Desarrollo del proceso de fabricación de un material compuesto de matriz termoplástica

Abstract

Durante los últimos años se ha incrementado la demanda de materiales ligeros y resistentes, especialmente en el sector aeronáutico; lo que ha ocasionado que el uso de materiales compuestos de matriz polimérica haya aumentado en la fabricación de componentes y estructuras. Estas estructuras de materiales compuestos están fabricadas, por lo general, con resinas termofijas sobre todo por la facilidad de uso, la baja viscosidad que ofrecen y un bajo costo relativo. Aunque este tipo de resinas tiene como desventaja una baja capacidad de reparación y no pueden ser reciclados. Debido a estas limitaciones se ha despertado un renovado interés en la utilización de matrices termoplásticas en la fabricación de materiales compuestos avanzados, aun cuando tienen viscosidades y temperaturas de procesamiento más elevadas. Se desarrolló un material compuesto termoplástico mediante la técnica de prensado en caliente utilizando la infraestructura y equipos existentes con materiales constituyentes locales. Se eligió una lámina de 0.5 mm de espesor de polipropileno (PP) como material matriz debido a sus buenas propiedades mecánicas, bajo costo y disponibilidad en el mercado nacional. Igualmente para el refuerzo, se seleccionó fibra de vidrio en un arreglo de tejido biaxial tipo tafetán. Para la fabricación de la lámina de material compuesto se fabricó un molde en aluminio, dentro del cual son colocados preformas de los materiales constituyentes. El molde es calentado hasta alcanzar la temperatura de fusión del PP, posteriormente se le aplica una presión de consolidación utilizando una prensa mecánica para forzar al polímero fundido a embeber las fibras del refuerzo. El material compuesto resultante fue ensayado para obtener las fracciones volumétricas de los constituyentes, empleándose la técnica de ignición de resina. Se obtuvieron las propiedades mecánicas mediante el ensayo de tensión para las orientaciones de [0/90] y [±45]. Las propiedades obtenidas fueron el módulo de elasticidad, modulo cortante en el plano, relación de Poisson y el esfuerzo máximo. Los datos obtenidos del material compuesto desarrollado permitirán construir la base de la pirámide de ensayos y diseñar un sistema que permita fabricar laminados y componentes de material compuesto de matriz termoplástica.

Over the last years, the demand for lighter and stronger materials has increased, especially in the aeronautical sector. Therefore, the use of polymer matrix composites has augmented in the components and structures manufacturing. These composite structures are often made from thermosetting matrixes, due to their ease of use, low viscosity and relative low cost. But the major drawbacks of thermosetting resins are their very low reparability and almost null recyclability. This has awakened a renewed interest in the use of thermoplastic matrixes in fabrication of advanced composites, despite its higher viscosities and processing temperatures. A thermoplastic matrix composite has been developed by means of the hot press technique using the existing facilities with local constituents. For the thermoplastic matrix, a 0.5 mm thick polypropylene (PP) sheet was selected, due its good mechanical properties, low cost and availability in the domestic market. The same stands for the reinforcement, which fiberglass (FG) was selected in a biaxial plain wave arrangement. A die mold tool was designed and made of aluminum to manufacture a thermoplastic composite lamina. This was achieved by placing the constituents preform into the mold; then, the mold was heated until the PP melting temperature was reached, afterwards a consolidation pressure was applied by using a mechanical press to force the melted PP to impregnate the fibers. The resultant composite was characterized to obtain its constituents’ volume factions by means of the burn off technique, and then uniaxial tensile tests in the [0/90] and [±45°] orientations were carried to obtain the modulus, axial-shear modulus, ultimate strength and Poisson ratios of the manufactured lamina. The data gathered in these tests will be used to construct the composites test pyramid’s base and to design a system that will permit the fabrication of thermoplastic composite laminates and component