Abordando los retos clave en el bobinado de cinta asistido por láser de compuestos termoplásticos

Los compuestos termoplásticos (TPC) han sido promocionados extensamente en los últimos años debido a su alto potencial para aumentar las tasas de producción y permitir la reducción de peso. Uno de los temas más discutidos para aumentar las tasas de producción con TPC es la consolidación in situ (ISC) durante la colocación automatizada de fibra y cinta (AFP/ATP).

La ISC se demostró por primera vez con estructuras constreñidas como tubos, y sigue ofreciendo un gran potencial para vasos de presión y tanques de almacenamiento sobreenvueltos. Estas estructuras pueden producirse usando bobinado de cinta asistido por láser (LATW), que comprende una máquina de colocación de cinta asistida por láser (LATP) y un mandril rotativo (Fig. 1).

El cabezal AFP/ATP se instala en un robot CNC de seis ejes y usa un láser para calentar la cinta entrante y el sustrato para fundir el polímero termoplástico. La cinta se presiona luego sobre el sustrato usando un rodillo para promover la adhesión intercapas y la consolidación.

Estrategias para la primera capa

Como en cualquier proceso de fabricación aditiva, la primera capa en LATW es un problema que debe abordarse. Para un tubo producido en un mandril metálico (se prefiere aluminio), se debe considerar la extracción del mandril tras el bobinado y aplicar un agente desmoldeante.

Otra consideración es la fijación. Si se aplica bobinado circunferencial a la primera capa (frente a una disposición helicoidal o axial, Fig. 2), se puede colocar cinta adhesiva manualmente al principio y al final del recorrido para mejorar la estabilidad y adhesión a la cinta entrante. Si se requiere una disposición helicoidal o axial, entonces se deben aplicar anillos completos de cinta y fijar en los bordes del cilindro, usando cinta adhesiva para prevenir el deslizamiento.

Para un vaso de presión de Tipo IV (revestimiento plástico con sobreenvoltura de compuesto de fibra de carbono), o al sobreenvolver un tubo plástico, la cinta entrante se fusionará con el revestimiento. Esto elimina la necesidad de fijación con cinta adhesiva, pero el revestimiento plástico y la cinta TPC deben tener el mismo polímero base para asegurar una unión adecuada.

Pueden surgir problemas con el calentamiento del revestimiento plástico. Por ejemplo, si no puede absorber el calentamiento láser, o si se usa un mandril metálico, considere ajustar el ángulo del láser para calentar completamente la cinta entrante. En otras palabras, en lugar del posicionamiento típico de modo que el láser se distribuya entre la cinta entrante y el sustrato (Fig. 1), incline el láser más hacia la cinta. Esto evitará reflexiones del láser, asegurará un calentamiento más uniforme de la cinta y reducirá el consumo de energía.

Cambios en la distribución del láser con el ángulo de capa o geometría cambiante

Como se describió arriba, típicamente durante los procesos LATP y LATW, el láser se distribuye entre la cinta entrante y el sustrato. Esta distribución es constante en casos donde la geometría del radio y la dirección de colocación son constantes. Sin embargo, hay consideraciones. Por ejemplo, durante una disposición axial en un mandril tubular (que sería aproximadamente equivalente al molde plano en Fig. 3), la cinta entrante recibirá la misma radiación comparada con una disposición circunferencial, mientras que el sustrato recibirá más proyección láser que en una disposición circunferencial. Nota: esto es despreciable en tubos de gran diámetro.

Durante el calentamiento, la cinta termoplástica se extiende y se vuelve más ancha y delgada, dependiendo de la temperatura y la velocidad de colocación (tiempo de calentamiento), debido a la viscosidad reducida del polímero. En un sistema con control de bucle cerrado —donde la temperatura se mantiene constante en la zona de calentamiento— una disposición axial terminará con una cinta más ancha que en una disposición circunferencial. Alternativamente, en un sistema con control de potencia constante, la disposición axial se desarrollará a temperaturas más bajas, y por tanto la cinta se ensanchará menos. Esto es importante de entender y abordar porque cambios desiguales en las dimensiones de la cinta pueden resultar y causar huecos y solapes no deseados que podrían aumentar el contenido de vacíos.

Al bobinar tubos, la geometría del radio es constante, pero esto cambia al bobinar vasos de presión debido a las cúpulas finales. Al entrar o salir de estas cúpulas, el robot se ralentiza y el tamaño del punto láser disminuye en el sustrato. Ambas acciones pueden causar un aumento brusco de temperatura, lo que puede causar secciones más delgadas, diferentes propiedades del material o incluso daño al polímero.

