Dominando el termoformado: solución experta de problemas para compuestos termoplásticos

Nota: La información e imágenes de este artículo se obtuvieron del curso "Advanced Forming of Thermoplastic Composites" impartido por el ThermoPlastic composite Research Center (TPRC).

Los compuestos termoplásticos (TPC) ganaron ventaja por primera vez con la demanda de tasas de producción más rápidas en aeroespacial y otras aplicaciones ligeras. La producción de piezas en cuestión de minutos hizo del termoformado (también conocido como estampado) el proceso de compuestos termoplásticos más común y el primero en producir piezas voladoras en masa (véase "Inside a thermoplastic composites hotbed" y "Thermoplastic composites clip time...").

El proceso comienza con una plancha – un laminado compuesto termoplástico preconsolidado con la orientación de capas requerida – y comprende los siguientes pasos (Fig. 1): Preparación de la plancha (corte y fijación), calentamiento de la plancha, transferencia a molde, posicionamiento de la plancha, conformado, enfriado, desmoldeo de la pieza y corte/acabado. El proceso de termoformado es un concepto simple pero involucra complejidades y retos que deben abordarse para lograr piezas compuestas repetibles y de alta calidad.

Evitando arrugas

Una arruga es un defecto visual y funcional. Puede describirse como una flexión fuera de plano del material. La causa principal son deformaciones de cizalladura insuficientes, como deslizamiento entre capas y cizalladura intracapa, durante el procesamiento. Las arrugas ocurren predominantemente en superficies doblemente curvas. Considere las siguientes acciones para minimizar arrugas.

Precalentamiento suficiente y transferencia rápida

Durante el conformado de la plancha, la temperatura debe permanecer por encima de la temperatura de fusión (Tm) de la matriz TPC para permitir deformación por cizalladura. Tenga en cuenta que durante la transferencia desde la etapa de precalentamiento al molde, la temperatura puede caer significativamente – posiblemente hasta 40-50 °C en tres segundos. Por tanto, el precalentamiento debe ser lo suficientemente alto para que el polímero permanezca por encima de Tm – o temperatura de transición vítrea (Tg) para polímeros amorfos – después de la transferencia y durante el conformado. Una plancha fría no se deformará correctamente y desarrollará arrugas. Sin embargo, tenga cuidado de no sobrecalentar la plancha para evitar degradación del polímero.

Estilo de tejido y estratificación

Los tejidos satén de espiga (HS) tienen mejor drapeabilidad debido a una deformación de cizalladura en plano más fácil, lo que ayuda a prevenir arrugas. La drapeabilidad de tejidos tejidos, de mayor a menor, es: 8HS > 5HS > 2x2 twill > tejido plano. El tejido 5HS es a menudo un buen punto de partida porque equilibra drapeabilidad y rendimiento mecánico. Las planchas hechas con refuerzos unidireccionales (UD) tienden a arrugarse más que tejidos HS debido a la alta fricción entre fibras que resiste el cizallamiento en plano. Permitir cizallamiento en plano es la clave del éxito con conformado de planchas UD, especialmente con superficies doblemente curvas.

Orientaciones de capas como [0, 90, ±45]s encontradas en un estratificado cuasi-isotrópico pueden inhibir la deformación por cizalladura, lo que aumenta arrugas. Alternativamente, estratificados cruzados (p. ej., [0, 90]) ayudarán a prevenir arrugas porque el cizallamiento no está restringido por otras capas.

Preparación y fijación de la plancha

Pinzas y tensores pueden usarse para mantener la plancha en tensión en áreas propensas a flexión fuera de plano. Encontrar la configuración optimizada puede llevar tiempo, con múltiples iteraciones requeridas, pero el software de simulación de proceso ayuda. La tensión adecuada de la plancha también evita que esta se hunda, lo que puede causar problemas durante la transferencia y el conformado. Tales problemas incluyen que la plancha toque el molde demasiado pronto, lo que podría colocar demasiado material en el molde antes de que el drapeado pueda ocurrir, resultando en abombamiento y arrugas. La plancha también puede hundirse y tocar el calentador, lo que puede dañar la plancha o detener el proceso.

