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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONÁUTICA ASIGNATURA: MATERIALES COMPUESTOS

PROCESOS DE MANUFACTURA DE MATERIALES COMPUESTOS:

“BRAIDING” PROFESOR: HERNANDEZ MORENO HILARIO

ALUMNOS:  BARRERA JURADO BRANDON JAFET  BAEZ GARCÍA ULISES MAURICIO  LINARES HERNANDEZ DIEGO ISMAEL

GRUPO 7AM2

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INTRODUCCIÓN En los últimos años ha crecido en todo el mundo el interés en la utilización de tecnologías textiles avanzadas en el proceso de fabricación de materiales compuestos. El uso de estas tecnologías textiles avanzadas, tales como el branding (2D y 3D) y el cocido, permite obtener preformas de distintos tipos de fibras continuas como vidrio, carbono o aramida. 1Estas preformas son cercanas a la forma final de la pieza, y en ellas la orientación de la fibra no está restringida a un plano, es decir, estos procesos textiles ofrecen la posibilidad de introducir fibras de refuerzo fuera del plano, aumentando de forma considerable la resistencia a impacto y la tolerancia al daño del material final, lo que se traduce en importantes reducciones en los costes de fabricación. La producción de estas preformas es un proceso altamente automatizado que se completa con la impregnación de la preforma mediante inyección de resina.

Ilustración 1: Material Compuesto de Fibra de Carbono.

Ilustración 2: Fibra de Carbono como elemento estructural para un Winglet de una aeronave comercial.

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“Materiales Compuestos (Tomo II)”; Antonio Miravete; Editorial: Reverté. Págs.: 1193-1197.

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BRAIDING El “Braiding” consiste en un proceso de trenzado de múltiples hebras procedentes de bobinas con desplazamiento controlado numéricamente; las hebras se entrelazan formando ángulos que varían entre 10° y 80°, pudiéndose incluir también fibras a 0°. El trenzado o Braiding en su forma más simple es el entrelazado de fibras continuas para producir una preforma de fibra tubular. El patrón obtenido se decide por la trayectoria seguida por los portadores de materia prima como la travesía de la máquina trenzadora. El número de portadores y el número de rutas o pistas disponibles para los portadores se pueden variar para obtener el patrón de trenzado óptimo para su aplicación. La Figura 2 muestra un esquema de la distribución de las hebras de fibra.2

Ilustración 3: Esquema de Tejido tipo Braiding. El desarrollo del Braiding se centra Fundamentalmente en las fibras de carbono debido a que su trenzado no presenta las complicaciones que aparecen para su utilización en otras tecnologías textiles. El comportamiento elástico del material final es semejante al que se obtendría con un refuerzo convencional con porcentajes de fibra y orientaciones equivalentes, mientras que los valores de resistencia en el plano disminuyen en torno a un 20% como consecuencia del daño que sufren las fibras de carbono al ser trenzadas. Los elementos estructurales realizados a partir de Braiding en carbono son principalmente perfiles de secciones abiertas o cerradas, pudiéndose realizar secciones muy complejas. Estos elementos estructurales pueden utilizarse como perfiles rigidizadores en paneles. La larga historia de trenzado ha demostrado la técnica como un medio para obtener lo mejor de una gama de fibras. Para su uso con materiales compuestos, el trenzado ofrece la oportunidad de aprovechar un método de producción de alto volumen establecido para producir preformas con un rendimiento mejorado bajo aplicaciones de carga de torsión y absorción de energía.

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“Materiales Compuestos (Tomo II)”; Antonio Miravete; Editorial: Reverté. Págs.: 1193-1197.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONAÚTICA El proceso de trenzado altamente automatizado proporciona economías de escala y producción repetible a la vanguardia de los materiales compuestos. Algunas de las tipologías características que se pueden construir mediante éste Técnica son:     

Mangas trenzadas Trenzas concéntricas y cuadradas Trenzas biaxiales o triaxiales Patrones huecos o sobre-trenzados Fibras secas o hilos mezclados

Ilustración 4: Trenzas Triaxiales y Biaxiales.

Ilustración 5: Mangas Trenzadas y Tubos, Preformas y Formas Terminadas y Sobretrenzado.

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BRADING 2D Y BRADING 3D Existen dos tipos de Braiding, el 2D' Braiding y el 3D-braiding. BRAIDING 2D

Ilustración 6: Esquema de Un tejido tipo Braiding 2D.

