Latest revision as of 09:06, 5 May 2022

El sector del transporte ha ejercido y sigue siendo el motor del desarrollo de nuevos materiales y soluciones ligeras. El presente estudio se centra en el trabajo desarrollado en un proyecto europeo (CARBODIN https://carbodin.eu/) donde uno de los principales objetivos es desarrollar soluciones innovadoras y asequibles para carrocerías del sector ferroviario. Por lo tanto, contribuirá al desarrollo de la próxima generación de trenes de pasajeros que serán más ligeros y más eficientes en términos de energía y costes. Los materiales compuestos parecen ser uno de los candidatos más prometedores para alcanzar estos ambiciosos objetivos. Por ello, las nuevas estrategias para conseguir una mayor automatización se presentan como rutas de fabricación novedosas y ofrecen una solución industrial rentable.

Este estudio ha permitido la integración de tecnologías no convencionales, como AFP, dentro de los sistemas de producción convencionales, como VIP. Esta combianción es la clave para desarrollar unidades sostenibles, superando las dificultades comunes asociadas con el procesamiento y logrando la modularidad del proceso de fabricación y la reducción del peso de la estructura primaria del tren. Por ello, se ha obtenido una comparación de la fabricación tanto de composites monolíticos como de estructuras sándwich mediante el proceso VIP, fabricados de forma automatizada y manual.

Se han estudiado varios enfoques automatizados, con la elección del apilado robotizado de fibras secas. Se asistió a una fabricación fuera de autoclave a través de diferentes tecnologías de monitoreo como sensores de llegada de resina y termografía para garantizar componentes de alta calidad.

PALABRAS CLAVE: composites, automatización, fuera de autoclave, VIP.

The transport sector has exerted and continue to be the driving force for the development of new materials and lightweight solutions. The present study focuses on the work developed in a European project (CARBODIN https://carbodin.eu/) where one of the main objectives is to develop innovative and affordable solutions for advanced car body shells. Thus, contributing to the development of the next generation of passenger trains that will be lighter as well as more energy- and cost-efficient. Composite materials appear to be one of the most promising candidates to attain these ambitious targets. Therefore, new strategies to achieve greater automation are presented as novel manufacturing routes and offer a cost-effective industrial solution.

This study has allowed the integration of unconventional technologies, such as AFP, within conventional production systems, such as VIP, which is the key to developing sustainable units, overcoming the common difficulties associated with processing and achieving the modularity of the manufacturing process and the reduction of the weight of the final rail structure. For this reason, a comparison of the manufacture of both monolithic composites and sandwich structures have been obtained through the VIP process, manufactured in an automated and manual way.

Several automated approaches have been studied, with the choice of the robotized lay up of bindered dry fibers. An out of autoclave manufacturing was assisted through different monitoring technologies such as resin arrival sensors and thermography in order to ensure high quality components.

KEYWORDS: composites, automation, out-of-autoclave, VIP.

1. Introducción

El incremento del uso de materiales compuestos en la industria del transporte conlleva, consecuentemente, un mayor interés en el estudio de sus procesos de fabricación. De este modo se persigue alcanzar unos resultados competitivos en comparación con las estructuras primarias convencionales (1-3). La tecnología de deposición automatizada de fibra seca para su posterior procesado mediante tecnologías de vía liquida (en ingés, liquid Composite Molding o LCM) han despertado un considerable interés. Así, en comparación con los métodos manuales de colocación, la tecnología automatizada exhibe ventajas obvias en cuanto a mayor eficiencia, mejor precisión, mayores tasas de deposición, mayor robustez, y pudiendo, incluso, ser adaptada a aquellas estructuras con gran curvatura (4-6). Por su parte LCM es un método de fabricación de bajo coste, que utiliza infusión de resinas y tecnología de curado en horno para fabricar materiales compuestos. El proceso LCM ha llamado mucho la atención debido a sus ventajas de menor costo de equipo, menor consumo de energía, facilidad para el moldeo integral y menor contaminación al medio ambiente (7). Sin embargo, el proceso de LCM basado en la disposición manual siempre presenta las desventajas de una baja eficiencia, poca reproducibilidad y dificultad en el control de calidad.

