Guía paso a paso para fabricar componentes de fibra de carbono de alto rendimiento

Los materiales compuestos, como plásticos reforzados con fibra de carbono, son materiales altamente versátiles y eficientes, impulsando innovación en diversos mercados desde aeroespacial hasta sanitario. Superan a materiales tradicionales como acero, aluminio, madera o plástico, y permiten fabricar productos ligeros de alto rendimiento.

En esta guía, aprende los fundamentos de fabricación de piezas de fibra de carbono, incluyendo diferentes métodos de estratificación, laminado y moldeo, y cómo puedes usar impresión 3D para hacer moldes de fibra de carbono reduciendo costes y tiempo. También existen compuestos impresos directamente en 3D, como Formlabs Nylon 11 CF Powder, material relleno de fibra de carbono perfecto para aplicaciones que requieren rigidez y resistencia superiores. Impreso en impresora Formlabs Fuse 1+ 30W, Nylon 11 CF Powder produce piezas ligeras, rígidas, estructural y térmicamente estables que soportan impactos repetidos.

¿Qué es un material compuesto?

Un material compuesto es combinación de dos o más constituyentes con características diferentes a las de los componentes individuales por separado. Las propiedades de ingeniería suelen mejorar: resistencia, eficiencia o durabilidad añadidas. Los compuestos están formados por refuerzo (fibra o partícula) unidos por una matriz (polímero, metal o cerámica).

Los polímeros reforzados con fibra (FRP) dominan el mercado y han impulsado crecimiento de nuevas aplicaciones en diversas industrias. Entre ellos, la fibra de carbono es un compuesto ampliamente usado especialmente para aviones, coches de carreras y bicicletas, ya que es más de tres veces más resistente y rígido que el aluminio, pero 40% más ligero. Se forma por fibra de carbono reforzada unida con resina epoxi.

Las fibras pueden ser uni-direccionales y alineadas estratégicamente para crear resistencia relativa a un vector. Fibras entrecruzadas crean resistencia en múltiples vectores y son responsables del aspecto acolchado característico de piezas compuestas. Es común producir piezas con combinación de ambos. Hay múltiples tipos de fibras disponibles.

La resina une estas fibras y crea compuesto rígido. Aunque cientos de resinas pueden emplearse, aquí están las más populares.

Proceso de fabricación de polímeros reforzados con fibra

Fabricar polímeros reforzados con fibra, como piezas de fibra de carbono, es un proceso hábil e intensivo en mano de obra usado tanto en producción unitaria como en serie. El tiempo de ciclo varía de una hora a 150 horas según tamaño y complejidad. Típicamente en fabricación FRP, las fibras continuas rectas se unen en la matriz para formar capas individuales (plies), que se laminan capa por capa sobre la pieza final.

Las propiedades del compuesto se inducen por los materiales tanto como por el proceso de laminado: la forma en que las fibras se incorporan influye fuertemente en el rendimiento de la pieza. Las resinas termoestables se moldean junto con el refuerzo en una herramienta o molde, y se curan para formar un producto robusto. Hay varias técnicas de laminado, diferenciables en tres tipos principales:

1. Wet lay-up (Estratificado en húmedo)

La fibra se corta y coloca en el molde, luego se aplica resina con brocha, rodillo o pistola. Requiere más habilidad para crear piezas de alta calidad, pero es el flujo de trabajo menos costoso con menores requisitos para empezar con piezas de fibra de carbono DIY. Si eres nuevo en fabricación de piezas de fibra de carbono y no estás equipado, recomendamos empezar con laminado manual wet lay-up.

2. Laminado con prepreg

La resina se infunde en la fibra por anticipado. Las láminas pre-impregnadas se almacenan en frío para inhibir el curado. Las capas se curan en el molde bajo calor y presión en autoclave. Es proceso más preciso y repetible porque la cantidad de resina está controlada, pero también la técnica más cara usada usualmente en aplicaciones de alto rendimiento.

