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Cómo fabricar piezas de fibra de carbono

Los materiales compuestos, como los plásticos reforzados con fibra de carbono, son materiales muy versátiles y eficientes que impulsan la innovación en varios mercados, desde el sector aeroespacial a la sanidad. Obtienen mejores resultados que materiales como el acero, aluminio, la madera o el plástico y permiten la fabricación de productos ligeros de alto rendimiento.

En esta guía, aprenderás las bases de la fabricación de piezas de fibra de carbono, además de los diferentes métodos de fabricación, y cómo puedes usar una impresora 3D para reducir costes y ahorrar tiempo.

carbon fiber part manufacturing
Libro blanco

Fabricación de piezas de fibra de carbono con moldes impresos en 3D

Descarga este libro blanco con guías para diseñar moldes compuestos y directrices paso a paso para los métodos de prepreg y de laminado manual para crear piezas de fibra de carbono.

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¿Qué son los materiales compuestos?

Un material compuesto es una combinación de dos o más partes que, al estar unidas, cuentan con características diferentes de las que tendrían esos componenentes por separado. Las propiedades de ingeniería suelen mejorar, como la resistencia, la eficiencia o la durabilidad. Los compuestos están hechos de   fibras o partículas de refuerzo que están unidas mediante una matriz (de polímero, metal o cerámica). 

Los polímeros reforzados con fibras dominan el mercado y han fomentado el crecimiento de nuevas aplicaciones en varios sectores. Entre ellos, la fibra de carbono es un compuesto muy utilizado, especialmente para la fabricación de aviones, coches de carreras y bicicletas, ya que es tres veces más resistente y firme que el aluminio, pero un 40 % más ligera. Esta formado por fibra de carbono reforzada enlazada con una resina epoxi. 

Las fibras pueden tejerse unidireccionalmente y alinearse estratégicamente para crear resistencia relativa a un vector. Las fibras tejidas de forma cruzada se pueden usar para crear resistencia en múltiples vectores y también son responsables del aspecto acolchado típico de las piezas compuestas. Es común que las piezas se produzcan con una combinación de ambos métodos. Hay varios tipos de fibras disponibles, entre las que se cuentan las siguientes:

Fibra de vidrioFibra de carbonoFibra de aramida (Kevlar)
La fibra más popular
Ligera, con resistencia moderada a la tracción y a la compresión
De coste bajo y fácil de trabajar
La relación de resistencia y rigidez por peso más alta de la industria (resistencia a la rotura por tracción, compresión y flexión)
Más cara que otras fibras
Resistencia más alta a los impactos y a la abrasión que la fibra de carbono
Baja resistencia a la compresión
Difícil de cortar o mecanizar

La resina se usa para unir estas fibras y crear un compuesto rígido. Aunque se pueden usar cientos de tipos de resinas, estas son las más populares:

ResinaVentajasInconvenientesCurado
Resina epoxiLa resistencia a la rotura más alta
El peso más ligero
La vida útil más larga
La más cara
Sensible a las proporciones de la mezcla y a las variaciones de temperatura
Usa un endurecedor específico (sistema de dos partes)
Algunas epoxis requieren calor
PoliésterFácil de usar (la más popular)
resistente a los rayos UV
El coste más bajo
Baja tenacidad y resistencia a la corrosiónSe cura con un catalizador (MEKP)
Éster de viniloCombina el rendimiento de la epoxi con el coste del poliéster
La mejor resistencia a la corrosión, la temperatura y el alargamiento
Menor tenacidad que la epoxi y coste más alto que el poliéster
Vida útil limitada
Se cura con un catalizador (MEKP)

Tres métodos para crear piezas de fibra de carbono

Fabricar polímeros reforzados con fibras, como las piezas de fibra de carbono, es un proceso que requiere habilidad y mucha mano de obra y que se usa tanto en la producción de piezas únicas como en la producción por lotes. Los tiempos de los ciclos varían desde una hora a 150 horas según el tamaño y la complejidad de la pieza. Lo típico en la fabricación de polímeros reforzados con fibras es que las fibras rectas y continuas se unan a la matriz para formar capas individuales que se laminan capa por capa en la pieza final. 