La tecnología LCM basada en la colocación automatizada de fibra seca (en inglés, Automated Fiber Placement o AFP) es una combinación de la tecnología AFP y proceso de infusión por vacío (en inglés, Vacuum Infusion Process o VIP), que permite obtener las preformas de fibra seca y luego la fabricación de estructuras compuestas mediante infusión de resina y curado en estufa. Se espera que la fabricación de preformas mediante AFP elimine cuellos de botella de fabricación al tiempo que permita disminuir el porcentaje de porosidad al manejar los métodos LCM de laminación a través de la compactación durante el proceso AFP, lo que hace que la fabricación de estructuras compuestas de alta calidad fuera de autoclave (en inglés, Out of Autoclave o OoA) tenga un rendimiento equivalente al del material compuesto en autoclave posible (8,9).

Las características de las preformas de AFP y su influencia en el VIP y las propiedades finales del compuesto aún se encuentran en proceso de estudio. Por lo tanto, es de gran importancia realizar investigaciones sobre el proceso LCM basado en preformas AFP para resolver estos problemas.

El presente estudio se centra en el trabajo desarrollado en un proyecto europeo recientemente finalizado (CARBODIN https://carbodin.eu/) donde uno de los principales objetivos era desarrollar soluciones innovadoras y asequibles para carrocerías ligeras del sector ferroviario. Por ello, la investigación de las características de la preforma AFP y la optimización del VIP son claves para mejorar el nivel de capacidad de fabricación de materiales compuestos avanzados de bajo coste y promover una mayor aplicación de la tecnología LCM en estructuras primarias.

2. Definición del caso de estudio

Con el fin de explorar completamente los diferentes enfoques de fabricación, dadas las dimensiones, las restricciones geométricas y el peso, entre otros factores, se ha elegido la pared lateral de la carrocería de un vagón de tren para este estudio. Cabe mencionar que esta estructura está fabricada actualmente con materiales metálicos tradicionales, por ello se ha realizado un estudio previo de las posibles soluciones para pasar de una estructura metálica completa a una a base de polímeros.

El presente trabajo estudia la ventana del proceso de fabricación mediante VIP de estas preformas fabricadas, y se realiza una comparativa con distintos materiales procesados por AFP que presentan distintas características. Además del posterior estudio del proceso con tejido de fibra de carbono, para comparar los resultados con fabricación manual.

3. Metodología

3.1. Selección de materiales

En la actualidad sólo hay unos pocos grados comerciales de fibra seca disponibles para la tecnología AFP. Además, éstos y en concreto el binder necesario para su procesado, desempeñan un papel fundamental en la permeabilidad de dicha preformas y, en consecuencia, para el proceso de infusión (tanto para la calidad como las tasas de producción alcanzadas) (10). Por otra parte, y dado que la tecnología de automatización AFP se ha desarrollado en el marco de la industria aeronáutica, la compatibilidad de dichos binders se ha desarrollado para matrices de naturaleza epoxi. Debido a ello se seleccionó un grado de TeXtreme por la posibilidad de adaptar la química a resinas de diferente naturaleza. Asi, se seleccionó la referencia 5138 de TeXtreme 5138 con fibra de carbono y binder de naturaleza termoestable. Dichas cintas de 25 mm de ancho y 160 gsm de gramaje fueron unas de las elegidas para la fabricación de las preformas por AFP. Por otra parte, y con motivos comparativos, se introdujo un material adicional, el grado Hitape de Hexcel, HexTow AS7 de ¼ pulgada, con un binder termoplástico. Por ser éste empleado en un considerable número de investigaciones actuales.

Esto conlleva a procesar mediante AFP con diferentes parámetros y diferentes fuentes de calor para su procesado debido al binder presente en las fibras secas seleccionadas. La fibra seca de TeXtreme es termoestable por lo que se utiliza una fuente IR y HiTape, es termoplástica, por lo que se requiere de una fuente laser, ya que necesita alcanzar temperaturas de procesado más elevadas para conseguir que el binder se activa para adquirir una buena adhesión.Por ello, se realizó una caracterización previa para conocer las propiedades frente a la temperatura.

