BOBINADO DE FILAMENTOS CON RESINA

El bobinado, devanado o enrollamiento de filamento es una técnica de fabricación para

la creación de estructuras de material compuesto. El proceso consiste en enrollar

filamentos y/o cintas tensados, impregnados con una resina termoestable, sobre un

molde macho cilíndrico o mandril. El mandril gira, mientras que un carro se mueve en

sentido horizontal, el cual establece las fibras en el patrón deseado. Los filamentos

más comunes son de carbono o de vidrio de fibra y son recubiertos con una resina

sintética mientras se enrollan. Una vez que el mandril está completamente cubierto

con el espesor deseado, se coloca en un horno para solidificar (curado) de la resina.

Una vez que la resina se haya curado, el mandril se retira (desmolde), dejando el

producto final hueco. 

El bobinado de filamento se adapta bien a la automatización, donde la tensión de los

filamentos puede ser cuidadosamente controlada. Los filamentos que se aplican con

alta tensión dan como resultado un producto final con una mayor rigidez y fuerza, baja

tensión resulta en una mayor flexibilidad. La orientación de los filamentos también

puede ser controlado cuidadosamente para que las capas se encimen y se orienten de

manera diferente de la capa anterior. El ángulo en el que se establece la fibra de las

capas inferiores determinan las propiedades del producto final. Un ángulo alto ofrecerá

resistencia a la compresión, mientras que un patrón de menor ángulo (conocido como

un sistema cerrado o helicoidal) proporcionará una mayor resistencia a la tracción.

Descripción del proceso  

Existen tres modelos básicos de bobinado:

Bobinado helicoidal: el movimiento de rotación del mandril se combina con el

movimiento de traslación longitudinal del cabezal de impregnación. La banda de

filamentos se aplica en una forma espiral alrededor del mandril con un ángulo Q. si la

banda se bobina con un ángulo de hélice que se aproxima a los 90º, y el avance de

bobinado es un ancho de banda por revolución, se denomina bobinado de Aro ya que

los filamentos forman aros casi circulares alrededor del mandril; es un caso especial

de bobinado helicoidal. Este método es el más frecuentemente utilizado.

Bobinado circunferencial: se trata de una variante del bobinado helicoidal pero con

un ángulo de enrollado de 90º. 

Bobinado polar o plano: tanto el movimiento de rotación como el de traslación

longitudinal es realizado por el mandril, permaneciendo fijo el cabezal de

impregnación. El filamento se enrolla alrededor del eje mayor del mandril, después de

cada revolución longitudinal, el mandril se corre (gira parcialmente) en un ancho de

banda de manera que se va creando gradualmente una forma hueca. Los patrones

polares y de aros se pueden se pueden combinar en bobinados sucesivos del mandril

para producir capas adyacentes con direcciones del filamento aproximadamente

perpendiculares; a esto se le llama bobinado biaxial.

El bobinado de filamento también se puede describir como la fabricación de piezas con

fracciones con un alto volumen de fibra y orientación de las fibras controlada. Las

fibras se sumergen en un baño de resina en el que se recubren con resina de bajo o

medio peso molecular. Estas fibras impregnadas luego son enrollados alrededor de un

mandril (molde) en un patrón controlado para formar la forma de la pieza. Las

velocidades de trabajo se encuentran entre los 90 - 100 m/min para fibras de vidrio y

entre los 15 - 30 m/min para fibras de carbono y aramida. Después de concluir, la

resina se cura, por lo general utilizando el calor. El núcleo de molde puede ser

removido o se puede dejar como un componente integral de la pieza. Este proceso se

utiliza principalmente para piezas huecas, generalmente los componentes de sección

circular u ovalada, como tuberías y tanques. Recipientes a presión, tuberías y ejes de

transmisión pueden ser fabricados por bobinado de filamento. Se ha combinado con

otros métodos de aplicación de fibra tales como moldeo manual, pultrusión, y el

trenzado. La compactación es principalmente a través de la medición de la tensión de

la fibra y el contenido de resina.

Hay varios métodos para impregnar las fibras con resina:

a) Bobinado Húmedo, en el cual el filamento pasa a través de la resina liquida

solamente antes del bobinado.

b) Bobinado Prepeg, también llamado bobinado en seco, en el cual los

filamentos pre impregnados con resina parcialmente curada se enrollan

alrededor de un mandril calentado.

c) Post-impregnación, en el cual los filamentos se enrollan en el mandril y luego

se impregnan con resina por medio de brocha o alguna otra técnica.

Maquinaria  

Las máquinas de bobinado de filamentos tienen capacidades de movimiento

similares a las de un torno de roscar. La máquina típica tiene un motor que acciona

el mandril y un mecanismo de alimentación de potencia que mueve la corredera. El

movimiento relativo entre el mandril y el carro se controlan para generar un patrón

dado de bobinado. En un bobinado helicoidal, la relación entre el ángulo de la

hélice y los parámetros de la maquina se pueden expresar como sigue:

tanθ=νcπDN

Donde θ= ángulo de la hélice en el bobinado sobre el mandril, como se muestra en

la figura; νc = velocidad a la cual corre el carro a la dirección axial, pulg/seg

(m/seg); D= diámetro del mandril, pulg (m); y N = velocidad rotacional, rev/seg

(l/seg).

Se disponen varios niveles de sofisticación en las máquinas de bobinado de

filamento. Los dos tipos predominantes son:

1. Control mecánico, que opera por medio de engranaje directo entre la

propulsión del mandril y del carro móvil, constituyendo el control mas simple y

menos costoso.

