MaterialesMateriales C tCompuestos:
D i i d l i i lDescriptiva de los principales procesos de fabricacinprocesos de fabricacin
Antonio Fernndez LpezAntonio Fernndez Lpez
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ndiceSemana 2 (1 y 3 de Marzo) : Descriptiva de los principales
procesos de fabricacinprocesos de fabricacin Introduccin Materiales Tipos de proceso y estructuras Mtodos de fabricacin
Bolsa de vaco Etapas del proceso de fabricacin Otras aplicaciones
EspacioElica Elica
Automocin Ingeniera civil
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Ingeniera civil
Introduccin
Importancia de la fabricacin en el caso de t i l tmateriales compuestos
El incremento en el uso de MtC en la industria i h d li d l jaeronutica ha estado ligado a la mejoras en
los materiales y en la optimizacin en la fabricacin (tanto en las tcnicas como en losfabricacin (tanto en las tcnicas como en los procesos)Actualmente el proceso de fabricacin de MtC Actualmente, el proceso de fabricacin de MtCms comn es el conocido como moldeo mediante autoclave en el que las capas demediante autoclave , en el que las capas de material preimpregnado se inducen al curado en ciertas condiciones de presin y
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p ytemperatura.
Introduccin
Diferencias en la fabricacin con materiales compuestos respecto a los materiales metlicos:compuestos respecto a los materiales metlicos: en esencia, se puede decir que la fabricacin con materiales metlicos consiste en quitar el materialmateriales metlicos consiste en quitar el material de sobra de una pieza de partida, y que en materiales compuestos consiste en aportarmaterial hasta conseguir la estructura buscada.
4Aluminum isogrid used in McDonnell-Douglas launchvehicle components
Stanfords TRIG structure
Introduccin
Qu se espera de la fabricacin? La fabricacin, de forma ideal, aspira a ser: Lo ms integrada posible, facilitando elLo ms integrada posible, facilitando el
montaje Lo ms automatizada posible Lo ms automatizada posible En el menor numero de pasos y tiempo
MOLDE
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MOLDE
IntroduccinAIRBUS: Aplicacin histrica de materiales compuestos
+ J-nose+ Nacelle
M lti+ Timones de
Profundidad
+ Costillas Ala+ Mamparo de
PresinMonoltico+ Perfil de la
quilla,+ Mamparo
T
Profundidad+ Cajn
Estabilizador Vertical
+Trampas Tren
+ Alerones+ wet HTP
b
+ dry HTP box
+ trampas de Aterrizaje
Presin+ Secc.Fus. 19
+ Secc.Fus. 19.1+ Trampas Tren
MonolticasTrasero+Revestimiento
Monoltico Timn de
Prof ndidad
+Trampas Tren delantero
+ Timn+ Alerones
+ Aerofrenos
boxAterrizaje+ Flaps + Seccin 21
+ Superficies Movibles
EmpenajeM lti
+Carenadosdel Radome
+tapas borde salidaala y empenaje
Profundidad+ Aerofrenos Monolticas
1980-1990 1990-20001970-1980 2000-20101970-1980 1980-1990 1990-2000 2000-2010
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1970 1980
A340-600/500A310/300A310/200A330-300
A340-300A320-200
A300/B2 A380
Introduccin
Floor Beamsfor Upper Deck V ti lGLARE in Upper
Fuselage
for Upper Deck Vertical Tail Plane
Outer FlapsSection 19.1
J-Nose
Horizontal Tail Plane
Rear Pressure BulkheadCenter Wing Box Wing Ribs
Section 19
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Materiales
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Materiales
El material de partida ms utilizado hoy en d l i d fib t jidda son los preimpregnados: fibra o tejido unidireccinal con resina en estado B, de f d i l fibforma que pueden manipularse fibra y resina conjuntamente
9Fibra unidireccional Tejido
Materiales
Resinas de uso aeronutico
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Materiales
Fabricacin de preimpregnados: 2 pasos:hot melt
Preparacin del filmp
Transferencia del film
nico paso: solven coatingsolven coating
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Materiales
RESIN CONTENTRESIN CONTENTCONTROLCONTROL RESINRESIN
FILMFILMCONTROLCONTROL
LOW VISCOSITY RESINLOW VISCOSITY RESIN++
PROTECTIVEPROTECTIVE++
SOLVENTSOLVENTRELEASE FOILSRELEASE FOILS
SOLVENT COATINGSOLVENT COATINGSOLVENT COATINGSOLVENT COATING HOT MELTHOT MELTHOT MELTHOT MELT
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Materiales
Defectologa en cinta prepreg
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Tipos de estructuras
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Tipos de estructurasLos tipos de estructuras utilizados en la fabricacin de componentes son: Estructuras monolticas
Constituidas por elementos slidos Grandes cargas Aplicacin principal en estructuras primarias ( HTP,VTP, etc..)
