Kevlar vs Fibra de Carbono: Diferencias Clave y Rendimiento de Materiales

Tanto Kevlar® como fibra de carbono tienen historias fascinantes que muestran exploración e innovación en materiales. En Markforged, nos encanta explorar materiales y sus combinaciones para desbloquear nuevo potencial y liderar el desarrollo de innovación en fabricación aditiva. Somos líderes en impresión 3D de hilos continuos de fibra con nuestro proceso patentado CFF (Continuous Filament Fabrication), que deposita hilos continuos de fibra en una pieza FFF de Onyx para reforzar eficazmente piezas plásticas con resistencia de metal. Esto aumenta drásticamente la durabilidad y vida útil de la pieza, y optimiza su perfil de resistencia añadiendo fibras donde más se necesita resistencia.

Entendiendo Kevlar

Kevlar

¿En qué piensa al oír Kevlar? La mayoría piensa en chalecos antibalas. Puede que no piense en DuPont™, pero este material fue desarrollado por DuPont™ en 1964 por la químico polaco-americana Stephanie Kwolek.

¿Sabía que Kevlar tiene usos diversos across industrias? Lo encuentra en aplicaciones cotidianas como:

• Neumáticos para coches y bicicletas
• Placas para pesas
• Velas y cuerdas
• Guantes, calcetines y equipaje
• Botas de trabajo
• Pastillas de freno
• Equipo de protección
• Sellantes

Kevlar es fibra sintética del grupo aramida, resistente al calor. Kevlar y Nomex pertenecen a este grupo. Fibras sintéticas se crean por síntesis química, opuesto a fibras naturales de organismos vivos. Se crean extruyendo material formador de fibra a través de hileras, formando fibra.

Kevlar tiene tipo alto módulo usado principalmente en cable fibra óptica, procesamiento textil, cuerdas, cables, refuerzo plástico y aplicaciones compuestas para aeroespacial, automotriz, defensa, energía, consumo, electrónica, médica e industria pesada. El Naval Facilities Engineering Command exploró capacidades de cuerda Kevlar para ingeniería oceánica y construcción, resultando en diseños innovadores y aplicaciones gracias a su increíble resistencia a tracción y flotabilidad. La fibra Kevlar tiene resistencia a tracción comparable a fibra de carbono, módulo entre vidrio y carbono, y menor densidad que ambas.

Kevlar aramida se usa en aplicaciones compuestas de alto rendimiento donde ligereza, alta resistencia y rigidez, resistencia a daño, y resistencia a fatiga y rotura por tensión son importantes. Markforged encuentra que reforzar Onyx, Onyx FR e incluso Nylon White con Kevlar permite a ingenieros y diseñadores crear piezas extremadamente versátiles. Kevlar soporta cambios significativos en entornos de baja temperatura, hasta 320 °F (-196 °C) sin fragilización ni degradación, y entornos con radiación electrónica, ya que esta no daña Kevlar. Sin embargo, Kevlar es sensible a luz UV (ultravioleta).

Diseñadores pueden desarrollar piezas seguras, fuertes, rígidas, ligeras y tolerantes al entorno, aplicación y condiciones de carga imprimiendo con fibras continuas. Diseñando piezas con proceso CFF (Continuous Filament Fabrication), los diseñadores aprovechan la resistencia a tracción de Kevlar (estiramiento o tracción) que es más de ocho veces superior a la de alambre de acero.

Reforzar con CFF permite a cualquier diseñar construir piezas compuestas con resistencia de metal, aumentar durabilidad (vida útil) de la pieza y optimizar resistencia donde más se necesita. Kevlar también tiene rango de deformación plástica muy largo y cuando falla lo hace hebra a hebra, e incluso se dobla o cae en lugar de romper bruscamente. Tiene modo de fallo mucho más predecible y perdonable comparado a otras fibras como fibra de carbono.

Propiedades únicas de fibras Kevlar:

• Muy bajo estiramiento
• Alta resistencia a tracción
• Muy alta relación resistencia-peso
• Excelente resistencia a fatiga
• Buen rendimiento en amplio rango de temperatura
• No funde; se descompone a 800‑900 °F (427‑482 °C)
• Bajo creep
• Sin contracción
• Buena estabilidad química
• Altamente resistente a abrasión
• Resistencia débil en dirección transversal (débil en compresión)
• Modo de fallo menos catastrófico de todos los filamentos Markforged

Resistencia al Impacto

Kevlar es 8× más resistente al impacto que ABS manteniéndose 15‑20 % más ligero que nuestras otras fibras de refuerzo.

Resistencia a Flexión

En flexión a tres puntos, Kevlar impreso en 3D es 3× más resistente que ABS y 6× más que nailon.

Rigidez a Flexión

Kevlar impreso en 3D es 12× más rígido que ABS y 30× más que nailon.

Kevlar posee excelente durabilidad, óptimo para piezas que experimentan cargas repetidas y súbitas. Tan rígido como fibra de vidrio y mucho más dúctil, sirve para amplia variedad de aplicaciones en fabricación aditiva, tales como:

• Calzado deportivo
• Robótica y cunas
• Effectores finales / garras
• Fundas smartphone, electrónica personal
• Piezas accionadas por hidráulica o neumática
• Equipo protector, cascos; combate, motocicleta
• Palancas freno, abrazaderas, soportes
• Fijaciones, utillaje, sujeción, garras suaves
• Engranajes, llaves, drones
• Artículos deportivos y accesorios, mosquetones
• Piezas de uso final, productos consumo, etc.