Las propiedades de los compuestos las determinan tanto los materiales como el proceso de laminación: la forma en que las fibras se incorporan tiene una gran influencia en el rendimiento de la pieza. A las resinas termoendurecibles se les da forma junto con el refuerzo utilizando una herramienta o molde y curándolas para formar un producto robusto. Hay varias técnicas de laminación disponibles, que pueden dividirse en tres tipos principales:

1. Laminación en húmedo

En la laminación en húmedo, la fibra se corta y se coloca en el molde. A continuación, se aplica la resina con un cepillo, rodillo o pistola pulverizadora. Este método es el que requiere más habilidad para crear piezas de alta calidad, pero también es el proceso de trabajo menos caro, con los requisitos más bajos para empezar a hacer por tu cuenta piezas de fibra de carbono. Si eres principiante en la fabricación de piezas de fibra de carbono y aún no cuentas con el equipo adecuado, te recomendamos que empieces con la laminación en húmedo a mano.

Mira el vídeo para ver como el proceso de colocación en húmedo funciona para laminar las piezas de fibra de carbono.

2. Laminación preimpregnada

Con la laminación preimpregnada, la fibra se imbuye de resina de antemano. Las láminas preimpregnadas se almacenan en frío para inhibir el curado. A continuación, las capas se curan en el molde bajo calor y presión en un autoclave. Se trata de un proceso más preciso y repetible porque se controla la cantidad de resina, pero también es la técnica más cara que suele utilizarse en aplicaciones de alto rendimiento.

3. Moldeo por transferencia de resina (RTM)

Con el RTM, la fibra seca se inserta en un molde de dos partes. El molde se cierra con abrazaderas antes de introducir la resina en la cavidad a alta presión. Normalmente, este proceso es automático y se usa para la fabricación de alto volumen.

Creación de moldes impresos en 3D para la fabricación de piezas de fibras de carbono

Ya que la calidad del molde tiene un impacto directo en la calidad de la pieza final, la creación de las herramientas es un aspecto crítico de la fabricación de polímeros reforzados con fibras. La mayoría de los moldes se producen a partir de cera, espuma, madera, plástico o metal mediante el mecanizado CNC o métodos artesanales. Aunque las técnicas manuales requieren mucha mano de obra, el mecanizado CNC sigue siendo un proceso de trabajo complejo y lento (especialmente para geometrías intrincadas) y la externalización suele tener un coste elevado, con un largo plazo de entrega. Ambas opciones requieren trabajadores cualificados y ofrecen poca flexibilidad para realizar iteraciones de los diseños o modificaciones en los moldes.

La fabricación aditiva ofrece una solución para producir moldes y patrones de forma rápida y a un coste bajo. El uso del utillaje polimérico en los procesos de fabricación no deja de crecer. Reemplazar las herramientas de metal con piezas de plástico impresas in situ es una forma rentable y potente de reducir el tiempo de producción al mismo tiempo que se expande la flexibilidad de los diseños. Los ingenieros ya trabajan con piezas impresas en 3D en resina polimérica para la fabricación de dispositivos de sujeción y fijación como forma de apoyo a métodos como el enrollado de filamentos o la colocación automática de fibras. Asimismo, se emplean moldes y troqueles impresos en tiradas cortas en el moldeo por inyección, el termoformado o el conformado de chapa para entregar remesas de bajo volumen. 

La impresión 3D de escritorio in situ no requiere mucho equipamiento y reduce la complejidad del proceso de trabajo. Las impresoras de escritorio profesionales como la Form 3 son asequibles y fáciles de integrar en los procesos de trabajo y pueden expandirse rápidamente a medida que crezca la demanda. Fabricar herramientas y moldes grandes también es posible con impresoras 3D de gran formato como la Form 3L.