E t t d i h Estructuras sandwich Constituidas por un ncleo y dos pieles Estructuras que se requieran gran rigidez a flexin y ligeras.
Estructuras secundarias Estructuras secundarias Muy ligeras
SKINSKINSKINSKINSKINSKINSKINSKIN
TOP SKINTOP SKINTOP SKINTOP SKIN
HONEYCOMBHONEYCOMBCORECORE
HONEYCOMBHONEYCOMBCORECORE
15RIBRIBRIBRIBBOTTOM SKINBOTTOM SKINBOTTOM SKINBOTTOM SKIN
ESTRUCTURAS SANDWICHESTRUCTURAS MONOLITICAS
Tipos de estructuras Estructuras monolticas
Los dos procesos de fabricacin principales para obtenercomponentes con estructuras monolticas son:
Proceso en una fase:
Todas las partes que forman la estructura se obtienen en nico Todas las partes que forman la estructura se obtienen en nicoproceso que conforma la pieza final
En el caso de estructuras de materiales compuestos se tratarad i dde piezas cocuradas.
Proceso multifase:
- Las diferentes partes se fabrican por separado, encolndoseposteriormente mediante adhesivo.
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p
Tipos de estructuras
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Tipos de estructuras
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Tipos de estructurasEstructuras sandwich
Son estructuras que consisten bsicamente en dosrevestimientos, inferior y superior, con un ncleo de bajadensidad que los separa.
Existen diferentes tipos de ncleos: Fibra de vidrio nomex Existen diferentes tipos de ncleos: Fibra de vidrio, nomex ,korex , espumas, Etc. Uno de los ms utilizados son los denomex como de fibra de vidrio, y celdilla de nido de abeja(honeycomb)( honeycomb ).
Como en el caso de laminados los procesos de fabricacin parap pobtener componentes con estructura sandwich son:
Proceso en una faseP ltif
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Proceso multifase
Tipos de estructuras
1Tipo de estructuras segn la integracin de subcomponentes
COCURADOComponente 1 frescoComponente 2 fresco
2
p
1Adhesivo
COENCOLADOComponente 1 curadoComponente 2 fresco
2
Componente 2 fresco
Componente 1 curadoComponente 2 curado
ENCOLADO SECUNDARIO12
Adhesivo
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Componente 2 curado
Tipos de estructuras
El tipo de integracin de la estructura va a tener una incidencia en: FabricacinFabricacin Montaje
Utillaje Utillaje Diseo Clculo
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Mtodos de fabricacin
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Mtodos de fabricacin
Fabricacin por mtodo hmedo
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Mtodos de fabricacin
Fabricacin por mtodo hmedo Ventajas
Muy Barato y rpido Muy Barato y rpido Innecesario el empleo de presin durante el
c radocurado No es necesario mano de obra especializada
Inconvenientes Malas propiedades mecnicas Malas propiedades mecnicas El resultado final es muy dependiente de la
mano de obra24
mano de obra
Mtodos de fabricacin y reparacionesreparaciones
Moldeo por proyeccin
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Mtodos de fabricacin y reparacionesreparaciones
Moldeo por proyeccin Ventajas
Barato y muy rpido Barato y muy rpido Inconvenientes
Malas propiedades mecnicas, al no aprovechar las propiedades direccionales de la fibra
Irregular proporcin fibra resinag p p
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Mtodos de fabricacinFabricacin con preimpregnados
Es el material ms generalmente usado en la fabricacin de estructuras primarias y secundarias en aeronuticas
Optimizacin de la proporcin fibra-resinap p p El almacenamiento del material requiere grandes cmaras frigorficas
(-18C), un registro continuo de temperaturas y un control del stock (caducidad del material)
La pegajosidad (Tacking) es clave para la fabricacin, principalmente con los procesos automatizados (ATL y FP)
Otros parmetros importantes son las tolerancias dimensionales del material la impregnacin de la fibra y las fases de la resinamaterial, la impregnacin de la fibra y las fases de la resina.