Además, debido a la distribución aleatoria del binder en el tape (Figura 1), se dificulta la unión homogénea durante el procesado. Por ello, se realizó una caracterización previa el contenido de polímero presente en cada tape. En el caso de la fibra seca de HiTape presentaba un 6-7% de binder termoplástico y en caso de TeXtreme un 9%.

Figura 1. Detalles de los binder de ambos materiales seleccionados (imagen izquierda TeXtreme e imagen derecha HiTape).

Cabe mencionar que se consideraron aspectos de fabricación junto con el rendimiento mecánico, la calidad de la pieza y las restricciones de costes. Por ello, se seleccionó y se comparó dicha fabricación automatizada con la fabricación manual empleando un NCF de fibra de carbono de 606 gsm de Saertex.

Por su parte, en cuanto a la matriz se seleccionó para todos los casos una resina con altas propiedades ignifugas (en inglés, Fiber Smoke Toxicity o FST). Por ser ésta una de las mayores limitaciones del sector ferroviario. Así, se seleccionó una resina de acrilato de uretano Crestapol 1261 (Scott Bader).

3.2. Caracterización

Se han obtenido datos cualitativos y cuantitativos de los diferentes materiales seleccionados, de las preformas de composite realizadas y de su correspondiente proceso de fabricación. Así, se ha realizado una monitorización de procesos con diferentes tecnologías con el fin de obtener los indicadores clave de rendimiento (en inglés, Key Performance Indicator o KPIs) del proceso, y también para obtener una visión del grado de calidad de las piezas. Las mediciones han sido tomadas ópticamente por una cámara estándar en tres ubicaciones distintas durante el proceso VIP. Además, el contenido de fibra se estimó durante la fabricación, ponderando todos los componentes antes y después de VIP con una balanza de precisión PS 6000 C de RADWAG para obtener una idea de estos valores. Además, se realizó una caracterización térmica mediante la calorimetría diferencial de barrido (en inglés, Differential scanning calorimetry o DSC) para evaluar las propiedades iniciales de los materiales. Así, se conoció el comportamiento del binder en cada material y las temperaturas máximas del procesado. En el caso de Textreme 110 ºC y en el caso de la fibra seca de HiTape 150 ºC. También fue una técnica utilizada para medir propiedades finales obtenidas, como la temperatura de transición vítrea, la capacidad calorífica específica, el proceso de curado, y la estabilidad térmica. El equipo utilizado para los ensayos DSC en este caso fue el DSC Q20 V24.10 Build 122 de TA Instrument, bajo la norma UNE-EN ISO 11357. Además de un análisis termogravimétrico (en inglés, termogavimetric o TGA) para conocer las temperaturas de degradación de los materiales y conocer mediante una técnica más precisa el contenido de fibra del composite, con la medición de las temperaturas composición porcentual de los componentes del compuesto. El equipo utilizado para los ensayos TGA en este caso fue el TGA Q500 V20.13 Build 39 de TA Instruments, bajo la norma UNE-EN ISO 11358.

Se continua el estudio con el análisis microestructural de los materiales sin procesar y procesados, con el fin de determinar la distribución de las fibras, del binder después del proceso automatizado, y la presencia de porosidad para la evaluación de la calidad de las muestras fabricadas. El equipo utilizado para este análisis es un microscopio óptico OLIMPUS GX71.

Finalmente, se realizaron pruebas mecánicas de la preformas infusionadas con Hitape y Saertex. Se determinaron la resistencia a la tracción, la resistencia a la compresión y la deformación/esfuerzo cortante del material. El uso estándar para la prueba de resistencia a la tracción es la norma ASTM D3039 para evaluar la influencia de la dirección de entrada de la resina en las propiedades mecánicas se analizaron dos tipos de probetas.Luego, para determinar las propiedades de compresión y cortadura del material, se realizó una prueba de compresión utilizando la UNE-EN ISO 14126 y los ensayos de esfuerzo/deformación cortante según la norma UNE-EN ISO 14129.