2. Control numérico computarizado (CNC), en el cual la rotación del mandril y

la velocidad de la corredera se controlan independientemente para permitir un

mejor ajuste y mayor flexibilidad de los movimientos relativos. El CNC es

especialmente útil en bobinados helicoidales de formas contorneadas. La

relación vc/DN, como se indica en la ecuación, debe permanecer fija para

mantener un angulo constante de hélice θ. Entonces, ya sea vc o N deben

ajustarse deben ajustarse en línea para compensar los cambios en D.

El mandril es una herramienta espacial que determinada la geometría de la parte

bobinada con filamento. Este debe ser capaz de plegarse después del bobinado y

del curado de la parte para poder retirarla. Son posibles varios diseños del mandril,

incluyendo mandriles inflables, mandriles metálicos plegables y mandriles hechos

de yeso o de sales solubles.

Una máquina de bobinado de filamento continuo (máquina CFW o máquina CW)

es, tal como indica su nombre, un equipo mediante el cual se realiza el bobinado

de filamento, en forma continua, sobre una banda de acero cilíndrica. El proceso

de bobinado de filamento continuo también se conoce como el Proceso de

Drostholm.

Equipo de bobinado de filamento

El equipo tiene un carro encargado de guiar los filamentos para su enrollado en un

cilindro que gira denominado mandril o husillo. El carro va montado sobre un riel

que permite su movimiento a lo largo del cilindro a fin de que el recubrimiento sea

uniforme a lo largo del mismo siguiendo un patrón geométrico constante, además

presenta un movimiento tangencial al cilindro para mantener una distancia

uniforme cuando la circunferencia aumenta su radio producto del crecimiento de

las capas de fibras. En algunos casos, también puede realizar movimientos

radiales, efectuados en los extremos redondeados de tubos.

Movimientos del carro

El carro hace el recubrimiento en varias pasadas de ida y vuelta manteniendo

tensado el o los filamentos. El impregnado de la fibra puede ser efectuado en una

etapa previa o en el mismo carro. Los carreteles de filamento y cinta son montados

en un dispositivo denominado fileta o creel, el cual puede presentar guías para

aunar todos los filamentos y un dispositivo de tensado regulable.

Rack de filamentos Impregnado de filamentos

El bobinado de filamento se utiliza para la fabricación de tubos de gran diámetro.

Existe un diámetro mínimo por debajo del cual la técnica se convierte en poco

práctica. Las máquinas de CFW están disponibles para diámetros de 0,25 a 4,0 m.

Los parámetros claves del proceso son: la tensión en las fibras, ratio de impregnación

y geometría del bobinado

La resistencia y la rigidez del ovillado pueden ser optimizadas alineando las fibras en

las direcciones de las cargas. Esto hace que la orientación de la fibra sea crítica para

el funcionamiento de la pieza y determina en gran parte la performance final de la

misma.

Equipos periféricos

Para alimentar a la maquina se necesita áreas de almacenamiento de materias

primas, de mezcla de resinas, catalizadores, etc. Normalmente, también se incluye el

calentamiento de la mezcla de químicos.

Una vez enrolado el filamento del grosor deseado, puede ser curado ya sea a

temperatura ambiente o bien a alta temperatura mediante un horno para acelerar el

curado.

La operación de desmoldado, una vez curada la pieza, es realizado generalmente en

forma manual. Eventualmente se pueden utilizar dispositivos de empuje o tiro para

facilitar dicha tarea.

Materiales 

La fibra de vidrio es la más frecuentemente utilizados para el bobinado de filamentos,

las fibras de carbono y aramida también se utilizan. Las estructuras que requieren una

alta resistencia y propiedades físicas elevadas se producen con resinas epoxi, las

resinas de poliéster (más baratas) se especifica para la mayoría de las otras

aplicaciones. La capacidad de utilizar el refuerzo continuo o sin interrupciones supone

una clara ventaja, ya que se obtiene un alto volumen en la fracción de fibra,

aproximadamente el 60% a 80%. El material compuesto es normalmente curado a alta

temperatura antes de retirar el mandril. Las operaciones de acabado, como el

mecanizado o rectificado normalmente no son necesarias. 

Las resinas utilizadas pueden ser: epoxi, poliéster, viniléster, fenólicas, etc. 

Las fibras usadas son: las de vidrio, aramida, carbono y boro. Las fibras se utilizan

directamente desde ovillos o carreteles. 

Por lo general, en las piezas no se utilizan núcleos estructurales pero puede ser

utilizado cualquiera, sobre el cual se enrolla la fibra y forma parte de la pieza final.

APLICACIONES

Las aplicaciones del bobinado de filamentos se clasifican frecuentemente como

aeroespaciales o comerciales, pero los requerimientos de ingeniería más exigentes

son los de la primera categoría. Los productos que actualmente se producen con esta

técnica son palos de golf, tubos, remos, horquillas de bicicleta, postes de transmisión,

alumbrado y energía eléctrica, recipientes de alta presión, cubiertas de misiles,

fuselaje de aviones y mástiles de yates. Algunas aplicaciones típicas de cada clase se

resumen en siguiente tabla, incluyendo los materiales usuales de FRP.

Bobinado de filamento de tubo para alta presión

Caños

Tanques

Ventajas y desventajas del bobinado de filamento  

Ventajas: 

Automatizable 

Rápido 

Contenido en resina controlable

Se elimina etapa de elaboración de preforma de fibras 

Buenas propiedades mecánicas 

Desventajas:

Problemas para controlar algunas geometrías del refuerzo (axial,

tendencia a seguir la línea geodésica) 

Limitado a formas convexas 

Costo del mandril (según tamaño) 

Cara externa pobre estéticamente 

Generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad (peores

propiedades mecánicas problemas de seguridad laboral)