Un nou procediment per a l'obtenció de peces estructurals

Efectivament, des de fa anys és una constant per a mi, el que aquests atractius materials, els composites, vagin introduint-se en l'àrea estructural.

Primer va ser el marc continu en l'any 1987, en què a través del disseny, es solucionava amb les tres E de Elegància, Eficàcia i Economia, les trobades de perfils en qualsevol angle, de 0 º a 360 º.

Amb això es van fabricar xassís de camió i gàbies contenidores d'ampolles entre altres coses, a total satisfacció tant tècnica com econòmicament.

Posteriorment vindria el composteel, material híbrid d'acer i composite obtingut per pultrusió i amb el qual es van fabricar pals elèctrics homologats. Era la solució tècnica i econòmica per a un material, la meva estimada fibra de vidre, curta en valor de rigidesa.

Més tard presentem el compofre, una neta evolució de l'anterior amb avantatges sobretot en la fabricació en si, molt simplificada i ampliable a l'àrea dels pretensats. L'acer i els composites òptimament units.

Avui, finalment, presentem l'últim nadó, en el que utilitzant només composites, molt concrets i definits, i mitjançant una depurada i precisa tècnica de fabricació, abordem peces de molt alt compromís estructural.

Aquesta tecnologia que neix fruit d'anys de professió i de l'experiència acumulada d'un gran enginyer de màquines i processos, Mariano Sastre, és la que donarà origen a aquesta conferència i el nadó va a anomenar-se "filament Laying".

Són un exemple els pals d'embarcacions, cardans o arbres de transmissió, bigues-calaix de pales eòliques, antenes de telecomunicació, pilars per a la construcció, torres elèctriques i pals de banderes, braços de grues, per posar només uns exemples.

Quant a les formes o seccions, poden ser tancades del tipus circular, rectangular, quadrada, ovals, o obertes com doble T, U, corbada o lenticular, amb la particularitat que la secció pot ser contínua i invariable al llarg de la seva eix o, el que és molt freqüent,

cònica o disminuyente. Tot això a més en qualsevol longitud. Ens hem posat el límit de 60 m.

Com veiem, no hi ha límit pràcticament ni pel que fa a la mida, ni la forma, la qual cosa, unit a la seva molt alta relació rigidesa i resistència al pes, obren un enorme potencial en les seves aplicacions.

Podríem afirmar amb ple coneixement, que el "Filament Laying" és el que estaven buscant els Enginyers i tècnics estructuristes en general des de fa temps, la possibilitat de fabricar estructures a mida i necessitat de les seves obres, en el qual en cada pam de la seva estructura, es trobi la quantitat necessària de material i no més i en la seva adequada posició.

Aquest doble concepte és ni més ni menys que l'optimització i l'optimització, ens porta indefectiblement a la rendibilitat.

La tecnologia del "Filament Laying" ens condueix a màxima rendibilitat, que és l'ideal de tot procés industrial.

Si a això afegim les extraordinàries propietats mecàniques de les fibres d'avui en dia, impensables fa unes dècades i les excel·lents matrius o resines que ens ofereix la indústria, ens trobem amb un formidable elenc per abordar la nostra peça.

Sens dubte podem afirmar que mai un dissenyador, calculista o tècnic en general, ha tingut a la mà, al seu abast, tal quantitat d'opcions per donar compliment a les seves idees, que amb els materials compostos o compòsits.

Prova d'això és l'enorme pes que l'estudi d'aquests nous materials està suposant tant en els cicles de graduat com en els de postgrau.

Encara que en el filament Laying podem utilitzar qualsevol fibra de reforç, quan abordem peces d'un alt compromís estructural, lògicament escollirem la fibra de carboni, per la seva molt alta rigidesa i resistència específica.

En aplicacions de menor compromís estructural, podem perfectament utilitzar híbrids o combinació de fibres de carboni i vidre i per descomptat, fibra de vidre sola.

Una peculiaríssima característica del filament Laying és la d'utilitzar bàsicament com a reforç només roving o tow, és a dir, només fibra contínua.

No utilitzem directament en el nostre procés més que la fibra presentada pel fabricant en la seva forma més bàsica i elemental: el fil en continu. Per tant no ens cal l'ús de teixits ni feltres en si, perquè com hem dit abans, som capaços de dipositar la quantia de fibra que necessitem, amb l'angle que desitgem.

Els avantatges que d'això es deriven són enormes, a títol de resum, donem aquest decàleg:

• Màxim Mòdul de Young en l'orientació o angle que desitgem.
• Màxima densificació del laminat.
• Evitar delaminacions intercapes, no hi ha la capa com a concepte.
• Pràctica supressió d'aire en el laminat.
• No hi ha deixalles.
• Màxima automatització del procés.
• Repetibilitat i fiabilitat total.
• Matèries primeres, fibres i resines adquirides al seu més baix nivell de cost.
• Gestió de compres i emmagatzematge simplificat.
• Maquinària concentrada i compacta.

