Revision as of 10:25, 10 April 2025

1. Introducción

Los composites termoplásticos, en comparación con los termoestables, se utilizan cada vez más en la industria automotriz principalmente por sus altas propiedades específicas y la reciclabilidad. Además, representan una alternativa en el sector gracias a sus tiempos de producción y procesamiento reducidos, así como a su mayor tolerancia al daño [1–3].

Dentro de los composites termoplásticos, los reforzados con fibra continua ofrecen propiedades mecánicas superiores, pero su libertad de diseño es limitada. En cambio, los composites de fibra discontinua permiten obtener geometrías más complejas, pero presentan propiedades mecánicas más bajas [3].

En este enfoque la fabricación híbrida que integra diferentes procesos de fabricación de composites ha sido identificada como una solución prometedora para afrontar las limitaciones mencionadas [2,3]. Mediante la hibridación se pueden obtener componentes de composite optimizados en términos de comportamiento estructural, con geometrías más complejas que las tradicionalmente empleadas en el sector, sin comprometer su ligereza.

El moldeo por compresión o forja es un proceso ampliamente utilizado en la fabricación de composites termoplásticos, donde se pueden obtener geometrías complejas. Sin embargo, la dificultad en la distribución y alineación de las fibras puede generar defectos como la separación fibra-matriz (FMS), donde la formación de zonas ricas en matriz compromete las propiedades mecánicas de los componentes [4,5].

Por otro lado, la fabricación aditiva de composites (AM) permite controlar la orientación de las fibras, logrando distribuciones estratégicas del material que aportan a una mayor optimización de los componentes. Sin embargo, la AM presenta ciertos defectos, como una alta porosidad debido a la deficiente compactación entre capas [6,7]. En concreto, la fabricación aditiva de composite de fibra continua (cAM) representa un avance significativo en el aligeramiento estructural, ya que permite la generación de conceptos innovadores con orientaciones no convencionales, y geometrías complejas [6,7]. La combinación de esta tecnología con estrategias de diseño generativo y herramientas de optimización topológica (OT) facilita la creación de componentes con una alta optimización estructural [8]. Estas geometrías, típicamente asociadas a la OT, son difíciles de aplicar en los métodos de fabricación tradicionales, pero se adaptan bien a la flexibilidad geométrica que aporta la cAM.

La hibridación de forja y cAM podría superar las limitaciones de cada proceso de fabricación [5,9,10]. La contribución de este trabajo es estudiar la viabilidad de hibridar de un inserto de fibra continua (cAM) con un diseño optimizado topológicamente, en el proceso de la forja de composite discontinuo (GMT). Mediante el análisis microscópico y la simulación de modelos numéricos se busca demostrar que la hibridación mejora el comportamiento estructural de los componentes fabricados. Se busca demostrar que la estrategia de hibridación amplía el potencial de la cAM en la industria de composites termoplásticos.

2. Metodología

2.1. Geometría del componente híbrido

El componente híbrido es un perfil omega que sirve para simular estructuras ampliamente utilizadas en automoción (por ejemplo, las barras anti-intrusión). La geometría del perfil y sus respectivas medidas en detalle se observan en la (ver Figura 1). El perfil omega llevará integrado el inserto de fabricación aditiva de fibra continua (cAM).

El inserto cAM se diseñó utilizando herramientas de optimización topológica (OT) para distribuir y minimizar el material de manera estratégica. En este trabajo se utilizó Altair Inspire^® como herramienta de OT. El material en los componentes se distribuye en base a los objetivos y restricciones que impone el usuario (maximizando rigidez, frecuencia o minimizando la masa). Este software emplea el método SIMP, asignando valores de 0 o 1 a cada elemento del componente (–sin– o –con– material), de esta manera configura la nueva distribución del material. En este trabajo, el objetivo principal fue maximizar la rigidez del componente omega, reduciendo un 50% la masa.

Figura 1 Geometría del perfil omega para hibridación y dimensiones del perfil transversal.

2.2. Materiales

Para la fabricación del inserto cAM, se utilizan dos materiales comerciales suministrados por Markforged^®: poliamida reforzada con fibra de vidrio continua (cGF/PA) como material estructural y poliamida-6 con partículas de carbono (Onyx^®) como material de relleno. Como material base de la forja se utiliza un composite de poliamida-6 (PA6) reforzado con rovings de vidrio (Tepex^® flowcore) proporcionado por Lanxess. El material en forma de lámina tiene un espesor de 2 mm y una densidad de 1,81 g/cm3. El volumen de fibra (v_f) del GMT es de 47%.

2.3. Tecnologías de fabricación

Para el proceso de fabricación aditiva (AM) se utilizó una impresora MarkTwo^® de Markforged^®. Esta tecnología combina dos sistemas de extrusión: uno para el material de relleno y otro para el material de refuerzo. Durante el proceso de impresión, el cabezal de la impresora se mueve en el plano x-y, mientras que la base se desplaza en el eje z. Los parámetros de extrusión de la impresora se configuran automáticamente por Eiger (software de laminado de Markforged^®). El extrusor del filamento de fibra se calienta a 252 °C, mientras que el extrusor del filamento de Onyx^® a 275 °C. Ambos extrusores operan a una velocidad de 15 mm/s. La altura de capa depende del refuerzo utilizado; para cGF/PA y Onyx^®, la altura es de 100 µm.

