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Introducción

BRAIDING Tecnología textil

POR VALERIA SERRANO, ABRAHAM MARTINEZ.

MATERIALES COMPUESTOS | Introducción

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PRIMER DEPARTAMENTAL

Introducción

BRAIDING I NTRODUCCIÓN Es interesante observar que antes del desarrollo de la máquina Braiding , que se registró en el siglo XVIII, el Braiding era una habilidad manual .Los compuestos tipo braiding se convirtieron en un "tema latente" en la investigación científica a fines de la década de 1980, desde entonces, ha habido una explosión de trabajos científicos realizados y patentes desarrolladas en el área.. Las telas trenzadas 3D han encontrado aplicaciones en áreas que incluyen medicina, aeroespacial, automóviles, componentes de trenes y mangueras reforzadas. El desarrollo inicial de las telas trenzadas en 3D provino de las industrias de materiales compuestos y médica. Las telas braiding en 3D se pueden fabricar en innumerables variedades de secciones transversales, y sus formas complejas hicieron posible el diseño de productos muy especializados para ambas industrias. En los helicópteros, los componentes estructurales típicos, como las vigas, las estructuras de tipo sandwich, los marcos y los paneles, se fabrican utilizando perfiles braiding 3D. Del mismo modo, las telas 3D se utilizan para fabricar estructuras de vigas complejas y paneles en automóviles de pasajeros. Para estructuras de trenes, los diferentes componentes fabricados a partir de perfiles trenzados en 3D incluyen el panel del techo, los componentes interiores, los paneles laterales y las estructuras de la carrocería. El trabajo reciente de Airbus en la producción de aeronaves se ha centrado en el uso de polímeros Braidings reforzados con fibra de carbono para los marcos del A350-1000 , el proceso fue seleccionado por su bajo riesgo y alto nivel de automatización.En la industria médica, los tejidos braiding 3D encuentran aplicaciones en prótesis de brazos y piernas y suturas trenzadas hasta implantes cardiovasculares. A continuación en el presente trabajo se revisan los conceptos, clasificación,los procesos de fabricación y aplicaciones de las estructuras tipo Braiding

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Introducción

C ONTENIDO Introducción ........................................................................................................................................ 1 Definiciones Textiles ............................................................................................................................ 1 Clasificación ......................................................................................................................................... 1 Tela Braiding 2d ............................................................................................................................... 1 Biaxial........................................................................................................................................... 1 TELA BRAIDING 3D ........................................................................................................................... 5 FIBRAS UTILIZALADAS .......................................................................................................................... 5 Manufactura ........................................................................................................................................ 6 Componentes Basicos...................................................................................................................... 8 Maquinaria para braiding 2d ......................................................................................................... 12 Maypole braider ........................................................................................................................ 12 Triaxial braider ........................................................................................................................... 13 Flat braider ................................................................................................................................ 13 Rotary braider ............................................................................................................................ 14 Radial braider............................................................................................................................. 14 Maquinaria para braiding 3d ......................................................................................................... 15 Four-Step ................................................................................................................................... 15 Rotary Braiding .......................................................................................................................... 17 Aplicaciones ....................................................................................................................................... 18 Trabajos citados ................................................................................................................................. 19

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Definiciones Textiles

D EFINICIONES T EXTILES 1

En un tejido, o tela, se llama trama (1) o «contrahilo» al hilo transversal que se teje en la urdimbre (2) para formar la tela ver la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. y en dirección diagonal (“bias”) ver figura ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.

C LASIFICACIÓN T ELA B RAIDING 2 D

F IGURA 1T RAMA Y URDIMBRE

(Bogdanovich, 2016)DEFINIÓ UNA TRENZA 2D COMO TELA QUE "CONSISTE EN DOS O TRES CONFIGURACIONES DE HILO ORIENTADOS EN EL PLANO XY"VER Figura 3Y Figura 9

BIAXIAL DEFINICION Tiene una configuración de hilos, trenzas (orientadas en un ángulo en las direcciones + y e y), que se entrelazan entre sí para formar la superficie del tejido trenzado, como se muestra esquemáticamente en la Figura 3

F IGURA 2 BIAS , WARP Y CROSSWISE DE TELA

UNA

Básicamente consiste en patrones de trenzas, que son producidos por técnicas de trenzas tradicionales ver Figura 4 

Diamante



regular



hércules.

