Caso de éxito: Compuestos

Proyecto TARGET - Tecnologías Inteligentes y Medioambientalmente Sostenibles para la Generación de Estructuras en Materiales Compuestos.

Investigación sobre nuevos conceptos de material y metodologías numérico-experimentales para su análisis. Soporte al diseño avanzado de componentes estructurales en material compuesto.

El uso de materiales compuestos en diversos sectores industriales crece de manera continuada en los últimos años.  Desde los años 30 del pasado siglo en el que surge el primer componente conocido fabricado en material compuesto (casco de un pequeño bote fabricado con fibra de vidrio y matriz de resina de poliéster), la utilización de este tipo de materiales de matriz polimérica reforzada con fibra de vidrio y carbono ha ido extendiéndose por diversos sectores en donde sus propiedades de ligereza, elevado ratio resistencia / peso y resistencia a la corrosión los hacen especialmente interesantes.

Es el caso del sector del transporte (aeroestructuras en el entorno aeroespacial, “chasis system” y “safety system” en automoción, carrozados de sistemas ferroviarios y de transporte público rodado en general …) o de sectores más tradicionales como el de la construcción (refuerzos estructurales para la reparación de patologías previas o inducidas por sismo, por ejemplo) e incluso en nuevos sectores caracterizados por elevadas cotas de innovación como el de la biotecnología (desarrollo de polímeros biocompatibles).

Indicadores de la elevada concentración de este tipo de materiales en el sector de la automoción es el informe emitido por el Departamento de Estudios de la Fira de Barcelona, que afirmaba que en 2008 aproximadamente el 14% del peso de los automóviles diseñados y fabricados en Europa se correspondía con la utilización de FRPs y plásticos técnicos, tendencia que se está viendo acelerada por la cada vez más creciente presencia del vehículo eléctrico en el portfolio de soluciones de los grandes de la automoción.

De igual manera el informe emitido por el Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España en el año 2009 estimaba un mercado global para las aeroestructuras realizadas en material compuestos superior a los 7.000 millones de dólares en 2007 y un mercado futuro de hasta 16.000 millones de dólares para el año 2016, con una perspectiva de largo plazo de crecimiento sostenido, alcanzando los 30.000 millones de dólares en el año 2030.  En el documento PAE/Doc-VT/1005 de la Plataforma Aeroespacial Española, se destaca el crecimiento en porcentaje de uso de materiales compuestos en las aeronaves de nueva generación, que ha alcanzado ya el 50% en peso. En este mismo informe, se estima una capacidad mundial de producción de fibra de carbono de grado aeroespacial de 60.000 Tm/año.  Así puede observarse en la figura 1, en la que se muestra la evolución del uso de los materiales compuestos en porcentaje de peso total de la aeroestructura del avión (fuente, Airbus).

En esta línea, el ITAINNOVA ha decidido apostar firmemente por tecnologías de fabricación basadas en RTM para termoestables reforzados con fibra de vidrio y carbono, debido a la alta tasa de crecimiento de la cuota de mercado de los componentes fabricados por esta técnica semi-automatizada y más orientada a la producción de largas series de piezas. 

A través de nuestra colaboración con Aernnova en el sector aeronáutico, el Instituto pretende incrementar su presencia en otros sectores como el de la automoción, equipos para la generación de energía renovables y ferrocarril, en los que ya ha conseguido pequeñas cuotas de mercado.  Nuestro posicionamiento estratégico y comercial en esta tecnología, pasa por la integración sinérgica de capacidades de simulación de procesos de RTM, diseño de procesos basados en dichas simulaciones y puesta en marcha de los mismos mediante demostradores tecnológicos (nuevos materiales y nuevos procesos). 

El proyecto “Target”, realizado bajo la dirección y liderazgo de Aernnova, la adquisición en el año 2013 de una máquina RTM (junto con equipamiento adicional, por valor conjunto superior a los 80.000 € y realizado con fondos propios), junto con el desarrollo a través de proyectos financiados también por fondos propios (presupuesto para 2013 superior a los 100.000€) de labores de Investigación Aplicada orientadas al desarrollo básico de algoritmos y metodologías de simulación, han sido pasos iniciales en este objetivo.