Mediante el 2D-braiding se obtienen estructuras de tipo tubular al trenzar las hebras sobre un mandril correspondiente a la sección que se desea obtener. 3 Fibras Biaxiales mediante Braiding 2D Tejido biaxial-trenzado. El tejido trenzado 2D es el material más utilizado en los textiles industriales, especialmente en la industria de materiales compuestos. Tiene un juego de hilos, trenzadoras (Orientadas en un ángulo en las direcciones + y y), que están entrelazadas entre sí para formar la superficie trenzada del tejido, como se muestra esquemáticamente en la figura Básicamente consiste en patrones de trenzado de diamante, regulares y hércules, que se producen Por las técnicas de trenzado tradicionales. La tela trenzada 2D se puede superponer según el espesor requerido y consolidarse para un material compuesto rígido. Sin embargo, supone una resistencia al impacto pobre debido a la rigidez y baja resistencia a la de laminación consecuencia de la falta de fibras aglutinantes (fibras Z) en la dirección del grosor. Aunque la preforma trenzada cosida en capas 2D elimina la debilidad de laminación. El proceso tiene una placa de la pista, que se diseña según la sección transversal de la tela, como se muestra en la figura 2; los portadores tradicionales del trenzador se utilizan. Están entrelazados de acuerdo con una trayectoria de hilo predeterminada. Fibras triaxiales mediante Braiding 2D El tejido triaxial-trenzado tiene básicamente tres sistemas de hilados: trenzado (diagonal) y urdimbre (axial). Los hilos trenzados se entrelazan unos con otros alrededor de los hilos axiales con un ángulo de aproximadamente 45º, mientras que los hilos axiales están dispuestos en toda la estructura. Por lo tanto, el tejido trenzado triaxial se forma como se muestra en la Figura. El entrelazado es similar al de 3

Ilustración 7: Esquema de un tejido Tipo Braiding Triaxial.

“Mechanics of Fibrous Composites”; Carl T. Herakovich; 1998, Editorial: John Wiley & Sons Inc. Págs.: 24-26.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONAÚTICA la tela trenzada tradicional, lo cual significa que los hilos trenzados están por encima y por debajo y se repiten a lo largo de la anchura y longitud del tejido. Este tejido trenzado tiene generalmente una gran área abierta entre los hilos axiales, regiones entrelazadas. También se pueden producir tejidos densos. Sin embargo, no pueden ser trenzados en una estructura muy densa en comparación con los tejidos biaxial-trenzados tradicionales. La estructura fue evaluada y se llegó a la conclusión de que las propiedades direccionales axiales del tejido trenzado triaxial fueron mejoradas en comparación con el tejido biaxial.

Ilustración 8: Proceso de Deformado de una Preforma hecha a través de Braiding.

Características del Trenzado 2D:  Preformación en una sola etapa del proceso: Preforma esférica producible por trenzado de mechas directamente sobre un mandril conformado  Secuencia de proceso reproducible también para estructuras curvas  Estructura textil que evita el desplazamiento del hilo  Las geometrías cóncavas son factibles  Mechas alargadas de 0° en las superficies interior y exterior de estructuras curvadas DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN PARA EL BRAIDING 2D Para el proceso de trenzado de fibras de material compuesto, se utilizan máquinas de trenzar radiales que están equipados con bobinas desarrolladas específicamente adecuadas para fibras de alto rendimiento de materiales compuestos (carbono, vidrio, aramida, ...). Estas fibras se colocan en ángulos controlados y en varias capas sobre un mandril de trenzado que se guía automáticamente a través de la máquina de trenzado por medio de un robot. fibras adicionales se colocan en dirección longitudinal de la parte (fibras unidireccionales). La manguera resultante se encuentra con precisión a lo largo de los contornos del mandril de trenzado, formando una preforma que ya posee la forma de la pieza final.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONAÚTICA EQUIPO UTILIZADO Y PROCESO DE FABRICACIÓN El equipo trenzado consiste en una trenzadora y número de portadores de fibra (usualmente entre 72 y 144). El portador de fibra se mueve alrededor del trenzado y, al hacerlo, se entrelazan las fibras una debajo de otra. Generalmente una computadora es utilizada para controlar los movimientos y desplazamiento de la fibra.  Un mandril sale del centro de la máquina a una velocidad constante mientras carreteles móviles se entrecruzan para formar un trenzado que lo envuelve.  Para lograr el entrecruzamiento, los carreteles deben viajar en caminos cruzados a medida que recorren el perímetro de la máquina.  Pueden contener desde 3 carreteles hasta 800.  Se puede lograr espesores mayores pasando sucesivamente por encima de la preforma. 4

Ilustración 9: Máquina Representativa de Braiding 2D.

Ilustración 10: Proceso de Trenzado de Fibras.

Ilustración 11: Esquema General de una máquina de Braiding 3D.