F IGURA 3 T EJIDO BRAIDING TRADICIONAL , TRIDIMENSIONAL BIAXIAL

F IGURA 4 PATRONES DE TRENZAS

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PRIMER DEPARTAMENTAL

Clasificación CARACTERISTICAS La tela Braiding 2D se puede colocar en capas según el grosor requerido y se puede consolidar para obtener un compuesto rígido. Sin embargo, tiene una pobre resistencia al impacto debido al engarce y una baja resistencia a la delaminación debido a la falta de fibras en la dirección Z (dirección del espesor). Aunque la preforma trenzada cosida en capas 2D elimina la debilidad de la delaminación, puede reducir las propiedades en el plano:

F IGURA 5 SECCIÓN -I DE TEJIDO TRIDIMENSIONAL BIAXIAL ( A ) Y LA CONFIGURACIÓN DE LA PLACA DE PISTA DEL TRENZADOR ( B )

MANUFACTURA (Y, et al., 1995) desarrollaron un tejido braiding que consiste solo en hilos de trenzas (direcciones diagonales (bias)). Los hilos se entrelazan para hacer telas completamente trenzadas. El proceso tiene una track plate, que está diseñada de acuerdo con la sección transversal del tejido, como se muestra en la Figura 2. Se utilizan carretes tradicionales. Se entrelazan de acuerdo con una trayectoria de hilo predeterminada. El Take-up elimina la tela trenzada seccional de la zona de trenzado.

F IGURA 7 T EJIDO B RAIDING

NO ENTRELAZADO

BIDIMENSIONAL

(Head, 2000) desarrolló una tela trenzada tubular que tiene dos tipos de hilos. Son multifilamentos de gran tamaño de cable de alto módulo y multifilamentos elásticos de pequeño tamaño de cable . Los multifilamentos de gran tamaño se colocaron en direcciones bias, mientras que el multifilamento elástico de pequeño tamaño de arrastre fijó el multifilamento de gran tamaño en posición mediante una configuracion tipo braiding, como se muestra en la Figura 7

T RIAXIAL DEFINICION Tiene tres configuraciones del hilo: bias y warp (axial). Los hilos se entrelazan entre sí alrededor de los hilos axiales en un ángulo de aproximadamente 45 grados, mientras que los hilos axiales se encuentran en toda la estructura. como se muestra en la Figura 12(a) y ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. Sin embargo, pueden no estar trenzados en una estructura muy densa en F IGURA 6 T WO - DIMENSIONAL TRIAXIAL - BRAIDED FABRIC .

comparación con las telas trenzadas biaxiales tradicionales. CARACTERISTICAS Se evaluó la estructura y se concluyó que las propiedades direccionales axiales del tejido triaxial trenzado se mejoraron en comparación con el tejido trenzado biaxial.

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Clasificación

MANUFACTURA

LA COMPAÑÍA BOEING desarrolló una máquina triaxial circular 2D a gran escala para hacer Braiding Triaxial Tubular, se hizo en varias formas estructurales con la ayuda de un mandril, como se muestra en la Figura 8 y Figura 10

F IGURA 8 MÁQUINA TRIAXIAL CIRCULAR 2D

F IGURA 9 B RAIDING BIAXIAL Y TRIAXIAL (B IRKEFELD , 2013)

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Clasificación

APLICACIONES

F IGURA 10 J- STIFFENED TWO - DIMENSIONAL (2 D ) TRIAXIAL - BRAIDED STRUCTURE

F IGURA 11 P ANELES DE ESTRUCTURA

TIPO

BRAIDING

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FIBRAS UTILIZALADAS

TELA BRAIDING 3D DEFINICION

KO (1989): "LAS

TELAS TRIDIMENSIONALES PARA MATERIALES COMPUESTOS

ESTRUCTURALES SON CONJUNTOS DE FIBRA CONTINUA TOTALMENTE INTEGRADOS

1QUE TIENEN UNA ORIENTACIÓN DE LA FIBRA MULTIAXIAL EN EL PLANO Y FUERA DEL PLANO". DONDE LAS "CAPAS" DE HILOS EN LA DIRECCIÓN DEL GROSOR TOTAL DEBEN ESTAR INTERRELACIONADAS ENTRE SÍ POR EL PROCESO DE TRENZADO PARA FORMAR UN CONJUNTO

