Filament winding (bobinado de filamento)

Introducción

El bobinado, devanado o enrollamiento de filamento es una técnica de fabricación para la creación de estructuras de material compuesto. El proceso consiste en enrollar filamentos y/o cintas tensados, impregnados con una resina termoestable, sobre un molde macho cilíndrico o mandril. El mandril gira, mientras que un carro se mueve en sentido horizontal, el cual establece las fibras en el patrón deseado. Los filamentos más comunes son de carbono o de vidrio de fibra y son recubiertos con una resina sintética mientras se enrollan. Una vez que el mandril está completamente cubierto con el espesor deseado, se coloca en un horno para solidificar (curado) de la resina. Una vez que la resina se haya curado, el mandril se retira (desmolde), dejando el producto final hueco.
El bobinado de filamento se adapta bien a la automatización, donde la tensión de los filamentos puede ser cuidadosamente controlada. Los filamentos que se aplican con alta tensión dan como resultado un producto final con una mayor rigidez y fuerza, baja tensión resulta en una mayor flexibilidad. La orientación de los filamentos también puede ser controlado cuidadosamente para que las capas se encimen y se orienten de manera diferente de la capa anterior. El ángulo en el que se establece la fibra de las capas inferiores determinan las propiedades del producto final. Un ángulo alto ofrecerá resistencia a la compresión, mientras que un patrón de menor ángulo (conocido como un sistema cerrado o helicoidal) proporcionará una mayor resistencia a la tracción.

Descripción del proceso
Existen tres modelos básicos de bobinado:
Bobinado helicoidal: el movimiento de rotación del mandril se combina con el movimiento de traslación longitudinal del cabezal de impregnación. Siendo este método el más frecuentemente utilizado
Bobinado circunferencial: se trata de una variante del bobinado helicoidal pero con un ángulo de enrollado de 90º.
Bobinado polar o plano: tanto el movimiento de rotación como el de traslación longitudinal es realizado por el mandril, permaneciendo fijo el cabezal de impregnación.

El bobinado de filamento también se puede describir como la fabricación de piezas con fracciones con un alto volumen de fibra y orientación de las fibras controlada. Las fibras se sumergen en un baño de resina en el que se recubren con resina de bajo o medio peso molecular. Estas fibras impregnadas luego son enrollados alrededor de un mandril (molde) en un patrón controlado para formar la forma de la pieza. Las velocidades de trabajo se encuentran entre los 90 - 100 m/min para fibras de vidrio y entre los 15 - 30 m/min para fibras de carbono y aramida. Después de concluir, la resina se cura, por lo general utilizando el calor. El núcleo de molde puede ser removido o se puede dejar como un componente integral de la pieza. Este proceso se utiliza principalmente para piezas huecas, generalmente los componentes de sección circular u ovalada, como tuberías y tanques. Recipientes a presión, tuberías y ejes de transmisión pueden ser fabricados por bobinado de filamento. Se ha combinado con otros métodos de aplicación de fibra tales como moldeo manual, pultrusión, y el trenzado. La compactación es principalmente a través de la medición de la tensión de la fibra y el contenido de resina. Las fibras pueden estar impregnados con resina antes del bobinado (devanado húmedo) o impregnadas posteriormente al bobinado (bobinado en seco).

Maquinaria
Una máquina de bobinado de filamento continuo (máquina CFW o máquina CW) es, tal como indica su nombre, un equipo mediante el cual se realiza el bobinado de filamento, en forma continua, sobre una banda de acero cilíndrica. El proceso de bobinado de filamento continuo también se conoce como el Proceso de Drostholm.

Equipo de bobinado de filamento

El equipo tiene un carro encargado de guiar los filamentos para su enrollado en un cilindro que gira denominado mandril o husillo. El carro va montado sobre un riel que permite su movimiento a lo largo del cilindro a fin de que el recubrimiento sea uniforme a lo largo del mismo siguiendo un patrón geométrico constante, además presenta un movimiento tangencial al cilindro para mantener una distancia uniforme cuando la circunferencia aumenta su radio producto del crecimiento de las capas de fibras. En algunos casos, también puede realizar movimientos radiales, efectuados en los extremos redondeados de tubos.