3.3. Descripción de las preformas de composite

En este estudio, se fabricaron laminados compuestos mediante VIP basado en preformas APF de fibra seca de TeXtreme. En paralelo, a modo comparativo, se emplearon preformas fabricadas por Coriolis Composites (France) de fibra seca de Hexcel (Figura 2). En primer lugar, se preparó unas preformas de fibra seca con el material de TeXtreme de 16 capas con orientación [0/90] y 2,5 mm de espesor. Se usaron las configuraciones predeterminadas comúnmente utilizadas de los parámetros del proceso AFP, y se calibró y controló la temperatura en el nip point. De este modo los parámetros fundamentales fueron, 150 °C velocidad de deposición de 150 mm/s, además de una presión de 100-200N. En el caso de la fabricación de las preformas con el material HiTape, fue realizado en colaboración con Coriolis, debida a la situación avanzada del proyecto. Se procesaron en las condiciones adecuadas para obtener una preforma con mismo espesor y orientación.

Figura 2. Preformas AFP con fibra seca Hexcel (imagen izquierda) y fibra seca TeXtreme (imagen derecha)

Después de la preparación de las preformas de fibra seca, se realizó el proceso VIP para la fabricación del laminado compuesto final. Es un proceso a molde cerrado, con un contra molde flexible. La configuración VIP se presenta con la entrada de resina y la ventilación una frente a la otra con una configuración de línea. La resina que entra a presión atmosférica y a temperatura ambiente avanza por la preforma debido a la existencia de un diferencial de presión entre el lado de vacío y el tubo de entrada de resina. Una vez completada la infusión, se cierra la válvula del tanque de inyección y comienza el ciclo de curadoy postcurado en estufa (HOBERSAL 4500 CFXL). El ciclo completo consistió en un tiempo de permanencia de 3 horas a 50°C seguido de una retención de 2 horas a 80°C. Las rampas de calentamiento se realizaron a 2°C/min. El componente se enfría por convección natural a temperatura ambiente. Cuando la temperatura alcanza la temperatura establecida, el vacío se apaga y el componente se desmolda La Figura 3muestra los pasos a seguir en el proceso de fabricación de combinaciones a pequeña escala.

Figura 3. Pasos de la fabricación de VIP de las preformas de AFP.

3.4. Influencia de los parámetros de la ventana de procesado de infusión en la evolución del flujo

La clave para fabricar materiales compuestos de alto rendimiento radica en las condiciones en las que se fabrican. Para la optimización del proceso de fabricación logrando tiempos reducidos de fabricación y obteniendo una buena calidad de la pieza, se analiza la evolución del llenado de la preforma, los tiempos de proceso, y la permeabilidad de cada refuerzo frente a la resina. Estos son los parámetros clave para la medición de los parámetros de impregnación y así, lograr una mayor vida útil de las piezas, comprendiendo la ciencia que se relaciona con cómo fluirá la resina a través de la cavidad del molde.

Para acelerar la fabricación VIP, la adición de los medios de distribución puede reducir en gran medida el tiempo de llenado durante el proceso permitiendo que la resina fluya fácilmente a través de la parte superior de las capas de la preforma, y luego penetre a través del espesor (Figura 4).

Figura 4. Comportamiento del flujo de la resina en la dirección x y z (11).

