Use of rapid prototype for desing and cosntruction of composites materials bioreference’s parts used in photovoltaic applications

MSc. Juan Santiago Villegas López^a

MBA. Esteban Tous^b

^aGerente General FUTECH GROUP SAS, Sabaneta, Colombia, svillegas@futechsa.com

^bDirector MACO, ANDERCOL SAS, Medellin, Colombia esteban.tr@andercol.com.co

Uso de prototipado rápido para el diseño y construcción de piezas en materiales compuestos bioreferentes para aplicaciones solares fotovoltaicas
Historia del artículo: Recibido 30 de Mayo 2019 En la versión revisada 15 de Junio 2019 Aceptado 5 de Julio 2019 Accesible online 15 de octubre 2019	Se presenta una metodología para la generación de modelos y posteriormente moldes en poliéster reforzado con fibra de vidrio a partir de geometrías modeladas en software gráficos de diseño e impresiones en modelos a escala real en impresoras 3D. La aplicación concreta de este ejercicio es la construcción de una estructura para soportar paneles fotovoltaicos para soluciones de energía solar. Esta metodología permite optimizar tiempos de fabricación con geometrías complejas. Este proceso es innovador en la industria local de América Latina debido a la optimización topológica de los modelos obedeciendo a una refinación morfológica basada en estructuras naturales, de ahí el diseño tipo palma botella, emblemática de la región andina.
Palabras clave: Prototipado rápido Impresión 3D Modelos Moldes Materiales bioreferenciados
Use of rapid prototype for desing and cosntruction of composites materials bioreference’s parts used in photovoltaic applications
Keywords: Rapid prototype 3D impression Models Molds Bioreference materials	It is showed a methodology to create models and molds on fiberglass reinforced polyester resin using geometries drawers in graphics design software and impressions in real-scale models using 3D printers. The real application of this exercise is the construction of a structure for photovoltaic panels for solar energy solutions. This methodology allows to optimize manufacturing times with complex geometries. This is innovative in the local industry in Latin America due to the topological optimization obeying a morphological refinement based on natural structures, as well as the palm-bottle design, that is an emblematic tree of the Andean region.

1 Introducción

En las estaciones fotovoltáicas se encuentra una parte fundamental relacionada con el tipo de soporte y la estructura que sostiene este tipo de sistemas. Actualmente se encuentran algunas limitaciones con respecto a los materiales comúnmente empleados y a las propiedades mecánicas de dichos soportes. Comercialmente la mayoría de estructuras de soporte están fabricadas en materiales metálicos, generalmente aluminio por su peso ligero, economía y resistencia; sin embargo, estos materiales metálicos tienden a tener procesos especiales de maquinado, baja resistencia a la corrosión y limitaciones de diseño. Se ha propuesto en la última década la implementación de los materiales compuestos, especialmente resina de poliéster reforzada con fibra de vidrio, en la construcción de soportes. Este tipo de material compuesto puede presentar mejores condiciones de producción y posibilidades estéticas casi infinitas, acompañado de larga duración en el tiempo y alta estabilidad química; se propone de esta manera aprovechar la relación entre la baja densidad y su alta resistencia mecánica en este tipo de construcciones, y así obtener estructuras de soporte con diferentes geometrías, baja densidad, alta resistencia, estabilidad química y sobretodo una alternativa de diseño más amplia que genere alto valor agregado para la implementación común de estas estructuras (1).

1.1 Justificación

En la actualidad la barrera principal de desarrollo para las geometrias complejas en materiales compuestos es el tiempo invertido en la fabricacion de modelos y moldes cuando estos parten de procesos manuales o artesanales.

La propuesta de esta nueva metodologia es la inversion tecnologica en tiempo y desarrollo por medio de la modelacion tridimensional en software graficos, para su posterior impresión en 3D del modelo de las piezas. Los limitantes en tamaño se compensan por medio de la discretización o partición de geometrias en elementos mas pequeños (2).

Esta integración tecnológica disminuye los tiempos de desarrollo y fabricación de modelos y moldes para la industria de los materiales compuestos. Como aplicación real se documenta el proceso de diseño y fabricación de una estructura para soluciones fotovoltaicas en poliéster reforzado con fibra de vidrio obedeciendo a un diseño inspirado (bioreferenciado) en la naturaleza en la palma botella originaria de la region andina.

2 Metodologia de fabricación

2.1 Diseño e impresión 3D

El primer paso consiste en la modelación gráfica de la figura a realizar con sus correspondientes consideraciones geométricas y de modelación (superficies completas y cerradas).

