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Materiales compuestos

Un material compuesto o material composite es aquel formado por la unión heterogénea de dos o más materiales con el fin de crear un material uniforme final, de forma que las propiedades de este material final sean superiores que las de los componentes por separado. Este tipo de materiales se componen de:

Matriz: configura geométricamente la pieza, da cohesión al material, suele ser flexible y poco resistente y transmite los esfuerzos de unas fibras a otras.

Refuerzo: aporta rigidez y resistencia.

Historia

Los materiales compuestos llevan existiendo más de 3000 años, cuando en Egipto y Mesopotamia usaban una mezcla de barro con paja para hacer ladrillos de adobe resistentes y duraderos. A finales del siglo XIX los avances en la industria química permitieron transformar resinas de estado líquido a estado sólido mediante reticulación de la estructura molecular con el proceso conocido como polimerización. Este hito científico permitió que los materiales compuestos llegasen a ser lo que conocemos hoy en día. En 1935 se introdujo la primera fibra de vidrio, esta fibra fue combinada con un polímero plástico creando una estructura increíblemente fuerte a la vez que ligera. De esta forma surgió la industria de los Polímeros Reforzados con Fibra (FRP) usada cada vez en más aplicaciones. Aparecieron materiales con fibras de carbono, el kevlar, etc… aumentando el uso de estos materiales de tal modo que, en la industria de la aviación, a finales de los 2000 ya contaba con un 50% de porcentaje en peso de FRP en algunos de sus aviones más novedosos.

En la actualidad, los estudios más recientes investigan la automatización de los procesos de fabricación a gran escala de los materiales compuesto, para conseguir rebajar los costes productivos. Así como la aplicación de este tipo materiales a productos inteligentes, capaces de adecuarse parámetros externos. Además, se está buscando cómo mejorar la reciclabilidad de los materiales compuestos para hacer de ellos productos más sostenibles y responsables con el medioambiente. Fibras naturales como el cáñamo, la linaza, el yute, el ágave o el bonote se están utilizando para desarrollar composites verdes.

Clasificación

Los materiales compuestos se pueden clasificar, bien en función del tipo de matriz, o bien en función del tipo de refuerzo que se usen en su fabricación.

Según el tipo de matriz:

Materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras - FRP (Fiber Reinforced Polymer).

Materiales compuestos de matriz metálica - MMC (Metal Matrix Composites).

Materiales compuestos de matriz cerámica - CMC (Ceramic Matrix Composites).

Según el tipo de refuerzo:

Materiales con refuerzos discontinuos (partículas, plaquetas o fibras cortas).

Materiales con refuerzos continuos (fibras largas, tejidos o laminados).

Materiales compuestos y Fabricación Aditiva

Las tecnologías de FA permiten fabricar una diversidad de materiales, incluidos polímeros, metales, cerámica, arena, papel y compuestos. Ejemplo de ello son numerosos trabajos para el desarrollo de los materiales más relevantes en el sector aeroespacial y de defensa, como el publicado por IDTechEx Research ‘Fabricación Aditiva y Materiales Ligeros para Aeroespacial y Defensa 2018-2028, entre los cuales se encuentran, junto a los metales ligeros (Al, Ti, Mg), los materiales compuestos (FRP-Fiber Reinforced Polymer, CMC-Ceramic Matrix Composite, MMC-Metal Matrix Composite), y el cual estima que la demanda de dichos materiales en este sector superará las 140 kt en 2028.

FRP - Materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras:

Debido a este incremento de su uso en un creciente número de aplicaciones industriales, junto a la alineación de acciones para la reducción de emisiones e impacto medio ambiental, el reciclaje de una importante parte de dichos materiales es un factor importante, y donde la fabricación aditiva supone una buena alternativa. Ejemplo de ello se presenta en el trabajo de W. Liu et al. , que propone la recuperación de la fibra de carbono de los residuos de resina epoxi reforzada con fibra de carbono (CF/EP) y reutilizar la fibra de carbono reciclada (rCF) para producir piezas de material compuesto reciclado (rCFRP, polímero reforzado con fibra de carbono) mediante tecnologías de fabricación aditiva o impresión 3D (Figura 1).

Figura 1. Proceso integrado de reciclaje de CFRP basado en la fabricación aditiva. (1)

En la línea de la fabricación aditiva de compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono (CFRP) de alta densidad se encuentran un importante número de desarrollos y aplicaciones enfocadas al sector, siendo la Extrusión de material – MEX, más conocida como FDM, el método de fabricación aditiva más común (2), ya que permite la fabricación en capas de piezas utilizando compuestos termoplásticos tanto con fibra corta como fibra continua, con aplicación en diferentes sectores, como el aeroespacial y de defensa, automoción o construcción, entre los más importantes. Asimismo, se ha investigado en la fabricación materiales compuestos mediante otras tecnologías de FA, como la de Fabricación de Filamentos Fundidos (FFF) para el caso de poliamida reforzada con fibra de carbono corta (3).

Figura 2. Esquema del proceso de Extrusion MEX – impresión 3D de material polimérico (a) puro, y (b) reforzado con cargas de partículas o fibra corta. (2)

Además de las tecnologías de FA más comunes, se encuentran soluciones ad-hoc como el trabajo presentado por B. Karas et al.(4) (Figura 3), que permite obtener un material de alta densidad (porosidad <1.5%) y buenas propiedades mecánicas (97 MPa tensile strength, 8.9 GPa stiffness), y que permite además procesar una variedad de fibras como fibra de vidrio y materiales de matriz termoplástica como por ejemplo PEEK (polieteretercetona).