El flujo en el plano (dirección x) a través del medio de distribución es mucho mayor que fuera de plano. Esto se debe a la menor permeabilidad fuera del plano de la preforma. El tercer mecanismo de flujo es el flujo transversal (dirección z) desde el medio de distribución hacia la fibra seca. Aunque este componente es incluso más pequeño que fuera de plano, el fluido sólo tiene una corta distancia para llegar al fondo del molde, ya que hemos empezado trabajando con un bajo espesor. Por lo tanto, la resina tiene poca dificultad para fluir hacia el fondo del molde, saturando así toda la preforma. Sin embargo, este flujo es el más dependiente de la permeabilidad del material. En nuestro caso, ha sido el mayor conflicto, por eso, se ha tenido problemas de impregnación debido a la obturación del flujo transversal. Resaltar que conociendo ya la baja permeabilidad que presenta la fibra seca, las preformas presentaban gaps para facilitar la impregnación en todas las direcciones. Además, el medio de distribución es necesario porque la fuente de resina debe mantenerse en o por debajo de la presión atmosférica para no inflar la bolsa. Por lo tanto, la presión para impulsar el fluido es relativamente baja, por lo que podría tomar una cantidad excesiva de tiempo para llenar una parte más grande si no se utiliza este enfoque de mejora de flujo de un medio de distribución. Por ello, se ha realizado un ajuste del parámetro de la presión en el proceso de infusión, para optimizar la velocidad de impregnación y aumentar la calidad de las piezas.

3.5. Permeabilidad de la preforma

Las preformas de fibra obtenidas por AFP tienen una permeabilidad muy baja y son difíciles de impregnar (12). Las permeabilidades en el caso de las fibras secas suelen ser hasta dos órdenes de magnitud inferiores a los tejidos (13). El parámetro de la permeabilidad no presenta un ensayo estandarizado para su medición, y actualmente se apoya la estimación de estos parámetros con sistemas de simulación del flujo (14-19). En el caso del proyecto Carbodin, se realizó una matriz de pruebas experimentales para estudiar este parámetro junto con otros que perjudican a la calidad de las propiedades finales de la pieza apoyado mediante un proceso de simulación.

Para determinar el avance de flujo de resina se utiliza la Ley de Darcy, que asocia la velocidad del flujo con el gradiente de presiones dentro del medio poroso (20). Todos los procesos LCM en los que la resina líquida fluye a través de la cavidad dependen de la viscosidad de la resina; la permeabilidad de la fibra; la presión (gradiente de presión) entre la cavidad del molde y la presión atmosférica; y distancia de flujo desde el punto de entrada de resina hasta el punto de flujo más lejano. La descripción matemática de Darcy del caudal se captura en esta ecuación:

Donde Q es el caudal (m³/s); k es la permeabilidad (m²); A área de la preforma, ϻ es la viscosidad (Pa s); ∇P es el gradiente de presión (Pa).

Para cada estrategia de inyección se calcula en base a la ley de Darcy la permeabilidad, obteniendo los valores de velocidad de impregnación del estudio de la evolución del flujo de la resina durante la infusión en los diferentes planos de la pieza.

Todo esto hace hincapié en el estudio de la ventana de proceso de infusión. Se han realizado varias pruebas ajustando el gradiente de presión del proceso de fabricación VIP, correlacionándolo con un control del flujo lateral y transversal para obtener velocidades optimas de infusión. Se evaluó, por tanto, el tiempo obtenido en el proceso de fabricación junto con su permeabilidad para correlacionar los resultados de impregnación, ya que son dos parámetros dependientes (18).

Realizando un análisis de las velocidades de flujo del proceso de fabricación junto con sus permeabilidades, las velocidades obtenidas son bastante bajas considerando que el flujo óptimo de infusión debe ir aproximadamente a una velocidad de 2 cm/min para obtener una calidad optima de impregnación reduciendo la porosidad de las preformas, que es una defectología común aparente en este proceso de fabricación (21). Por ello, se realizaron análisis microestructurales a lo largo de las preformas infusionadas. Por ejemplo, a través de microscopia electrónica de barrio (en inglés, Scanning Electron Microscopy o SEM) se observó la distribución de la resina entre las capas de las preformas, y además de ver peor impregnación en orientación paralela al flujo que en las capas perpendiculares a él, se observa que el parámetro de la velocidad del flujo provoca un mayor grado de porosidad según el flujo de resina se aleja a la zona de vacío. A mayor velocidad del flujo crea más microporosidad y según el flujo se ralentiza se forma mayor macroporosidad (Figura 5).

Figura 5. Análisis SEM de 3 puntos distintos de la preforma: entrada (malla distribución), medio y salida.