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“Materiales compuestos realizados a partir de nuevas tecnologías textiles”; obtenido https://ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-01-unified-engineering-i-ii-iii-iv-fall-2005-spring2006/materials-structures/zm17_20.pdf

de:

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONAÚTICA BRAIDING 3D El 3D-braiding a diferencia del bidimensional, incorpora fibras en direcciones perpendiculares a la sección de trenzado, siendo especialmente adecuado para la fabricación de perfiles con secciones tipo C, T, I, etc. Método de trenzado de cuatro pasos. En el proceso de trenzado en cuatro etapas, hay un conjunto de hilos longitudinales dispuestos en las 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 máquina. Los portadores de trenzado se mueven simultáneamente en trayectorias predeterminadas entre sí dentro de la matriz para entrelazar los Ilustración 12: Trenzado 3D realizado a través del hilos de trenzado para formar la preforma Método de los 4 pasos. trenzada. Se ha desarrollado una preforma trenzada en 3D y un método para la realización de éste proceso. La preforma está estratificada y los hilos están entrelazados entre sí dependiendo de ésta última. De esta manera, el espesor del paso del hilo (a través del espesor) del tejido y se polariza de tal manera que la anchura del tejido está en un ángulo entre 10 y 70ºC. El proceso tiene una disposición rectangular de arreglos individuales de fila y columna en el lecho de la máquina. Cada fila individual tiene un portador de trenza para hacer cuatro movimientos cartesianos distintos. 5 También ya se desarrolló un tejido trenzado circular 3D; La tela tiene un sistema de sistemas del hilado. Se entrelazan entre sí para hacer una estructura circular completamente trenzada. El proceso tiene anillos concéntricos conectados a un eje común. Los soportes de trenzado están montados circunferencialmente en el diámetro interior del anillo. El anillo está dispuesto lado a lado de acuerdo con el grosor de la preforma. Los anillos giran de acuerdo con una trayectoria predeterminada en solamente un soporte de trenzado

Ilustración 14: Trenzado característico elaborado a partir del Braiding 3D.

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Ilustración 13: Elemento Estructural elaborado a partir del trenzado 3D

“Introduction to Composite Materials”; David Roylance; Department of Materials Science and Engineering Massachusetts Institute of Technology; March 24, 2000. (www.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONAÚTICA Ilustración 15: Celda Unitaria y trenzado 3D, creado a partir de un proceso Rotatorio.

Trenzado Rotatorio

Trenzado giratorio permite que el portador del trenzador se mueva de forma independiente y arbitraria sobre una placa base de manera que cada hilo trenzador se coloque y entrelazado en una preforma 3D. Se diseñó ya, un trenzador 3D compuesto por rotores en forma de estrella dispuestos en una matriz de múltiples filas y columnas. Cuatro soportes de hilo pueden rodear un rotor y moverse en cuatro direcciones diagonales, que están determinadas por la rotación de los rotores. La adición y sustracción de hilos de trenzado permiten la fabricación de diversas geometrías de tejido, Haz H, haz TT, etc. Características del Trenzado 3D:  Materiales textiles semielaborados perfilados sin fin  Diferentes geometrías de secciones transversales y superficies de conexión sobre la longitud del tejido  Alineación de fibras que se ajusta a la carga individual sobre la sección transversal del tejido  Ángulos individuales de inclinación. Comparación entre Trenzado 2D Y 3D  El diseño del componente estructural compuesto depende principalmente de las condiciones de carga en los usos finales. Las telas trenzadas en 3D están diseñadas para fabricar componentes estructurales compuestos para diversas aplicaciones donde el diseño estructural depende de las condiciones de carga.  Sus parámetros básicos son las propiedades del hilo y la matriz, la fracción volumétrica, los tipos de preformas, la orientación del hilo en la preforma y la geometría de la preforma. Estos parámetros, junto con los requisitos de uso final, determinan las técnicas de fabricación de la preforma.6  Estos parámetros, junto con los requisitos de uso final, determinan las técnicas de fabricación de las preformas. Esto requiere técnicas sofisticadas de cálculo integradas con la preforma controlada por CAD / computer-assisted manufacturing (CAM) y una máquina de fabricación compuesta.  Se desarrollaron muchas técnicas de cálculo con ayuda de métodos numéricos soportados por computadora para predecir las propiedades de rigidez y resistencia Y comprender el complejo mecanismo de falla de los compuestos estructurales textiles.

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“Three-dimensional braiding for composites: A review”; Kadir Bilisik; obtenido de: https://www.researchgate.net/publication/258196335_Three-dimensional_braiding_for_composites_A_review