Pel que fa a les matrius, lògicament és l'epoxy la principal candidata, en peces d'alt nivell estructural encara que no descartem l'ús de vinilésteres o polièsters molt particulars.

En qualsevol cas, el filament Laying treballa amb fibra preimpregnats prèviament en una operació anterior. Això ens concedeix un control exhaustiu, com no podia ser menys, l'mullat de la fibra i de la relació fibra / resina. Som per tant nosaltres, els que controlem i coneixem aquesta important fase del procés i per tant, sabrem posteriorment en tot moment, les condicions òptimes de curat que hem d'aplicar a la peça. La nostra filosofia era clara des del principi: Adquirir les matèries primeres en el seu bàsica presentació ia partir d'aquí, definir el material més idoni per al producte a fabricar i controlar de principi a final.

Entenem que només així podem garantir el treball d'una peça estructural.

Existeix per tant una fase primera del procés, en el qual es preparen meticulosament, les fibres i resines que s'utilitzaran.

Les fibres seleccionades, en la seva presentació bàsica de fibres contínues, del títol que sigui, se situen en uns cantres on es produeix la seva debanament a tensió controlada. Tot seguit, es produeix la seva impregnació total en la resina corresponent, per un procediment propi i que assegura dues coses fonamentals:

• La resina impregnarà totalment a la fibra.
• Només ho farà en la seva quantia necessària, sobrant la paraula escorregut.

Podem obtenir amb gran precisió percentatges de reforç en pes entre 63-68%, que considerem idoni per a peces estructurals.

Un cop produïda la impregnació, es produeix el rebobinat de la fibra impregnada en resina, actuant com amb qualsevol preimpregnats comercial. Nosaltres fem servir amb regularitat la viscositat de la resina, reactivitat, densitat, condicions d'emmagatzematge,

TG i condicions de curat. El seguiment per tant és total i només així podrem controlar bé la fase següent, el filament Laying en si.

La màquina Filament Laying consta d'un capçal capaç de prendre qualsevol direcció i angle que se li marqui, per dipositar amb total precisió les fibres que li arriben, compactar i generar la suficient adhesivitat perquè no es moguin ni desplacin del seu assentament.

Lògicament, el capçal és el cor de la màquina, que pot moure programadament segons 7 eixos de llibertat i on abunden controls i actuadors que a temps real informen el controlador de totes les particularitats del procés.

El sistema és capaç com ja hem indicat, de dipositar les fibres des de zero graus (segons l'eix de la peça) fins a noranta graus (perpendicular a l'eix), a més del compactació, enclavament de les fibres i continuïtat.

D'aquesta manera podem fixar la quantitat precisa de fibra en qualsevol punt de la peça al llarg del seu eix (diferència amb la pultrusió) i en qualsevol angle (diferència amb el filament Winding). L'optimització i l'aprofitament són màxims. No hi ha desaprofitament algun.

a) Fabricació d'eixos de transmissió o Cardans.

Hem triat aquesta singular aplicació perquè la peça treballa en dinàmica amb subjecció per tots dos extrems.

Fa anys es van començar a utilitzar cardans per a vehicles de tracció total, on l'objectiu primordial era l'estalvi de pes; a més es buscava absorció d'esforços causats per les deformacions del xassís del vehicle, a causa de la major elasticitat dels composites. Eren tubs en fibra de vidre o de carboni, amb angles de bobinatge determinats, amb uns diàmetres entorn dels 80 mm i en longituds properes al metre.

Aquí ens anem a referir a eixos de transmissió de vaixells, amb diàmetres de fins a 700 mm i amb longituds unitàries de fins a 8 m.

Encara que és possible l'ocupació de la fibra de vidre, treballarem amb la fibra de carboni, per les seves excel·lents resistències i Mòduls de Young específics.

Les raons de per què s'utilitzen els composites en aquesta aplicació naval, d'altes exigències, són múltiples. Potser la més important és el substancial estalvi de pes, que arriba a ser la tercera part que amb l'acer. Per exemple, en el trimarán construït per Vosper Thornycroft per al Ministeri de Defensa Britànic, els cardans en gairebé posició vertical que transmeten el gir del motor situat en cadascun dels cascos exteriors a les hèlixs, pesen 132 kg cadascun i tenen 3,5 m de longitud, transmetent una potència de 350 kw a 1.200 r.p. m., no precisant coixinets de suport ni lubrificació ni manteniment algun.

