La utilización de los materiales compuestos se ha incrementado a un ritmo considerable (entorno al 6% anual) en diversos campos de la ciencia y de la tecnología debido a sus elevadas rigidez y resistencia específica, bajo peso, buena resistencia al desgaste y a la corrosión, estabilidad dimensional, excelente relación resistencia a fatiga/peso y propiedades direccionales (Wang y Zhang, 1995-a y 1995-b; Krishan, 1998; Miravete et
al., 2000; Kalpakjian y Schmid, 2002; Davim et al., 2004; El-Sonbaty et al., 2004),
ofreciendo claras ventajas frente a los materiales convencionales como componentes resistentes o estructurales en un gran número de aplicaciones en los sectores de aeronáutica, automoción, construcción de máquinas y biomecánica, donde están compitiendo de manera muy satisfactoria o incluso han llegado a utilizarse en exclusiva. A pesar de todo, en comparación con los metales y los materiales compuestos de matriz metálica, la cuota de mercado, en términos globales, es todavía pequeña, del orden de 30:1 en Europa.
La Figura 2.4 muestra en esquema el grado de utilización de los materiales compuestos de matriz polimérica en distintas aplicaciones prácticas.
Figura 2.4. Porcentajes de aplicación de los materiales compuestos de matriz polimérica en diferentes sectores productivos
La mayor funcionalidad y la menor necesidad de mantenimiento son también dos razones
0 10 20 30 40 Automoción Aeronáutica Construcción Biomecánica Otros
dar respuesta a diferentes requerimientos de diseño. En el caso de materiales compuestos laminados, cada lámina presenta mayor rigidez y resistencia en la dirección de orientación de las fibras, de modo que disponiendo cada capa de fibras según ángulos diferentes, se pueden conseguir materiales adecuados para trabajar ante estados de carga multiaxiales. La adición de fibras cortas a la matriz polimérica modifica de manera significativa sus propiedades mecánicas, aumentando la rigidez, la resistencia y la dureza, proporcionando adicionalmente un considerable incremento en la máxima temperatura de operación. Por otra parte, la presencia de microfibras de refuerzo permite asemejar el comportamiento de estos materiales al de los de una sola fase u homogéneos.
Las fibras de vidrio son las fibras de refuerzo utilizadas de forma mayoritaria en los termoplásticos porque reducen la tasa de expansión, incrementan el módulo de elasticidad, tienen características buenas como su alta rigidez, durabilidad y resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, y por su bajo precio.
Los materiales compuestos de matriz polimérica se utilizan ampliamente en diversas estructuras, como aeronaves, automóviles, robots y máquinas. También se utilizan cada vez más como material base de conducciones y contenedores de fluidos, en objetos deportivos, etc. En todas estas aplicaciones se requieren una alta calidad superficial, incluyendo la exactitud y la integridad superficial (Wang y Zhang, 2003), para lo que es preciso utilizar las herramientas y los parámetros de corte apropiados.
En comparación con los materiales monolíticos, los materiales compuestos de matriz polimérica tienen una elevada resistencia específica y rigidez, combinada con un peso muy reducido. La naturaleza anisótropa de estos materiales puede ser una desventaja para ciertas aplicaciones (Kaw, 1997); ahora bien, se trata de conformar los materiales orientando las fibras de refuerzo en el plano en el que son más efectivas.
Las poliamidas se caracterizan por una elevada resistencia mecánica, tenacidad, elasticidad, resistencia a la abrasión, a la fatiga y al ataque químico (Govindan et al., 2000;
Palabiyik y Bahadur, 2002; Pedroso et al., 2002; Chen et al., 2003; Chavaría y Paul, 2004; Jordan et al., 2005). Junto a estas características exhiben también muy buena
capacidad de amortiguamiento mecánico y buen comportamiento como aislante eléctrico (Botelho et al., 2003). Conservan sus propiedades mecánicas hasta los 150ºC. Se utilizan
fundamentalmente (Miravete et al., 2000). Entre estos componentes citamos: cojinetes, rodillos, ruedas, zapatas de desgaste, engranajes, inyectores, etc. La incorporación de fibras de refuerzo mejora las características mecánicas y la estabilidad dimensional de las poliamidas (Franke et al., 2007; Bernasconi et al., 2007), permitiendo trabajar a temperaturas mayores.