3. Moldeo RTM (Resin Transfer Molding)

La fibra seca se inserta en molde de dos partes. El molde se cierra antes de forzar resina en la cavidad a alta presión. Suele automatizarse y usarse para fabricación de mayor volumen.

La importancia del molde y la impresión 3D

Dado que la calidad del molde impacta directamente en la calidad de la pieza final, la fabricación de herramientas es aspecto crítico de FRP. La mayoría de moldes se producen en cera, espuma, madera, plástico o metal vía mecanizado CNC o artesanal. Mientras técnicas manuales son intensivas en mano de obra, el mecanizado CNC sigue flujo de trabajo complejo y lento, especialmente para geometrías intrincadas, y externalizar suele tener alto coste y largo plazo. Ambas opciones requieren trabajadores cualificados y ofrecen poca flexibilidad en iteraciones de diseño y ajustes de molde.

La fabricación aditiva ofrece solución para producir rápidamente moldes y patrones a bajo coste para hacer piezas de fibra de carbono. El uso de herramientas poliméricas en procesos de fabricación crece continuamente. Reemplazar herramientas metálicas con piezas plásticas impresas in-house es medio poderoso y rentable para acortar tiempo de producción y ampliar flexibilidad de diseño. Ingenieros ya trabajan con piezas impresas en 3D de resina para utillajes y fijaciones que soportan métodos como bobinado de filamentos o colocación automatizada de fibra. Asimismo, moldes y matrices impresos para tiradas cortas se emplean en moldeo por inyección, termoformado o conformado de chapa para entregar lotes de bajo volumen.

La impresión 3D de escritorio in-house requiere equipo limitado y reduce complejidad del flujo de trabajo. Impresoras de resina profesionales como Form 4 son asequibles, fáciles de implementar y escalables rápidamente. Fabricar herramientas y moldes grandes también es posible con impresoras 3D de gran formato como Form 4L.

La tecnología de estereolitografía (SLA) crea piezas con acabado superficial muy suave, esencial para moldes de estratificación de fibra de carbono. Permite geometrías complejas con alta precisión. Además, la Biblioteca de Resinas Formlabs tiene materiales de ingeniería con propiedades mecánicas y térmicas que encajan bien con fabricación de moldes y patrones.

Arquitectura y directrices de diseño de moldes

Al diseñar tu molde, considera qué se imprimirá con éxito, así como qué moldeará con éxito. Diferentes arquitecturas de molde crean diferentes tipos de geometría:

• Molde de una parte en bolsado al vacío: Para piezas que necesitan una cara clase A (acabado brillante). Puede ser positivo o negativo, según qué lado deba ser clase A. Un lado es superficie de molde, el otro superficie de bolsa de vacío.
• Molde de dos partes en moldeo por compresión: Para piezas donde ambos lados necesitan ser clase A. Ambos lados son superficies de molde.
• Molde de vejiga en moldeo a presión: Para geometría compleja donde bolsa de vacío o molde de compresión no pueden emplearse por imposibilidad de desmoldeo. Un lado es superficie de molde, el otro superficie de vejiga.
• Patrón de molde para crear molde negativo: Cuando se desean múltiples moldes para aumentar producción. Múltiples moldes pueden hacerse de un solo patrón.

Añade ángulo de desmoldeo: Dos a tres grados de ángulo de desmoldeo positivo facilitarán el desmoldeo y aumentarán vida del molde, especialmente para moldes rígidos. Sin embargo, usar material de impresión 3D flexible como Tough 1500 Resin permite crear piezas sin ángulo de desmoldeo e incluir geometrías desafiantes que no podrían desmoldearse de molde rígido.

Establece radio mínimo apropiado para espesor de material: Ayuda a que las fibras se alineen en esquinas evitando inclusiones de aire, y a crear piezas de calidad repetible. Evita esquinas pronunciadas y muy próximas, ya que geometrías fluidas son más fáciles de trabajar que formas cuadradas y angulosas.

Incluye pasadores y hendiduras de posicionamiento para moldes que requieren alineación precisa. Una gran ventaja de impresión 3D es que permite complejidad en geometría de alineación y ayuda a fabricar diseños sensibles a posicionamiento.

