Tips para moldear polímeros reforzados con fibras largas

Independiente de que las fibras sean largas o cortas, la incorporación de refuerzos de vidrio o carbono en matrices termoplásticas tiene el mismo objetivo fundamental: mejorar el rendimiento mecánico y estructural de los polímeros.

Estos dos métodos principales de refuerzo de termoplásticos difieren en varios aspectos, desde la forma en que se combinan con la matriz del polímero hasta el nivel de rendimiento que proporcionan. Las aplicaciones de uso final son otra área en la que una forma de fibra puede ser más apropiada que la otra, pero para los moldeadores, la principal diferencia entre la fibra corta y la larga es la agresividad con la que se pueden procesar.

Conservación, no perfección

El objetivo principal del procesamiento de termoplásticos reforzados con fibras largas es preservar la longitud de las fibras, lo que es fundamental para optimizar propiedades como la resistencia y la tenacidad. La ruptura de la fibra tiene un impacto negativo en el rendimiento del material y puede anular las ventajas otorgadas por la fibra larga. La ruptura de la fibra puede deberse a una mala manipulación, a un mal diseño de molde y/o artículo, o al uso de equipos de procesamiento o ajustes no optimizados.

A diferencia de las fibras cortas, las fibras largas se producen normalmente mediante pultrusión. Este proceso crea gránulos al estirar una fibra continua y resina termoplástica a través de una matriz de impregnación especial que permite que la resina se encapsule y se una a la fibra. Los hilos resultantes se cortan en pellets, normalmente de 12 mm de longitud, que presentan refuerzos de fibra unidireccionales en toda su longitud. Esta longitud es fundamental para que el polímero pueda transferir eficazmente las fuerzas de tensión a la fibra más resistente.

Cuando estos gránulos se utilizan para el moldeo por inyección, las fibras largas se alinean y entrelazan para formar una estructura esquelética interna que proporciona resistencia y dureza. Los compuestos reforzados con fibras largas ya sean de vidrio o de carbono, ofrecen una elevada relación resistencia-peso, tenacidad para resistir el impacto y resistencia a la fatiga cíclica, así como una mayor resistencia a la temperatura y una mejor estabilidad dimensional que los materiales rellenos de fibras cortas.

Estos materiales duraderos ofrecen un rendimiento estructural impresionante que puede competir con los metales, al tiempo que ofrecen un peso mucho menor que el metal y utilizan las ventajas de velocidad de procesamiento y eficiencia del moldeo por inyección. Los compuestos de fibra de carbono son especialmente valiosos como sustitutos del metal, debido a que son un 70% más ligeros que el acero y un 40 % más ligeros que el aluminio.

Los materiales compuestos reforzados con fibras largas pueden utilizarse en exigentes equipos automotrices, artículos deportivos, aeroespaciales, de consumo e industriales. Las resinas base típicas son la poliamida (PA, o nylon), el polipropileno (PP), el poliuretano termoplástico rígido (ETPU) y las resinas de alta temperatura como la polieteretercetona (PEEK), la poliftalamida (PPA) y la polieterimida (PEI). Aunque cualquier termoplástico puede reforzarse con fibra, algunos ofrecen mayores prestaciones porque aceptan mejor el refuerzo. Más concretamente, las resinas semicristalinas aceptan mejor el refuerzo de fibra que las amorfas, lo que significa que obtienen un mayor aumento de la rigidez y la resistencia.

Las cargas (también referidas como porcentajes de peso) de fibra de vidrio larga pueden llegar al 60% (50% para la fibra de carbono larga) antes de que la fibra sature la matriz de polímero y provoque una degradación de las propiedades. Estos niveles son válidos para el PP, la PA y el ETPU, pero algunas resinas de alta temperatura tienen un límite inferior para el contenido de fibra debido a problemas de procesabilidad.

