Fibra de carbono explicada: propiedades, usos y aplicaciones en impresión 3D

La fibra de carbono, también conocida como fibra de grafito o grafito de carbono, se ha convertido en favorita en varios sectores, y con buena razón. Pero no lo revelaremos todo en la intro: siga leyendo para descubrir qué es este material, sus diferentes tipos y para qué se usa.

¿Qué es la fibra de carbono?

La fibra de carbono es una estera de tela hecha de fibras tejidas y se clasifica tanto como compuesto como plástico reforzado con fibra. Es 90% poliacrilonitrilo (el precursor del carbono) y 10% otros precursores, como brea o celulosa. Este material se fabrica por carbonización, oxidación o grafitización. Primero se corta a la forma requerida, se impregna con resina, luego se procesa en uno de los métodos mencionados. Al curar, el resultado es un material ligero e increíblemente fuerte con una impresionante relación resistencia-peso.

La alta tolerancia al calor de este tipo de fibra inspiró a Sir Joseph Wilson Swan a usarla para una bombilla incandescente en 1860. En ese entonces, los filamentos de fibra de carbono no eran tan fuertes como ahora, así que cuando el tungsteno llegó a la escena, prácticamente tomó el control en la fabricación de bombillas. Más de 50 años pasaron sin que la fibra de carbono se usara realmente para nada, pero una versión más fuerte salió en los 60, y Rolls-Royce la adquirió para sus motores a reacción —a pesar de la fragilidad.

La fibra de carbono usada en fabricación hoy tiene una resistencia a la tracción de alrededor de 4,000 MPa y un alto módulo de 400 GPa, haciéndola útil para muchas cosas (no solo bombillas). Es resistente a fluencia, fatiga, químicos y corrosión, así como no inflamable y no tóxica. Con el tratamiento adecuado, puede ser eléctricamente conductiva.

Este material es infamemente caro. Es más ligero y fuerte que el acero, pero su alto coste disuade a fabricantes de usarlo a menos que sea absolutamente necesario (como esa fragancia cara que guardas para ocasiones especiales). Pero ahora el precio de la fibra de carbono ha bajado, ¡y su uso ha subido! Los días de la fibra de carbono esperando tareas de alto perfil han terminado; ahora se hace en herramientas y fijaciones, resortes y cables, e incluso puede usarse para reforzar neumáticos.

¿Cuál es el otro término para fibra de carbono?

La fibra de carbono también puede referirse como fibra de grafito o grafito de carbono. Puede referirse bajo términos paraguas como compuesto o plástico reforzado con fibra. El término compuesto describe un material que tiene una matriz y refuerzo. En el caso de la fibra de carbono, la fibra es el refuerzo y la resina es la matriz. Plástico reforzado con fibra se usa para describir compuestos de fibra de vidrio y aramida así como fibra de carbono.

¿Cuándo se inventó la fibra de carbono?

Las fibras de carbono se crearon por primera vez en 1860 por Sir Joseph Wilson Swan para uso en bombilla incandescente ya que estas fibras tenían tolerancia al calor muy alta. Sin embargo, los filamentos de fibra de carbono en ese momento no eran muy fuertes. Así que cuando el tungsteno empezó a usarse en bombillas, la fibra de carbono no tuvo uso por más de 50 años. Luego, en los 60, se pudieron producir fibras de carbono más fuertes para uso en motores a reacción por Rolls-Royce. Sin embargo, debido a las propiedades frágiles de la fibra de carbono, su uso fue limitado por mucho tiempo. Desde entonces, la producción de fibra de carbono se ha vuelto mucho más efectiva. La fibra de carbono hoy tiene resistencia a la tracción en el rango de 4,000 MPa y módulo de 400 GPa lo que ha abierto muchas más aplicaciones para su uso.

¿De qué está hecha la fibra de carbono?

La oxidación, carbonización y grafitización del precursor de carbono poliacrilonitrilo componen el 90% del material de fibra de carbono. El otro 10% de precursores usados son de brea o celulosa.

