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Definición

Polímero (Poly = muchos, Meros = parte). Es un compuesto

que consiste en moléculas de cadena larga, cada molécula

está hecha de unidades repetitivas que se conectan entre sí,

llamadas monómeros.

La mayoría de los polímeros se basan en el carbono y por

consiguiente, son considerados sustancias orgánicas.

Clasificación

Polímeros

Termoplásticos

Termofijos

Elastómeros

Polimerización

Por adición

Por pasos

Aspectos de la estructura molecular:

1.Estereorregularidad.

2.Ramificación y encadenamiento transversal.

3.Copolímeros.

ESTEREORREGULARIDAD

(a) Isotáctico.

(b) Sindiotáctico.

(c) Atáctico.

Ejemplo del

polipropileno.

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RAMIFICACIÓN Y ENCADENAMIENTO TRANSVERSAL COPOLÍMEROS

(a) Alternante.

(b) Al azar.

(c) Bloque.

(d) Injerto.

Los Termoplásticos (TP), son materiales sólidos a

temperatura ambiente, pero cuando se someten a

temperaturas de algunos cientos de grados se

convierten en líquidos viscosos.

Esta característica permite conformarlos fácil y

económicamente en productos útiles, y enfriamiento sin

que se degraden. Pueden sujetarse repetidamente a

ciclos de calentamiento significativo.

Son comercialmente los más importantes de los trestipos, pues constituyen alrededor del 70% del tonelajetotal de los polímeros sintéticos producidos. Lostermofijos y los elastómeros comparten el 30%restante, en partes iguales aproximadamente, con

una ligera ventaja para los últimos.

PROPIEDADES DE LOS TERMOPLÁSTICOS

Propiedades Mecánicas. Los termoplásticos típicos a

temperatura ambiente poseen las siguientes características:

Menor rigidez, el modulo de elasticidad es dos veces (en algunos casos tres) más bajo que los metales y los cerámicos.

La resistencia a la tensión es baja.

Dureza muy baja.

Ductilidad alta.

TIPOS DE TERMOPLÁSTICOS

Acetales. (Polioximetileno)

El método de polimerización es por pasos.

Propiedades:

Alta rigidez

Resistencia

Tenacidad y resistencia al desgaste.

Alto punto de fusión

Baja absorción de la humedad

Son insolubles en los solventes comunes a temperatura ambiente.

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Aplicaciones. Se aplican por lo común en partes y

componentes automotrices como manijas de

puerta, cajas de bombas y partes similares, así

como en artefactos de ferretería y componentes

para maquinaria.

Acrílicos. Polimetilmetacrilato (PMMA). Plexiglass

Es un polímero lineal amorfo.

Su propiedad principal es que posee una excelente

transparencia que lo hace competitivo con el vidrio en

aplicaciones ópticas.

Método de polimerización por adición.

Posee una elongación del 5% solamente.

Su utilización en el mercado es alrededor del 1%.

Aplicaciones. Suelen aplicarse en micas de autos,

instrumentos ópticos y ventanas para aviones. Otros

usos son ceras para pisos y pinturas. Tambien fibras

textiles como por ejemplo DuPont.

Acrilonitrilo-butadieno-estireno. (ABS)

Se le llama plástico de ingeniería porque su elaboración es más compleja que cualquier otro plástico común.

Es un terpolímero de dos fases.

Es muy resistente al impacto.

Método de polimerización por adición.

Es amorfo con una elongación del 10-30%

Aproximadamente un 3% de este tipo de polímeros es utilizado en el mercado.

Aplicaciones. Se aplican por lo general en tuberías,

acoplamientos, artículos de plomería recubiertos con cromo,

cascos, mangos para herramientas, componentes

automovilísticos, cascos de embarcaciones, teléfonos, equipajes,

construcción de viviendas, electrodomésticos, recubrimientos de

refrigeradores y páneles decorativos.

Celulósicos. Es un carbohidrato polímero que existe en la naturaleza; la madera y las fibras de algodón, que son las principales fuentes de celulosa.

Cuando ésta se produce en forma de fibra se le conoce como rayón.