Resultados

Los resultados obtenidos de los parámetros estudiados nos han aportado una comparación de ambas fibras secas, en la que se representa la variabilidad de los parámetros del frente de flujo e indican la diferencia entre el valor reportado y el valor real (Figura 6). Se observa que la fibra seca de HiTape presenta un orden de magnitud superior al material TeXreme, con preformas procesadas en las mismas condiciones. Por ello, también se han obtenido valores de impregnación más altos, con una diferencia de casi el 10%. La relación fibra/resina de HiTape fue del 64,6%, y de TeXtreme de aproximadamente el 72%. Tambien se presenta menor porosidad (Figura 7). En las preformas de TeXtreme se obtuvieron preformas desde 2-5% de porosidad, y en cambio en el caso de HiTape con un contenido menor 1%.

Figura 6. Comparación de velocidad de infusión y valores de permeabilidad en los diferentes frentes de flujo de las dos fibras secas, TeXtreme y HiTape.

Figura 7. Microscopia de las preformas infusionadas (Textreme imagen izquierda, HiTape imagen derecha)

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, el control de la evolución del flujo durante el proceso de infusión nos permite correlacionar que los mejores resultados obtenidos fueron en el proceso de infusión que mayor homogeneidad del flujo presenta (Figura 8). Aunque no se obtuvieron velocidades de infusión tan altas como en TeXtreme, la uniformidad del flujo de la resina que se presenta en el caso de las preformas de HiTape, han dado lugar a mejores propiedades finales de la pieza. Por lo que, una alta velocidad de proceso no siempre significa una mejor alternativa. Se debe lograr una velocidad óptima para lograr unas buenas propiedades finales de la pieza. Por ello, la preforma de la fibra seca de HiTapefue seleccionado para el posterior desarrollo de un compuesto con estructura sándwich, que es la estructura principal de la pieza de carrocería a desarrollar (22).

Figura 8. Evolución de llenado frente al flujo con los dos materiales seleccionados con las mismas condiciones de procesado.

Completando el estudio de las propiedades finales de ambas preformas de composite con fibra seca se realiza una caracterización mediante DSC y TGA para determinar los cambios en las propiedades térmicas de la preforma HiTape y TeXtreme fabricadas. En el que se pudo corroborar que el material alcanzo un curado optimo con los contenidos de impregnación de resina alcanzados durante la fabricación. Fueron datos de interés debido a ser propiedades estrechamente ligadas con las propiedades mecánicas del material.

Completando con la comparativa de la fabricación manual, se realiza una comparación de la fibra seca con mejores resultados obtenidos, HiTape, con el tejido Saertex (Figura 9). Se estudiaron los parámetros de impregnación para ver si se lograban calidades finales similares.

Se presentaron valores de permeabilidad más altos en Saertex que en Hitape, así como la velocidad de flujo en todas las direcciones del plano, como era estimado. La impregnación obtenida fue una relación fibra/resina de 64,6% HiTape, y 59% Saertex. Por lo tanto, los resultados obtenidos con la fibra seca HiTape han sido óptimos y son valores de impregnación de resina en el refuerzo que aseguran una buena fabricabilidad, y por ello, mayor calidad en la pieza final.

Figura 9. Comparación de los valores monolíticos de velocidad de infusión y permeabilidad en los diferentes frentes de flujo de las fibras secas, HiTape, y tejido de fibra, Saertex.

3.6. Comportamiento mecánico de la preforma

La Figura 10 muestra la comparación de los promedios obtenidos en los ensayos de resistencia a tracción, compresión y cortante. La tracción es una propiedad mecánica dependiente del refuerzo y en el caso de las propiedades de compresión y cortadura dependen más de la matriz polimérica del composite. Por ello, los valores de tracción han sido más diferenciadores.

Aunque se esperaba que ambos monolíticos tuvieran valores de parámetros mecánicos más cercanos debido a la similitud del % fibra que presentaban, estos resultados podrían obtenerse por varias razones, como podría ser cualquier defecto producido durante la infusión y curado de la resina. En consecuencia, la presencia de porosidad afecta las propiedades finales del laminado cuando se aplica una carga de tracción, mientras que podría mitigarse cuando se produce una carga de compresión.