Propiedades no mecánicas de la fibra de carbono

1. Electroconductiva
2. Resistente a la corrosión
3. No inflamable
4. No tóxica

Propiedades mecánicas de la fibra de carbono

1. Ligera
2. Alta resistencia
3. Resistente a fluencia
4. Resistente a fatiga
5. Alto módulo
6. Fragilidad

El número de veces que una fibra pasa por encima y por debajo de otras fibras se conoce como crimp, y cuanto mayor el crimp, generalmente mayor su estabilidad. Pero fibra de carbono de alto crimp significa que el material no será muy flexible (conocido como drapeabilidad) para formar formas o geometrías intrincadas.

¿Qué tan fuerte es la fibra de carbono?

La fibra de carbono se categoriza en: estándar, intermedia, alta y ultra-alta calidad de módulo y varía desde 3.55 GPa de resistencia a la tracción.

¿Es pesada la fibra de carbono?

No, la fibra de carbono no es pesada. La fibra de carbono es muy ligera, que es una de sus dos propiedades más deseadas, la otra siendo su resistencia. El peso de la fibra de carbono dependerá del número de fibras por cm2 y la resina usada para unirla. Como ejemplo, un tejido sarga plano de fibra de carbono sin resina pesará 210 g/m2, con espesor de solo 0.28 mm. Para comparación, el acero pesa 4 kg/m2 para un espesor de 0.5 mm.

Propiedades químicas de la fibra de carbono

1. Resistente a químicos
2. No tóxica
3. No inflamable

Aplicaciones avanzadas de la fibra de carbono

Debido a su alto precio, la fibra de carbono se usa actualmente solo en aplicaciones de alto rendimiento, algunas de las cuales listamos a continuación.

1. Industria aeroespacial

Su bajo peso hace la fibra de carbono adecuada para fuselaje de aeronaves, empenaje, conos de morro y palas de rotor. Cuando estas piezas se hacen de este material, el peso de la aeronave puede reducirse hasta 20%, ahorrando millones de dólares en combustible.

2. Artículos deportivos

Se usa para hacer raquetas de tenis, esquís, tablas de snowboard, bicicletas y palos de golf más ligeros, fuertes y rápidos. Prepárese para pagar mucho más por equipamiento deportivo de fibra de carbono.

3. Dispositivos médicos

Dispositivos de rayos X e implantes se hacen de fibra de carbono principalmente porque es radiotransparente (los rayos X pasan fácilmente). También es resistente al desgaste y tiene rigidez similar al hueso humano. A diferencia del metal usado en algunos implantes, la fibra de carbono es frágil y podría romperse.

4. Sistemas de almacenamiento de energía

Hay planes para sistemas de baterías de fibra de carbono, que podrían reducir enormemente el peso de coches eléctricos.

5. Ingeniería civil

La fibra de carbono se está volviendo cada vez más popular en puentes y estructuras de hormigón donde la resistencia es más importante que el peso. Porque puede ser hasta diez veces más fuerte que el acero, es preferida, pero como establecimos, es mucho más cara de usar.

6. Tecnología marina

Como el precio de la fibra de carbono está bajando, está empezando a reemplazar el uso de fibra de vidrio en yates y barcos pequeños.

7. Tecnología militar y de defensa

Drones, helicópteros, jets y aviones de transporte pueden hacerse usando este material. El diseño de cascos se ha vuelto mucho más complejo —algo que también los hace más pesados. La fibra de carbono está aquí para salvar el día (pero sigue el problema de dificultad para detectar daños).

Un inconveniente es algo llamado Daño de Impacto Apenas Visible (BVID). Básicamente, es difícil detectar daño en este material a simple vista, por lo que comprobar fallos necesita entrenamiento y pruebas extensas. Este factor afecta a la mayoría de industrias arriba, pero especialmente aeroespacial, energía, marina y militar.

¿Cómo puede utilizarse la fibra de carbono junto con impresión 3D?

La fibra de carbono es compatible con impresión 3D. Puede usarse ya sea como capa de fibra continua o impresa como hilos cortos en el filamento de una impresora FDM (Modelado por Deposición Fundida). La impresora necesitará dos cabezales si va a imprimir con fibra continua: uno para el filamento plástico y uno para la fibra de carbono. Si elige incrustar hilos picados dentro del filamento, puede mejorar la resistencia y rigidez de piezas impresas sin quebrar. Usar este material en impresión 3D significa que puede hacer piezas que pueden usarse para propósitos estructurales porque son mucho más fuertes que el PLA y ABS típicos usados en impresión 3D. Con fibra de carbono, las piezas pueden compararse en resistencia a materiales como aluminio.

