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

Los materiales compuestos, como los plásticos reforzados con fibra de carbono, son materiales muy versátiles y eficientes que impulsan la innovación en diversos mercados, desde el aeroespacial hasta el sanitario. Superan a los materiales tradicionales como el acero, el aluminio, la madera o el plástico y permiten la fabricación de productos livianos de alto rendimiento.

En esta guía, aprenderá los conceptos básicos de la fabricación de piezas de fibra de carbono, incluidos los diferentes métodos de estratificación, laminación y moldeado de la fibra de carbono, y cómo puede utilizar la impresión 3D para fabricar moldes de fibra de carbono para reducir costos y ahorrar tiempo. También existen compuestos impresos directamente en 3D, como el Nylon 11 CF Powder de Formlabs, que es un material relleno de fibra de carbono perfecto para aplicaciones que requieren una rigidez y resistencia superiores. Cuando se imprime en la impresora Formlabs Fuse 1+ de 30 W, el polvo Nylon 11 CF produce piezas ligeras y rígidas que permanecen estructural y térmicamente estables y pueden soportar impactos repetidos.

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Un material compuesto es una combinación de dos o más componentes con características diferentes a las de esos componentes individuales por sí mismos. Las propiedades de ingeniería generalmente se mejoran, como mayor resistencia, eficiencia o durabilidad. Los compuestos están hechos de refuerzo (fibra o partícula) unidos por una matriz (polímero, metal o cerámica). 

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

Las fibras pueden tejerse unidireccionalmente y alinearse estratégicamente para crear resistencia en relación con un vector. Las fibras tejidas cruzadas se pueden utilizar para crear resistencia en múltiples vectores y también son responsables del aspecto acolchado característico de las piezas compuestas. Es habitual que las piezas se produzcan con una combinación de ambos. Hay varios tipos de fibras disponibles, que incluyen:

Se utiliza resina para mantener unidas estas fibras y crear un compuesto rígido. Si bien se pueden emplear cientos de tipos de resinas, estas son las más populares: 

La fabricación de polímeros reforzados con fibra, como piezas de fibra de carbono, es un proceso hábil y que requiere mucha mano de obra y se utiliza tanto en la producción única como en lotes. El tiempo del ciclo varía de una hora a 150 horas dependiendo del tamaño y la complejidad de la pieza. Normalmente, en la fabricación de FRP, las fibras rectas continuas se unen en la matriz para formar capas individuales, que se laminan capa por capa sobre la pieza final. 

Las propiedades compuestas son inducidas por los materiales tanto como por el proceso de laminación:la forma en que se incorporan las fibras 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. Existen varias técnicas de laminación disponibles, que se pueden diferenciar en tres tipos principales:

En el laminado húmedo, la fibra se corta y se coloca en el molde, luego se aplica la resina mediante una brocha, un rodillo o una pistola rociadora. Este método requiere la mayor cantidad de habilidades para crear piezas de alta calidad, pero también es el flujo de trabajo menos costoso y con los requisitos más bajos para comenzar a fabricar piezas de fibra de carbono de bricolaje. Si es nuevo en la fabricación de piezas de fibra de carbono y aún no está equipado, le recomendamos comenzar con laminación manual en húmedo.

Mire el vídeo para ver cómo funciona el proceso de colocación de fibra de carbono húmeda.

Con la laminación preimpregnada, la resina se infunde en la fibra anterior. Las láminas preimpregnadas se almacenan en frío para inhibir el curado. Luego, las capas se curan en el molde bajo calor y presión en un autoclave. Este es un proceso más preciso y repetible porque se controla la cantidad de resina, pero también es la técnica más cara que se suele utilizar en aplicaciones de alto rendimiento.

Con el moldeado RTM, la fibra seca se inserta en un molde de dos partes. El molde se cierra con abrazaderas antes de forzar la resina a entrar en la cavidad a alta presión. Generalmente está automatizado y se utiliza para fabricación de mayor volumen.

Debido a que la calidad del molde impacta directamente la calidad de la pieza final, la fabricación de herramientas es un aspecto crítico de la fabricación de FRP. La mayoría de los moldes se producen con cera, espuma, madera, plástico o metal mediante mecanizado CNC o artesanía. Si bien las técnicas manuales requieren mucha mano de obra, el mecanizado CNC sigue un flujo de trabajo complejo y que requiere mucho tiempo, especialmente para geometrías intrincadas, y la subcontratación suele tener un alto costo y un largo plazo de entrega. Ambas opciones requieren trabajadores calificados y ofrecen poca flexibilidad en las iteraciones de diseño y ajustes de moldes.