El proceso se completa con el curado en autoclave, necesario para conseguir del material los requerimientos tpicos de las estructuras aeronuticasaeronuticas
El alto coste del material, unido al mantenimiento del almacn y al material desaprovechado limitan su uso al entorno aeronutico
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Mtodos de fabricacin
Apilado manual Lay-up manual Ventajas
Fabricacin de estructuras de geometra tantoFabricacin de estructuras de geometra tanto simple como compleja (doble curvatura)
Inversin inicial moderadaInversin inicial moderada Inconvenientes
M d b lt t lifi d Mano de obra altamente cualificada Alto porcentaje de material desaprobechado
(S )(Scrap) Dificil de implementar en piezas de gran tamao
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Mtodos de fabricacin
Corte de telas manual y automtico
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Mtodos de fabricacin
Ejemplos de fabricacin mediante apilado manual de telas
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Mtodos de fabricacin
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Mtodos de fabricacinApilado automtico - ATL Ventajas Ventajas
Capacidad para fabricar piezas de grandes dimensiones
Muy altas cadencias de fabricacin que permiten el empleo de otras tcnicas (conformado en caliente, pultrusin)pultrusin)
Menor numero de personal implicado que en el proceso manual
I i t Inconvenientes Limitado a superficies planas o con poca curvatura
Inversin inicial alta Inversin inicial alta Altos costes de mantenimiento y material
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Mtodos de fabricacin
Ejemplos de ATL
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Mtodos de fabricacin
Revestimiento del HTP del A340Revestimiento del HTP del A340
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Mtodos de fabricacin
Fiber Placement - FP Ventajas
Posibilidad de automatizar procesos con Posibilidad de automatizar procesos con geometras complejas (doble curvatura)Altas carencias de fabricacin Altas carencias de fabricacin
Muy alto aprovechamiento del material (Sin scrap)
No se necesita compactacin Inconvenientes
Inversin inicial muy alta35
Inversin inicial muy alta Muy altos costes de mantenimiento y material
Mtodos de fabricacin
Limitaciones debidas al cabezal en el diseo con FP
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Mtodos de fabricacin
Maquina de 7 ejes
Salida de haz de filamentos con tensin controlada
Colimador de la bandaCabezal de colocacin
de la fibra
Cortadores del haz de filamentos y mecanismo
de embridado
Rodillo de t i
Banda de fibra colimada
Rodillos de reinicio del haz
compactacin
Superficie de la piezaCalor controlado
Direccin de desplazamiento del cabezal
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Mtodos de fabricacin
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Mtodos de fabricacin
Ejemplo: A380 Seccin 19
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Mtodos de fabricacinCaractersticas de la fabricacin con fibra seca
Uso de tejido seco + resina (liquida o film) Alta flexibilidad en la utilizacin de refuerzos Alta flexibilidad en la utilizacin de refuerzos Almacenamiento de tejidos a R.T. Resinas mono o multicomponentesResinas mono o multicomponentes Preferiblemente para piezas tridimensionales Las diferentes tcnicas se distinguen por laLas diferentes tcnicas se distinguen por la
frontera y por la presin requerida RTM-Presin mecnica RLI Presin de vacio (o autoclave) RFI: Presin de autoclave
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Mtodos de fabricacinResin Transfer Molding - RTM
Ventajas Capacidad de fabricacin de soluciones complejas
Para una estructura de seccin conocida el precio es menor que Para una estructura de seccin conocida, el precio es menor que las soluciones con preimpregnados automatizadas (ATL y FP)
Muy buen control del volumen de fibra a travs de la geometra del tildel til
Alta repetitividad Inconvenientes
La baja viscosidad de las resinas necesaria para la inyeccin La baja viscosidad de las resinas necesaria para la inyeccin completa de piezas de geometra complicada esta asociada a una baja tenacidad
Gran dificultad para obtener piezas con cinta unidireccionalGran dificultad para obtener piezas con cinta unidireccional El bajo nivel de automatizacin redunda en un alto precio de las
preformas
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Mtodos de fabricacin
Esquema del proceso de RTM
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Mtodos de fabricacin
Ejemplos de piezas fabricadas por RTM
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Mtodos de fabricacinResin Liquid Infusion- RLI