Consideraciones sobre el procesamiento de las fibras largas

En comparación con las resinas no modificadas o llenas de partículas y polvo, el moldeo de los materiales compuestos reforzados con fibras largas requiere algunas adaptaciones en el molde, compuertas, equipos y diseño de la parte. El procesamiento de estos materiales también difiere en cierta medida del de los polímeros reforzados con fibras cortas.

Como se ha mencionado anteriormente, preservar la longitud de la fibra es fundamental para el éxito. Entre los factores que pueden reducir la longitud de la fibra se encuentran las altas presiones y las fuerzas de cizallamiento del husillo, que se ven exacerbadas por los ángulos y esquinas afilados del molde y los canales de alimentación. Con el objetivo de mantener la longitud de la fibra en mente, aquí hay tres consideraciones principales de procesamiento.

• Material y diseño del molde: Aunque las fibras largas provocan un menor desgaste en el molde que las fibras cortas (hay menos extremos de fibra puntiagudos que impacten en el molde), se pueden utilizar los mismos tipos de acero en el molde para ambos casos. El tipo más común es el acero para moldes P20, que puede durar más de 100.000 disparos. Si se necesita una mayor durabilidad (más de 100.000 ciclos), el acero al cromo-molibdeno H13 o el acero templado al aire A9 son buenas opciones. En general, los moldes endurecidos son los mejores para los termoplásticos reforzados con fibra. Los moldes desgastados pueden renovarse con tecnologías de chapado. Si hay que moldear prototipos de corta duración para probar un diseño, se puede utilizar incluso moldes de aluminio.

En el diseño del molde se deben evitar las compuertas con diámetros pequeños que generan altas cizalladuras y pueden romper las fibras. Debido a la mayor viscosidad de las resinas reforzadas con fibras, se recomienda emplear compuertas anchas en forma de abanico o compuertas completamente redondas en lugar de compuertas tipo pin. El uso de un canal redondo completo elimina las zonas de flujo muerto, que son áreas en las que una capa de plástico solidificada impide un volumen completo de flujo. Además, cualquier tipo de canal que no sea redondo tiene esquinas afiladas que pueden aumentar el cizallamiento y dañar las fibras.

En los materiales compuestos de fibra larga se necesita el doble de ventilación de gases que en los materiales no reforzados. Para proporcionar esta ventilación adicional, se pueden utilizar aperturas más grandes. Estas aperturas no suponen un problema, debido a que la mayor viscosidad de los materiales de fibra larga impide que se filtre por la ventilación y genere rebaba tan fácil como las resinas no reforzadas.

• Equipo de moldeo: Un equipo de moldeo estándar se puede utilizar para termoplásticos reforzados con fibras largas, con algunas modificaciones no permanentes para proteger la longitud de las fibras y adaptarse a una mayor viscosidad. Se recomienda un husillo de baja compresión o de uso general con una punta de flujo libre y una válvula anti retorno. Puede utilizarse una boquilla de uso general, pero deben evitarse las puntas para nylon porque su forma de reloj de arena (diseñada para evitar el babeo) puede restringir el flujo, causando un cizallamiento que conduce al corte de las fibras. Otra recomendación para minimizar el cizallamiento es evitar los diseños de boquillas con conicidad inversa. En general, un orificio de boquilla más grande -mínimo de 7/32 pulgadas o 5,6 mm- facilitará el paso de las resinas viscosas reforzadas con fibras.

Una buena regla general para cualquier máquina de moldeo es utilizar sólo entre el 60% y el 70% de la capacidad de inyección. Utilizar demasiada capacidad alarga el tiempo de recuperación o plastificación, mientras que utilizar poca significa que el material permanece en el barril durante más tiempo y puede degradarse.