La fabricación aditiva ofrece una solución para producir rápidamente moldes y patrones a bajo costo para fabricar piezas de fibra de carbono. El uso de herramientas poliméricas en los procesos de fabricación está creciendo continuamente. Reemplazar herramientas metálicas con piezas de plástico impresas internamente es un medio poderoso y rentable para acortar el tiempo de producción y al mismo tiempo ampliar la flexibilidad del diseño. Los ingenieros ya trabajan con piezas impresas en 3D de resina polimérica para fabricar plantillas y accesorios que admitan métodos como el bobinado de filamentos o la colocación automatizada de fibras. Del mismo modo, los moldes y troqueles impresos de tiradas cortas se emplean en moldeo por inyección, termoformado o conformado de chapa metálica para entregar lotes de bajo volumen. 

La impresión 3D de escritorio interna requiere equipos limitados y reduce la complejidad del flujo de trabajo. Las impresoras de resina de escritorio profesionales como la Form 4 son asequibles, fáciles de implementar y pueden ampliarse rápidamente según la demanda. También es posible fabricar herramientas y moldes de gran tamaño con impresoras 3D de gran formato como la Form 4L.

La tecnología de impresión 3D por estereolitografía (SLA) crea piezas con un acabado superficial muy suave, lo cual es esencial para los moldes de fibra de carbono. Permite geometrías complejas con alta precisión. Además, la biblioteca de resinas de Formlabs cuenta con materiales de ingeniería con propiedades mecánicas y térmicas que combinan bien con la fabricación de moldes y patrones.

Los moldes impresos en 3D para fabricar piezas de fibra de carbono pueden reducir los costos y los plazos de entrega.

Para la producción a pequeña escala, los ingenieros pueden imprimir directamente el molde a bajo costo y en unas pocas horas sin tener que tallarlo a mano ni manipular equipos CNC; Software CAM, configuración de máquinas, sujeción de piezas, herramientas y evacuación de virutas. La mano de obra y el tiempo de entrega para la fabricación de moldes se reducen drásticamente, lo que permite una rápida iteración del diseño y personalización de piezas. Pueden lograr formas de moldes complicadas con detalles finos que serían difíciles de fabricar con métodos tradicionales. 

Pautas de diseño y arquitectura de moldes

Al diseñar su molde, considere qué se imprimirá con éxito y qué se moldeará con éxito. Se utilizan diferentes arquitecturas de molde para crear diferentes tipos de geometría:

• Molde monocomponente ensacado al vacío: Se utiliza para piezas que necesitan un lado clase A, es decir, un acabado brillante. Puede ser positivo o negativo, dependiendo de qué lado debe ser clase A. Un lado es la superficie del molde y el otro lado es la superficie de la bolsa de vacío.
• Molde de dos piezas en moldeo por compresión: Se utiliza para piezas en las que ambos lados de la pieza deben ser de clase A. Ambos lados son superficies del molde.
• Molde de vejiga en moldeo a presión: Se utiliza para geometrías complejas donde no se puede utilizar una bolsa de vacío o un molde de compresión debido a la incapacidad de la pieza para desmoldarse. Un lado es la superficie del molde, mientras que el otro lado es la superficie de la vejiga.
• Patrón de molde para crear un molde negativo: Se utiliza cuando se desean múltiples moldes para aumentar la producción. Se pueden hacer varios moldes a partir de un único patrón.

Agregar ángulo de inclinación: Dos o tres grados de ángulo de inclinación positivo facilitarán el paso de desmolde y aumentarán la vida útil del molde, en particular para moldes rígidos. Sin embargo, el uso de un material de impresión 3D flexible como la resina Tough 1500 puede permitirle crear piezas sin borrador e incluir geometrías desafiantes que no se podrían desmoldar de un molde rígido. Establezca un radio mínimo apropiado para el grosor de su material:esto ayuda a que las fibras se alineen en las esquinas evitando la inclusión de aire y a crear piezas de calidad repetibles. Evite las esquinas empinadas y cercanas, ya que es más fácil trabajar con geometrías fluidas que con geometrías cuadradas y atrevidas.