Garras Dixon Valve se imprimen con Onyx reforzado con Kevlar. El material debe ser lo bastante fuerte para transmitir fuerza de sujeción, duradero en ciclos de carga repetidos, y no marcar las válvulas.

Los compuestos en impresión 3D aprovechan la resistencia a compresión de la matriz plástica —la estructura de soporte que comprende la mayor parte del volumen de la pieza— y la resistencia a tracción de fibras embebidas. Estos dos materiales son mutuamente dependientes: sin fibra, la pieza plástica es solo tan fuerte como la adhesión dentro y entre hilos extruidos. Sin matriz, la fibra no tiene estructura y no mantendrá forma. La matriz crea espacio para que la fibra tenga brazo de palanca para estabilizar contra la carga. Combinados, sinergizan para formar compuesto con mayor resistencia tanto en compresión como tracción que cualquiera individualmente. Esto es cierto para todas nuestras fibras: Kevlar, fibra de carbono, fibra de vidrio y fibra de vidrio HSHT.

Entendiendo Fibra de Carbono

Fibra de Carbono

El filamento de fibra de carbono está compuesto de átomos de carbono organizados en estructura cristalina. Por su muy alta rigidez y resistencia, se usa ampliamente en industrias aeroespacial y automotriz. Tiene una de las mayores relaciones resistencia-peso existentes —superior a acero y titanio.

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Relación Resistencia-Peso

Comparado con aluminio 6061, fibra de carbono impresa en 3D tiene 50 % mayor relación resistencia-peso en flexión y 300 % mayor en tracción.

Resistencia a Flexión

En flexión a tres puntos, nuestra fibra de carbono impresa en 3D es 8× más resistente que ABS y 20 % más que el límite elástico de aluminio.

Rigidez a Flexión

Filamento de fibra de carbono impresa en 3D es 25× más rígido que ABS y 2× más rígido que el resto de fibras de refuerzo Markforged.

Características del material fibra de carbono:

• Fibra de carbono impresa 3D Markforged iguala límite elástico de Aluminio 6061
• Falla al mismo esfuerzo donde Aluminio empieza a deformar plásticamente
• Fibra de carbono vuelve a forma original tras remover carga; Aluminio deforma plásticamente
• Alta rigidez y alta relación resistencia-peso
• Conductora de electricidad
• Resistente a corrosión y calor
• Rígida hasta fractura (fallo abrupto y no predecible)
• Carga ideal es constante —soportar fuerza conocida todo el tiempo

Las increíbles propiedades de fibra de carbono permiten usarla como reemplazo de metal en aplicaciones donde ahorro de peso es importante. Toda industria ahora puede aprovechar CFF con fibra de carbono e imprimir piezas increíblemente fuertes. Diseño Generativo también ofrece ventajas combinado con CFF Markforged permitiendo a diseñadores explorar múltiples soluciones optimizadas y seleccionar el mejor diseño adaptado a su uso desde perspectivas de diseño y resistencia.

Fibra de carbono sirve para amplia variedad de aplicaciones; aeroespacial, automotriz, arquitectura y construcción, bienes consumo, médica, energía, defensa, electrónica, maquinaria industrial, etc. adaptadas para fabricación aditiva y no hay fin a esta lista, aquí solo algunas:

• Robótica y brazos robóticos
• Effectores finales, garras y garras suaves
• Fijaciones de inspección, soldadura, y CMM
• Herramientas de conformado
• Bicicletas y componentes
• Aplicaciones motorsport de alta gama

Vea el caso Haddington Dynamics, brazo robótico 3D reforzado con filamento fibra de carbono continua, rígido y ligero para precisión de 50 micras. Usando impresora 3D fibra de carbono, la empresa redujo conteo de piezas de 800 a menos de 70.

Contáctenos para más ayuda o consejo sobre qué fibra de refuerzo es más apropiada para su aplicación. Solicite muestra de Kevlar o fibra de carbono hoy.

Lista de Referencias

1. Ferer, M. Kenneth y Swenson, C. Richard, «Design Guide for Selection and Specification of Kevlar Rope for Ocean Engineering and Construction», Págs. v, 9, 39, DTIC, Jul. 1976.
2. Smith, F. William, 1996, «Principles of Materials Science and Engineering, Third Edition», McGraw-Hill, Inc., Pág. 774, ISBN-0-07-059241-1.
3. DuPont™. DuPont™ Kevlar Applications - «The Kevlar® Journey, Top To Bottom». YouTube, Aug. 2014.
4. DuPont™. 2017, Kevlar Aramid Fiber Technical Guide, Págs. 12, 14, 16.
5. Science Channel. «Watch In Slow-Motion As Kevlar Fibers Are Put To The Test.» YouTube, Jun. 2017.
6. Yeung, K. K., y Rao, K. P., «Mechanical Properties of Kevlar Fibre Reinforced Thermoplastic Composites», Pág. 411, City University of Hong Kong, Jan. 29, 2010.
7. Wikipedia contributors. «Kevlar.» Wikipedia, The Free Encyclopedia, 11 Aug. 2019.
8. Wikipedia contributors. «Aramid.» Wikipedia, The Free Encyclopedia, 8 Sep. 2019.
9. Wikipedia contributors. «Synthetic fiber.» Wikipedia, The Free Encyclopedia, 7 Sep. 2019.
10. Williams Bryan, Attwood Louise, Treuherz Pauline, 2017, «Design and Technology: All Materials Categories and Systems, Fire Resistant Materials».