Cuando se produce como una película delgada se le llama celofán, utilizada ampliamente como material de envoltura.

La celulosa no se puede usar como termoplástico porque cuando se aumenta la temperatura se descompone.

Con otros componentes la encontramos como AC (Acetato de celulosa y ABC (acetato butirato de celulosa).

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Aplicaciones.Fluoropolímeros. Teflón (politetrafluoroetileno, PTFE), representa alrededor del 85% de esta familia de polímeros.

Alta resistencia al ataque químico y ambiental

No le afecta el agua

Buenas propiedades eléctricas

Buena resistencia al calor y un coeficiente de fricción muy bajo.

Método de polimerización por adición

Aplicaciones. Se aplican

en recubrimientos para

equipo de procesamiento

químico, recubrimientos

antiadherentes para

utensilios de cocina,

aislamiento eléctrico para

alambres y cables de alta

temperatura, cojinetes no

lubricados, procesamiento

de alimentos.

Poliamidas. El nylon es uno de los mas importantes ejemplos de los PA.

Resistente, altamente elástico, tenaz, resistente a la abrasión y autolubricante.

Una desventaja es que absorbe agua con la consiguiente degradación de sus propiedades.

Los ejemplos mas comúnes del nylon son el Nylon-6 y el Nylon-6,6

Método de polimerización por pasos.

Aplicaciones. La mayoría de las aplicaciones (alrededor del 90%) se encuentran en fibras para alfombras, muebles y cuerdas. El restante (10%) se aplica en componentes de ingeniería; es un buen sustituto para los metales en los cojinetes, engranes y partes similares donde se necesita resistencia y baja fricción.

Policarbonato. (PC) es notable por sus excelentes

propiedades mecánicas que incluyen alta tenacidad y buena

resistencia a la termofluencia. Es uno de los mejores

termoplásticos por su resistencia al calor; puede usarse a

temperaturas cercanas a los 250° F (125° C).

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Aplicaciones. Se aplican en cascos de seguridad, componentes

eléctricos de soporte de carga, aislantes eléctricos, aparatos

médicos, componentes de maquinas para negocios, guardas

para maquinaria y partes que requieren estabilidad dimensional.

Poliésteres. Puede ser amorfo o parcialmente cristalizado

(arriba de 30%), dichos sistemas dependen de la velocidad

de enfriamiento después del conformado. El enfriamiento

rápido favorece el estado amorfo altamente transparente

Aplicaciones. Sus aplicaciones significativas incluyen

envases moldeados por soplado para bebidas, películas

fotográficas y cintas para grabadora magnética.

Polietileno. (PE) Representa el volumen de consumo más

grande de todos los plásticos.

Bajo costo

Pasividad química

Fácil procesado.

Baja densidad (PEBD): Altamente ramificado, con baja

cristalinidad y densidad.

Alta densidad (PEAD): Estructura lineal, con mayor

cristalinidad y densidad.

Aplicaciones.

Los PEBD.

Se aplican en el hogar, botellasque pueden apretarse,bolsas del mandado,juguetes, film parainvernaderos, etc.

Los PEAD.

Envases para higiene personaly recipientes de jabón paralavar. Pallets, cascos,rodileras.

Polipropileno. El (PP) se ha convertido en un plástico de mayoruso, especialmente para el moldeo por inyección. Se comparafrecuentemente con el polietileno debido a su costo y a quemuchas de sus propiedades son similares.

Sin embargo, el punto de fusión más alto del polipropileno permiteusarlo en ciertas aplicaciones que no son posibles con elpolietileno, como por ejemplo componentes que necesitanesterilizarse.

Se puede sinterizar en cualquier estructura, isotáctica, sindiotácticao atáctica.

Método de polimerización por adición.

Participación en el mercado cerca del 13 %.

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Aplicaciones. Aislamiento de alambres, partes para automóviles que resulten del moldeo por inyección, tuberías, empaques de cosméticos, cierres herméticos.

Poliestireno. (PS). Se usa en mayor volumen.

Es un polímero lineal con estructura amorfa.