Establezca un radio mínimo apropiado para el espesor de su material:  Esto ayuda a que las fibras se alineen en las esquinas evitando la inclusión de aire y a crear piezas de calidad repetibles. Evite las esquinas empinadas y cercanas, ya que es más fácil trabajar con geometrías fluidas que con geometrías cuadradas y atrevidas.

Incluir pines de ubicación y sangrías para moldes que requieren una alineación precisa. Una de las grandes ventajas de la impresión 3D es que permite una complejidad en la geometría de alineación y ayuda a fabricar diseños sensibles al posicionamiento.

Incluir superficie invadida: El exceso de material de la superficie extendida se cortará para dibujar una línea de corte precisa. La impresión 3D le permite imprimir en exceso sin necesidad de fabricar tapajuntas.

Agregar líneas de recorte: La impresión 3D le permite incorporar funciones de preparación precisas, como guías de perforación, líneas de trazado para recortar a mano o rieles guía de fresado.

Otras mejores prácticas:

• Imprima a la altura de capa más pequeña posible para optimizar la resolución y el paso de desmoldeo.
• Evite soportes en las caras de las molduras para un mejor acabado superficial.
• Utilice un agente desmoldante:esto es necesario para permitir el proceso de desmoldeo.
• Para evitar la inclusión de aire:después de revolver y mezclar, espere dos minutos para que el aire se asiente de la resina. Reiterar después del cepillado sobre la primera capa de resina. Si quedan pequeñas burbujas de aire, se puede pulir y sellar en el posprocesamiento.

Formula Student es una competencia anual de diseño de ingeniería en la que equipos de estudiantes de todo el mundo construyen y compiten con autos estilo fórmula. El Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) es uno de los grupos más grandes; Entre 80 y 90 estudiantes han estado desarrollando nuevos coches de carreras cada año desde 2005. 

El equipo Formula Student de TU Berlin (FasSTTUBe) está construyendo tres vehículos para la competición anual Formula Student.

Con acceso a casi toda la gama de tecnologías de fabricación, el equipo de FasSTTUBe utiliza la impresión 3D para tres propósitos:

1. Prototipos: imprimen prototipos de diversas piezas, como soportes de la barra estabilizadora o partes interesadas de la 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 se podrían haber fabricado de otra manera. 
3. Piezas de uso final: Alrededor de 30 piezas de los vehículos finales se imprimen directamente en 3D: desde portabotones, palancas de cambio del volante hasta mangueras y conectores de sensores de los sistemas de refrigeración.

En este caso de estudio, analizamos los detalles de la aplicación de moldeado que utilizaron para fabricar la carcasa del volante y los puños en fibra de carbono.

Reducir el peso es fundamental en la construcción de coches de carreras. En un esfuerzo por aligerar las piezas, se podrían haber impreso puños huecos en el volante, pero no serían lo suficientemente fuertes para soportar el agarre del conductor. La fibra de carbono es un excelente material para reducir el peso y al mismo tiempo mantener o aumentar la resistencia. Para poder fabricar la pieza en fibra de carbono este año, Felix Hilken, director de aerodinámica y fabricación de carbono, desarrolló un flujo de trabajo utilizando moldes impresos en 3D para la laminación húmeda.

Equipo necesario: 

• Impresora 3D Formlabs SLA con resina Tough 1500
• Fibra de carbono:tres capas de 200 g, 3K, 0,3 mm, patrón de tejido de sarga
• Desmoldante:cera y alcohol polivinílico
• Resina epoxi de alta resistencia
• Cepillo y tijeras
• Bolsa de vacío, bomba de vacío y paño respirable
• Papel de lija

La empuñadura se fabricó en dos mitades para poder desmoldar la pieza. Para cada mitad de la empuñadura, Felix diseñó un molde de dos partes que incluye características que serían difíciles de fabricar sin impresión 3D, en particular:

• Características finas como radios internos ajustados, superficies amplias o superficies con radios variables
• Bordes redondeados y ajustados que no se pueden desmoldar de un molde de aluminio
• Sangrías para la ubicación de perforación porque la pieza es sensible al posicionamiento

El equipo imprimió los moldes en la impresora Form Series con resina Tough 1500 a una altura de capa de 50 micrones. Las impresiones se lavaron durante dos períodos de 10 minutos en IPA y se postcuraron durante 60 minutos a 70 °C. Se eligió la resina Tough 1500 porque equilibra el alargamiento y el módulo:las piezas impresas en este material pueden doblarse significativamente y recuperar rápidamente su forma original. Esta es una propiedad mecánica deseada para evitar la rotura del molde durante el desmolde.