De acuerdo al diseño del laminado del molde se estructura el espesor y material de la pieza a imprimir, para este caso se considera una laminación combinada entre tejidos tipo MAT (Manta de fibra de vidrio con gramaje de 450gr/m2) y tejido tipo woven Roving (tejido de hilos de fibra de vidrio con gramaje de 800gr/m2). Dicha estructura de laminación genera una alta exotermia en su proceso de curado y con base en ese modelo y perfil de temperatura, se define el espesor de la pieza que será impresa en ácido poliláctico (PLA) como se ve en la figura 1.

Figura 1. Impresión 3D en material PLA.

En el modelo se denotan uniones debido a que la pieza es una combinación de varios elementos. El procedimiento continua con la corrección de estos detalles y el pulimiento de los mismos.

2.2 Preparación de la pieza modelo

Se limpia toda la superficie del modelo con un paño seco para posteriormente aplicar cera desmoldante, y a través de un proceso de pulimento se le da brillo al modelo para garantizar que el molde que copiará la forma del modelo no quede adherido a éste. El proceso se muestra en la figura 2.

Figura 2. Aplicación de cera

Se procede a corregir imperfecciones del modelo con plastilina para que el molde obtenga buen acabado superficial y posteriormente agregar alcohol polivinílico al 4% en 100 ml de agua en la superficie como agente desmoldante, dejar secar durante 10 a 15 min, como se ve en la figura 3.

Figura 3. Correcciones finales

2.3 Elaboración del molde

Se aplica la primera capa de gel coat, se esperan 15 min aproximadamente para su secado y luego se aplica otra capa de gel coat para garantizar el acabado superficial del molde, como se ve en la figura 4.

Figura 4. Aplicación de gel coat

Posteriormente se van agregando las capas del laminado empezando por un MAT (manta de fibra de vidrio con gramaje de 450gr/m2), luego se debe dar una espera aproximadamente de hora y media para seguir adicionando las demás capas para dar un pulido superficial con lija #60. Como se ve en la figura 5.

Figura 5. Laminación

Este procedimiento se repite para completar 4 moldes partiendo del mismo modelo.

Por último, se unen las piezas con una masilla, según la forma determinada por el plano de fabricación, como se ve en la figura 7.

Figura 7. Unión de las piezas fabricadas para crear y consolidar el molde

2.4 Elaboración de las piezas finales

Una vez perfeccionado el acabado superficial utilizando lijas para pulir, el molde puede se prepara con cera desmoldante para la fabricación de las piezas. Se aplica Gel coat de forma homogénea para garantizar un acabado liso en la pieza que se va a moldear. Como se ve en la figura 8 y 9

Figura 8. Laminación de la pieza

Figura 9. Pieza final

3 Integración de las piezas en el proyecto final

Se repite esta misma meodología en todos los elementos constitutivos del proyecto para generar en tiempo record el desarrollo completo de la estructura, como se evidencia en las siguientes figuras

Figura 10. Palma botella inspiración natural de diseño

Figura 11. Modelación tridimensionales de diseño

Figura 12. Estructura fotovoltaica final

Figura 13. Estructura fotovoltaica final

4 Conclusiones

La integración tecnologica con software gráficos de modelación y la impresion 3D, permite optimizar los tiempos de fabricación de moldes y modelos para la industria de los materiales compuestos, lo cual a su vez abre más oportunidades para explorar retos geometricos de alta complejidad.

En este mismo sentido contado con herramientas de prototipado se pueden aprovechar de manera más integral las ventajas de los materiales compuestos que en este caso son: vesatilidad en formas y tamaños, alta estabilidad al ambiente así como prolongada vida útil.

5 Agradecimientos

A Futech Group, su dirección y equipo de ingenieria por el compromiso y acompañamiento en la elaboración del proyecto, de igual forma al CIDEMAT de la Universidad de Antioquia por su apoyo y asesoría en las modelaciones y en general, a todo el personal de proveedores y aliados que se vincularon directa e indirectamente con el proceso.

6 Referencias

[() ] Herbert T. Hayden Jefferson G. Shingleton Structure for supporting a photovoltaic module in a solar energy collection system. USPTO US6563040B2

[2] Black, Sara, Composite World Journal, (2015). A growing trend: 3D

printing of aerospace tooling.

https://www.compositesworld.com/articles/a-growing-trend-3d-printing-of-aerospace-tooling