Movimientos del carro

El carro hace el recubrimiento en varias pasadas de ida y vuelta manteniendo tensado el o los filamentos. El impregnado de la fibra puede ser efectuado en una etapa previa o en el mismo carro. Los carreteles de filamento y cinta son montados en un dispositivo denominado fileta o creel, el cual puede presentar guías para aunar todos los filamentos y un dispositivo de tensado regulable.

Rack de filamentos

Impregnado de filamentos

Carro

El bobinado de filamento se utiliza para la fabricación de tubos de gran diámetro. Existe un diámetro mínimo por debajo del cual la técnica se convierte en poco práctica. Las máquinas de CFW están disponibles para diámetros de 0,25 a 4,0 m.

Los parámetros claves del proceso son: la tensión en las fibras, ratio de impregnación y geometría del bobinado

La resistencia y la rigidez del ovillado pueden ser optimizadas alineando las fibras en las direcciones de las cargas. Esto hace que la orientación de la fibra sea crítica para el funcionamiento de la pieza y determina en gran parte la performance final de la misma.

Equipos periféricos

Para alimentar a la maquina se necesita áreas de almacenamiento de materias primas, de mezcla de resinas, catalizadores, etc. Normalmente, también se incluye el calentamiento de la mezcla de químicos.

Una vez enrolado el filamento del grosor deseado, puede ser curado ya sea a temperatura ambiente o bien a alta temperatura mediante un horno para acelerar el curado.

Pieza en horno vertical para curado

La operación de desmoldado, una vez curada la pieza, es realizado generalmente en forma manual. Eventualmente se pueden utilizar dispositivos de empuje o tiro para facilitar dicha tarea.

  

Materiales

La fibra de vidrio es la más frecuentemente utilizados para el bobinado de filamentos, las fibras de carbono y aramida también se utilizan. Las estructuras que requieren una alta resistencia y propiedades físicas elevadas se producen con resinas epoxi, las resinas de poliéster (más baratas) se especifica para la mayoría de las otras aplicaciones. La capacidad de utilizar el refuerzo continuo o sin interrupciones supone una clara ventaja, ya que se obtiene un alto volumen en la fracción de fibra, aproximadamente el 60% a 80%. El material compuesto es normalmente curado a alta temperatura antes de retirar el mandril. Las operaciones de acabado, como el mecanizado o rectificado normalmente no son necesarias.
Las resinas utilizadas pueden ser: epoxi, poliéster, viniléster, fenólicas, etc.
Las fibras usadas son: las de vidrio, aramida, carbono y boro. Las fibras se utilizan directamente desde ovillos o carreteles.
Por lo general, en las piezas no se utilizan núcleos estructurales pero puede ser utilizado cualquiera, sobre el cual se enrolla la fibra y forma parte de la pieza final.

Productos

Los productos que actualmente se producen con esta técnica son palos de golf, tubos, remos, horquillas de bicicleta, postes de transmisión, alumbrado y energía eléctrica, recipientes de alta presión, cubiertas de misiles, fuselaje de aviones y mástiles de yates.

Bobinado de filamento de tubo para alta presión

Caños

Tanques

Ventajas y desventajas del bobinado de filamento
Ventajas:
- Automatizable
- Rápido
- Contenido en resina controlable
- Se elimina etapa de elaboración de preforma de fibras
- Buenas propiedades mecánicas

Desventajas:
- Limitado a formas convexas
- Problemas para controlar algunas geometrías del refuerzo (axial, tendencia a seguir la línea geodésica)
- Costo del mandril (según tamaño)
- Cara externa pobre estéticamente
- Generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad (peores propiedades mecánicas problemas de seguridad laboral)






Fuentes:
Escuela Superior de Ingenieros – San Sebastián
es.wikipedia.org
en.wikipedia.org
www.eboplast.com.ar