Figura 10. Comparativa de propiedades mecánicas de las probetas monolíticas Hitape y Saertex.

3.7. Influencia de parámetros de la ventana de procesado de infusión en estructura tipo sandwich

En la Figura 11¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se muestra una comparación de los parámetros de fabricación de un sándwich de fibra seca y sándwich de tejido NFC. Se obtuvieron resultados diferentes entre ambos materiales. La permeabilidad de HiTape es un orden de magnitud menor que la del tejido de, Saertex. Estos son resultados normales, debido a la diferencia de permeabilidad entre un tejido y la fibra seca. Por lo tanto, también se han obtenido valores de impregnación más altos, con una diferencia de casi el 10%. La relación fibra/resina de HiTape fue del 60,2%, y de Saertex de aproximadamente el 70%. Es cierto que no hubo gran diferencia en la velocidad de infusión, pero sí hubo mayor homogeneidad en la evolución del flujo en todos los frentes del sándwich con el tejido de fibra Saertexen comparación con el sándwich de fibra seca. Por lo tanto, se puede relacionar con los resultados obtenidos en microscopía de modo que en el sándwich Saertex se encuentra una porosidad menor al 1%. Por lo tanto, debido a la mayor permeabilidad obtenida, debido a la menor reducción de los tiempos de fabricación, y debido al costo, fue el material seleccionado para el posterior desarrollo de un compuesto multimaterial con una estructura sándwich.

Figura 11. Comparación de los valores de infusión de velocidad sándwich y permeabilidad en los diferentes frentes de flujo de las fibras secas, HiTape, y tejido de fibra, Saertex.

4. Conclusiones

En este artículo se desarrolló un proceso combinado de deposición automatizada de fibra seca seguida de infusión de resina asistida por vacío y curado en estufa, con el objetivo de mejorar la aplicación de estructuras compuestas OoA en el sector ferroviario.

Las materias primas deben satisfacer los requisitos tanto de AFP como del proceso de inyección de resina. Se analizaron los efectos de la preforma de fibra seca con los dos materiales seleccionados procesados con AFP en el siguiente proceso de infusión de resina comparándolos con el sistema de laminado manual, utilizando tejido de carbono biaxial y un sistema de uretano acrilato que presenta alto requerimiento ignífugos. Se ha demostrado que la preforma de fibra seca fabricada con AFP con el material de HiTape condujo a un material de mejores propiedades, lo que resultó en una mayor fracción de volumen de fibra hasta 64,6% y una baja porosidad que se logró optimizando la ventana de procesado VIP. A su vez, se realizó la comparación con el tejido de Saertex, en el que se obtuvieron valores muy similares a las preformas AFP. Sin embargo, uno de los objetivos de este proyecto fue la optimización en tiempos de fabricación, por ello, se debe tener en cuenta que la preforma procesada con AFP se obtuvieron largos tiempos de inyección debido a su baja permeabilidad, por ello, la elección del tejido como continuidad en el desarrollo multimaterial de Carbodin.

Se ha observado la gran importancia de controlar la calidad del composite mediante un control preciso del flujo de resina. Además, las propiedades mecánicas encontradas muestran un fuerte potencial para implementar esta tecnología. Por ello, los resultados obtenidos podrían proporcionar una base técnica para futuras investigaciones y aplicaciones de fibra seca AFP con un proceso de infusión de resina en estructuras del sector.

5. Agradecimientos

Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de subvención n.º 881814.

6. Bibliografía

1. Robinson, M., Matsika, E., & Peng, Q. (2017, August). Application of composites in rail vehicles. In ICCM Int. Conf. Compos. Mater (Vol. 2017, No. August, pp. 20-25).

2. Singh, D. (2018). Comparison of carbon steel and composite side wall of light rail vehicle by finite element analysis (Doctoral dissertation).

3. Mistry, P. J., Johnson, M. S., & Galappaththi, U. I. K. (2021). Selection and ranking of rail vehicle components for optimal lightweighting using composite materials. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 235(3), 390-402.

