Composites y el secreto para aligerar piezas mecanizadas CNC

El aligeramiento es el proceso de reducir el peso de una pieza por razones ambientales y/o económicas. Los ingenieros consiguen piezas ligeras a nivel de diseño eliminando material innecesario, ya sea extrayendo piezas, empleando celosías en sus diseños o aprovechando la optimización topológica. Otro método efectivo de aligeramiento es cambiar un material pesado por uno más liviano que cumpla con los requisitos mecánicos críticos. Las piezas más ligeras son más respetuosas con el medioambiente, más rentables y más eficientes en el consumo de combustible, además de que suelen ofrecer a los equipos de productos más opciones de materiales.

El aligeramiento es una técnica muy popular en las industrias automotriz, aeroespacial y de la construcción. Las aplicaciones comunes para el aligeramiento en la industria automotriz, uno de sus casos de uso más destacados, incluyen bloques de motor, chasis y una amplia variedad de otras partes. Si un equipo de producto no busca el aligeramiento a través de elementos de diseño como celosías, sino a través de la incorporación de materiales más livianos, es importante que empleen un material que no sacrifique la resistencia o la durabilidad; los compuestos a menudo cumplen con los requisitos.

¿Qué es un material compuesto?

Los materiales compuestos son mezclas heterogéneas de dos o más materiales diseñados para lograr propiedades específicas. Las propiedades finales del material compuesto dependerán en última instancia de su composición, pero en términos generales, los compuestos son más resistentes que cualquier material base por sí solo.

Los materiales compuestos son ideales para aligerar porque, por peso, son más resistentes que la mayoría de los materiales homogéneos de alto rendimiento del mercado. La estructura más común de los compuestos consiste en fibras unidas por una matriz de unión. Estos componentes trabajan juntos para combinar los aspectos más fuertes de cada uno. Las fibras de refuerzo en el compuesto soportan la carga mientras que la matriz circundante, que a menudo consiste en polímeros, asegura que las fibras mantengan sus posiciones relativas. Como resultado, en algunos casos, los compuestos pueden ser hasta 10 veces más fuertes que el acero y 8 veces más fuertes que el aluminio, pero aun así notablemente livianos. Las piezas mecanizadas por CNC construidas con materiales compuestos livianos son más eficientes en combustible y más fáciles de transportar o instalar.

Además de alta resistencia, durabilidad y bajo peso, los materiales compuestos tienden a ofrecer una mayor flexibilidad de diseño. Se pueden moldear fácilmente para adaptarse a geometrías complejas, lo que las hace ideales para su uso con mecanizado CNC. Y dado que hay tantas combinaciones de materiales disponibles para los compuestos, los diseñadores pueden encontrar compuestos CNC hechos a medida que se ajusten a sus requisitos únicos.

Materiales de construcción compuestos comunes

Las dos clasificaciones de materiales compuestos más aplicables al aligeramiento son los compuestos de matriz polimérica (PMC) y los compuestos de matriz metálica (MMC). Los PMC, también conocidos como polímeros reforzados con fibra, son los más comunes y utilizan una resina a base de polímero para la matriz y una fibra de carbono o de vidrio para el refuerzo. Los MMC son populares para aligerar peso en la industria automotriz y usan un metal como el aluminio para la matriz y el carburo de silicio para el refuerzo de fibra.

Los compuestos de aligeramiento se pueden fabricar a partir de muchas combinaciones diferentes de materiales, por lo que los ingenieros tienen mucho terreno por recorrer en lo que respecta a la selección de materiales. Aquí hay tres materiales de construcción compuestos comunes que se utilizan para aligerar piezas mecanizadas por CNC.

1. Carbono

Las fibras de carbono vienen en dos variedades principales:carbono a base de poliacrilonitrilo (PAN) y carbono derivado de la brea. El 90 % de las fibras de carbono en el mercado actual están basadas en poliacrilonitrilo, y estas fibras ofrecen altos valores de rigidez y módulo, así como un impresionante valor de resistencia al peso. El carbono es muy adecuado para el aligeramiento porque es un material compuesto de baja densidad con un alto potencial de reducción de peso; de hecho, es un 50 % más liviano que el acero.