Notable por su fragilidad, es transparente, fácilmente coloreable y moldeable.

Degrada a temperaturas elevadas

Se disuelve en varios solventes.

Utilización en el mercado del 10 %

Aplicaciones. Suelen aplicarse en contenedores desechables,

empaques, charolas para carnes, galletas y dulces, aislantes

para espuma, cajas para CD, rastrillos, etc.

Cloruro de polivinilo. Mejor conocido como PVC.

Es un plástico de uso muy difundido cuyas propiedades pueden variar

por combinación de aditivos con el polímero.

Es relativamente inestable al calor y a la luz, por lo cual se le añaden

estabilizadores para mejorar su resistencia a estas condiciones

ambientales.

Utilización en el mercado 16%.

Se debe tener cuidado con el manejo y producción del monómero del

cloruro de vinilo debido a su naturaleza cancerígena.

Aplicaciones. Se usa en recubrimientos de alambres y cables,zapatos, imitación de piel, tapicería, empaques, guantes, juguetes,molduras automotrices, películas, láminas y recubrimientos.

Características:

1) Rigidez.

2) Fragilidad.

3) Menos solubilidad en los disolventes comunes.

4) Funcionamiento a temperaturas más altas.

5) No pueden ser refundidos.

6) Siempre son amorfos.

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TIPOS DE TERMOFIJOS

Aminoresinas. Se caracterizan por el grupo amino (NH2).

Tienen propiedades que dependen de la composición; en

general son duros, rígidos y resistentes a la abrasión, a la

termofluencia y al arco eléctrico.

Pueden ser urea formaldehído o melanina formaldehído.

Es más costoso que un material fenólico.

Método de polimerización por pasos.

Importancia comercial para los dos termofijos es de 4%

Aplicaciones: vajillas de mesa y recubrimientos

laminados para mesas y puertas (como la

formica).

Epóxicos. Se basan en un grupo químico llamado epóxidos.

Tienen excelentes propiedades mecánicas y eléctricas,

buena estabilidad dimensional, fuertes propiedades

adhesivas y buena resistencia al calor y a los productos

químicos.

Aplicaciones:

Pisos industriales, superficies de recubrimiento, adhesivos,

encapsulado de transistores, laminación de tarjetas para

circuitos impresos, etc.

Fenoles. Son rígidos, dimensionalmente estables y tienen alta

resistencia al calor, al agua, a la electricidad y a los productos

químicos .

Su capacidad para aceptar colores es limitada por lo que

generalmente se encuentran en colores oscuros.

Aplicaciones:

Maderas contrachapadas, adhesivo para discos abrasivos y balatas,

tarjetas para circuitos impresos.

Poliésteres. Tienen buenas propiedades mecánicas, químicas y

eléctricas.

En general, se usan en plásticos reforzados (compuestos) para

fabricar tubos grandes, cascos de botes, carrocerías de autos.

También se usa en moldeo para producir partes mas pequeñas,

pero es limitado en su aplicación.

Poliuretano. Poseen buenas propiedades mecánicas, físicas y

eléctricas a temperaturas elevadas; también tienen buena

resistencia a la termofluencia, baja fricción y bajo desgaste. Pueden

ser de las tres clasificaciones.

Se utiliza en forma de espumas como aislantes generalmente.

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Siliconas. Por lo general resisten bien el medio ambiente, poseen

excelentes propiedades eléctricas en una amplia gama de

humedad y temperatura y resisten a los productos químicos y al

calor.

Método de polimerización por pasos.

Usos en pintura, recubrimientos, laminados de tarjetas, pulimentos,

lubricantes, ceras, lubricante en la superficie interna de las jeringas

y botellas para la conservación de derivados de la sangre

y medicamentos intravenosos, marcapasos, son también fabricados

con silicona artefactos implantables.

Son materiales capaces de sufrir

grandes deformaciones elásticas

cuando se les sujeta a esfuerzos

relativamente bajos.

Algunos materiales pueden soportar

extensiones de hasta 500 % o más.

Consisten en moléculas de cadena

larga que se encadenan

transversalmente. Efecto del encadenamiento transversal

en el hule.

