Moldeo por spray de materiales compuestos

Introducción

El moldeo por spray o espreado (spray lay up) es un proceso de fabricación de compuestos de molde abierto, donde se rocían resina y refuerzos en un molde reutilizable. La resina y la fibra pueden ser aplicadas por separado o simultáneamente, picadas, por un flujo combinado desde una pistola dosificadora de resina y cortadora de fibra. Posteriormente el laminado de fibra y resina formado sobre el molde puede ser compactado manualmente con rodillos. Se pueden añadir núcleos de madera, espuma u otro material y se aplica una segunda capa por aspersión, quedando el núcleo entre los dos laminados. La pieza es entonces curada a temperatura ambiente o mediante calefacción, se enfría y se retira del molde.

Esquema del proceso

Materiales

El material de refuerzo fundamental para este proceso es el hilo continuo (rovings) de fibra de vidrio, que se cortan a una longitud de 10 a 40 mm y luego se aplica sobre el molde. Para mejorar las propiedades mecánicas se utiliza una combinación de capas de tela e hilo picado de fibra de vidrio. El tipo de material más común es la fibra de vidrio tipo E, pero también se puede utilizar hilos de carbono o Kevlar. También pueden ser utilizados mat de hilos continuos, telas y diversos tipos de materiales para núcleos. La fracción en peso de refuerzo en este proceso es típicamente de 20 a 40% del peso total de la pieza. El sistema de resina más frecuente utilizado para el proceso de pulverización es de poliéster, también se utilizan poliéster isoftálico, viniléster y poliuretano. Las resinas son de reacción rápida con una vida útil de 30 a 40 minutos. La resina contiene a menudo una gran cantidad de relleno. Los rellenos más comunes son los carbonatos de calcio y trihidratos de aluminio. En los sistemas de resina con cargas, estas reemplazan algunos de los refuerzos; se utiliza 5 a 25% de relleno en peso.

Roving de Fibra de Vidrio

Los moldes por lo general son de acero, aluminio madera, plástico reforzado con fibra de vidrio; otros materiales también pueden ser utilizados para la creación de prototipos. El molde puede ser un molde macho o hembra (convexo o cóncavo). Para hacer las bañeras de ducha, por ejemplo, se utiliza un molde macho. En el sector de la navegación, se utiliza para hacer los cascos de barcos, un molde hembra de un solo lado a partir de FRP (plástico reforzado con fibra). La capa exterior del molde se fortalece por un marco de madera. El molde se hace tomando la reversión de un patrón. Varios tamaños diferentes de casco se pueden hacer usando el mismo molde. La longitud del molde se acortar o alarga usando insertos y moldes secundarios, tales como ventanas, rejillas de ventilación, y los túneles de eje de la hélice.

Moldeo de bote

Proceso
Los pasos del proceso son muy similares a los del moldeo manual de materiales compuestos. En este proceso, primeramente se aplica en el molde el agente de liberación (desmoldante) y luego una capa de gelcoat. El gelcoat se rocía mediante una pistola rociadora.

Rociador de gelcoat

Rociado de gelcoat

El gelcoat se deja durante dos horas, hasta que endurezca. Una vez que el gelcoat se endurece, una pistola rociadora se utiliza para depositar la mezcla de resina y fibra sobre la superficie del molde. La pistola rociadora también cuenta con un dispositivo de corte para cortar los hilos continuos (uno o más hilos) a una longitud predeterminada y son pulverizados junto con la mezcla de resina y catalizador. La mezcla de resina y catalizador puede llevarse a cabo dentro de la pistola (pistola mezcladora) o justo a la salida de la pistola. La pistola mezcladora ofrece una buena mezcla de resina y el catalizador en su interior y se prefiere para minimizar los peligros para la salud del operador. En el otro tipo, el catalizador se rocía a través de dos boquillas laterales a la resina. Las pistolas sin aire presurizado son cada vez más populares debido a que proporcionan patrones de aspersión más controlados y menor emisión de compuestos volátiles. En estos sistemas, la presión hidráulica se utiliza para dispensar la resina a través de boquillas especiales que rompen el flujo de resina en pequeñas gotas que luego se satura con los refuerzos. En un sistema de pistola de aire atomizado, aire a presión se utiliza para dispensar la resina.