Incluye sobredimensión de superficie: el material excedente de la superficie extendida se recortará para trazar línea de corte precisa. La impresión 3D permite imprimir sobredimensión sin necesidad de fabricar rebabas.

Añade líneas de corte: La impresión 3D permite incorporar características de acabado precisas como guías de taladro, líneas de marcado para corte manual, o guías para fresadora.

Otras mejores prácticas:

• Imprime en la altura de capa más pequeña posible para optimizar resolución y paso de desmoldeo.
• Evita soportes en caras de moldeo para mejor acabado superficial.
• Usa agente desmoldeante: requerido para permitir proceso de desmoldeo.
• Para evitar inclusiones de aire: tras remover y mezclar, espera dos minutos a que el aire asiente fuera de la resina. Repite tras cepillar primera capa de resina. Si quedan pequeñas burbujas, pueden pulirse y sellarse en post-procesado.

Caso de estudio: Formula Student Team TU Berlin

Formula Student es competición anual de diseño ingenieril donde equipos estudiantiles de todo el mundo construyen y corren coches tipo fórmula. El equipo Formula Student TU Berlin (FaSTTUBe) es uno de los mayores; 80-90 estudiantes desarrollan nuevos coches de carreras cada año desde 2005.

Con acceso a casi toda gama de tecnologías de fabricación, el equipo FaSTTUBe usa impresión 3D para tres propósitos:

1. Prototipos: imprimen prototipos para varias piezas, como soportes de barra estabilizadora o soportes de batería HV.
2. Moldes de fibra de carbono impresos en 3D: el equipo imprimió una docena de moldes para fabricar piezas de fibra de carbono que no podrían hacerse de otra forma.
3. Piezas de uso final: unas 30 piezas en los vehículos finales son directamente impresas en 3D: desde soportes de botones, palancas de cambio del volante, hasta mangueras y conectores de sensores de sistemas de refrigeración.

En este caso, examinamos detalles de la aplicación de moldeo usada para fabricar carcasa y agarres del volante en fibra de carbono.

Reducir peso es esencial en construcción de coches de carreras. Para aligerar piezas, podrían haber impreso agarres de volante huecos, pero no serían lo bastante resistentes para soportar el agarre del piloto. La fibra de carbono es gran material para reducir peso manteniendo o aumentando resistencia. Para fabricar la pieza en fibra de carbono este año, Felix Hilken, Jefe de Aerodinámica y Fabricación de Carbono, desarrolló flujo de trabajo usando moldes impresos en 3D para laminado wet lay-up.

Equipo necesario

• Impresora SLA Formlabs con Resina Tough 1500
• Fibra de carbono: tres capas de 200g, 3K, 0,3mm, patrón twill
• Desmoldeante: cera y alcohol polivinílico
• Resina epoxi de alta resistencia
• Brocha y tijeras
• Bolsa de vacío, bomba de vacío, tela transpirable
• Papel de lija

Proceso de fabricación

El agarre se fabricó en dos mitades para poder desmoldear la pieza. Para cada mitad, Felix diseñó molde de dos partes incluyendo características difíciles de fabricar sin impresión 3D, en particular:

• Características finas como radios internos ajustados, superficies barridas, o superficies de radios variables
• Bordes redondos ajustados que no podían desmoldearse de molde de aluminio
• Hendiduras para ubicación de taladros porque la pieza es sensible a posicionamiento

El equipo imprimió los moldes en impresora Form Series con Resina Tough 1500 a 50 micras de altura de capa. Las impresiones se lavaron dos períodos de 10 minutos en IPA y post-curaron 60 minutos a 70 °C. Tough 1500 Resin se eligió porque equilibra elongación y módulo: piezas impresas en este material pueden doblarse significativamente y volver rápidamente a su forma original. Propiedad mecánica deseada para evitar rotura del molde durante desmoldeo.