(Bogdanovich, 2016)

F IGURA 12 I LLUSTRATIVE MODELS OF ( A ) TWO - DIMENSIONAL (2D) TRIAXIAL BRAID AND ( B ) FULLY INTEGRATED

THREE - DIMENSIONAL

(3D) BRAID WITH 64 BRAIDED YARNS ( YELLOW AND GREEN ) AND 16 AXIAL YARNS ( BLUE ).

FIBRAS UTILIZALADAS A continuación se muestran las fibras conmunmente usadas en los trenzados tipo braiding.

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all adjacent “layers” of yarns laid in the through-thickness direction have to be mutually intertwined by the braiding process to form a fully integrated yarn assembly. MATERIALES COMPUESTOS | FIBRAS UTILIZALADAS

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Manufactura

T ABLA 1 L AS PROPIEDADES TÍPICAS DE LAS FIBRAS UTI LIZADAS EN MATERIALES COMPUESTOS TRENZADOS , TENGA EN CUENTA QUE LOS DISEÑADORES DEBEN DETERMI NAR LOS VALORES REAL ES ( C AREY , 2017)

.

M ANUFACTURA La fabricación de compuestos tipo braiding es un proceso de dos o tres pasos. El Braiding Bidimensional se pueden utilizar como una estructura independiente, como un palo de golf. , que requiere que una preforma sea fabricada y utilizada sin un núcleo, o como una envoltura en una subestructura. Como se detalla en las siguientes secciones, las preformas a menudo se fabrican primero y luego se impregnan y curan. Las preformas también se pueden impregnar en línea en un mandril removible o plegable o permanente . El Braiding Tridimensional se produce en forma casi neta, se compactan y se impregnan. Además, para acelerar el proceso de fabricación, también se pueden usar fibras preimpregnadas . El trenzado se puede utilizar para hacer cualquier número de formas y estructuras. En la tabla siguiente, se describen diferentes tipos de preformas al igual que el proceso de producción / máquina más apropiado para cada una.

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Manufactura

T ABLA 2 F ORMAS DE 2017, PP . 47-52)

PREFORMAS TIPO BRAIDING COMUNES Y MÉTODO DE PRODUCCI ÓN .

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( C AREY ,

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C OMPONENTES B ASICOS Componentes Principales utilizados en la maquinaria para realizar Braiding: Las máquinas de trenzado Maypole pueden dividirse en dos categorías principales: horizontal y Vertical. La diferencia entre estos dos estilos de braiding es la dirección en la que se forma la trenza o en la que se realza él trenzado. Las preformas verticales de la máquina de la trenza se fabrican en la dirección vertical, y la placa de la pista de la máquina es paralela al suelo de manera inversa en la configuración de la maquina horizontal la maquina de braiding manufactura el trenzado paralelo al suelo. Las maquinas verticales son las más comunes ya que requieren menos espacio de piso que las horizontales. .

Horn gears Los horn gears impulsan los carretes sobre la pista(track plate). Los horn gears consisten en una placa ranurada, que se conecta a través de un eje a un engranaje tipo spur. Las ranuras del horn gear se utiliza para trasladar los carretes mientras avanza a lo largo de la trayectoria del track plate. N OTA 1 EL NÚMERO DE RANURAS DEL HORN GEAR Y EL T AMAÑO DE LOS HORN GEARS DICTARÁ EL TAMAÑO DE LA TRENZA Y EL PATRÓ N DE TRENZA QUE SE P UEDE PRODUCIR PARA UNA MÁQUINA DADA.

N OTA 2

COMÚNMENTE LOS HORN GEARS CONSISTEN EN UN ORIFICIO EN EL CENTRO PARA LA INSERCIÓN DE HILOS AXIALES CON EL FIN DE FACILITAR LA FABRICA CIÓN DE TRENZAS TRIAXIALES.