En acer, el pes hauria estat superior al doble. Si tinguéssim en compte que els cardans s'acoblen en sèrie per aconseguir longituds de fins a 70 m entre motors i hèlixs, l'estalvi en connexions, coixinets, bancades de suport i naturalment els propis cardans, pot arribar al 80% respecte a l'acer.

Per il·lustrar bé quant indiquem, exposem un quadre comparatiu entre l'acer, material de referència, enfront de la fibra de vidre d'alt mòdul i carboni alt mòdul (Taula 1)

Per a una geometria d'eix donada (secció i longitud), la freqüència pròpia del sistema és proporcional a l'arrel quadrada de la rigidesa específica, la qual cosa és tant com dir, de la velocitat de propagació del so, de les ones, en cada material. Tenint en compte que la freqüència natural del composite de carboni és gairebé 2,5 vegades superior a la mateixa peça fabricada en acer, resulta que les freqüències naturals s'allunyen considerablement dels règims d'excitació, disminuint de forma molt considerable, els problemes de ressonàncies.

Això té gran importància en peces que giren a velocitats de fins a 3.000 rpm, amb valors de torsió de l'ordre de 1000 kNm i on es generen vibracions causants de fatigues en el material i per tant, el seu trencament. Per si fos això poc, no oblidem que per cada quilogram de pes d'un material donat, l'estructura es veu forçada a suportar cinc vegades més de càrrega.

En el cas d'un eix de transmissió, és important pensar des del començament en el material composite i per tant, dissenyar-ho correctament.

Quan es projecta en acer, es parteix d'un material monolític, on s'esculpeix i mecanitza la peça i on pràcticament el material té propietats uniformes

En el cas del composite, quan ho apliquem per Filament Laying, podem variar grau a grau l'angle de dipositat de les fibres contínues o tows de carboni, des de 0º a 90º i el que és també important, la quantia que vulguem, centímetre a centímetre, de manera que actuem en dos fronts simultàniament que són estructuralment molt importants, en el cas del parell torsor generat; un és l'alineació dels fils, buscant la resistència circular i l'altra, l'espessor, que té a veure amb la resistència a flexió.

Un arbre de transmissió treballa sota dos aspectes. El sistema de transmissió de parell necessita fibres situades a ± 45º respecte de l'eix, però el propi arbre té el seu pes i per tant un moment flector que ha de ser suportat per fibres longitudinals.

Un arbre fabricat per filament-winding clàssic haurà de tenir arrel quadrada de dues vegades més fibra que un altre per filament laying, ja que aquest, en poder disposar fibres longitudinals per suportar les càrregues transversals, inherents al propi pes, disminuirà la quantitat de fibra disposada a ± 45º. Aquest arbre pel que fa a un altre d'acer pesarà la quarta part, sent un 20 a un 25% més lleuger que el fabricat amb filament-winding.

Normalment els espessors d'aquests arbres de transmissió navals tenen espessors compresos entre 15 i 20 mm i en certs casos fins i tot més.

Els millors resultats per a tots dos conceptes de parell torsor i condicions dinàmiques, s'aconsegueixen amb espessors de paret progressius i localitzats, totalment factible amb el Filament Laying. A fi d'evitar espessors de paret excessius que afectarien al cost, es recorre a actuar sobre el diàmetre augmentant-ho lleugerament, la qual cosa no presenta cap problema en els composites; el pes final, en opinió dels usuaris, es redueix en conjunt en dos terços pel que fa als d'acer.

b) Fabricació de bigues-calaix còniques treballant en Cantilever.

Hem triat una altra aplicació diametralment oposada a l'anterior en tot. La peça aquí pot ser hueca, de secció rectangular o quadrada, i de secció variable o cònica i a més, treballant subjecta per un extrem a un eix de gir i lliure per l'altre, és a dir, al més pur estil Cantilever. La seva aplica

La fabricació d'aquesta biga-calaix per Filament Laying, posarà de manifest una vegada més, l'immens potencial dels materials composts, quan se'ls sap extreure totes les seves possibilitats.

La màquina va dipositant automàticament fibres en cadascun de les quatre cares grans de la biga-calaix, així com en els seus quatre petits xamfrans que les interrelacionen i que eviten els canvis bruscs de les fibres a 90º, sempre desaconsellables i ho fem en les alineacions que desitgem i en els espessors que vulguem, de manera, que si per capritx fora, cap dels quatre grans costats i els quatre xamfrans, tindria el mateix espessor.

A manera de comparació, actualment la biga-calaix d'una pala eòlica de 29 m es fabrica en preimpregnado de fibra de vidre per un procediment molt artesanal; el pes supera els 1.700 kg.

