Development of dry fiber based on thermoplastic binders for aeronautical applications

1. Introducción

Los materiales compuestos han sufrido una gran evolución en las últimas décadas debido a su gran demanda en sectores con capacidad de inversión y mejora como lo es el aeronáutico. Las cintas de fibra seca no son otra cosa que un paso más en este proceso. La principal razón del interés en estos materiales no es otra que la capacidad de albergar buenas propiedades de resistencia y rigidez específicas, esto es, con relación a su masa. Suponen por lo tanto una punta de lanza a la hora de fabricar estructuras y útiles para aplicaciones en las que una mayor ligereza suponga grandes beneficios y una ventaja respecto a la competencia. Existen alternativas a los materiales preimpregnados debido a sus desventajas en términos de reciclabilidad, coste y consumo energético. Aunque este método ofrece excelentes propiedades mecánicas en la pieza final, su eficiencia global está siendo cuestionada. Como consecuencia, la industria está volcando su atención hacia métodos de fabricación más sostenibles y económicos.

Una de las opciones más prometedoras es la colocación automática de fibra seca. Sin embargo, para comprender mejor su relevancia, es útil revisar primero la tecnología de deposición automática de refuerzos preimpregnados. Este proceso, junto con el laminado manual, ha sido ampliamente utilizado en sectores exigentes como el aeroespacial. En estas aplicaciones, un cabezal automatizado deposita cintas o haces de fibra ya impregnados con resina siguiendo trayectorias predefinidas sobre un molde o superficie de trabajo. Una ventaja clave de esta técnica es la posibilidad de orientar el refuerzo de forma estratégica, más allá de la simple colocación unidireccional. Esto permite adaptar las propiedades del material compuesto a los requerimientos mecánicos específicos de cada zona, optimizando el rendimiento local del componente. Las trayectorias de fibra pueden definirse mediante métodos analíticos —basados en direcciones de carga o tensiones principales— o mediante herramientas avanzadas que integran algoritmos de optimización para reducir peso sin comprometer la resistencia.

La fibra sin matriz, necesita de algún tipo de aglutinante que las mantenga unidas, a este agente se le denomina binder. Fibra y binder constituyen la ya nombrada fibra seca. Ahora aparece un tercer eslabón, el binder, que idealmente no debe interferir, o hacerlo lo menos posible, en la relación entre estas dos fases principales y que forman en definitiva el compuesto. Es por lo tanto de vital importancia definir y elegir el binder correcto, que puede ser por cierto termoplástico o termoestable. Uno de los grandes desafíos a los que se enfrenta este proceso es mantener la estabilidad de las fibras durante la infusión. Los binders juegan un rol clave en la formación de preformas. Cuando se activan con calor, es necesario que su temperatura de transición vítrea sea lo suficientemente baja para no dañar ni el material ni el recubrimiento de las fibras, pero lo bastante alta para que el aglutinante se mantenga sólido a temperatura ambiente. Estos aditivos se pueden encontrar en varias formas: en polvo, spray, velo o emulsión. No hay una presentación ue sea mejor para todos los casos, ya que la elección depende del tipo de equipamiento que haya en cada planta de producción y de cómo se integre el proceso dentro de la línea de fabricación.

2. Experimental

2.1. Selección de materiales

Tras la revisión de literatura se selecciona la Polimida 6 (PA6) como el material idóneo. Se selecciona una poliamida con una baja viscosidad y alto índice de fluidez, con el objetivo de favorecer la impregnación del refuerzo por parte del polímero. En este sentido se selecciona la PA6 Ultramid® B3S de BASF. Adicionalmente, se contempla la comparación entre la fibra seca empleando un binder producido por AIMPLAS con una fibra seca, igualmente producida por AIMPLAS, pero empleando un binder comercial, empleando PA12 (PA12 Smooth; SINTERIT®).

2.2. Compounding

La obtención de los distintos binders se obtuvieron mediante tecnologías de compounding usando extrusoras corrotativas de doble husillo permitiendo y garantizando una correcta distribución y dispersión de los aditivos utilizados. El equipo utilizado fue la Coperion ZSK 25.