La industria aeroespacial está usando piezas de fibra de carbono impresa en 3D en cierta medida. Debido a regulaciones de seguridad, cualquier nueva tecnología o material necesita someterse a extensas pruebas y calificación antes de usarse en aeroespacial, pero por ahora no es raro encontrar piezas para soportes y utillaje especializado hechas de fibra de carbono impresa en 3D. Las empresas no tienen que lidiar con plazos de entrega enormes, tampoco.

Preguntas frecuentes sobre fibra de carbono

¿Cómo se usa la impresión 3D en la industria aeroespacial con fibra de carbono para crear diferentes piezas?

Actualmente, la impresión 3D con fibra de carbono en la industria aeroespacial es limitada. Usar nuevos materiales y procesos requiere una gran cantidad de calificación antes de uso en aeroespacial. Sin embargo, muchas empresas aeroespaciales usan piezas de fibra de carbono impresa en 3D para soportes y utillaje especializado. La impresión 3D se usa para crear piezas de producción limitada que de otro modo tendrían plazos de entrega largos. Muchas tareas de reparación y mantenimiento requieren utillaje especializado que tiene altos costes y plazos largos. Con fibra de carbono impresa en 3D, plazos y costes ahora se reducen.

Para más información, vea nuestra guía completa sobre Impresión 3D en Aeroespacial.

¿Cuál es la ventaja de la fibra de carbono comparada a otros materiales impresos en 3D?

La ventaja de piezas impresas en fibra de carbono es la resistencia aumentada comparada a otros materiales impresos en 3D. La mayoría de piezas impresas en 3D están hechas de PLA o ABS que son relativamente débiles, significando que las piezas no pueden usarse para propósitos estructurales. Sin embargo, con materiales de fibra de carbono impresa en 3D, la resistencia es comparable a la de aluminio. Esto abre muchas aplicaciones para uso de piezas impresas en 3D.

¿Es la fibra de carbono más fuerte que el acero?

Sí, la fibra de carbono es más fuerte que el acero comparando sus respectivas relaciones resistencia-peso. Aunque tanto acero como fibra de carbono tienen módulo elástico de 200 GPa, el acero es cinco veces más pesado que la fibra de carbono. Esta alta relación resistencia-peso es por qué la fibra de carbono puede ser preferencial en muchas aplicaciones.

¿Es la fibra de carbono más fuerte que el aluminio?

Sí, la fibra de carbono es mucho más fuerte que el aluminio. El aluminio puede alcanzar hasta 570 MPa mientras que fibra de carbono de ultra-alto módulo puede alcanzar resistencia a la tracción superior a 5.5 GPa.

¿Cuál es la diferencia entre fibra de carbono y filamento 3D de fibra de carbono?

Tanto la fibra de carbono tradicional como la impresa en 3D añaden resistencia y son ligeras, pero el método de aplicación es muy diferente. Tradicionalmente, la fibra de carbono es una estera de fibras tejidas que tienen resina aplicada y luego curada. La fibra de carbono tradicional suele hacerse en paneles y secciones tubulares pero puede hacerse en soportes. La fibra de carbono impresa en 3D se pica en micro-hilos y se añade a un filamento desde el cual se imprime en una pieza usualmente con geometría compleja o se imprime como un hilo continuo singular en capas discretas de una pieza impresa en 3D.

Kat de Naoum

Kat de Naoum es escritora, autora, editora y especialista en contenido del Reino Unido con más de 20 años de experiencia escribiendo. Kat tiene experiencia escribiendo para una variedad de organizaciones manufactureras y técnicas y ama el mundo de la ingeniería. Además de escribir, Kat fue paralegal casi 10 años, siete de ellos en finanzas navieras. Ha escrito para muchas publicaciones, tanto impresas como online. Kat tiene una licenciatura en literatura inglesa y filosofía, y un máster en escritura creativa de la Universidad Kingston.

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