformes.
Publicar-Tratamientos de tejido
Luego, la tela se puede tratar térmicamente-para estabilizarla. Esto dejará de encogerse o distorsionarse a partir de entonces. Otros tipos de tejidos están recubiertos para evitar daños a las fibras o mejorar la unión.
A veces, las telas se cortan para darles forma antes que las piezas. Esto ahorra desperdicios y acelera la producción. Estos procesos de acabado hacen que el tejido se comporte bien en el proceso de conformación y no se produzcan defectos en la pieza final.
Selección de tejidos de fibra de carbono para la fabricación
Seleccionar el tejido de fibra de carbono es simplemente una cuestión de alinear el comportamiento del tejido con la forma y el uso de la pieza. Desea un tejido que se ajuste a su molde y proporcione resistencia sin que parezca arrugado. El material inadecuado complica el diseño y debilita el producto final.
Cada tejido es diferente para trabajar. Otros se pliegan y estiran con facilidad, y otros tienen cierta dificultad para plegarse y permanecer en posición vertical. Con este tipo de comprensión de sus diferencias de antemano, se evita perder tiempo y rehacer con un gran costo.
Qué tan bien se forma la tela
Mejores curvas y caídas de tejidos de sarga y raso. Le permiten colocar tela sobre esquinas estrechas sin doblarse. El satén mantiene las fibras a flote por más tiempo y esto es útil en curvas compuestas. Estas son sus mejores opciones si su pieza contiene curvas pronunciadas o formas compuestas.
El tejido tafetán es más difícil de trabajar con formas ajustadas. Luego, las fibras cruzan todos los demás hilos, engrasando la tela para que quede más rígida. Puedes terminar con arrugas o con la fibra desalineada. Grandes áreas de tejido tafetán sobre paneles básicamente planos o suavemente curvados.
Dirección de fuerza y carga
Hay curvaturas de fibra adicionales en el tejido tafetán, lo que reduce la resistencia bajo tensión. Sin embargo, une las fibras. Esto ayuda a las piezas a evitar la delaminación. Los tejidos de sarga o satén son más apropiados en piezas que están predominantemente cargadas de tensión. Mantienen las fibras de forma más recta y fuerte.
El tejido liso podría sobrevivir mejor en caso de que su pieza esté sujeta a impactos o cargas de flexión. Tiene un mejor agarre de la resina, lo que la hace mejor contra la delaminación. Selecciona el tejido en función de las principales fuerzas a ejercer de tu parte.
Flujo y procesamiento de resina
Los tejidos de ligamento tafetán de ligamento tafetán apretado impiden el flujo de resina. Esto puede atrapar bolsas de aire cuando se infunde. Esto requerirá un manejo delicado del vacío y la presión para evitar huecos. Los tejidos de satén y sarga más sueltos permiten que la resina se absorba más rápido, pero absorben más resina en general.
Esto se simplifica con telas preimpregnadas que ya tienen la resina. Sin embargo, los distintos tejidos se curan de forma diferente y requieren los ciclos de temperatura correspondientes. Al aplicar el tejido adecuado a su resina y método de curado, se reducen los defectos y la producción se acelera.
Costo práctico y velocidad de fabricación
El tejido satinado requiere más tiempo-y es más caro debido a los complicados recorridos de las fibras. La sarga se puede tejer de forma rápida y económica, pero al mismo tiempo flexible. El más sencillo de hacer y el menos costoso es el tejido tafetán.
Los paños con los que es fácil trabajar en el laminado minimizan los desechos. Cuando su operador tiene problemas para formar la tela, se pueden esperar tiempos de ciclo y desperdicio. Elegir un tejido con el que su equipo podrá trabajar y que efectivamente ahorre dinero en cada pieza.
Desafíos comunes al trabajar con tejidos de fibra de carbono
Los tejidos de fibra de carbono tienen algunos problemas comunes. Estos influyen en la resistencia de la pieza (y también puede tener un buen aspecto), así como en la tasa de producción. Conocerlos le evitará costosos errores y revisiones.
Muchos problemas pueden explicarse por el comportamiento del tejido durante la manipulación y el curado. El patrón del tejido a veces determina la complejidad. A continuación se enumeran los desafíos clave que probablemente encontrará.
Arrugas/distorsión de la fibra
Cuando se estira sobre curvas cerradas, la tela de fibra de carbono se arruga. En particular, el tejido tafetán se puede estirar fácilmente hasta tal punto que se vuelve bastante rígido. Las arrugas debilitan la pieza y provocan un flujo desigual de resina.
Para minimizar las arrugas, debes poder ejercer un control estricto de las tensiones durante la colocación. La selección del tejido puede ayudar, ya que los tejidos de sarga o satén pueden cubrir más fácilmente. También es posible cortar la tela en trozos más pequeños-o usar espacios en blanco hechos a medida para resolver problemas de ajuste con formas complejas.
Huecos de puntos secos de resina
El tejido apretado, como el tejido liso, resiste el flujo de resina. Esto puede atrapar aire y provocar áreas secas o agujeros dentro del compuesto. Estas fallas se debilitan y pueden conducir a fallas prematuras.
Esto se puede evitar teniendo un vacío adecuado y una infusión lenta de resina. Los tejidos más abiertos permiten una mejor penetración de la resina, pero los más sueltos pueden agregar contenido de resina y hacer que las piezas sean más pesadas. Los preimpregnados reducen este riesgo en la medida en que la resina ya esté distribuida uniformemente.
Separación de capas y delaminación
La delaminación ocurre cuando las capas pierden adherencia debido al estrés. Delaminación. El elevado número de cruces que intervienen en el tejido tafetán aumenta la fricción y mejora la resistencia. Los tejidos de sarga y satén (menos cruces de extremos) pueden ser más susceptibles.
Es imperativo mantener la temperatura y la presión de curado para evitar una mala unión. El endurecimiento de las resinas o la incorporación de materiales intercalados también ayuda a aumentar la delaminación.
Problemas de manejo y corte de telas
La fibra de carbono también es quebradiza y se deshilachará o romperá si se manipula con dureza. Los rollos de grandes longitudes de tela son engorrosos y destruirían las fibras en el proceso de reubicación. Las cuchillas intensas y desafiladas dañan la fibra.
Prepare herramientas afiladas y de buena-calidad. Corte: Coloque la tela en posición horizontal y no tire de los cables. Educar a los empleados sobre cómo cuidar las telas elimina desperdicios y defectos.
Resumen del artículo
Este artículo cubre aspectos clave de los tejidos de fibra de carbono, desde su producción hasta los desafíos comunes y los criterios de selección.
Tejidos de fibra de carbono: cómo las fibras de carbono forman la tela.
Patrones de tejido: tipos como liso, sarga y satén.
Técnicas de fabricación: preparación de la fibra, tejido, pasos de acabado.
Selección de tejido: elegir la tela según su forma y resistencia.
Desafíos comunes: Arrugas, huecos de resina, delaminación.
Consejos de manipulación: Cuidados adecuados para evitar defectos.