La poli (éter-éter-cetona) (PEEK) pertenece a un grupo de materiales termoplásticos de altas prestaciones que aglutina un conjunto de propiedades excelente: elevadas propiedades mecánicas, resistencia al desgaste y a la abrasión, resistencia a los agentes químicos y puede trabajar a temperaturas elevadas. Debido a estas propiedades, este material polimérico se aplica con excepcionales prestaciones en la ingeniería. En la bibliografía se encuentran amplias referencias sobre este material (Voss y Friedrich, 1987; Ozden et al.,
1999; Davim y Marques, 2001; Abu Bakar et al., 2003; Zhang et al., 2004; Rae et al., 2007; Goyal et al., 2007), al que se le ha prestado mucha atención en los últimos años, en
especial a su síntesis y al estudio de sus propiedades.
La estructura de este termoplástico posee gran solubilidad, alto peso molecular y se caracteriza por sus excelentes propiedades. El PEEK tiene un punto de fusión de 335 ºC, una temperatura de transición vítrea de 143 ºC y se puede utilizar de forma continua por encima de los 250 ºC sin merma permanente de sus propiedades mecánicas.
La adición de fibras cortas a este termoplástico permite conseguir grandes mejoras en propiedades como la resistencia, la rigidez o la dureza, a la vez que posibilita trabajar en buenas condiciones a temperaturas más elevadas, en relación con el material no reforzado. Las fibras de carbono y las de vidrio son los refuerzos más comunes debido a su bajo ratio de expansión y su alto módulo elástico.
El PEEK reforzado con fibras de vidrio (PEEK GF30) y el PEEK reforzado con fibras de carbono (PEEK CF30) son los mejores materiales para aplicaciones que requieren alta resistencia y rigidez, especialmente a temperaturas por encima de los 150 ºC (Harsha y
Tewari, 2003; Sinmazcelik y Yilmaz, 2007; Burris y Sawyer, 2007). Se aplican en
diferentes campos, como el aeronáutico y la biomecánica, pero también en la industria aeroespacial sustituyendo al aluminio, gracias a su mejor comportamiento a altas temperaturas.
(Cogswell, 1992; Kukureka et al., 1999; Miravete et al., 2000; Mallick, 2001; Kalpakjian y
Schmid, 2002; Kurokawa et al., 2003; Park et al., 2006; Lee et al., 2006; Kim et al., 2006; Verrey et al., 2006):
- Aeronáutica civil y militar (Fuselajes, estructuras, carenados, hélices, etc.) - Industria del espacio (lanzaderas, transbordadores, naves, satélites)
- Automóvil (carrocería, paneles interiores, elementos de mando, cabinas de vehículos industriales, carrozados frigoríficos, etc.)
- Ferrocarril (testeros, cuadros de mando, etc.) - Otros sistemas de transporte
- Fabricación de maquinaria (cojinetes, engranajes, poleas, anillos, juntas, sellos, válvulas, sistemas de desplazamiento lineal, arandelas de seguridad, etc.)
- Robótica - Biomecánica
- Industria naval (estructuras y cascos de buques, veleros, etc.)
- Industria militar (vehículos blindados, cascos, tubos lanza misiles, etc.)
- Energía (turbomaquinaria, turbinas de túneles de viento, aerogeneradores, torres de transporte, etc.)
- Construcción e ingeniería civil (puentes, fachadas de edificios, piscinas, etc.) - Industria del petróleo (estructuras diversas, accesorios y tuberías en plataformas
petrolíferas)
- Industria química (tuberías, silos de almacenamiento, etc.) - Electrónica (núcleos de alternador, circuitos impresos, etc.) - Maquinaria agrícola
- Comunicaciones
- Construcción de electrodomésticos
El Kadi (2006) realizó una modelización del comportamiento dinámico de los materiales
plásticos reforzados con fibras, incluyendo la resistencia a la fatiga y las propiedades tribológicas, recurriendo a redes neuronales.
Como consecuencia de las propiedades y aplicaciones potenciales enumeradas, existe una gran necesidad de conocer los procesos de fabricación, en particular los procesos de mecanizado de estos materiales compuestos.
2.2. Mecanizado
Los materiales mecanizados más comúnmente en esta categoría son los plásticos reforzados con fibras de vidrio (GFRP´s) y los plásticos reforzados con fibras de carbono (CFRP´s), y el mayor número de trabajos de investigación se centran en ellos.