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Hule natural

Se extrae del látex (sustancia lechosa producida por

varias plantas).

Se remueve el agua por diferentes métodos.

Es pegajoso en clima caliente y quebradizo en clima

frio.

La vulcanización se lleva a cabo agregándole azufre y

otros ingredientes y se calienta.

El hule vulcanizado (poliisopreno, NR) tiene propiedades como:

Resistencia a la tensión, al desgarramiento, resilencia,

Resistencia al desgaste y a la fatiga.

Elongación del 700% a la ruptura.

Participación en el Mercado en un 22%

Aplicaciones:

La mayor aplicación es llantas, también se usa en suelas para

zapatos, sellos y componentes para absorber impactos.

Hules sintéticos

Hule butadieno: El polibutadieno (HB) es importante

en la producción de llantas en combinación de otros hules.

Se compone de hule natural y estireno.

Sus propiedades por sí solo no son muy deseables.

(desgarramiento, resistencia a la tension)

Elongación del 500% a la rupture.

Participación en el mercado del 12%.

Hule butílico: La vulcanización lo convierte en un

hule con muy baja permeabilidad al aire.

Permite utilizarlo en productos inflables como cámaras parallantas, forros de llantas sin cámara y artículos deportivos.

Elongación del 700 %.

Participación en el Mercado del 3%

Hule cloropreno: El policloropreno es de los mas

antiguos. Se le conoce como neopreno, y se caracteriza

porque cristaliza cuando se le tensiona produciendo así buenas

propiedades mecánicas.

Es resistente a los aceites, al clima, al ozono, al calor, a la

flama, pero es mas costoso.

Se utiliza en mangueras para combustibles y otras partes de

automotores, transportadores de banda y empaques.

Elongación del 500 %.

Participación en el Mercado del 2%

Hule etilen-propilénico: Es un hule muyutilizado para diferentes partes a la llanta de los autos,para alambres y cables principalmente.

Elongación de 300% a la ruptura.

Hule isopreno: es el poliisopreno sintético sin

vulcanizar.

Las aplicaciones son similares a su contraparte el hulenatural, como en bandas transportadoras, calzado,llantas, etc.

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Definición

Es un sistema de materiales formado

por dos o más fases físicas distintas,

cuya combinación produce propiedades

conjuntas diferentes a las de su

constitución.

Ventajas

Pueden lograrse diseños fuertes,rígidos y de peso muy ligero.

Las propiedades de fatiga songeneralmente mejores que para losmetales comunes de ingeniería.

Los compuestos pueden diseñarse paraprevenir la oxidación como el acero.

Desventajas

Muchos de los compuestos importantestienen propiedades anisotrópicas.

En los compuestos basados enpolímeros muchos de ellos estánexpuestos al ataque de agentesquímicos o solventes.

Son costosos

Clasificación de los compuestos

Existen dos clasificaciones:

Compuestos tradicionales

Compuestos sintéticos

Compuestos tradicionales

Son aquellos que se encuentran en la

naturaleza o han sido producidos por

antiguas civilizaciones.

-Ejemplos:

Madera

Concreto

Asfalto

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Compuestos sintéticos

Son sistemas de materiales modernos

asociados normalmente con las

industrias de manufactura, donde los

componentes se producen en forma

separada y luego se combinan bajo

control para lograr la estructura, las

propiedades y la geometría deseadas.

Componentes de los materiales

compuestos

Se componen de dos fases: unaprimaria y una secundaria o de refuerzo.

La fase primaria forma la matriz dentrode la cual se incorpora la segunda fase.

La segunda fase suele llamarse comoagente de refuerzo ya que viene areforzar el compuesto.

La fase matriz puede ser cualquiera de los

tres tipos de materiales básicos.

La fase secundaria también puede ser de

uno de esos tres materiales o de un

elemento como el carbono o boro.

Clasificación según la matriz

1. Compuestos en matriz metálica (CMM):Estos incluyen mezclas de cerámicos ymetales.

2. Compuestos en matriz cerámica (CMC): Esla menos común y se utiliza paraaplicaciones de alta temperatura.

3. Compuestos en matriz de polímeros (CMP):Se utilizan resinas termofijas principalmente,termoplásticos en forma de polvos yelastómeros.