Mtodos de fabricacin
Ventajas Menor coste de materiales y componentes que con
preimpregnados Capacidad para fabricar elementos de gran tamao Tecnologa auxiliar similar a la utilizada conTecnologa auxiliar similar a la utilizada con
preimpregnados Inconvenientes
Req iere resinas de m baja iscosidad Requiere resinas de muy baja viscosidad Dificultad para simular el llenado debido a la frontera mvil Peor control del volumen fibra/resina que con q
preimpregnados Dificultad para automatizar la fabricacin de las preformas
en elementos de gran tamao
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g
Mtodos de fabricacin Ejemplo RLI
Mtodos de fabricacin
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Mtodos de fabricacinResin Film Infusion - RFI
Ventajas
Mtodos de fabricacin
Ventajas Similar al RLI, solo que mediante resinas de
mayor tenacidadmayor tenacidad Capacidad para fabricar elementos de gran
tamao Inconvenientes
Limitado a piezas de geometra sencilla, aunque i t lno necesariamente planas
Dificultad para automatizar la fabricacin de las preformas en elementos de gran tamaopreformas en elementos de gran tamao
Coste de preformas muy alto
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Mtodos de fabricacin
Manparo de presin
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Mtodos de fabricacin
Filament WindingUso de mechas preimpregnadas enrolladas en un mandrilen un mandril Limitado a la fabricacin de estructuras il d icilndricas convexas
Estructuras sin altas solicitacionesEstructuras sin altas solicitaciones mecnicas, salvo en sentido axial
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Mtodos de fabricacin
Esquema de Filament Winding
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Mtodos de fabricacin
Ejemplos de Filament Winding
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Mtodos de fabricacin
Filament Winding Ventajas
Alto nivel de automatizado Tecnologa fcil de desarrollar Bajo coste de los materialesBajo coste de los materiales
InconvenientesAlt t d l d il Alto coste de los mandriles
Mal acabado de las superficies exteriores de l tlos componentes Requiere el uso de resinas de baja viscosidad
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Mtodos de fabricacin
PultrusinUso de preimpregnados fibra seca + resinaresinaFabricacin de piezas de espesor constante
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Mtodos de fabricacin
Ejemplos de pultrusin
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Mtodos de fabricacin
Pultrusin Fabricacin de piezas de espesor constante Ventajasj
Series de piezas muy grandes Capacidad de fabricacin en continuop Una vez automatizado, muy bajo coste de las piezas
Inconvenientes Resina especficas que requieren poco tiempo en p q q p pel proceso de curado para eliminacin de voltiles y consolidacin
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Mtodos de fabricacin
Conformado en caliente Piezas de geometra sencilla (paneles planos
sin cambios de espesor) se conforman de la p )misma forma que los metales, por medio de calor y una presin aplicada con un tily p p
En el caso de los termoplsticos, se pueden realizar configuraciones estructurales, donderealizar configuraciones estructurales, donde adems se pueden realizar soldaduras de otros elementos para rigidizarotros elementos para rigidizar
En el caso de los termoestables esta tcnica se usa para obtener geometras complicadas
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se usa para obtener geometras complicadas de una plana previo al curado
Mtodos de fabricacin
Ejemplo: J-Nose A380, conformando paneles de fibra de vidrio con termoplstico y soldando rigidizadores posteriormentey g p
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Mtodos de fabricacin: Bolsa de
VacoVaco57
Mtodos de fabricacin
Objetivos de la fabricacin mediante bolsa de vacio:vacio: Mantener un vaco uniforme Aplicar presin durante el curadoAplicar presin durante el curado Permitir la extraccin de gases
Defectos que resultan de una incorrecta bolsaDefectos que resultan de una incorrecta bolsa de vaco: Arrugasg Puenteos Sobresangrado o sangrado insuficiente Alto contenido de poros Dimensiones fuera de tolerancias
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Mtodos de fabricacin
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Mtodos de fabricacinElementos de la bolsa de vaco
Pelculas de vacio: Suelen ser pelculas de nylon que se colocan, sobre apilado en el til, como envolventes de las bolsas de vacio
Pelculas separadoras: Sirven para separar los materiales preimpregnados del resto de materiales que forman la bolsa de vacio, tambin pueden emplearse, en algunos casos, como desmoldeantes.