La tecnología de impresión 3D por estereolitografía (SLA) crea piezas con un acabado de la superficie muy liso, lo que es esencial para un molde de laminación. Permite crear geometrías complejas con gran precisión. Además, el catálogo de resinas de Formlabs tiene materiales para ingeniería con propiedades mecánicas y térmicas que encajan bien con la fabricación de moldes y patrones.

Los moldes impresos en 3D para la fabricación de piezas de fibra de carbono pueden reducir los costes y los plazos de producción.

Para la producción a una escala más pequeña, los ingenieros pueden imprimir el molde directamente a bajo coste y en solo unas horas sin tener que tallarlo a mano o lidiar con equipo de CNC. Esto evita tener que ocuparse de cuestiones como el software de CAM, la configuración de la máquina, el equipo portapiezas, las herramientas y la evacuación de virutas. Los plazos de trabajo y la mano de obra para la fabricación del molde se reducen drásticamente, lo que permite realizar iteraciones de los diseños y la personalización de las piezas de forma rápida. Incluso se pueden obtener moldes de formas complicadas y detalles precisos que serían difíciles de fabricar de forma tradicional. 

El equipo Formula Student de la Universidad Técnica de Berlín (FaSTTUBe) fabricó una docena de piezas de fibra de carbono para coches de carreras. Los ingenieros del equipo laminan a mano en un molde impreso directamente con la Tough 1500 Resin de Formlabs. Esta resina se caracteriza por un módulo de tracción de 1,5 GPa y un alargamiento de rotura del 51 %. No solo es fuerte y sirve de apoyo durante la laminación, sino que también es lo suficientemente flexible para separar la pieza del molde después de curarla. 

El taller de pruebas de FaSTTUBe con todo preparado para la fabricación de piezas de fibra de carbono.

Aunque esta técnica no se asocia con condiciones intensivas de curado, otros procesos de laminación suelen implicar temperaturas y presiones más altas. La empresa DeltaWing Manufacturing utiliza la High Temp Resin para crear elementos de ventilación durante el período de preimpregnación. La High Temp Resin tiene una temperatura de flexión bajo carga de 238 °C a 0,45 MPa y es capaz de aguantar el calor y presión de un autoclave. DeltaWing Manufacturing ha estado imprimiendo moldes directamente para producir una serie de aproximadamente 10 piezas personalizadas. 

Un conducto de aire del guardabarros de fibra de carbono junto al molde de dos piezas impreso con la High Temp Resin, producido por DeltaWing Manufacturing.

Los moldes poliméricos impresos directamente en 3D son excelentes herramientas para optimizar la producción en series cortas. Sin embargo, su vida útil es menor que la de los moldes tradicionales, lo que hace que no sean adecuados para series de gran volumen. 

Para aumentar la producción, DeltaWing Manufacturing imprime patrones de moldes con la High Temp Resin y después los funde en resina. Imprimir el patrón es una alternativa a los procesos de laminación que requieren un curado intensivo que no es adecuado para los moldes impresos en 3D. Los fabricantes pueden imprimir patrones personalizados bajo demanda y así eliminar un paso de su técnica de creación de moldes, la fabricación de patrones.

Empieza a trabajar con la fabricación de fibra de carbono

La fabricación de polímero reforzado con fibras es un proceso de trabajo intensivo y complejo, pero aún así emocionante. El uso de moldes y patrones impresos en 3D permite a las empresas reducir la complejidad del proceso de trabajo, ampliar la flexibilidad y las oportunidades de diseño y reducir los costes y los plazos de entrega. 

Mediante los casos de estudio con la Universidad Técnica de Berlín y DeltaWing Manufacturing, nuestro libro blanco presenta tres procesos de trabajo para aprovechar la impresión 3D en la fabricación de materiales compuestos con la fabricación rápida de moldes y patrones.