Las aplicaciones comunes para los compuestos de fibra de carbono mecanizados por CNC incluyen marcos, chasis y otros componentes en las industrias aeroespacial y automotriz. Desafortunadamente, el costo es la limitación más importante del carbono. Es un 570 % más caro que el acero, según el International Research Journal of Engineering and Technology, que es prohibitivamente caro para muchos equipos de productos. Además, las fibras de carbono tienen una baja resistencia al impacto, lo que los ingenieros deben tener en cuenta para el aligeramiento en la industria automotriz.

2. Vidrio

Los materiales de relleno compuestos de vidrio vienen en cinco composiciones comerciales diferentes:vidrio E, vidrio C, vidrio S, vidrio R y vidrio T. El vidrio E es la fibra de vidrio más común utilizada en matrices poliméricas para aligerar peso y ofrece excelentes propiedades mecánicas, alto aislamiento eléctrico y baja susceptibilidad a la humedad. Las fibras de vidrio C son mejores para aplicaciones en las que la pieza requiere resistencia química, pero el vidrio S tiene mayor resistencia, resistencia al calor y módulo.

Los rellenos de vidrio aún se pueden usar como material compuesto para aligerar peso, pero los ingenieros deben saber que las piezas reforzadas con fibra de vidrio serán más pesadas que las piezas reforzadas con fibra de carbono y requieren adaptaciones de diseño especiales en aplicaciones donde se requiere una gran rigidez. Los equipos de productos y los diseñadores deben tener en cuenta estos factores durante la fase de diseño. A pesar de estas limitaciones, muchos productos utilizan fibras de vidrio porque son considerablemente más rentables que las fibras de carbono.

3. Aluminio

Los compuestos de matriz metálica a base de aluminio son muy populares para el aligeramiento en la industria automotriz. En general, las aleaciones de aluminio tienen algunas de las proporciones más altas de resistencia a peso de los metales comúnmente disponibles, ofrecen una excelente conductividad eléctrica y son altamente resistentes a la corrosión. Además, los compuestos de aluminio pesan alrededor de un tercio de lo que pesa el acero.

Cuando se incluye aluminio en un MMC, el material compuesto puede tener un módulo más alto, un coeficiente de expansión térmica más bajo y una dureza más alta que el aluminio no reforzado. Las aplicaciones comunes en la industria automotriz incluyen armazones de vehículos, cableado eléctrico, ruedas, piezas de motores y más. Desafortunadamente, trabajar con aluminio puede aumentar los costos de fabricación.

Introducción a los compuestos CNC

Para los ingenieros que buscan mecanizar piezas fuertes, flexibles y resistentes a daños sin agregar volumen adicional, los materiales compuestos son la opción perfecta para aligerar. Los compuestos de matriz polimérica y de matriz metálica representan dos amplias categorías de materiales compuestos, y cualquier compuesto que entre en una de estas categorías puede estar formado por muchas combinaciones diferentes de materiales. Como tal, puede ser un desafío para los equipos de productos asegurarse de elegir el material compuesto adecuado para su proyecto.

Un socio de fabricación experimentado como Fast Radius puede ayudar a los equipos de productos a dominar el proceso de selección de materiales. Nuestro equipo de expertos diseñadores, ingenieros, maquinistas y tecnólogos tiene décadas de experiencia guiando equipos a lo largo de todo el proceso de desarrollo de productos, por lo que sabemos que una pieza excepcional comienza con los materiales correctos. Contáctenos hoy, estamos aquí para ayudarlo.

Para obtener más consejos sobre cómo aprovechar al máximo el mecanizado CNC, consulte los artículos de blog relacionados en el centro de recursos de Fast Radius.

¿Listo para fabricar tus piezas con Fast Radius?

Inicia tu cotización