Aplicar desmoldante para facilitar el proceso de desmolde. Este es un primer paso fundamental:si algunas superficies no se cubren, la pieza no se separará del molde.

1. Cubrir con cera (opcional pero recomendado)
2. Cubrir con alcohol polivinílico (PVA)

Mezclar la resina con el endurecedor. La proporción de mezcla debe respetarse con precisión. Si se desvía aunque sea en un pequeño porcentaje de la proporción objetivo, la pieza estará demasiado blanda o solo estará parcialmente curada. Siga atentamente las instrucciones del fabricante de la resina y lea la hoja de seguridad antes de su uso. Con la resina utilizada por Felix, el proceso de polimerización comienza dos horas después de mezclar la resina, lo que deja dos horas para la operación de laminado.

Aplicar resina con un pincel en el lado positivo del molde.

Coloque una capa de fibra de carbono en el lado positivo del molde. Asegúrate de seguir todos los contornos. El equipo utilizó una fibra 3K para equilibrar el grosor del tejido y el precio. Está diseñado específicamente para seguir contornos complejos y no tiene hilos de soporte.

Aplique resina sobre la capa de carbono y repita el proceso de colocación. La resina une las capas, formando el componente de matriz en la pieza y evita que la fibra se realinee. Félix utilizó tres capas de fibra de carbono.

Aplica una última capa de resina en la parte negativa del molde y presiona ambas mitades del molde para evitar que se formen burbujas de aire que penetren a través de las fibras.

Corta el material sobrante con unas tijeras. 

Curar durante 48 horas en bolsa de vacío. Durante este proceso de polimerización, la bolsa de vacío aspira el aire y presiona las capas contra el molde, a temperatura ambiente, para eliminar el exceso de resina. Garantiza una proporción volumétrica deseada de resina y fibra, para igualar la rigidez adecuada de la pieza.

Acabado:lijar todos los bordes. Para limpiar el molde después del proceso, Félix lo sumergió en agua durante unos 30 minutos para disolver el PVA y luego usó papel de lija fino de grano 1500 para eliminar los restos de resina. 

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

Sin la impresión 3D, el equipo habría tenido que subcontratar el fresado CNC de un molde de aluminio, lo cual es caro, tiene un largo plazo de entrega y requiere herramientas especializadas. "Mecanizaría el molde con CNC, necesitaría herramientas especializadas y esperaría a tener una ranura en la máquina. Pero ni siquiera podía hacer esta geometría. En particular algunas de las esquinas pequeñas. Necesitaría usar un diseño que no tuviera tornillos, por lo que la pieza no sería sensible al posicionamiento".

Según sus estimaciones, un molde impreso con Formlabs Tough 1500 Resin podría usarse para fabricar unas diez piezas. Al ser un proceso manual, depende del cuidado del operador:el molde puede romperse durante el proceso de separación. Sin embargo, se pueden utilizar varios moldes impresos en 3D para aumentar la producción. Otra solución para alargar la vida útil del molde sería apoyarlo con un molde genérico metálico. Un inserto impreso en 3D lleva la geometría, mientras que un molde metálico de respaldo ayuda a mantener su forma. Esto podría fabricarse con una simple fresadora manual.

DeltaWing Manufacturing crea piezas compuestas para la empresa Panoz, diseñadora y fabricante de exclusivos coches deportivos de lujo fabricados en Estados Unidos.  Para fabricar componentes de fibra de carbono, DeltaWing Manufacturing solía mecanizar un patrón, colocarlo o fundir un molde sobre él y terminar el molde antes de aplicar el proceso de preimpregnado para laminar la pieza de fibra de carbono.

En los últimos años, comenzaron a utilizar piezas impresas en 3D internas como paso intermedio en este proceso. Panoz necesitaba seis unidades de conducto de aire de guardabarros de fibra de carbono para un coche de carreras personalizado. Para reducir la mano de obra y el tiempo de entrega de su técnica tradicional de fabricación de moldes, los ingenieros de DeltaWing Manufacturing optaron por imprimir directamente en 3D el molde e implementarlo en su proceso de preimpregnado.