Tejidos aireadores: Facilitan la extraccin del aire ocluido durante el proceso de apilamiento y los volatiles producidos durante el curado suelen situarse entre la piezaapilamiento,y los volatiles producidos durante el curado. suelen situarse entre la pieza y el material de la bolsa. No estarn en contacto con el preimpregnado
Tejidos sangradores: Permiten la eliminacin del exceso de resina de los materiales preimpregnados en los procesos, que as se requiera, optimizando el porcentajepreimpregnados en los procesos, que as se requiera, optimizando el porcentaje fibra/resina de la pieza final.
Tejidos pelables: Se utilizan como proteccin superficial en aquellas piezas que pueden ser objeto de contaminacion, o que lleven un proceso posterior de encolado o pintura normalmente con un tratamiento posterior de lijado
Retenedores: Evitan el flujo excesivo de resina del elemento por su contorno, durante el ciclo de curado.
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Pasta de vacio: Es una cinta, de unos 15 mm de anchura, utilizada en el sellado de la bolsa de vacio.
Mtodos de fabricacin
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Mtodos de fabricacin Las ventajas de este mtodo de fabricacin son las
siguientes: Presin uniforme. Buena estabilidad dimensional. Se pueden procesar todo tipo de materiales, desde geometras p p p , g
planas a contornos complejos. Espesores de lminas variables. Curado o compactacin.p
Consideraciones a tener en cuenta:El utillaje es complejo y muy caro El utillaje es complejo y muy caro.
Ciclo de curado largo / ratio de produccin bajo El proceso de preparacin de la bolsa de vaco es caro y requiere
personal cualificadopersonal cualificado. Si existen fallos en la bolsa o en el sellante, se incrementa el
coste. El tamao de la pieza est limitado por el tamao del autoclave
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El tamao de la pieza est limitado por el tamao del autoclave.
Mtodos de fabricacin
Ejemplo final de bolsa de vaco
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Etapas del proceso de fabricacin
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Etapas del proceso de fabricacin
Etapas del proceso de fabricacin con prepregs
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Etapas del proceso de fabricacin
Etapas del proceso de fabricacin con preformas
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Etapas del proceso de fabricacin
Distribucin del proceso de fabricacin
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Otras aplicaciones
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Otras aplicaciones: Espacio
Caractersticas Similar a las caractersticas del sector
aeronutico Empleo de materiales con muy alto mdulo
Critico el comportamiento trmico y las Critico el comportamiento trmico y las condiciones trmicas extremas a las que se somete el materialsomete el material
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Otras aplicaciones: Elica
Fabricacin de una pala de aerogenerador
Fabricacin de la viga Fabricacin de las conchas Ensamblaje
70Curado Desbarbado y pulido
Otras aplicaciones: Elica
Materiales de una pala de aerogenerador
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Otras aplicaciones: Elica
En la fabricacin de la viga, no solo se optimiza en diseo, sino tambin con materiales: Se utiliza carbono nicamente en los extremos sometidos a flexin
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Otras aplicaciones: Automocin
Caractersticas Uso limitado a coches de muy alta gama
debido a costes y carencias de producciny p Inters en implementar materiales de bajo
coste con resinas termoestables de curadocoste con resinas termoestables de curado rpido y termoplsticosProblemas con los Problemas con los requisitos de impacto
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Otras aplicaciones: Ingeniera civil
Caractersticas Grandes posibilidades, principalmente en la
fabricacin de vigas por pultrusing p p Requerimientos marcados por la necesidad de
crear un proceso en lneacrear un proceso en lnea Utilizacin de resinas que permitan el curado
por microondas o por luz ultravioletapor microondas o por luz ultravioleta Actualmente en uso, pero
solo excepcionalementedebido a los costes
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S2 - MtC AFLS2 - Introduccin a los procesos de fabricacin 2
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