Tabla 1. Materiales empleados en el proceso de compounding.

Tipo de material	Proveedor	Denominación comercial
Polímero	BASF	PA6 Ultramid® B3S
Extensor de cadenas	BASF	Jonkryl ADR-4468
Antioxidante	BASF	Irganox 1010
Antioxidante secundario	BASF	Irgafos 168
Material ignífugo	Clariant	Exolit OP 1400

Tabla 2. Compounds de poliamida e ignífugo (Exolit OP 1400) producidos en el marco de este proyecto.

Muestra	Descripción
PRO24-0138-04	PA6 B3S (1% Jonkryl+0.2% Irganox 1010+0.2% Irgafos 168) + 20% Exolit OP1400
PRO24-0138-05	PA6 B3S (1% Jonkryl+0.2% Irganox 1010+0.2% Irgafos 168) + 25% Exolit OP1400
PRO24-0138-06	PA6 B3S (1% Jonkryl+0.2% Irganox 1010+0.2% Irgafos 168) + 30% Exolit OP1400
PRO24-0138-07	PA6 B3S (1% Jonkryl+0.2% Irganox 1010+0.2% Irgafos 168) + 35% Exolit OP1400

Tras el proceso de compounding se procedió al micronizado de los compuestos empleando para ello una micronizadora Retsch ZM200 y una tamizadora Retsch AS300 Control y disponibles en AIMPLAS. Con el objetivo de estudiar el efecto del tamaño de partícula del binder en la producción de fibra seca, cada compuesto de reduce a dos tamaños de partícula diferenciados: <100 µm y [100-120 µm].

La elección de los tamaños de partícula está basada en la interacción de tres elementos fundamentalmente. Por una parte, la obtención de tamaños en el mismo orden de magnitud que los disponibles a nivel comercial (tamaño medio: 38 µm). Por otra parte, la revisión de literatura sobre tamaños de binder empleados en estudios previos muestra el empleo de tamaños de partícula en el orden de 100 µm.

Figura 1. Binder obtenido por compounding en formato granza.

Figura 2. Micronizadora (a) y tamizadora (b) empleadas para la obtención de los tamaños de polvo deseados.

2.3 Producción de fibra seca

La fibra sobre la que se va a depositar el binder es la Panex® 35 Continuous Tow fabricada por ZOLTEK. El precursor es PAN (poliacronitrilo) y los distribuyen con un amplio número de sizings diferentes en función de la aplicación y binder empleado por el usuario final. Esta fibra tiene sus principales aplicaciones en el sector aeroespacial y de energía eólica. La fibra está compuesta por 50000 hilos. Sus principales propiedades mecánicas y físicas se recogen en la Tabla 5.

Figura 3. Rollos del Panex 35® ZOLTEK

Tabla 3. Propiedades de la Panex® 35 ZOLTEK

Propiedad	Valor
Tensión de rotura	4137 MPa
Módulo de elasticidad	242 GPa
Conductividad eléctrica	0.00115 ${\textstyle \Omega }$ /cm
Diámetro de fibra	7.2 ${\textstyle \mu }$ m
Densidad	1810 kg/ ${\textstyle {m}^{3}}$
Contenido en carbono	95%
Ensimaje	Poliamida 6

El binder como se ha comentado es el PA6 B3S también llamado Ultramid®B3S con una temperatura de fusión de 220ºC, como factor a tener en cuenta es que las poliamidas son sustancias higroscópicas, es decir, que absorben humedad por lo que es necesario deshumedecer el material previamente a usarlo.

Tabla 4. Propiedades de la PA6 B3S

Propiedad	Valor
Densidad	1130 kg/ ${\textstyle m{\mbox{ˆ}}3}$
${\mathit {\boldsymbol {T}}}_{\mathit {\boldsymbol {G}}}$	60 ºC
${\mathit {\boldsymbol {T}}}_{\mathit {\boldsymbol {m}}}$	220 ºC
Módulo de elasticidad	3.5 GPa
Tensión de rotura	90 MPa
Deformación de rotura	0.04

El proceso de deposición del binder sobre la fibra sigue el siguiente esquema de producción.