El proceso de forja se realizó mediante una inyectora de caucho REP V37 de 100 t como prensa de compresión. El material GMT recortado se calentó mediante un horno de infrarrojos (IR) y un sistema de monitorización y control de temperatura mediante sondas hasta los 270 ºC. El material precalentado se traslada a la prensa hidráulica mediante una bandeja móvil. La etapa de compresión se dio a una velocidad de cierre de 5 mm/s y una presión de 100 t. El tiempo de enfriamiento, previo a la extracción del componente, fue de 60 s.

2.4. Análisis microscópico

Para analizar la consolidación y estudiar la intercara de los materiales hibridados en prensa se utilizó un microscopio óptico Leica DMS 1000. Para ello, se analizó la sección transversal de unas muestras de los componentes híbridos. Las muestras de las secciones transversales para microscopía fueron cortadas con una máquina de corte manual y posteriormente pulidas en una lijadora metalográfica automática con lijas de un tamaño de grano de 125 µm.

2.5. Simulación numérica

Para evaluar el efecto de la hibridación en el comportamiento mecánico de la viga omega, se realizaron simulaciones numéricas mediante Abaqus CAE. Se desarrollaron dos modelos numéricos; una viga omega de referencia con material GMT (Ref) y una viga híbrida de GMT con el inserto cAM incorporado (Hibrido). Ambos modelos se sometieron a un caso de carga que replicaba un ensayo de flexión 3 puntos. Para en análisis del comportamiento mecánico se utilizó el factor de rigidez k que se obtuvo mediante la respuesta de la deformación (d) de las vigas omega bajo una determinada carga (F):

Para modelizar ambos modelos numéricos se importó el CAD del omega (ver Figura 1). La modelización de la viga observa en la Figura 2. Para el modelo numérico Ref (GMT) se configuró toda la viga con el material GMT y propiedades homogéneas. El modelo Híbrido se modelizó de la misma manera, pero añadiendo el inserto cAM obtenido de la OT (apartado 2.3.).

Figura 2 Modelización para modelos numéricos.

3. Resultados

3.1. Optimización topológica

El proceso de Optimización Topológica (OT) se observa en la Figura 3. Se divide en 6 etapas con las que se consigue el diseño del inserto cAM para la hibridación. Primero se definen el problema, donde se importa el modelo CAD del omega y se configura un estado de carga que simule el ensayo de flexión 3 puntos y después el espacio de diseño en el componente, dónde se aplicará la OT. En este caso, como el objetivo del trabajo es optimizar la zona plana del omega se simplifica el problema y se configura para la optimización la zona plana de 300 x 48 mm del omega.

Figura 3 Proceso de Optimización Topológica (OT).

En segundo lugar, se definen las condiciones de contorno, los materiales y los objetivos para la optimización. En la Figura 3 se observa cómo se aplicó una carga puntual de 300 N en medio de la viga, que estaba biapoyada. El material se definió como Onyx^®, en este caso, Altair Inspire trabaja con materiales isótropos, y el material más restrictivo del proceso cAM era el material de base. El resultado de la OT es el ‘diseño preliminar’, donde el software propone una distribución del material en base a los objetivos y restricciones establecidos por el usuario. Este diseño pasa por un proceso de interpretación donde, por un lado, se refinan las cotas buscando un modelo CAD semiacabado (1ª interpretación), y por otro, se busca un diseño adaptado al proceso de fabricación mediante metodologías de Design for Additive Manufacturing (DfAM), en este caso, a la fabricación aditiva de fibra continua (cAM). En esta segunda y última interpretación (2ª interpretación) se buscó darle continuidad a la geometría con curvaturas continuas y suavizadas, teniendo en cuenta el proceso de deposición de la fibra continua y sus posibles defectos como; el ‘folding back’ o roturas de fibra que se dan en radios de curvatura demasiado pequeños. Por otro lado, también se ajustaron las distancias mínimas de áreas que podrían resultar demasiado estrechas para una ida/vuelta de fibra continua, asegurando así un mínimo de dos anillos concéntricos a lo largo de todo el perímetro. De estas interpretaciones, se obtuvo el ‘diseño final OT’ del inserto que se hibridaría con el componente omega en el proceso de forja.

3.2. Hibridación de procesos

Fabricación Aditiva (Markforged^®)

Para configurar la fabricación del inserto cAM se utilizó Eiger(ver Figura 4a). Con el objetivo de buscar una óptima consolidación entre ambos materiales de la hibridación se optó por mantener las cuatro primeras capas de base de Onyx^® que establece el slicer por defecto, para que la intercara inserto-GMT fuese PA-PA. En la Tabla 1 se recogen todos los valores de la configuración de la impresión, y en la Tabla 2 los tiempos y cantidad de materiales utilizados para la fabricación. El resultado del inserto cAM final se muestra en la Figura 4b.