La utilización de los materiales compuestos de matriz polimérica requiere el desarrollo de adecuados procesos de fabricación para obtener componentes mecánicos con características dimensionales rigurosas. El mecanizado es un proceso de fabricación en el cual se utiliza una herramienta de corte para eliminar el exceso de material hasta conseguir la forma y las dimensiones deseadas. En los últimos años, ha crecido el interés por el mecanizado de los materiales compuestos mediante técnicas convencionales y los esfuerzos han ido encaminados a predecir las fuerzas de corte observando los modos de fractura que causan la separación de la viruta (Caprino y Tagliaferri, 1995; Caprino et al.,
1998; Mathew et al., 1999-a y 1999-b).
El torneado es una de las operaciones de mecanizado más utilizadas en la industria para producir una gran variedad de componentes de acuerdo con estrictas especificaciones de diseño. Las superficies de los acoplamientos mecánicos para diversas aplicaciones tribológicas se consiguen en la actualidad mediante operaciones de torneado (Petropoulos
y Pandazaras, 2003).
El proceso de mecanizado de los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras presenta diferencias significativas con el de los metales y las aleaciones (Bhatnagar et al., 1995), y el cuerpo de conocimientos teórico y experimental de los metales no es aplicable directamente. Esto es así porque los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras son anisótropos, heterogéneos y se preparan generalmente en forma laminada o extruida antes de mecanizarlos.
Los materiales compuestos contienen dos fases, con propiedades mecánicas y térmicas muy diferenciadas, que se traducen en complejas interacciones entre la matriz y el refuerzo durante el proceso de arranque de material, de forma que condicionan la maquinabilidad de estos materiales, en relación con los materiales constituidos por una sola fase, como los metales (Voss y Friedrich, 1987; Krishnamurthy, 1992; Rahman et al., 1999-a y 1999-b). El comportamiento del material compuesto durante el mecanizado depende de las diversas propiedades de la fibra y de la matriz, de la orientación de la fibra y del volumen relativo
alternativamente matriz y fibras, con una respuesta a la acción de mecanizado muy diferente, lo que origina una marcha o evolución característica del mecanizado en estos materiales. El proceso de formación de la viruta puede estar basado en la fractura o en la cizalla, o en una combinación de las dos, dependiendo de la orientación de la fibra y de la geometría de la herramienta. El carácter abrasivo de las fibras puede originar un desgaste prematuro de la herramienta, por ello se recomienda siempre que sea posible utilizar herramientas de diamante policristalino (PCD) (Komanduri, 1993).
Como el material de la matriz tiene una baja conductividad térmica comparada con los metales y con otros materiales inorgánicos, se puede producir el calentamiento de la pieza durante el mecanizado. Ahora bien, es preciso tener también en cuenta que la presencia de fluido de corte puede provocar absorción en la matriz, lo que origina variación en las propiedades y, de manera especial, inestabilidad dimensional. Por ello, es aconsejable no utilizar ningún fluido de corte, circunstancia que puede limitar el mecanizado de estos materiales con parámetros de corte más exigentes.
El mecanizado de piezas pequeñas de geometría cilíndrica es importante en los procesos de prototipado y en la fabricación de micromecanismos y pequeños componentes de máquinas, robots, etc. Lu y Yoneyama (1999) describen un sistema de micro-torneado y destacan la necesidad de miniaturización de las herramientas de corte para desarrollar correctamente el proceso. Picard et al. (2003) proponen un nuevo sistema de fabricación de herramientas de corte de pequeño tamaño mediante la tecnología “sputtering”. Consiguieron fabricar herramientas de carburo de tungsteno, acero rápido y cristales de diamante con diferentes geometrías y formas, que ensayaron con buenos resultados en procesos de micro-mecanizado cilíndrico.
Los materiales compuestos de matriz polimérica exhiben una amplia variedad de modos de fallo, incluyendo fractura de la fibra, flujo plástico de la matriz, delaminación, etc. (Spencer, 1972). Además, algunas investigaciones han puesto de manifiesto que la textura superficial y los defectos de fabricación actúan en detrimento de las cargas de servicio, tanto estáticas como dinámicas (Arola y Ramulu, 1997). Por tanto, se deben considerar tanto la calidad superficial como los defectos de fabricación en el diseño de componentes de composites de matriz polimérica.