Fase primaria, matriz

Metal Cerámico Polímero

Metal Partes de

metalurgia de

polvos infiltrados

Cermets Algunos compuestos

de moldeo

Balatas

Cerámicos Cermets

Carburos

cementados

Metales reforzados

con fibra

Al2O3 reforzada

con SiC

Compuestos para

moldeado de plásticos

Plástico reforzado con

fibra de vidrio

Polímero ND ND Epóxicos reforzados

con Kevlar

Elementos

(C, B, etc.)

Metales reforzados

con fibra

ND Hule negro de humo

Plástico reforzado con

boro, o carbono

Fase

secu

nd

aria

, re

fue

rzo

Funciones de la matriz

1. Suministra la forma masiva de la parte.

2. Mantiene en su lugar la segunda fase

ocultándola.

3. Cuando se aplica una carga, la matriz

comparte ésta con el agente de

refuerzo

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La fase de refuerzo

Fase secundaria que refuerza a la faseprimaria.

Formas físicas de la fases incorporadas:

a) fibra, b) partícula y c) hojuela.

Fibras

Son filamentos de material de refuerzo de seccióncircular. El rango de diámetro va desde 0.0001” a0.005” dependiendo del material.

El refuerzo con fibras

brinda la mejor

oportunidad de

aumentar la

resistencia de

las estructuras

compuestas.

Orientación de las fibras

Al igual que el diámetro afecta en las

propiedades, la orientación tambien

afecta.

a) Reforzamiento unidimensional.

b) Reforzamiento planar

c) Reforzamiendo al azar o tridimensional

Tipos de materiales utilizados

para fibras.

Metales, cerámicos, polímeros, carbono y

boro. (el polímero es el mas utilizado)

Vidrio: Es la fibra mas utilizada en los

polímeros, el término fibra de vidrio se

aplica para denotar el plástico reforzado

con fibra de vidrio. Los más comunes

son los vidrio-E y el vidrio-S.

Carbono: Contiene la rigidez, baja

densidad y baja expansión térmica.

Generalmente son una combinación de

grafito y carbono amorfo.

Boro: Tiene alto modulo de elasticidad

pero es muy costoso por lo que su

aplicación se limita a la industria

aeroespacial.

Kevlar 49: Es la fibra más importante(miembro de las poliamidas). Su gravedadespecífica es baja, lo cual genera una delas relaciones mas altas sobre el peso delas otras fibras.

Cerámicos: El SiC y el Al2O3 son losprincipales materiales fibrosos. Tienen altoE y pueden usarse para reforzar metalesde baja densidad como el aluminio o elmagnesio.

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Metal: Los filamentos de acero, continuos o

discontinuos se utilizan como fibras de refuerzo en

plásticos.

Partículas y hojuelas

En el caso de las partículas existen dos tipos: lasmicroscópicas y las macroscópicas .

En el primero los polvos van de menos de unamillonésima de metro distribuidos en la matriz enconcentraciones de 15% o menos. (Endurece lamatriz y las partículas restringen los movimientosde las dislocaciones).

En el segundo caso los polvos son mayores auna millonésima de metro distribuidos en lamatriz en concentraciones de 25 % o más.

Las hojuelas son partículas

bidimensionales. Dos ejemplos son la mica

(aluminio y silicato de potasio) y el talco

que se usan en el refuerzo de plásticos.

Son materiales de bajo costo y añaden

resistencia y rigidez a los compuestos para

el moldeo de plásticos.

Los tamaños van desde 0.0004 a 0.040 in.

Fase infiltrada

Ocurre cuando la matriz forma unesqueleto poroso (como una esponja), yla segunda fase es simplemente elrellenador. Utilizada en la metalurgía depolvos.

Interfase Casi siempre hay una interfase entre las

fases constituyentes de un materialcompuesto.

Propiedades de los materiales

compuestos.