Cada engranaje de la bocina es movido y controlado por un solo motor y tiene tres configuraciones: • Gira en el sentido de las manecillas del reloj • Gire hacia la izquierda • Detener La velocidad máxima de rotación de los engranajes de la bocina es de 80 rpm. Cada interruptor individual es controlado y movido por un sistema neumático y se puede configurar individualmente en dos configuraciones: MATERIALES COMPUESTOS | Manufactura

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Manufactura

• No transferencia entre horn gears adyacentes • Transferencia de un horn gear al siguiente horn gear

Carriers Los Carriers transportan los embobinados de trensado a través del patron de serpentin de la maquina de tranzado o de braiding y también sirven para aplicar tensión a los hilados de la trenza para mantener un proceso constante de braiding. La tensión aplicada a los hilados trenzas se puede ajustar seleccionando un resorte apropiado.

F IGURA 13 CARRIERS

Bobbins- Bobinas Los hilos trenzados se enrollan en tubos o bobinas. Los tubos o las bobinas se montan en los carriers

MATERIALES COMPUESTOS | Manufactura F IGURA 14 B OBINAS DE HILO

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Carrier track La placa de la pista de una máquina del trenzado es responsable de guiar los carriers. Las máquinas de braiding tubulares tienen dos caminos o guías: una para el sentido de las agujas del reloj y otra para hilos trenzantes. Estas pistas del portador se asemejan a intersección de la fase de las ondas sinusoidales.

Take-up mechanism Para avanzar en la estructura de la trenza se requiere un mecanismo de toma. Diferentes mecanismos de take-up pueden ser utilizados dependiendo del tipo de trenza que se fabrica.  Las trenzas flexibles se pueden enrollar en un carrete  las trenzas rígidas requieren un mecanismo de absorción tipo oruga como el que se muestra a continuación en la primera imagen. MATERIALES COMPUESTOS | Manufactura

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Manufactura 

Las máquinas de braiding avanzadas también pueden utilizar un brazo robótico de seis ejes con el fin de formar formas complejas de trenza. Un ejemplo donde un brazo robótico se utiliza conjuntamente con una máquina de trenzado radial para producir formas arbitrarias del mandril se ha demostrado por Hans e Hinterhoelzl.

F IGURA 15 M ECANISMO TAKE - UP

F IGURA 16 MECANISMO TAKE - UP ROBOTICO

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Manufactura

Forming ring (guide ring)

Forming rings or guide los anillos se utilizan en el proceso de trenzado con el fin de asegurar un punto de convergencia consistente para los hilados de trenza. El uso de estos anillos también permite que el trenzado de dirección hacia adelante y hacia atrás ocurra. Un ejemplo de un anillo de formación que se utiliza para controlar el punto de convergencia de los hilados trenzados se muestra a continuación.

F IGURA 17 F ORMING RING

M AQUINARIA

PARA BRAID ING

2D

Las siguientes configuraciones o tipos de trenzadoras o maquinas de braiding se utilizan normalmente, a continuación las describimos:

M A Y PO L E

B R AI D E R

Las máquinas del trenzado de Maypole son un tipo común de máquina de braiding que sus portadores apuntan hacia la dirección de la toma de la fibra. Se pueden utilizar para producir la cuerda trenzada y para hacer trenzado sobre los mandriles simples. Estos tipos de Trenzadoras hacen uso de todos los componentes mencionados anteriormente. Las Trenzadoras de Maypole se pueden utilizar para hacer un número de diversas arquitecturas de la trenza (diamante, regular, Hércules) simplemente cargando los portadores diferentemente.

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Manufactura

F IGURA 18 C ARRIERS DE UNA M AQUINA TIPO MAYPOLE

T RI A X I A L

B RA I D E R

Modificando levemente una máquina de braiding tipo Maypole, los hilados triaxiales se pueden alimentar a través de los tubos fijos o de los gears horns con un agujero a través del centro. Esto permite que los hilados rectos se alimenten en la trenza biaxial para refuerzo longitudinal adicional.