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN AERONAÚTICA  Se informó que las telas biaxiales y triaxiales en 2D tienen un buen equilibrio en las direcciones de los ejes. También tienen buen drapeado para hacer piezas complejas. El trenzado 2D es un proceso automatizado de preformas. Sin embargo, las preformas trenzadas biaxiales y triaxiales 2D tienen espesores y tamaños limitados y propiedades de fuera del plano bajas. En el trenzado 3D, la preforma trenzada en 3D tiene altas propiedades fuera del plano y muestra un alto drapeado para hacer piezas complejas durante moldura. También es posible fabricar una preforma de forma cercana a la red. El proceso es semiautomático. Sin embargo, es lento y tiene limitaciones en el tamaño Propiedades de los materiales Compuestos hechos a través del trenzado 2D y 3D Características de los Materiales Compuestos hechos mediante el Trenzado 2D Axial Se analizó el efecto del ángulo de trenzado sobre las propiedades mecánicas del compuesto trenzado biaxial 2D. El módulo de flexión y la resistencia a la flexión del material trenzado 2D disminuyeron con un aumento del ángulo de trenzado. Por otra parte, también se demostró que la propiedad de curvado estático más alta de los compuestos trenzados se alcanzaba con el ángulo de trenzado más pequeño. Características de los Materiales Compuestos hechos mediante el Trenzado 2D Triaxial Se demostró que la resistencia a la compresión axial era sensible a la ondulación en la trayectoria del hilo. La compresión y la resistencia a la tracción en la dirección de la trenzada (de polarización) del material compuesto de tela trenzada triaxial 2D eran significativamente más bajas que en la dirección de la urdimbre. Otro estudio se realizó sobre las propiedades de compresión uniaxial y biaxial del material trenzado triaxial 2D. Se informó que la teoría de la placa laminada proporcionó buenas predicciones de estiramiento para el ángulo de trenzado bajo, mientras que un modelo de inclinación de la fibra funcionó bien para la preforma con varios ángulos de trenzado. Se estudiaron las resistencias a la ruptura de los materiales compuestos de fibras cilíndricas trenzadas biaxiales y triaxiales trenzadas en 2D. Características de los Materiales Compuestos hechos mediante el Trenzado 3D Para los materiales compuestos hechos mediante el trenzado 3d, el ángulo de rejilla tiene una influencia significativa sobre el módulo de tracción y la resistencia. El ángulo transversal tiene una influencia obvia sobre la relación de Poisson y los hilos axiales pueden mejorar las propiedades de tracción de los compuestos trenzados tridimensionales. Se encontró que las capacidades de absorción de energía y los modos de fallo de trituración de un tubo cuadrado trenzado en 3D eran significativamente dependientes de los parámetros de trenzado. La capacidad de absorción de energía específica aumentó con una longitud de paso de trenzado decreciente. El mayor número de capas de trenzado condujo a una mayor capacidad de absorción de energía.7

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“Three-dimensional braiding for composites: A review”; Kadir Bilisik; obtenido de: https://www.researchgate.net/publication/258196335_Three-dimensional_braiding_for_composites_A_review

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CONCLUSIONES La fabricación de preformas mediante las tecnologías textiles de Braiding 2D Y 3D, permite sustituir el tradicional trabajo manual en los procesos de elaboración de laminados, por procesos altamente automatizados, obteniéndose el correspondiente ahorro en tiempos de fabricación y costes. Además, la posibilidad existente en muchos casos de introducir fibras de refuerzo fuera del plano permite aumentar de forma drástica propiedades como la tolerancia al daño, reduciéndose los costes de mantenimiento y control de calidad. En este estudio se revisaron los tejidos trenzados en 3D, los métodos y las técnicas. Los tejidos trenzados biaxiales y triaxiales trenzados 2D se han utilizado ampliamente como piezas estructurales simples y complejas en diversas áreas técnicas. Además, los métodos y técnicas de trenzado biaxial y triaxial están bien desarrollados. Sin embargo, el tejido trenzado 2D tiene limitaciones de tamaño y grosor. Las telas trenzadas en 3D tienen múltiples capas y no se delaminan debido a entrelazamiento fuera del plano entrelazado.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS “Mechanics of Fibrous Composites”; Carl T. Herakovich; 1998, Editorial: John Wiley & Sons Inc. Págs.: 24-26. “Materiales Compuestos (Tomo II)”; Antonio Miravete; Editorial: Reverté. Págs.: 1193-1197. “Handbook of Advances in Braided Composite Materials”; Jason Carey Editorial: Woodhead Publishing. Págs: 98-107. “Introduction to Composite Materials”; David Roylance; Department of Materials Science and Engineering Massachusetts Institute of Technology; March 24, 2000. (www.mit.edu/courses/materials-science-andengineering).

REFERENCIAS CIBERGRÁFICAS “Materiales compuestos realizados a partir de nuevas tecnologías textiles”; obtenido https://ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-01-unified-engineering-i-ii-iii-iv-fall-2005-spring2006/materials-structures/zm17_20.pdf

de:

“Three-dimensional braiding for composites: A review”; Kadir Bilisik; obtenido de: https://www.researchgate.net/publication/258196335_Three-dimensional_braiding_for_composites_A_review

“Characterization of Triaxial Braided Composite Material Properties for Impact Simulation”; obtenido de: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20090034480.pdf