• Condiciones de procesamiento: Antes de hablar de las pautas de procesamiento, es importante abordar dos cuestiones: el alabeo y la fluencia (creep). Normalmente, las piezas termoplásticas reforzadas con fibra larga presentan menos alabeo que los materiales de fibra corta, porque el entrelazamiento de los filamentos más largos reduce la contracción diferencial. Sin embargo, las piezas de fibra larga inyectadas pueden deformarse. Una de las razones es que la alineación de las fibras en la dirección del flujo, aunque mejora la resistencia de la pieza, puede dar lugar a propiedades anisotrópicas. Para combatir el alabeo, utilice ubicaciones alternativas de compuertas o diseños de piezas que eviten una alineación excesiva de las fibras en áreas donde no se requiera una alta resistencia para soportar cargas estructurales.

Al igual que el alabeo, la deformación por fluencia o creep tiende a ser menos problemática en los compuestos de fibras largas que en los de fibras cortas, debido a que las fibras más largas ayudan a disipar la carga en una zona más amplia de la pieza. Una fuerte unión entre los filamentos de las fibras largas permite que la matriz polimérica transfiera las tensiones a la fibra más fuerte, reduciendo la fluencia. Esto se debe a que la fibra, análoga a una estructura esquelética, no se flexiona ni se desliza como lo hacen las cadenas de polímeros. La resistencia a la fluencia es también una función de la mayor relación de aspecto (longitud/ancho) de las fibras largas. Una mayor relación de aspecto permite que el polímero se "agarre" a una mayor superficie de la fibra.

A continuación, se ofrecen recomendaciones para el procesamiento de materiales compuestos reforzados con fibra larga. Hay que tener en cuenta que los materiales de fibra de carbono tienden a ser más viscosos que los de fibra de vidrio con el mismo porcentaje de peso porque la fibra de carbono es más ligera y ocupa un mayor volumen. Los materiales compuestos de fibra de carbono pueden requerir un poco más de calor para lograr velocidades de flujo similares a las de los materiales compuestos de fibra de vidrio. Los factores a tener en cuenta son:

• Secado: Los gránulos compuestos de fibra larga deben secarse utilizando un secador desecante con un ajuste de punto de rocío de -40 C (-40 F). (Nota: Incluso las resinas no higroscópicas podrían tener humedad en la superficie). Consulte el tiempo y la temperatura de secado recomendados por el proveedor para cada tipo de resina.

• Transporte: Se prefieren los sistemas neumáticos con filtros para atrapar cualquier fibra suelta y evitar que entre en el proceso de moldeo en grupos que podrían obstruir los sistemas de alimentación o introducir defectos en las piezas moldeadas. La línea de transporte no debe tener esquinas y ángulos agudos que pueden dañar los gránulos y hacer que se libere la fibra suelta.

• Moldeo: la fusión de gránulos de polímero reforzados con fibras largas suele requerir más calor y menos dependencia del cizallamiento del husillo (utilizando un perfil de temperatura plano o inverso para el barril de la máquina de moldeo). La contrapresión debe minimizarse para evitar un cizallamiento excesivo y la velocidad del husillo debe reducirse para evitar la introducción de material sólido no fundido que podría dañar las fibras. Otro riesgo es el uso de material remolido que contenga fibras rotas que pueden afectar las propiedades y rendimiento del material. La incorporación del remolido debe minimizarse o evitarse. El remolido de fibra larga es, en esencia, material de fibra corta porque la longitud de la fibra se ha degradado.

El molde debe llenarse entre un 95% y un 99% durante la fase de inyección y el resto durante la fase de empaquetado. Esto se debe a que la alta viscosidad de los materiales compuestos de fibra larga dificulta el llenado en un porcentaje mayor durante el empaquetado, que se realiza a una presión de llenado inferior a la máxima. El molde debe ser empaquetado hasta que la boquilla se congele.

• Velocidad y presión de inyección: en general, las velocidades inferiores a 25,4 mm/seg (1 pulg./seg) son ideales para minimizar el cizallamiento y la ruptura de fibras, aunque cualquier velocidad inferior a 3 pulg./seg debería ser suficiente. Por otro lado, un llenado demasiado lento puede dar lugar a una congelación prematura de las compuertas u otras zonas de las piezas de pared fina, provocando un disparo corto o incompleto.