Rociador de resina y cortador de fibra

Rociado de resina y fibra cortada

Una vez que el material se rocía en el molde, se utilizan brochas o rodillos para eliminar el aire atrapado, así como para asegurar la buena humectación de la fibra.

Compactación con rodillo

Nuevas capas de tejido de fibra de vidrio se agregan en el laminado, en función de los requisitos de rendimiento. Con la pieza en el molde, antes del curado, se pueden recortar sobrantes, de ser necesario, con una herramienta cortante. El curado de la resina se hace a temperatura ambiente. El curado de la resina puede tomar de dos a cuatro horas, dependiendo de la formulación de la resina. Después del curado, la pieza se saca del molde y puede someterse a un acabado estructural.
En métodos más avanzados el rociado puede ser realizado en forma automatizada mediante el uso de robots, lo que permite un mayor control del espesor y propiedades uniformes de las capas de material compuesto.

Resumen del proceso
1.- El molde es encerado y pulido para un fácil desmoldado.
2.- El gelcoat se aplica a la superficie del molde y se deja endurecer antes de construir cualquier otra capa.
3.- La capa protectora se aplica para evitar que sobresalga fibra a través de la superficie del gelcoat.
4.- La capa de barrera se cura.
5.- La resina virgen se mezcla con otros productos tales como carbonato de calcio o trihidrato de aluminio y se bombea a un tanque de retención.
6.- La resina, el catalizador, y la fibra cortada se rocía en la superficie del molde con la ayuda de una pistola de mano. La pistola rociadora se mueve en un patrón predeterminado para crear un espesor uniforme de la lámina.
7.- Un rodillo se utiliza para la compactación de la capa de fibra y resina rociada para crear una superficie del laminado uniforme y lisa. El aire atrapado es removido.
8.- Cuando se estima conveniente, madera, espuma, o núcleos de nido de abeja se encuentran insertos en el laminado para crear una estructura de tipo sándwich.
9.- El laminado se cura a temperatura ambiente o en un horno para acelerar el reticulado de la resina.
10.- La pieza se desmolda y se envía para un mecanizado posterior.
11.- Personal de control de calidad inspecciona la pieza; tolerancias dimensionales, solidez estructural, y la buena calidad de acabado superficial, y luego aprueba o rechaza la pieza, en función de sus criterios de aprobación.

Ventajas
- Es un método muy económico en procesos para la fabricación de pocas piezas
- Utiliza herramientas de bajo costo, así como sistemas de material de bajo costo.
- Es adecuado para las piezas de pequeño y mediano volumen.

Desventajas
- No es apto para la fabricación de piezas que tienen altos requerimientos estructurales.
- Es difícil controlar la fracción de volumen de fibra, así como el grosor. Estos parámetros dependen en gran medida la habilidad del operador.
- Debido a su naturaleza de molde abierto, la emisión de estireno es una preocupación.
- El proceso ofrece un buen acabado superficial de un lado y un acabado de superficie áspera del otro lado.
- El proceso no es adecuado para zonas donde la precisión dimensional y la repetibilidad del proceso son las principales preocupaciones. El proceso de pulverización no ofrece un buen acabado superficial o de control dimensional de ambos o todos los lados del producto.

Aplicaciones
Las aplicaciones incluyen la fabricación de piezas por encargo y bajas cantidades de producción. Algunos de los usos comerciales de este proceso son bañeras, piscinas, cascos de barcos, tanques de almacenamiento y partes de muebles.

Video - fabricación de bote

Fuentes:
www.graco.com
Introducción a la Ciencia de Materiales para Ingenieros - J. F. Shackelford
Revista plásticos reforzados
en.wikipedia.org
www.rampf-gruppe.de
www.iturrospe.com
www.poliformasplasticas.com
www.owenscorning.com
www.youtube.com