FLAT

B RA I D E R

En principio, una máquina de braiding plana se puede producir evitando que los portadores de la bobina atraviesen la trayectoria circular completa en una trenzadora de Maypole. Para realizar esta tarea, se requiere un par de gears horns terminales para girar los portadores una vez que lleguen al final de la pista. Estos gears horns son más grandes que los otros gears horns y pueden tener un diverso número de ranuras para realizar esta tarea.

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Manufactura

F IGURA 19 E JEMPLO

DE CONFIGURACIÓN DE MÁQUINA DE BRAIDING PLANO .

L OS

HORN GEAR

GRANDES EN ESTE ESQUEMA SON NECESARIOS PARA QUE UNO DE LOS CARRIERS OCUPE UNA DE LAS RANURAS DEL HORN GEAR VACÍAS ANTES DE CAMBIAR LA DIRECCIÓN DE LA PISTA .

( C AREY , 2017, P .

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R O T A RY

B RA I D E R

Las máquinas de trenzado rotatorio varían de todas las máquinas previamente discutidas en que los carriers tracks de la bobina en los trenzadores rotatorios no viajan a lo largo de una trayectoria sinusoidal. El tipo más común de trenzadora radial, o de alta velocidad, es el trenzadora rápido de Wardwell. Como con una máquina tradicional del trenzado del Maypole, las trenzas biaxiales se pueden hacer en los braiders rotatorios. Los braiders rotatorios consisten en dos sistemas de bobinas, las bobinas internas y externas (o superiores e inferiores), que giran en trayectorias circulares opuestas el uno del otro. El tejido de los hilos para la estructura de la trenza se logra con el uso de placas deflectoras, que empujan los hilos de las bobinas inferiores por encima o por debajo de las bobinas superiores. Debido al movimiento simple, no fluctuante de los carriers tracks, las máquinas de braiding rotatorias son convenientes para funcionar en las velocidades más altas en comparación con los braiders tipo Maypole.

RADIAL

B RA I D E R

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Manufactura Otro estilo de la máquina del trenzado es una máquina de braiding radial. La ventaja de colocar los portadores apuntando hacia el punto de trenza es que esto reduce la presencia de fricción. Los Trenzadoras radiales lo hacen reduciendo las fluctuaciones de tensión en los hilos y reduciendo así el daño del hilo durante el proceso de trenzado.

F IGURA 20 M AQUINARIA PARA BRAIDING RADIAL

M AQUINARIA

PARA BRAID ING

3D

F O U R -S T E P El trenzado 3D de "Four Step", que también se conoce en la literatura como el trenzado 3D "pista y columna (row-and-column)", "de cuatro pasos (“four-step”)" y "cartesiano (“Cartesian”)" (Bogdanovich, 2016) En el proceso Braiding de cuatro pasos (four-step), hay un conjunto de hilos longitudinales dispuestos en direcciones de columna y fila en la sección transversal. Todos estos hilos están entrelazados entre sí por al menos cuatro movimientos distintos en cada ciclo de la máquina. Los carretes se mueven simultáneamente en trayectorias predeterminadas entre sí dentro de la matriz para entrelazar los hilos para formar la preforma braiding. Estos carretes están dispuestos en filas y columnas, que pueden ser rectangulares, anulares o cilíndricas.

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Manufactura

F IGURA 21 C ONFIGURACIONES DE FILA Y COLUMNA ( ROW AND COLUMN ) DE UNA MÁQUINA DE BRAIDING 3 D

F IGURA 22 I LUSTRACIÓN ESQUEMÁTICA DEL MOVIMIENTO DE BRAIDING

EN FILA - COLUMNA TRIDIMENSIONAL . L OS

CÍRCULOS REPRESENTAN BOBINAS EN LA MÁQUINA TRENZADORA RECTANGULAR . L AS FLECHAS INDICAN EL MOVIMIENTO HORIZONTAL ( O VERTICAL ) QUE SE EMPLEÓ PARA MOVER LAS BOBINAS . L A

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Manufactura

R O T A RY B R AI D I N G 3D rotary braiding is an extension of maypole braiding that allows the braider carrier to be moved independently and arbitrarily over a base plate so that each braider yarn is placed and intertwined into a 3D preform.12 El trenzado rotativo 3D es una extensión del trenzado de maypole que permite que el portador del trenzador se mueva de manera independiente y arbitraria sobre una placa base, de modo que cada hilo del trenzador se coloque y se entrelace en una preforma 3D.