Fer-ho en preimpregnado de carboni per Filament Laying, suposaria un pes aproximat de 700 kg. En conseqüència, l'estalvi en si d'1 t de pes en materials unit a la seva elevada automatització, converteixen a aquesta nova pala en més econòmica, a part de les favorables repercussions que l'estalvi de pes produeix en les condicions dinàmiques de la peça en si i de l'aerogenerador en general.

Nosaltres hem fet peces amb espessors de 2, 4, 6, 8, 10 i 12 mm dins de la mateixa secció de la biga-calaix, però a més, amb la peculiaritat de ser peça cònica, i així sense límit teòric de longitud (fins a 55 m per posar un topall).

Això fa que les estructures siguin òptimes, és a dir, presentin el millor compromís tècnic-econòmic.

Donem a manera recapitulativa, un quadre comparatiu d'aquestes bigues-calaix a la qual afegim el d'una pala monocasco realitzada també per Filament Laying, expressió suprema d'aquesta tecnologia.

Avantatges del Sistema “Filament Laying”

• Automatització total del procés de fabricació amb fibres.
• Repetitividad de les peces.
• Molt poques limitacions per la grandària. És possible fabricar peces de 50 metres de longitud i més.
• Altíssima velocitat de deposició de fibra.
• Seccions de tow preimpregnado de fins a 90 mm2.
• Conformació per pressió controlada per bandes extensiométricas.
• Compactació de la fibra mitjançant compressió radial d'una altra fibra.
• Menor pes de les peces.
• Major resistència mecànica.
• Indicat molt especialment per a producció de bigues-calaix de pales eòliques i per a pales monocasco en fibra de carboni.

Exemple gràfic:

Es tractaria d'un pilar posicionat verticalment, fix en el sòl i fix en la seva part superior o cap d'amarri; el pilar per tant va a rebre la càrrega verticalment.

És evident que fabricarem aquest tub al que anem a donar una longitud de 14 m i 450 mm de diàmetre, orientant majoritàriament les fibres en el seu sentit axial, és a dir, a zero graus pel que fa a la seva generatriu. Tan sols disposarem fibres radials, a 88º, en una primera capa interior sobre motlle i en una última d'exterior o cierre.el tub així fabricat en fibra de carboni i resina epoxy per Filament Laying, pesarà aproximadament 11 kg i podrà suportar una càrrega vertical de 3.640 kg, és a dir, suporta unes 350 vegades el seu propi pes.

Si aquest mateix tub ho féssim en acer, amb idèntiques dimensions, per suportar el mateix pes de 3.640 kg, ens donaria un pes de 850 kg, és a dir, suportaria només 4,2 vegades el seu propi pes. Per això, en el càlcul, els estructuristas haurien de sempre relacionar la resistència a tracció i la rigidesa d'un material amb la seva densitat (adjunt fulla). Això no ho obliden mai els enginyers aeronàutics, lliçó que vaig poder aprendre en els meus anys de treball entre ells.

Afortunadament, aquesta valoració dels materials, va passant a altres camps d'aplicació, com el naval de competició, ferroviari d'alta velocitat, automòbils de competició i fins a en les energies eòliques.

Com comentàvem en la introducció, és ara quan l'enginyer fa honor al seu “enginy”, on només el límit d'aquest, frenarà el seu potencial creador.

Les aplicacions abasten tot el ventall industrial. És a més una tecnologia totalment espanyola i madura, contrastada amb anys d'experiència i es recolza en maquinària modular, fàcilment transportable, sòlida i robusta, capacitada per treballar en continu per dies sencers, per tant, amb alt rendiment.

Per a aquelles persones introduïdes en els temes estructurals, el Filament Laying pot recordar una altra tecnologia establerta fa alguns anys, coneguda com "Fiber Placement" o "Tapi Placement".

Però hi ha notòries diferències. Diguem que el sistema Filament Laying realitza un major nombre de funcions, però sobretot, les fa de manera diferent i diria fins i tot, que de forma més senzilla.

Al Tape Placement és possible treballar simultàniament amb 24 roving o tow de carboni de 12 K, el que ens donarà un ample de banda de 70-90 mm i una secció de 20-22 mm ^2.

Al Filament Laying, l'amplada és de 40-50 mm i no obstant això la nostra secció de compòsit dipositat pot ser de 90 mm ^2, és a dir, molt més gran rendiment. Pensem que el Filament Laying contribuirà a la consolidació dels compòsits com a material estructural alternatiu. "Aquesta és la nostra aposta".

Ponència presentada en les XVI Jornades de Materials Compostos / Plàstics Reforçats, organitzades pel Centre Español de Plàstics