Cuando se selecciona un material compuestos, sebusca una combinación óptima de propiedades masque una propiedad en particular. Por ejemplo elfuselaje y las alas de un avión.

Las propiedades de un material compuesto sedeterminan en base a tres factores:

a) Los materiales usados como fases de los componentes delcompuesto.

b) La forma geométrica de los componentes y la estructura resultantedel sistema.

c) La forma en la cual las fases interactúan entre ellas.

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Otras estructuras

Estructura laminar: consiste en dos o mas

capas unidas para formar una pieza

integral. Las capas son suficientemente

gruesas para identificar el material.

Estructura de sandwich: se distingue de

la laminar, consiste en un corazón de baja

densidad unido a hojas de un material

diferente. Tambien tenemos la de panal.

Tabla 11.2 Ejemplos de estructuras de compuestos laminares.

Compuesto laminar Descripción

Llantas de automóvil Una llanta consiste en múltiples capas unidas; las capas son

materiales compuestos (hule reforzado con negro de humo), y

los refuerzos consisten en telas impregnadas con hule.

Tableros de panal Estructura de panal de peso ligero pegada a láminas ligeras en

ambas caras

Polímeros reforzados con

fibras

Paneles de plástico reforzado con fibras multicapa para

aviones, paneles para carrocerías de automoviles, cascos de

lanchas.

Contrachapados Chapas de madera alternadas pegadas en diferentes

direcciones para mejorar la resistencia

Circuitos impresos Capas de plástico reforzado y cobre en capas alternadas para

conductividad eléctrica y aislamiento.

Esquíes para nieve Los esquíes son estructuras laminares compuestas de capas

de metal, partículas de madera.

Parabrisas Dos capas de vidrio a cada lado de un plástico fuerte.

Compuestos en matriz de metal

Las fases de refuerzo comunes en los

CMM incluyen:

a) Las partículas de cerámica. (cermets)

b) Fibras de varios materiales como otros

metales, cerámicos, carbono y boro.

Cermets

Un cermet es un material compuesto en el

cual un material refractario esta contenido en

una matriz de metal. El cerámico

normalmente domina la mezcla logrando a

veces el 96% del volumen.

Se pueden subdividir en 2, carburos

cementados y cermets basados en óxidos.

Carburo cementado

Los carburos mas comunes se basan en el

carburo de tungsteno (WC), carburo de

titanio (TiC), y carburo de cromo. Se usan

también el tantalio y otros menos comunes.

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Cermets basados en óxidos

La mayoría de estos son en base al

aluminio y a veces base magnesio. Sus

aplicaciones son en herramientas de

corte, sellos mecánicos, protectores de

termopares.

Compuestos de matriz cerámica

--Pros--- Alta rigidez Dureza en caliente Resistencia a la compresión Baja densidad

--Contra--- Baja tenacidad Baja resistencia a la tensión en volumen Son suceptibles a la fractura por acción

térmica.

MatricesAlúmina

Carburo de boro

Nitruro de boro

Carburo de silicio

Nitruro de silicio

Carburo de titanio

RefuerzosFibras cortas parecidas a los bigotes de

gato

Fibras largas

Compuestos de matriz polimérica

Reforzados con fibra:

Es un material compuesto que consiste en una matriz polímero incorporada con fibras de alta resistencia.

El polímero normalmente es un termofijo (TF),plásticos como poliésteres o epóxicos.

La matriz puede ser de termoplásticos (TP), tales como el nylon, policarbonato, poliestireno, etc.

Las fibras en los CMP pueden ser:

Discontinuas

Continuas

Mallas

• Los principales materiales fibrosos son:

• El vidrio

• El carbono

• El Kevlar 49

• Menos comunes (boro, carburo de silicio, acero, alúmina)

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Compuestos avanzados

Se usa en conexión con los polímerosreforzados con fibra (FRP)

Su forma más amplia de utilización es unaestructura laminar donde se apilan y sepegan capas de fibra hasta que se obtieneel espersor deseado. Éste método seutiliza para las alas de aviones, seccionesdel fuselaje, tableros para automoviles ycamiones, así como cascos para botes.