Otra consideración es que a medida que las capas de fibra de la pieza se construyen durante el bobinado, las dimensiones del núcleo sobre el que se bobina (mandril más capas hasta el momento) están cambiando. Por tanto, los ángulos de colocación deben ajustarse para evitar huecos. Un sistema LATP/LATW con software que actualice el diámetro del mandril podría estar disponible de algunos proveedores. Si no, el bobinado tendrá que inspeccionarse manualmente o con un sistema de inspección en línea y corregirse según sea necesario.

Aunque abordar las consideraciones anteriores ayuda, no es posible lograr la eliminación del 100 % de defectos como huecos, solapes y variaciones de espesor. El proceso de bobinado, por tanto, debe desarrollarse para alcanzar los permitidos de diseño de la pieza en lugar de perseguir una «pieza perfecta», lo que podría añadir costes innecesarios.

Maximizando propiedades mecánicas, adhesión intercapas y cristalinidad

La gestión térmica es un factor clave para lograr una adhesión intercapas adecuada así como la cristalinidad de potencial completo en la matriz termoplástica. Las primeras capas están cerca del mandril, que actúa como disipador de calor. Esto puede prevenir la difusión molecular y promover una mala adhesión intercapas, baja cristalinidad y mayor contenido de vacíos. Para superar este desafío, se debe considerar reducir la velocidad de colocación, aumentar la temperatura y ajustar el ángulo del láser para permitir un tiempo de calentamiento más largo que asegure la difusión molecular.

Esto no asegura, sin embargo, la cristalinidad completa. Esto es porque la difusión molecular —reformar re-entrelazamientos moleculares tras la fusión durante el enfriamiento— es un proceso mucho más rápido que la cristalización, donde las moléculas se alinean para formar una estructura cristalina ordenada. Si la pieza que se fabrica es delgada (aproximadamente menos de 2 milímetros), se esperaría una cristalinidad menor que para una pieza gruesa, que recibe más pasadas de consolidación y menos pérdida de calor al mandril. Para piezas tanto delgadas como gruesas, considere velocidades de colocación más lentas para las capas iniciales.

Para alcanzar la cristalinidad completa, considere lo siguiente:

• Tras el bobinado, recocer (remojo térmico) a una temperatura entre la T_g (temperatura de transición vítrea) de la matriz termoplástica y T_m (temperatura de fusión). Como regla general, el punto medio entre las dos temperaturas proporciona la cinética de cristalización más rápida.
• Usar un mandril calentado que promueva la cristalinidad de las capas iniciales. Esto no siempre es posible y puede ser más costoso. Si se usa un mandril calentado, asegúrese de considerar que el mandril podría sufrir expansión térmica.
• Programar pasadas de consolidación —en otras palabras, incluir pasadas de bobinado sin cinta entrante pero con láser proyectado totalmente sobre el sustrato. Esto se hace mayormente en capas posteriores que reciben menos pasadas, pero también puede hacerse en las primeras capas para mejorar la adhesión intercapas.

Dimensiones de la cinta — flexibilidad de diseño y tasas de producción

Las dimensiones de la cinta son un parámetro crucial en el bobinado de cinta. Obviamente, recibir ancho y espesor de cinta constantes del proveedor permitirá productos repetibles y uniformes. Sin embargo, las dimensiones de la cinta también definen la flexibilidad de diseño. Por ejemplo, con una disposición axial en un mandril tubular, el ancho de la cinta debe ser lo suficientemente estrecho para ser compatible con la curvatura del mandril. Cuanto mayor el diámetro del mandril, más ancha puede ser la cinta. Cinta más ancha significa mayor rendimiento, mientras que cinta más estrecha es más amigable para el diseño ya que es más compatible con cambios de curvatura y más fácil de guiar.

Aunque hay más problemas y desafíos con LATW, las buenas piezas son posibles, y este método de fabricación continuará avanzando a medida que los tubos y tanques compuestos se usen para almacenamiento de hidrógeno y otras aplicaciones de gas.

Sobre el Autor

Yehiel Shaham

Yehiel Shaham es ingeniero de plásticos y polímeros con casi 12 años de experiencia en desarrollo y fabricación de termoplásticos en empresas líderes israelíes de plásticos y defensa. Durante 2016-2020, fue ingeniero líder de compuestos termoplásticos (TPC) en RAFAEL, donde se especializó en TP-AFP. Actualmente, busca promover los TPC en la industria israelí.