Optimizar la geometría final de la plancha y cortarla a una forma cerca de la neta puede prevenir arrugas y reducir desperdicio. Cortes y dardos también pueden ayudar a prevenir la flexión fuera de plano reduciendo tensiones de fibra para permitir mejor conformado.

Superando retos con diseño de molde

Durante el termoformado y procesos de moldeo similares, el propio molde puede presentar retos. Un diseño de molde adecuado puede ayudar a evitar problemas con costes de molde, calentamiento, defectos de pieza y desmoldeo.

Materiales de utillaje de molde

Para elegir el material adecuado para un utillaje de termoformado, considere los materiales usados para la pieza final, ya que estos afectarán la temperatura de molde requerida (Tmolde). Por ejemplo, siguiendo la regla práctica Tmolde = (Tm + Tg)/2, una pieza hecha de PPS (polifenileno sulfuro, Tm = 280 °C) reforzado requerirá una Tmolde de aproximadamente 180 °C. (Los polímeros termoplásticos amorfos y semicristalinos tienen Tg, pero los semicristalinos también tienen Tm.) Se requiere así un molde metálico para conducir suficiente calor desde la platina de la prensa calentada o una herramienta calentada para el moldeo de la pieza. La conducción también es necesaria para enfriamiento eficiente de la pieza. Sin embargo, para una pieza hecha usando PMMA (polimetil metacrilato) reforzado, que tiene una Tg mucho más baja (~100 °C), una herramienta de madera o epoxi a temperatura ambiente podría ser suficiente.

Otras consideraciones incluyen la fase de desarrollo actual y presupuesto disponible, pero también el número de piezas a fabricar con el utillaje. Durante el procesamiento, los utillajes de molde están expuestos a fricción, alta temperatura y presión. Como la madera y el epoxi tienen menor resistencia al calor y capacidad de carga comparados con metales, los moldes hechos de estos materiales tendrán una vida útil más corta y son más adecuados para producción de bajo volumen, mientras que las herramientas metálicas se preferirán para producción de alto volumen.

Otro sistema de materiales a considerar para utillaje es metal-caucho, donde la mitad de un juego emparejado es metal y la otra es caucho. Esto permite flexibilidad de producción y puede usarse para piezas con tolerancias mayores. Una herramienta metal-caucho también proporciona presión hidrostática uniforme, lo que es beneficioso en áreas de bridas y en planchas con variaciones de espesor, típicas de planchas a medida hechas con múltiples capas UD.

Esta aplicación inherente de presión hidrostática también es una ventaja cuando la misma pieza se produce en múltiples espesores diferentes, eliminando el coste de moldes separados para cada espesor. Al diseñar una herramienta metal-caucho, es importante también considerar las siguientes desventajas y retos:

• El lado metálico de la herramienta producirá un acabado más suave vs. el caucho.
• Las herramientas metal-caucho tendrán un coeficiente de expansión térmica (CTE) órdenes de magnitud mayor vs. herramientas todo-metal.
• Debido a menor conductividad térmica vs. metal, el enfriamiento tomará un poco más y creará más retraso en la respuesta de control de temperatura.
• Mayor desgaste y envejecimiento resultarán en una vida útil más corta vs. herramientas todo-metal.