F IGURA 23 M ECANISMOS DE HORN GEAR PARA EL ACCIONAMIENT O DEL CARRIER DE UNA MÁQUINA ROTATIVA .

APLICACION DEL METODO (Tsuzuk, et al., 1991) diseñó un trenzador 3D que consta de rotores en forma de estrella dispuestos en una matriz de múltiples filas y columnas. Cuatro portadores de hilo pueden rodear un rotor y moverse en cuatro direcciones diagonales, que están determinadas por la rotación de los rotores, como se muestra en la siguiente figura. Este mecanismo permite la realización de diversas geometrías de tejido, como la viga I , H, TT, etc. Se observó que la velocidad de la máquina se mejoró con el desarrollo de un actuador paso a paso rotatorio.

F IGURA 24 T RES EJEMPLOS CONCEPTUALES DE UNA CONFIGURACIÓN TRENZADORA ROTATIVA 3D PARA TEJIDO DE FORMAS COMPLEJAS (T SUZUK , ET AL ., 1991)

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Aplicaciones

A PLICACIONES (K.Ko, 2001)                                                

Marcos de fuselaje de aviones Interiores de aviones Hélices de aviones Extremidades, tendones, huesos artificiales. Piezas de automóviles Los barcos Mástiles de barco Componentes de puente Contenedores químicos Ejes de accionamiento (Drive shafts) Elbow fittings Cañas de pescar Estructura de los asientos del avión. Planeador Clubes de golf Golf clubs marcos de ala delta (Hang-glider frames) Palos de hockey Conductos para motores a reacción spinner de motor a reacción Jet engine Estructuras de puentes ligeros. Sumergibles ligeros Partes de máquina Equipamiento militar Modelo de avión Armadura rígida con forma de red (Net shape rigid armor) Armadura personal Recipientes a presión Canoas de carreras Coches de carreras (paneles estructurales) Racing sculls y catamaranes (Racing sculls and catamarans) Platos de radar (Radar dishes) Radomos Cepillos de registro (Record brushes) Robot de brazos y dedos. Lanzacohetes Carcasa del motor de cohete Tambor de ferel rodante (Rolling ferel drum) Álabes del rotor Marcos de satélites esquís Coches deportivos Raquetas de squash Paneles rígidos Stocks para salto alto. Barcos de surf Raquetas de tenis Hélices de generador de viento y D-spars Mesas de rayos x MATERIALES COMPUESTOS | Aplicaciones

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PRIMER DEPARTAMENTAL

Trabajos citados

T RABAJOS CITADOS Carey, J. P., 2017. 1.3 Basic materials. En: Handbook of Advances in Braided Composite Materials. s.l.:Elsevier, pp. 7-8. Birkefeld, K., 2013. En: Virtuelle Optimierung von Geflechtpreforms unter Ber€ucksichtigung von. s.l.:Stuttgart, Dr. Hut.. Bogdanovich, A., 2016. An overview of row-and-column 3D braiding. En: Y. Kyosev, ed. Advances in Braiding Technology. s.l.:Elsevier. Bogdanovich, A., 2016. An overview of three-dimensional braiding technologies. En: Y. Kyosev, ed. 3D braiding versus 2D braiding. s.l.:Elsevier, pp. 7-11. Head, A., 2000. High coverage area braiding material for braiding method. USA, Patente nº 5385077. K.Ko, F., 2001. Volume 21 of ASM Handbook. En: s.l.:ASM International Handbook Committee., pp. 171-194. Tsuzuk, M., Kimbara, M., Fukuta, K. & Machii, A., 1991. Three-dimensional Fabric Woven by Interlacing Threads With Rotor Driven Carriers. s.l. Patente nº US5067525. Y, A., Z, M. & H, H., 1995. Braid and Braiding Method. USA, Patente nº 5385077.

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