1. Aplica agente desmoldeante para facilitar desmoldeo. Paso crítico: si algunas superficies no están cubiertas, la pieza no se separará del molde.
   • Cubrir con cera (opcional pero recomendado)
   • Cubrir con alcohol polivinílico (PVA)
2. Mezcla resina con endurecedor. La proporción debe seguirse precisamente. Si se desvía incluso unos pocos porcentajes, la pieza será demasiado blanda o solo parcialmente curada. Sigue instrucciones del fabricante y lee hoja de seguridad. Con la resina que usó Felix, la polimerización empieza dos horas tras mezclar, dejando dos horas para la operación de estratificación.
3. Aplica resina con brocha en lado positivo del molde.
4. Coloca una capa de fibra de carbono en lado positivo del molde. Asegúrate de seguir todos los contornos. El equipo usó fibra 3K para equilibrar grosor de tejido y precio. Diseñada específicamente para seguir contornos complejos y no tiene hilos de soporte.
5. Aplica resina sobre la capa de carbono y repite proceso de estratificación. La resina une las capas, formando el componente matriz en la pieza, y evita que la fibra se realinee. Felix usó tres capas de fibra de carbono.
6. Aplica capa final de resina en parte negativa del molde y presiona ambas mitades del molde juntas para evitar burbujas de aire formándose y permeando a través de las fibras.
7. Recorta material excedente con tijeras.
8. Cura 48 horas en bolsa de vacío. Durante polimerización, la bolsa de vacío extrae aire y presiona capas contra el molde, a temperatura ambiente, para eliminar exceso de resina. Asegura ratio volumétrico resina-fibra deseado, para lograr rigidez de pieza correcta.
9. Acabado: lija todos los bordes. Para limpiar molde tras proceso, Felix lo sumergió en agua ~30 minutos para disolver PVA y luego usó papel de lija grano 1500 para eliminar resina residual.

Usando fibra de carbono, el equipo redujo peso de carcasa del volante de 120g a 21g, y pudieron llevar diseño a geometrías extremadamente difíciles de fabricar tradicionalmente. "Lo genial de la impresión 3D es que una forma compleja es tan fácil de fabricar como una simple, requiere mismo trabajo y equipo", dice Felix.

Sin impresión 3D, el equipo habría tenido que externalizar fresado CNC de molde de aluminio, que es caro, tiene largo plazo y requiere herramientas especializadas. "Habría mecanizado CNC el molde, necesitaría herramientas especializadas, y esperaría turno en la máquina. Pero ni siquiera podría hacer esta geometría. En particular algunas esquinas pequeñas. Necesitaría diseño sin tornillos, así la pieza no sería sensible a posicionamiento."

Según su estimación, un molde impreso con Formlabs Tough 1500 Resin podría usarse para fabricar unas diez piezas. Al ser proceso manual, depende de lo meticuloso que sea el operador: el molde puede romperse durante separación. Sin embargo, múltiples moldes impresos en 3D pueden usarse para aumentar producción. Otra solución para extender vida del molde sería soportarlo con molde metálico genérico. Un inserto impreso en 3D lleva la geometría mientras un molde metálico de respaldo ayuda a mantener su forma. Podría fabricarse con fresadora manual simple.

Caso de estudio: DeltaWing Manufacturing

DeltaWing Manufacturing crea piezas compuestas para Panoz, diseñador y fabricante de coches deportivos de lujo estadounidenses exclusivos. Para fabricar componentes de fibra de carbono, DeltaWing solía mecanizar un patrón, estratificar o fundir molde sobre él, y terminar molde antes de aplicar proceso prepreg para laminar pieza de fibra de carbono.

En años recientes, empezaron a usar piezas impresas en 3D in-house como paso intermedio. Panoz necesitaba seis unidades de conducto de aire de guardabarros de fibra de carbono para coche de carreras personalizado. Para reducir mano de obra y plazo de su técnica tradicional de fabricación de moldes, ingenieros de DeltaWing eligieron imprimir directamente el molde e implementarlo en su proceso prepreg.

