¿Qué es la orientación de la fibra y por qué es importante?

Un compuesto es una mezcla heterogénea de dos o más materiales distintos que se unen para superar las limitaciones individuales de cada material y hacer un producto más fuerte en general. Las propiedades finales del composite dependen en última instancia de las propiedades físicas y químicas de los materiales con los que está fabricado.

Sin embargo, en términos generales, los compuestos se pueden fortalecer mecánicamente mediante la adición de fibras. La fuerza, la elasticidad y la capacidad de fabricación se mejoran con el refuerzo de fibra, pero el grado depende de la posición de las propias fibras o de la orientación de las fibras.

Pero, ¿cómo afecta la orientación de la fibra a la calidad y el rendimiento de una pieza en su uso final? Aquí encontrará todo lo que necesita saber sobre la orientación de la fibra, además de consideraciones clave para los ingenieros.

¿Qué es la orientación de la fibra?

La orientación de las fibras en el moldeo por inyección se refiere a la forma en que se organizan las fibras individuales para facilitar la disposición estructural óptima en un compuesto de polímero reforzado con fibras. A medida que el material inyectado fluye a través del molde, la alineación de las fibras resultante cambia la geometría de la cavidad del molde, lo que tiene un impacto directo en las propiedades mecánicas.

Un compuesto de polímero reforzado con fibra (FRP) consta de tres partes:la matriz de polímero, los refuerzos de fibra y la región de interfase fina. La matriz polimérica, típicamente un termoestable o termoplástico, es un agente aglutinante que mantiene las fibras de refuerzo en su lugar durante el moldeo por inyección. También determina las propiedades degradantes del compuesto, como la resistencia química o la fluencia. Si la matriz es la carne y los refuerzos de fibra son el hueso, juntos forman un miembro fuerte o compuesto.

Los FRP son conocidos por su alto rendimiento mecánico, resistencia a la corrosión y al desgaste, durabilidad y flexibilidad de diseño. Por estas razones, los compuestos poliméricos reforzados con fibra tienen una amplia gama de aplicaciones en los sectores aeroespacial, biomédico y marino, pero son especialmente populares en la industria dental.

Los ingenieros pueden personalizar los compuestos de polímeros reforzados con fibra mezclando y combinando diferentes matrices y fibras de refuerzo para lograr el efecto deseado. La orientación de la fibra es la forma principal en que los ingenieros fortalecen los materiales moldeados por inyección y el secreto del éxito de un FRP.

Vidrio frente a fibras de carbono

Un compuesto de polímero reforzado con fibra es tan fuerte como sus materiales compuestos, y eso se aplica tanto a las matrices de polímero como a los refuerzos de fibra. Las matrices hechas de termoestables como poliésteres o epoxis tienen una alta estabilidad dimensional y térmica y resistencia a los solventes. Los termoplásticos como el poliéter éter cetona (PEEK), por otro lado, son más resistentes que los termoestables en este caso, y cualquier compuesto hecho con esta matriz polimérica sería menos frágil.

Los materiales de refuerzo de fibra tienen un tremendo impacto en la densidad compuesta, las propiedades mecánicas y las conductividades eléctrica y térmica de una pieza. En general, los mejores tipos de fibras para moldear por inyección son las de vidrio y carbono.

Las fibras de vidrio son asequibles y tienen un alto límite elástico a la tracción y una alta resistencia química/al calor. También son buenos aislantes, perfectos para aplicaciones eléctricas. Los compuestos de fibra de vidrio también tienen un módulo de tracción mucho mayor que los plásticos que no son de fibra de vidrio.

Las fibras de carbono vienen en dos variedades:carbono basado en poliacrilonitrilo (PAN) y carbono derivado de la brea. Las fibras de carbono son extremadamente conductoras térmicamente, con un bajo coeficiente de expansión térmica lineal. También tienen alta resistencia a la tracción y módulo, además de alta resistencia a la fatiga.

Los inconvenientes de las fibras de carbono incluyen el hecho de que pueden ser relativamente rentables, tienen una baja resistencia al impacto y, a menudo, se oxidan en presencia de altas temperaturas. Además, la alta conductividad eléctrica de las fibras de carbono podría causar descargas eléctricas no deseadas en equipos desprotegidos.

¿Por qué es importante la orientación de las fibras en los compuestos?

Dentro de los materiales compuestos, la orientación de las fibras puede tener un gran impacto en la resistencia de una pieza. Cuatro de las orientaciones más comunes en compuestos reforzados con fibra son unidireccionales, aleatorias, bidireccionales y multidireccionales. Independientemente de la dirección de las fibras dentro del material, la orientación de las fibras puede mejorar drásticamente las propiedades mecánicas y químicas de una pieza moldeada por inyección.

Las fibras de refuerzo pueden ayudar a distribuir uniformemente la carga estructural de una pieza a través de una red de puntos de apoyo en lugar de colocarla toda en uno o dos puntos de presión centralizados. La orientación de las fibras proporciona rigidez y resistencia macroscópicas, lo que juega un papel vital en la mejora de las propiedades mecánicas de una pieza.

Además, los compuestos reforzados con fibra se benefician de las propiedades químicas que les otorgan sus matrices poliméricas y los refuerzos de fibra. Las fibras de vidrio ofrecen una excelente resistencia al calor, mientras que las fibras de carbono ofrecen una conductividad térmica superior. Los ingenieros pueden imbuir sus piezas moldeadas por inyección con casi cualquier propiedad mecánica o térmica con la ayuda de compuestos reforzados con fibra.

Orientación de fibra con Fast Radius

Los compuestos reforzados con fibra son tan fuertes como la suma de sus partes, lo que quiere decir que son muy fuertes. Los materiales compuestos son una buena opción para los ingenieros que buscan crear piezas que requieran alta resistencia al calor, resistencia y durabilidad. Un socio de fabricación experimentado puede ayudarlo a elegir la orientación de fibra de carbono o vidrio que hará que su diseño sea lo más fuerte posible.

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