Figura 4. Esquema de la linea de producción

Figura 5 . Equipo de producción de fibra seca de AIMPLAS.

Figura 6. Fibra seca obtenidas a partir del equipo de planta piloto de AIMPLAS

Figura 7. Pre consolidación de la fibra seca desarrollada.

2.5. Infusión de las preformas

Una vez obtenidas las preformas pre-consolidadas, se procede al infusionado de resina mediante bolsa de vacío para así validar la tecnología y obtener piezas finales. El proceso de obtención de laminados siguió el siguiente esquema:

Figura 8. Infusión de resina asistida por vacío.

Figura 9. Impregnación de la resina en el lamindo.

Figura 10. Infusión de resina asistida por vacío.

Tabla 8. Recopilación de experimentales de infusión llevados a cabo con la fibra seca con binder de PA6 B3S

Parámetros	Preforma infusión 1	Preforma infusión 2
Dimensiones (cmxcm)	20x30	20x30
Nº capas	10	10
Espesor (mm)	3.55	3.50
Peso (g)	187	173

3. Caracterización

La fibra seca obtenida se ha analizado mediante microscopía óptica para estudiar la presencia del binder en la fibra y analizar la correcta distribución a lo largo de la fibra. Las siguientes imágenes obtenidas en el microscopio óptico confirman la presencia de binder en la fibra seca.

Figura 11. Imágenes de Fibra Seca con binder de PA6. a) Bobina fibra seca con binder PA6 B3S (<100micras). b) Igual que a).

El binder sólo conformado por la poliamida 6 B3S presenta ciertas aglutinaciones de material que ya que varias mediciones superan las 100 µm de tamaño. En el caso del uso de ignífugos las fibras con un 20% de Exolit tienen una dispersión correcta ocupando de forma mas o menos uniforme todo el frame. Sin embargo, las imágenes del binder con un 25% de Exolit no muestra apenas mediciones, confirmando lo observado durante la producción, porcentajes mayores del 20% no dan lugar a una consistencia aceptable.

Ensayo de Tracción

Siguiendo la norma UNE EN ISO 527-4:24 se realiza el ensayo a tracción de la fibra seca fabricada y dispuesta en una colocación [0/90] lo que supondrá a la hora de compararlo con otros materiales orientados solo en la dirección del esfuerzo, propiedades inferiores a tracción unidireccional.

Figura 12. Curvas tensión-deformación registradas durante los ensayos a tracción

Tabla 5. Resultados mecánicos obtenidos.

Material	${\textstyle {\mathit {\boldsymbol {E}}}_{\mathit {\boldsymbol {t}}}{\mathit {\boldsymbol {\,}}}}$(GPa)	${\textstyle {\mathit {\boldsymbol {\sigma }}}_{\mathit {\boldsymbol {t}}}}$ (MPa)	${\textstyle {\mathit {\boldsymbol {\epsilon }}}_{\mathit {\boldsymbol {t}}}}$ (%)	Fuente
AIMPLAS (Panex® 35 + PA6 B3S)	41	583	3.40	-
Fibra seca con binder film (UD)	137	2070	-	(Wang, Bai, Yue, Li, & Zhang, 2016)
Prepreg+ Autoclave	118	1229	-	(Rodríguez, Gómez, Cristiano, & Gude, 2020)
Aluminio 7075-T6	72	572	11.00	(ASM, s.f.)

4. CONCLUSIONES

El presente estudio ha permitido el desarrollo de binders termoplásticos capaces de ser utilizados en los sistemas de producción de fibra seca propios de AIMPLAS. Así pues, un hito clave del trabajo ha sido el diseño y validación de un equipo propio de producción de fibra seca, utilizando los binders termoplásticos desarrollados y la preconsolidacion de paneles para su postprocesado. Además, la tecnología de infusión por vacío ha sido validada satisfactoriamente, demostrando la viabilidad del sistema en condiciones reales de procesado. Actualmente, se están llevando a cabo ensayos de caracterización mecánica y microestructural de las piezas obtenidas, cuyos resultados estarán disponibles en fases posteriores del estudio.

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