Figura 3. Fabricación aditiva de fibra compuesta (CFAM); (a) impresión por inyección de tinta, (b) deposición de polvo de polímero, (c) eliminación del exceso de polvo seco, (d) proceso de prensa, (e) eliminación de exceso de CF mediante chorro de arena, (f) pieza final [Fuente: (6)]

En la línea de desarrollo de soluciones robotizadas se encuentran un significativo número de sistemas industriales para la producción de material compuesto CFRP . Aunque los avances son menores en el caso de la producción automatizada de estos materiales mediante tecnologías de FA, ya se ha trabajado a día de hoy en el desarrollo de soluciones robotizadas donde se integran tecnologías de colocación de fibra automatizada (AFP) con la fabricación aditiva de compuestos 3D complejos , todo ello enfocado a la producción en el contexto de Industria 4.0 (7).

Figura 4. (1) Estación AM y sus componentes: (a) extrusor, (b) lecho caliente, (c) mesa de impresión y (d) robot industrial. (2) Célula de trabajo de colocación de fibra automatizada (AFP) [Referencia 6]. (3) Célula de fabricación multirobot AFP/ATP desarrollada por DLR [7].

En la línea de desarrollo de soluciones robotizadas se encuentran un significativo número de sistemas industriales para la producción de material compuesto CFRP (7). Aunque los avances son menores en el caso de la producción automatizada de estos materiales mediante tecnologías de FA, ya se ha trabajado a día de hoy en el desarrollo de soluciones robotizadas donde se integran tecnologías de colocación de fibra automatizada (AFP) con la fabricación aditiva de compuestos 3D complejos (8), todo ello enfocado a la producción en el contexto de Industria 4.0 (9).

MMC- Materiales compuesto de matriz metálica:

Aunque existen un importante número de trabajos para el desarrollo de métodos de fabricación avanzadas, son pocas y muy recientes aquellos enfocados a rutas de FA a través de una serie de tecnologías: fusión láser selectiva, deposición de metal mediante láser, revestimiento láser, FA ultrasónica, sinterización láser selectiva e impresión 3D por inyección [8,9], . Similar al FDM para los compuestos de matriz polimérica, la extrusión de metal se propone como método de impresión 3D de piezas es algo más reciente y complejo (p.e. Patente UC de Solidica, o sistema EBAM de Sciaky’s), así como la producción a partir de polvo metálico, ya que todos ellos requieren de una serie de postprocesos como tratamientos térmicos para eliminación de residuos y mejorar la consolidación [10]. Asimismo, se encuentran soluciones más novedosas, como la propuesta por J. H. Martin et at. [11] para la FA de composites de matriz metálica mediante nanofuncionalización (Figura 5).

Figura 5. MMCs sintetizados con tecnologías de FA por láser: Representación gráfica de los pasos de procesamiento, y detalle de mezcla de polvo metal y cerámica utilizada en SLM [11, 12].

Figura 6. Fabricación aditiva de MMCs mediante nanofuncionalización [11].

Referencias:

(1) Integrating carbon fiber reclamation and additive manufacturing for recycling CFRP waste. W. Liu, et al. Composites Part B: Engineering, Volume 215, 15 June 2021.
(2) 3D Printing of Fiber-Reinforced Plastic Composites Using Fused Deposition Modeling: A Status Review. S. Pervaiz et al. Materials 2021, 14, 4520.
(3) Additive manufacturing of short carbon fiber-reinforced polyamide composites by fused filament fabrication: Formulation, manufacturing and characterization. Y. Adderrafai et al. Materials & Design 214 (2022).
(4) Additive manufacturing of high density carbon fibre reinforced polymer composites. B. Karas et al. Additive Manufacturing 58 (2022).
(5) Automated Manufacturing and Processing of Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites: An Additive Review of Contemporary and Modern Techniques for Advanced Materials Manufacturing. J. Frketic et al. Additive Manufacturing -ADDMA 147 (2017). http://dx.doi.org/10.1016/j.addma.2017.01.003
(6) Fabrication of complex 3D composites by fusing automated fiber placement (AFP) and additive manufacturing (AM) technologies. F. Raspall et al. Advanced Manufacturing: Polymer & Composites Science, Volume 5, 2019.
(7) Advanced robotics and additive manufacturing of composites: towards a new era in Industry 4.0. H. Parmar et al. Materials and Manufacturing Processes Volume 37, 2022 - Issue 5: Special Issue on Robotics and Additive Manufacturing.
(8) Advanced production routes for metal matrix composites. A. Mussatto et al. Engineering Reports. 2021; 3:e12330.
(9) Laser Additive Manufacturing on Metal Matrix Composites: A Review. N. Li et al. Chinese Journal of Mechanical Engineering (2021) 34:38.
(10) Additive Manufacturing of Metal Matrix Composites. S. Seetharaman and M. Gupta. Encyclopedia of Materials: Composites, Volume 1 (2021).
(11) Additive manufacturing of metal matrix composites via nanofunctionalization. J. H. Martin et al. MRS Communications (2018).
(12) In-situ metal matrix composites development for additive manufacturing: a perspective. U. A. Essien, S. Vaudreuil. Journal of Achievements of Materials and Manufacturing Engineering. April 2022.
(13) Metal Matrix Composites Synthesized with Laser-Based Additive Manufacturing. Steven M. Storck et al. Johns Hopkins APL Technical Digest, Volume 35, Number 4 (2021),
www.jhuapl.edu/techdigest
https://dsiac.org/articles/additive-manufacturing-for-aerospace-maintenance-and-sustainment/
https://www.idtechex.com/en/research-report/additive-manufacturing-and-lightweight-materials-for-aerospace-and-defense-2018-2028/610
https://iberiacompositech.com/
https://www.aimplas.es/blog/tipos-de-materiales-compuestos/
https://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn114.html#