Explicación de la fibra de carbono:propiedades, usos y aplicaciones de impresión 3D

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

¿Qué es la fibra de carbono?

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

La alta tolerancia al calor de este tipo de fibra fue lo que inspiró a Sir Joseph Wilson Swan a usarla para una bombilla incandescente en 1860. En aquel entonces, los filamentos de fibra de carbono no eran tan fuertes como lo son ahora, por lo que cuando el tungsteno entró en escena, prácticamente se hizo cargo del departamento de fabricación de bombillas. Pasaron más de 50 años sin que la fibra de carbono se utilizara realmente para nada, pero en la década de 1960 apareció una versión más resistente y Rolls-Royce la adquirió para sus motores a reacción, a pesar de su fragilidad.

La fibra de carbono que se utiliza hoy en día en la fabricación tiene una resistencia a la tracción de alrededor de 4000 MPa y un módulo alto de 400 GPa, lo que la hace útil para una gran cantidad de cosas (no solo para bombillas). Es resistente a la fluencia, la fatiga, los productos químicos y la corrosión, además de no ser inflamable ni tóxico. Con el tratamiento adecuado, puede ser conductor de electricidad.

Este material es notoriamente caro. Es más ligero y más resistente que el acero, pero su alto costo disuade a los fabricantes de usarlo a menos que sea absolutamente necesario (algo así como esa costosa fragancia que estás guardando para ocasiones especiales). ¡Pero ahora el precio de la fibra de carbono ha bajado y su uso ha aumentado! Los días de espera de la fibra de carbono para tareas de alto perfil han terminado; ahora se utiliza para fabricar herramientas y fijaciones, resortes y alambres, e incluso se puede utilizar para reforzar neumáticos.

¿Cuál es el otro término para la fibra de carbono?

La fibra de carbono también puede denominarse fibra de grafito o grafito de carbono. Puede denominarse bajo el término general compuesto o plástico reforzado con fibras. El término compuesto se utiliza para describir un material que tiene una matriz y un refuerzo. En el caso de la fibra de carbono, la fibra es el refuerzo y la resina es la matriz. El plástico reforzado con fibra se utiliza 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 fueron creadas por primera vez en 1860 por Sir Joseph Wilson Swan para su uso en una bombilla incandescente, ya que estas fibras tenían una tolerancia al calor muy alta. Sin embargo, los filamentos de fibra de carbono de la época no eran muy resistentes. Entonces, cuando el tungsteno comenzó a usarse en las bombillas, la fibra de carbono dejó de usarse durante más de 50 años. Luego, en la década de 1960, Rolls-Royce pudo producir fibras de carbono más resistentes para su uso en motores a reacción. Sin embargo, debido a las propiedades frágiles de la fibra de carbono, su uso estuvo limitado durante mucho tiempo. Desde entonces, la producción de fibra de carbono se ha vuelto mucho más eficaz. Actualmente, la fibra de carbono tiene una resistencia a la tracción en el rango de 4000 MPa y un 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 constituyen el 90% del material de fibra de carbono. El otro 10% de los precursores utilizados proceden de brea o celulosa. 

¿Cuáles son las propiedades de la fibra de carbono? 

Las propiedades no mecánicas de la fibra de carbono son:

1. Eléctricamente conductor
2. Resistente a la corrosión
3. No inflamable 
4. No tóxico 

¿Cuáles son las propiedades mecánicas de la fibra de carbono?

Las propiedades mecánicas de la fibra de carbono incluyen:

1. Ligero
2. Alta resistencia
3. Resistente al deslizamiento
4. Resistente a la 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 rizado, y cuanto mayor es el rizado, generalmente, mayor es su estabilidad. Pero la fibra de carbono de alto rizado significa que el material no será muy flexible (lo que se conoce como su capacidad de drapeado) para formar formas o geometrías intrincadas.

¿Qué tan fuerte es la fibra de carbono?

La fibra de carbono se clasifica en calidad de módulo estándar, intermedio, alto y ultra alto 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, junto con la otra es su resistencia. El peso de la fibra de carbono dependerá del número de fibras por cm2 y de la resina utilizada para unirla. A modo de ejemplo, un tejido de sarga liso de fibra de carbono sin resina pesará 210 g/m2, con un espesor de sólo 0,28 mm. En comparación, el acero tiene un peso de 4 kg/m2 para un espesor de 0,5 mm.

¿Cuáles son las propiedades químicas de la fibra de carbono?

Las propiedades químicas de la fibra de carbono son: 

1. Resistente a productos químicos
2. No tóxico 
3. No inflamable 

¿Cuáles son las diferentes aplicaciones avanzadas de la fibra de carbono?

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

1. Industria aeroespacial

Su bajo peso hace que la fibra de carbono sea adecuada para fuselajes, empenajes, conos de nariz y palas de rotores de aviones. Cuando estas piezas están fabricadas con este material, se puede reducir el peso de los aviones hasta en un 20%, algo que ahorra millones de dólares en combustible. 

2. Artículos deportivos

Se utiliza para fabricar raquetas de tenis, esquís, tablas de snowboard, bicicletas y palos de golf más ligeros, fuertes y de movimiento más rápido. Solo prepárate para pagar mucho más por equipos deportivos de fibra de carbono.

3. Dispositivos médicos

Los dispositivos e implantes de rayos X están hechos de fibra de carbono principalmente porque es radiotransparente (los rayos X pueden atravesarla fácilmente). También es resistente al desgaste y tiene una rigidez similar a la del hueso humano. A diferencia del metal utilizado en algunos implantes, la fibra de carbono es frágil y podría romperse.