Equipo necesario

• Impresora SLA Formlabs con Resina High Temp
• Fibra de carbono: 4K, patrón bidimensional
• Desmoldeante: alcohol polivinílico
• Cinta Kapton (poliamida)
• Resina epoxi de alta resistencia
• Brocha y tijeras
• Bolsa de vacío, bomba de vacío

El conducto se fabricó en dos piezas distintas en dos moldes diferentes para facilitar separación de la pieza final del molde, y luego unidas. Cada molde también se imprimió en dos piezas y ensambló para que cupiera en volumen de construcción de impresora Form Series — aunque no sería necesario con mayor volumen de Form 4L. Las piezas se diseñaron para fabricación aditiva, siguiendo recomendaciones de diseño de moldes.

DeltaWing imprimió los moldes en Resina High Temp en impresora Form Series a 100 micras de altura de capa. Esta resina se seleccionó porque tiene HDT de 238 °C @ 0,45 MPa, el más alto entre resinas Formlabs y uno de los más altos entre resinas del mercado.

High Temp Resin soporta altas temperaturas de curado, muestra buena rigidez para mantener forma durante la operación y gran nivel de detalle que se traslada a la pieza final. Formlabs recomienda lavar impresiones High Temp Resin con IPA 10 minutos, post-curar a 80 °C 120 minutos, y luego calentar piezas 3 horas a 160 °C para HDT más alto.

DeltaWing aplicó su proceso prepreg habitual sobre moldes impresos, usando fibra prepreg 4K patrón bidimensional. Cada molde se cubrió con cinta Kapton para renovar superficie en cada iteración de moldeo. La fibra se estratificó en los moldes, y luego las piezas se metieron en bolsa de vacío y curaron en autoclave antes de desmoldear y recortar. Los moldes impresos toleraron curado lento a 38 °C (100 °F) 10 horas, o curado rápido a 126 °C (260 °F) una hora sin daño. Ambas mitades del conducto de carbono se unieron en paso final.

El equipo probó seis iteraciones para un molde sin observar degradación significativa. Estimamos unas 10-15 iteraciones posibles por molde. Como autoclaves aplican calor y presión durante curado en proceso prepreg, el molde impreso solo aguanta pocas iteraciones. Por tanto, este método no se recomienda para producción de alto volumen, pero es gran forma de producir lotes cortos y piezas personalizadas en masa. Permite amplia gama de aplicaciones como equipamiento deportivo de alto rendimiento, utillajes personalizados para aeroespacial, o prótesis personalizadas únicas para pacientes en sanidad.

Impresión 3D directa de fibra de carbono

Hay fuerte demanda de flujos de trabajo que combinen resistencia, durabilidad y robustez de piezas tradicionales de fibra de carbono con agilidad, posibilidades geométricas y repetibilidad de impresión 3D. No sorprende que muchas empresas ofrezcan impresión 3D de fibra de carbono, con dos procesos disponibles actualmente: impresión con fibras picadas o fibras continuas.

Usando fibras de carbono picadas, Nylon 11 CF Powder para impresora industrial SLS Fuse 1+ 30W permite a fabricantes crear piezas resistentes, ligeras y resistentes al calor, sin depender de métodos tradicionales de estratificación o mecanizado.

Formlabs Nylon 11 CF Powder es resistente, ligero y resistente al calor, ideal para aplicaciones automotrices, aeroespaciales y de fabricación.

Conclusión

La fabricación de polímeros reforzados con fibra es proceso emocionante, pero intrincado e intensivo en mano de obra. Usar moldes y patrones impresos en 3D para hacer piezas de fibra de carbono permite a empresas reducir complejidad del flujo de trabajo, ampliar flexibilidad y oportunidades de diseño, y reducir costes y plazos.

Para piezas impresas directamente en 3D que ofrecen muchos beneficios de fibra de carbono, con ventajas adicionales de flexibilidad geométrica y proceso más simple y eficiente, existen materiales como Formlabs Nylon 11 CF Powder para impresoras SLS serie Fuse.

Para discutir tu aplicación y determinar el mejor enfoque para usar impresión 3D en piezas de fibra de carbono, contacta a nuestro equipo.