Las velocidades de inyección específicas dependerán en gran medida de la viscosidad del material. Un material con menos contenido de fibra, por ejemplo el 30%, fluirá mejor y podrá utilizar una velocidad de inyección mayor a 2-3 pulg./seg. Un material con un 50% de contenido de fibra será más viscoso y requerirá una velocidad más lenta en el rango de 1-2 pulg./seg. Por esta razón, las condiciones de procesamiento recomendadas por el proveedor del material siempre dan rangos, que deben adaptarse a las situaciones particulares. Lo mejor es empezar en el centro de cualquier rango proporcionado y luego moverse en un sentido u otro dentro del rango, dependiendo del tipo de resultados que se obtengan. Aunque el objetivo de cualquier procesador es conseguir los tiempos de ciclo más cortos posibles, si los materiales se procesan de forma que se degradan (rompen las fibras), las piezas podrían no cumplir las especificaciones de rendimiento requeridas.

Diseño de la pieza

La pieza debe ser diseñada para proteger y mantener la longitud de las fibras, promover su alineación (dirección del flujo del material) y optimizar la resistencia y la tenacidad. Hay que procurar que el espesor de las paredes sea uniforme y evitar las zonas muy gruesas (más de 12,7 mm (½ pulgada)) para que las fibras se alineen en la dirección del flujo. La orientación aleatoria de las fibras o las formaciones de bolas dan lugar a una reducción de la resistencia estructural.

El espesor de pared mínimo recomendado es de 1,524 mm (0,06 pulgadas) y el espesor de pared óptimo para favorecer la alineación de las fibras es de 3,175 mm (0,125 pulgadas). La alineación de las fibras comienza a disminuir por encima de 5,08 mm (0,2 pulgadas). El espesor máximo es de 12,7 mm o media pulgada. Los materiales reforzados con fibra no son como los metales, por lo que hacer una pieza más gruesa no siempre se traduce directamente en una mayor resistencia. A medida que la pieza se hace más gruesa, la fibra no se alineará en todo el espesor.

Evite los diseños con longitudes de flujo muy largas y planas sin estructuras de refuerzo (nervaduras), porque es más probable que experimenten alabeo. Además, la alta viscosidad de los materiales compuestos de fibra larga puede provocar la congelación del material cuando debe llenar una pieza muy larga.

Un correcto posicionamiento de las líneas de soldadura o unión es importante para evitar la pérdida de propiedades mecánicas que puede producirse cuando los frentes de flujo se encuentran entre sí sin cruzar o entremezclar la fibra para crear un puente estructural. Estas líneas de soldadura son puntos débiles que carecen de la resistencia y la tenacidad añadidas de la fibra y dependen únicamente del rendimiento de la resina matriz. Por este motivo, las líneas de soldadura deben situarse lejos de las zonas estructurales críticas.

Mantener los beneficios de las fibras largas

Para moldear con éxito los materiales compuestos reforzados con fibras largas es necesario modificar las directrices de diseño y los parámetros de procesamiento que funcionan para las resinas no reforzadas y los compuestos de fibras cortas. Para obtener todo el valor de los materiales reforzados con fibras largas, cuyo costo es superior al de los materiales sin relleno y de fibra, es esencial seguir las mejores prácticas durante todo el proceso. Si las fibras largas se rompen o no se alinean debido a una manipulación incorrecta, al diseño del molde o a los ajustes del equipo, sus beneficios de alta resistencia y tenacidad se verán reducidos o incluso anulados. Los consejos y recomendaciones que se presentan en este artículo pueden ayudar a evitar problemas y aumentar la probabilidad de producir una pieza fuerte, resistente a los impactos y dimensionalmente estable.