4. Frketic, J., Dickens, T., & Ramakrishnan, S. (2017). Automated manufacturing and processing of fiber-reinforced polymer (FRP) composites: An additive review of contemporary and modern techniques for advanced materials manufacturing. Additive Manufacturing, 14, 69-86.

5. Serrano J C, Wind Blade Manufacturing Innovations, Wind Turbine Blade Workshop (Sandia National Laboratories), 2012.

6. Grohmann Y, et al, Development of the direct roving placement technology (DRP), 17th European Conference on Composite Materials, 2016.

7. Muhammad Salman Sarfraz;Hyunsoo Hong;Seong Su Kim; (2021). Recent developments in the manufacturing technologies of composite components and their cost-effectiveness in the automotive industry: A review study. Composite Structures, (), –. doi:10.1016/j.compstruct.2021.113864

8. Khani, A., Abdalla, M. M., Gürdal, Z., Sinke, J., Buitenhuis, A., & Van Tooren, M. J. L. (2017). Design, manufacturing and testing of a fibre steered panel with a large cut-out. Composite Structures, 180, 821-830.

9. Belhaj, M., Deleglise, M., Comas-Cardona, S., Demouveau, H., Binetruy, C., Duval, C., & Figueiredo, P. (2013). Dry fiber automated placement of carbon fibrous preforms. Composites Part B: Engineering, 50, 107-111.

10. Veldenz, L., Di Francesco, M., Astwood, S., Dell’Anno, G., Kim, B. C., & Potter, K. (2016, June). Characteristics and processability of bindered dry fibre material for automated fibre placement. In 17th European Conference on Composite Materials.

11. Lawrence, J. M., Frey, P., Obaid, A. A., Yarlagadda, S., & Advani, S. G. (2007). Simulation and validation of resin flow during manufacturing of composite panels containing embedded impermeable inserts with the VARTM process. Polymer composites, 28(4), 442-450.

12. Arnold, M., et al.: Influence of textile parameters on the out-of-plane permeability of carbon fiber non-crimp fabrics. Adv Compos Lett. 25(5), 121–126 (2016).

13. May, D., Aktas, A., Advani, S. G., Berg, D. C., Endruweit, A., Fauster, E., ... & Ziegmann, G. (2019). In-plane permeability characterization of engineering textiles based on radial flow experiments: A benchmark exercise. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 121, 100-114.

14. Agogue, R., Chebil, N., Deleglise-Lagardere, M., Beauchene, P., & Park, C. H. (2018). Efficient permeability measurement and numerical simulation of the resin flow in low permeability preform fabricated by automated dry fiber placement. Applied Composite Materials, 25(5), 1169-1182.

15. Akif Yalcinkaya, M.; Murat Sozer, E. (2014). Effect of part thickness variation on the mold filling time in vacuum infusion process. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 33(23), 2136–2150. doi:10.1177/0731684414554938

16. Yang, B.; Jin, T.; Bi, F.; Li, J. (2014). Modeling the resin flow and numerical simulation of the filling stage for vacuum-assisted resin infusion process. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 33(21), 1976–1992. doi:10.1177/0731684414551039

17. Fei XIAO, Chongxin YUAN, Jingjie CONG. Computational Simulation of VARI Fluid Process Molding for Stiffened Panel Structural Composites[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2016, 36(4): 47-54. doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2016.4.007

18. Kozioł, M.; Rydarowski, H.; Myalski, J. Evaluation of vacuum resin infusion process on selected glass fibre preforms. Compos. Theory Pract. 2012, 12, 285–290

19. Mastbergen, D.B. (2004). Simulation and Testing of Resin Infusion Manufacturing Processes for Large Composites Partsl [Thesis].

20. Ben-Bassat,A. (2017). The Internet of Thing and Digital Thread for Composites Parts Manufacturing.2017 CAMX Proceedings.

21. Leclerc, J. S., & Ruiz, E. (2008). Porosity reduction using optimized flow velocity in Resin Transfer Molding. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39(12), 1859-1868.

22. Wennberg, D. (2010). A light weight car body for high speed trains: Literature study. KTH Royal Institute of Technology.