 Entre otras tareas, el ITAINNOVA ha desarrollado para Aernnova diversas herramientas numérico-experimentales relacionadas con el llenado de moldes en procesos de RTM y RI (fuera de autoclave), con el fin de generar y validar una metodología completa de simulación acompañada de la definición también completa de los distintos ensayos necesarios para la obtención de los parámetros de material a utilizar en dichas simulaciones.  Uno de los principales retos existentes en la actualidad dentro de estas tecnologías de fabricación es la consecución de un nivel de control sobre el proceso de llenado de molde y curado de la resina que asegure unas características mecánicas y una calidad final de las piezas similar a la conseguida en procesos tradicionales ejecutados a partir de pre-impregnados dentro de autoclave.  Para ello, es necesario ajustar cinética de curado y viscosidad de la resina, así como las presiones y los niveles de vacío, la disposición de los puntos de entrada y salida del material y, como uno de los principales retos, la permeabilidad de los tejidos.

Como resultado de este proyecto, el Instituto ha colaborado con Aernnova en el diseño de una completa metodología de simulación mediante software comercial, que es alimentado con parámetros físico-químicos críticos como es, especialmente, la permeabilidad de los tejidos. Para ello, ITAINNOVA ha diseñado, construido y puesto en marcha un completo banco de ensayos para la medición de las permeabilidades de los tejidos y sus compresibilidades.  Los resultados obtenidos han sido contrastados y van a ser publicados en breve en la ECCM16 (16th European Conference on Composite Materials).

Equipamiento para el procesado de materiales compuestos y nanocompuestos

EQUIPAMIENTO

Estufas para curado de materiales compuestos (Tª 0-180ºC, rampas de hasta 4ºC/min)

Equipamiento accesorio para fabricación de compuestos: bombas de vacío, depósito para infusión, vacuómetros, arcones frigoríficos, etc.

 Equipo para la inyección RTM/RI de material compuesto, marca ISOJET.

Microextrusora de doble husillo cónicos. Funcionamiento por lotes o en continuo Tamaño de lote variable: 3ml, 7ml o 15ml. Temperatura de trabajo hasta 350ºC.

Microinyectora : Capacidad de 12ml, posibilidad de enfriar el molde por debajo de temperatura ambiente. Control de la presión de cierre del molde.

Mezcladora interna, dispone de dos tipo de husillos de extrusión: sencillos o dobles. Cámara de mezcla intercambiable de 15ml y 50ml de capacidad. Potencia: 6,8 kW, Par: 300 Nm, Velocidad: 2-200 rpm

Prensa de termoconformado con control de rampas de calentamiento y enfriamiento. Posibilidad de vacío hasta 50mb y presión por superficie de 500N/cm2

Equipo de ultrasonidos por sonda Generador de ultrasonidos 400W, Frecuencia de trabajo 24 kHz, amplitud ajustable de 20-100%, pulsos ajustable de 0-100%, con 4 sondas H3, H14, H22, H40 para volúmenes de 5 ml – 4000 ml

CAPACIDADES

Aplicación de ciclos de curado especificados por fabricante.

Fabricación de cupones y probetas en materiales compuestos mediante preimpregnados e infusión de resina.

En combinación con moldes diversos, fabricación de placas de materiales compuestos mediante técnicas RTM/RI  

Procesado de polímeros termoplásticos y polímeros de baja-media viscosidad.  

Inyección y fabricación de probetas de polímeros termoplásticos. Moldes disponibles: tracción, flexión, placas. Capacidad de fabricación de moldes a medida.

 Procesado y mezclado de gomas y polímeros de alta viscosidad.

 Preparación de probetas, placas de materiales poliméricos para su posterior caracterización. 

Preparación de dispersiones de nanopartículas.