4. Sistema de almacenamiento de energía

Se están preparando planes para sistemas de almacenamiento de baterías de fibra de carbono, lo que podría reducir en gran medida el peso de los 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. Se prefiere porque puede ser hasta diez veces más resistente que el acero, pero como hemos establecido, su uso es mucho más caro.

6. Tecnología Marina

A medida que el precio de la fibra de carbono está bajando, está empezando a reemplazar el uso de fibra de vidrio en yates y embarcaciones pequeñas. 

7. Tecnología militar y de defensa

Con este material se pueden fabricar drones, helicópteros, jets y aviones de transporte. El diseño de los cascos se ha vuelto mucho más complejo con el paso de los años, algo que también los hace más pesados. La fibra de carbono está aquí para salvar el día (pero aún existe el problema de la dificultad para detectar daños).

Sin embargo, una desventaja es algo llamado daño por impacto apenas visible. Básicamente, es difícil detectar daños en este material a simple vista, por lo que verificar si hay fallas requiere capacitación y pruebas exhaustivas. Este factor afecta a la mayoría de las industrias mencionadas, pero especialmente a la aeroespacial, energética, marina y militar.

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

La fibra de carbono es compatible con la impresión 3D. Puede usarse como una capa de fibra continua o imprimirse como hebras cortas en el filamento de una impresora FDM (modelado por deposición fusionada). La impresora necesitará dos cabezales de impresión si va a imprimir con una fibra continua:uno para el filamento de plástico y otro para la fibra de carbono. Si elige incrustar hebras cortadas dentro del filamento, puede mejorar la resistencia y rigidez de las piezas impresas sin arruinarse. El uso de este material en la impresión 3D significa que se pueden fabricar piezas que se pueden utilizar con fines estructurales porque son mucho más resistentes que el PLA y el ABS típicos que se utilizan en la impresión 3D. Con la fibra de carbono, la resistencia de las piezas se puede comparar con la de materiales como el aluminio.

La industria aeroespacial está utilizando hasta cierto punto piezas de fibra de carbono impresas en 3D. Debido a las normas de seguridad, cualquier tecnología o material nuevo debe someterse a pruebas y cualificaciones exhaustivas antes de usarse en el sector aeroespacial, pero por ahora, no es raro encontrar piezas para soportes y herramientas especializadas fabricadas con fibra de carbono impresa en 3D. Las empresas tampoco tienen que lidiar con plazos de entrega enormes.

Preguntas frecuentes sobre la fibra de carbono

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

Actualmente, la impresión 3D con fibra de carbono en la industria aeroespacial es limitada. El uso de nuevos materiales y procesos requiere una gran cualificación antes de su uso en el sector aeroespacial. Sin embargo, muchas empresas aeroespaciales utilizan piezas de fibra de carbono impresas en 3D para soportes y herramientas especializadas. La impresión 3D se utiliza para crear piezas de producción limitada que, de otro modo, tendrían plazos de entrega largos. Muchas tareas de reparación y mantenimiento requieren herramientas especializadas que tienen altos costos y largos plazos de entrega. Con la fibra de carbono impresa en 3D, los tiempos de entrega y los costos ahora se están reduciendo drásticamente.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre impresión 3D en el sector aeroespacial.

¿Cuál es la ventaja de la fibra de carbono en comparación con otros materiales impresos en 3D?

La ventaja de las piezas impresas con fibra de carbono es su mayor resistencia en comparación con otros materiales impresos en 3D. La mayoría de las piezas impresas en 3D están hechas de PLA o ABS, que son relativamente débiles, lo que significa que las piezas no se pueden utilizar con fines estructurales. Sin embargo, con los materiales de fibra de carbono impresos en 3D, la resistencia es comparable a la del aluminio. Esto abre muchas aplicaciones para el uso de piezas impresas en 3D.

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

Sí, la fibra de carbono es más fuerte que el acero cuando se comparan sus respectivas relaciones resistencia-peso. Si bien tanto el acero como la fibra de carbono tienen un módulo de elasticidad de 200 GPa, el acero es cinco veces más pesado que la fibra de carbono. Esta alta relación resistencia-peso es la razón por la que la fibra de carbono puede ser preferible en muchas aplicaciones.

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

Sí, la fibra de carbono es mucho más resistente que el aluminio. El aluminio puede alcanzar hasta 570 MPa, mientras que la fibra de carbono de módulo ultraalto puede alcanzar una 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 fibra de carbono impresa en 3D añaden resistencia y son livianas, pero el método de aplicación es muy diferente. Tradicionalmente, la fibra de carbono es una estera tejida de fibras a las que se les aplica una resina y luego se curan. La fibra de carbono tradicional generalmente se fabrica en paneles y secciones tubulares más grandes, pero se puede convertir en soportes. La fibra de carbono impresa en 3D se corta en microhebras y se agrega a un filamento a partir del cual se imprime en una pieza generalmente con geometría compleja o se imprime como una hebra continua singular en capas discretas de una pieza impresa en 3D.

Kat de Naoum

Kat de Naoum es una escritora, autora, editora y especialista en contenido del Reino Unido con más de 20 años de experiencia en escritura. Kat tiene experiencia escribiendo para una variedad de organizaciones técnicas y de fabricación y ama el mundo de la ingeniería. Además de escribir, Kat fue asistente legal durante casi 10 años, siete de los cuales estuvieron en finanzas navales. Ha escrito para muchas publicaciones, tanto impresas como en línea. Kat tiene una licenciatura en literatura y filosofía inglesas y una maestría en escritura creativa de la Universidad de Kingston.

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