Conformado y desmoldeo

Un diseño de molde adecuado asegura presión suficiente, drapeado óptimo, ayuda a prevenir defectos y promueve retirada segura de pieza. Aunque hay muchos problemas sobre conformado y desmoldeo, varios de los más importantes incluyen:

• Presión. Durante el termoformado, baja presión puede llevar a mala consolidación, propiedades mecánicas reducidas y dimensiones de pieza fuera de tolerancia. Para una herramienta metal-metal emparejada, elimine topes finales para que la presión continua en el laminado no sea impedida por el hueco que los topes crean.
• Permitir entrada de material (draw-in). Para evitar expansión del lado de caucho del molde durante el prensado (conocido como abarrilado), que puede bloquear el movimiento del material durante el prensado (draw-in), coloque el caucho en el lado hembra de la herramienta de moldeo (véase Fig. 3).
• Retirada de pieza. Para piezas en forma de L, diseñe el molde con el ángulo L deseado inclinado a V, lo que reducirá la fricción con la herramienta y permitirá fácil retirada. Para piezas en forma de caja, use ángulo de desmoldeo de 1-2 grados por lado; ángulos mayores pueden necesitarse para piezas más profundas.

Alabeo y spring-in

El alabeo y spring-in son distorsiones de forma causadas por propiedades de material anisotrópicas y enfriamiento desigual de resina que ocurren después de que la pieza se moldea y pueden llevar a dimensiones de pieza fuera de tolerancia, lo que podría causar problemas de ensamblaje y llevar a que las piezas sean desechadas. El alabeo ocurre cuando una región de alta tensión moldeada en una pieza intersecta con una región de baja tensión moldeada. Ese desequilibrio de tensión se alivia por la región de alta tensión distorsionando la región de baja tensión, resultando en arqueado o torsión del laminado.

El spring-in ocurre en paneles curvos o en piezas con secciones de esquina cuando la tensión moldeada causa que las secciones de pared se distorsionen hacia adentro en un ángulo menor al ángulo diseñado. Esto ocurre a menudo en compuestos reforzados con fibra debido a sus propiedades anisotrópicas. La geometría de la pieza también es un factor. La contracción diferencial entre en-plano (CTE bajo en dirección de fibra) y a través del espesor (CTE alto de la matriz), puede causar una disminución de ángulo de 1-3 grados.

Abordar distorsiones de forma puede ser costoso y lento. Se recomienda encarecidamente usar herramientas de simulación y diseño para desarrollo de piezas más rápido. Busque las siguientes causas y soluciones posibles al enfrentar alabeo:

• Parámetros de proceso. La temperatura del molde afecta propiedades a través del espesor asociadas con cristalización y efectos viscoelásticos, que pueden afectar alabeo. Reducir temperatura de molde puede reducir spring-in pero aumentar tensiones internas, que pueden llevar a spring-in una vez liberadas. Esta incertidumbre debe examinarse cuidadosamente. Alta presión y velocidad de conformado también pueden reducir spring-in y posiblemente promover el problema opuesto – spring-back – limitando deslizamiento entre capas. Aumentar tiempo de permanencia puede asegurar que la matriz esté totalmente solidificada y eliminar calor residual, que reduce contracción tras retirada de pieza, y así, spring-in.
• Diseño de molde. Compensar spring-in puede hacerse cambiando ángulos de pared en el molde. También, como se mencionó, los moldes metálicos promueven enfriamiento más uniforme y pueden ayudar a reducir riesgo de alabeo, especialmente en piezas gruesas.
• Estratificación. Los estratificados simétricos se usan comúnmente para mitigar alabeo, pero durante el termoformado, puede ocurrir reorientación de fibra, llevando a asimetría y alabeo. Otra manifestación de asimetría es migración de resina durante conformado de radios (incluyendo esquinas). Esto causa redistribución de fibra y cambios locales en fracción de volumen de fibra que promueve anisotropía y alabeo. Diferentes estratificados y secuencias se comportan diferente a medida que las fibras responden a tensiones, lo que a su vez afecta alabeo. Herramientas de simulación y predicción pueden ayudar a abordar este comportamiento complejo de material.

Aunque el proceso de termoformado/estampado involucra múltiples parámetros y comportamientos complejos de material, hay principios básicos y acciones que pueden guiar un desarrollo exitoso. Con la implementación creciente de piezas TPC termoformadas, y particularmente planchas UD a medida, nuevos retos se están abordando con soluciones innovadoras y herramientas mejoradas de diseño/simulación.