Equipo necesario:

• Impresora 3D Formlabs SLA con resina de alta temperatura
• Fibra de carbono:4K, patrón bidimensional
• Desmoldante:alcohol polivinílico
• Cinta Kapton (poliimida)
• Resina epoxi de alta resistencia
• Cepillo y tijeras
• Bolsa de vacío, bomba de vacío

El conducto se fabricó en dos piezas distintas sobre dos moldes diferentes para facilitar la separación de la pieza final del molde, y posteriormente se unió. Cada molde también se imprimió en dos piezas y se ensambló para que pudiera caber en el volumen de construcción de la impresora Form Series; sin embargo, esto no sería necesario con el volumen de construcción más grande de la impresora Form 4L. Las piezas fueron diseñadas para fabricación aditiva, siguiendo las recomendaciones de diseño de moldes.

DeltaWing imprimió los moldes en resina de alta temperatura en una impresora Form Series a una altura de capa de 100 micrones. Se seleccionó esta resina porque tiene una temperatura de deflexión térmica (HDT) de 238 °C a 0,45 MPa, la más alta entre las resinas de Formlabs y una de las más altas entre las resinas del mercado.

High Temp Resin puede soportar altas temperaturas de curado, muestra una buena rigidez para mantener la forma durante la operación y un gran nivel de detalles que se traducirán en la pieza final. Formlabs recomienda lavar las impresiones de resina de alta temperatura con IPA durante 10 minutos, poscurarlas a 80 °C durante 120 minutos y luego calentar las piezas durante 3 horas a 160 °C para obtener un HDT más alto.

DeltaWing Manufacturing aplicó su proceso de preimpregnado habitual en los moldes impresos, utilizando una fibra de patrón bidimensional 4K preimpregnado. Cada molde se cubrió con cinta Kapton para renovar la superficie en cada iteración del moldeo. La fibra se colocó en los moldes y luego las piezas se colocaron en una bolsa de vacío y se curaron en un autoclave antes de desmoldarlas y recortarlas. Los moldes impresos toleraron un curado lento a 38 °C (100 °F) durante 10 horas o, alternativamente, un curado rápido a 126 °C (260 °F) durante una hora sin sufrir daños. En un último paso se unieron ambas mitades del conducto de carbono.

El equipo probó seis iteraciones para un molde sin observar ninguna degradación significativa. Estimamos que son posibles entre 10 y 15 iteraciones para un molde. Como se utilizan autoclaves para aplicar calor y presión durante el curado en el proceso de preimpregnado, el molde impreso sólo puede soportar unas pocas iteraciones. Por lo tanto, este método no se recomienda para producción de gran volumen, pero es una excelente manera de producir lotes cortos y piezas personalizadas en masa. Esto permite una amplia gama de aplicaciones, como equipos deportivos de alto rendimiento, herramientas personalizadas para el sector aeroespacial o prótesis personalizadas que son exclusivas para los pacientes en el sector sanitario. 

Existe una gran demanda de flujos de trabajo que combinen la resistencia, la durabilidad y la robustez de las piezas tradicionales de fibra de carbono con la agilidad, las posibilidades geométricas y la repetibilidad de la impresión 3D. Por lo tanto, no es de extrañar que haya muchas empresas de impresión 3D que ofrezcan impresión 3D con fibra de carbono, siendo los dos procesos disponibles actualmente la impresión con fibras cortadas o con fibras continuas.

Utilizando fibras de carbono cortadas, el polvo Nylon 11 CF para la impresora 3D industrial de sinterización láser selectiva (SLS) Fuse 1+ de 30 W permite a los fabricantes crear piezas fuertes, livianas y resistentes al calor, sin depender de métodos tradicionales de superposición o mecanizado. 

El polvo Nylon 11 CF de Formlabs es fuerte, liviano y resistente al calor, lo que lo hace ideal para aplicaciones automotrices, aeroespaciales y de fabricación.

La fabricación de polímeros reforzados con fibra es un proceso apasionante, aunque complejo y que requiere mucha mano de obra. El uso de moldes y patrones impresos en 3D para fabricar piezas de fibra de carbono permite a las empresas reducir la complejidad del flujo de trabajo, ampliar la flexibilidad y las oportunidades de diseño, y reducir los costos y los plazos de entrega. 

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

Para analizar su aplicación y descubrir el mejor enfoque para utilizar la impresión 3D para piezas de fibra de carbono, comuníquese con nuestro equipo.