Analysis of the
manufacturing process by CAD-CAM process of a mold for composite materials =
for
the automotive industry<=
span
lang=3DEN-US style=3D'font-size:14.0pt;font-family:"Times New Roman",serif;
mso-fareast-font-family:"Times New Roman";color:#212121;mso-ansi-language:E=
N-US'>
Edgar Fabián Sánchez Carrión.[1], =
Edison
Marcelo Castillo Cárdenas. [2],<=
/span> Victor<=
/span>
David Bravo Morocho. [3],
Edison Patricion Abarca Pérez.[4] & Paúl Montufar.=
[5]
Recibido: 28-02-2019 / Revisado: 27-0=
2-2019
/Aceptado: 24-03-2019/ Publicado: 05-04-2019
The present work analyzes a construction
process and the variables of a mold for an extrusion process for the compos=
ite
material, the mold must comply with specific characteristics and tolerances=
and
that this is a process for obtaining profiles of constant section in base to
composite materials by means of glass fiber reinforcement and thermostable
matrix, when these molds are used to obtain constant sections it is necessa=
ry
that the mold in its construction complies with the working conditions. It =
is
an experimental study of the best processes of construction of the mold of =
the
constant section of virtual manufacturing processes, the position that the
constitution must take into account the variables of work such as heat
transfer, the friction of the fibers of glass, and the speed of work.
Keywords:
CAD-CAM, fiber reinforced plastic (FRP), fiberglass,
molds.
El
presente trabajo se analiza un proceso de construcción y las variables de un
molde para un proceso de extrusión para material compuesto, el molde debe
cumplir con características y tolerancias especificas ya que este es un pro=
ceso
para la obtención de perfiles de sección constante en base a materiales
compuestos por medio refuerzo de fibra de vidrio y de matriz termoestable, =
al
servir estos moldes para la obtención de secciones constantes es necesario =
que
el molde en su construcción cumpla con las consicioine=
s
de trabajo. Se estableció un estudio experimental de los mejores procesos de
construcción del molde de sección constantes aplicando procesos de manufact=
ura
virtual, puesto que la constitución debe soportar las variables de trabajo =
como
son la transferencia de calor, la fricción de las fibras de vidrio, y la
velocidad de trabajo.
Palabras Claves: material compuesto,
CAD-CAM, fiber reinforced<=
/span> plastic (FRP), fibra de vidrio, moldes.
Introduccion.
Un material compuesto está conformado por dos o más
materiales que son diferentes entre si, para lo=
cual
existen diferentes métodos de fabricación. Dentro del proceso de fabricació=
n de
materiales compuestos de sección constante tenemos que una parte fundamenta=
l es
el molde donde las fibras de vidrio entran en contacto con la resina y ahí =
es
donde toman la sección constante deseada. Cuando la resina que en varias oc=
asiones
está cargada de rellenos que en la mayoría de ocasiones son alúmina o carbo=
nato
de calcio, aumentan la fricción entre las paredes internas del molde, es por
ello que necesitamos garantizar una superficie totalmente lisa. Un punto muy
alto es que debemos garantizar un molde en que este perfectamente mecanizado
para poder garantizar que la sección sea constante dentro de todo el proces=
o,
es por ello que las zonas de calefacción dependen del acabado superficial
interior del molde.
Figura
1.
Proceso de extrusión de material compuesto
El desarrollo de este
tipo de materiales nace de la necesidad de tener productos resistentes
mecánicamente, resistentes a la corrosión, y de peso ligero. En la actualid=
ad
los procesos de obtención de perfiles de sección constante son muy difundid=
os y
con aplicaciones en todos los campos de la ingeniería. Es por ello que al
debemos tener, moldes mecánicamente resistentes y con las tolerancias adecu=
adas
para puedan soportar la transferencia de calor y los esfuerzos dentro del
mismo, por lo cual tenemos diferentes formas y materiales en su uso. Una fo=
rma
muy usual es como la que tenemos en la figura 2 en la cual el molde es divi=
dido
en dos partes iguales.
Figura
2.
Molde para material compusto extruido.
La importancia que tien=
e el
molde en un proceso de extruido es importante ya que el mismo define la sec=
ción
que debe garantizar la estabilidad dimensional el elemento deseado. Es por =
ello
que al ser el elemento central del proceso que sirve para eliminar el aire,=
la
humedad, el exceso de resina, cambios de temperatura para lograr un proceso=
de
curado del material compuesto, y que el arrastre no genere fricción excesiva
como se puede ver es un elemento importante en el proceso antes descrito. C=
on
lo anteriormente expuesto es importante tener un molde que cumpla estos
requerimientos, la mecanización del mismo va de la mano con los costos que
implica el proceso es por ello que al tener procedimientos optimizados
garantizamos costos a mayor calidad del molde.
Este tipo de perfilería=
se
usa en países de la unión Europea a través de pr=
oyecto
como COALINE el cual lleva a cabo nuevos procesos de fabricación para reduc=
ir
costos y que el perfil cumpla las exigencias para que sea utilizado en dicha
área. Así como CQFD COMPOSITES que lleva este material estos materiales com=
o absolvedores
de impacto en automóviles
La importancia de dichos
materiales y de su forma radical en el uso que se está llevando a reemplaza=
r a
las estructuras hechas con materiales tradicionales por este tipo de perfil=
ería.
En el proceso de
ingeniería en la actualidad se procede a realizarlo por medios de CAD/CAM q=
ue
no es nada más que proceso de diseño y manufactura asistida por computadora=
, la
que nos permite tener los
procesos para fabricación con el fin de entregar producto que
cumpla con los requerimientos deseados.
Material
El molde necesita un material que este
acorde a los requerimientos necesarios para poder tener un buen desempeño y=
que
su vida útil óptima. Se necesita un molde que sea razonablemente duro para =
que
la fuerza abrasiva de los refuerzos, resina y fibras sean compensados.
Hemos seleccionado un bloque de acero =
AISI
4140 con una dureza Rockwell 28, por lo que su dureza nos permitirá alcanzar
tiempo de mecanizados coherentes, y su posterior tratamiento superficial.
Tab=
la
1.
Propiedades AISI 4140.
|
Pr=
opiedades
mecánicas AISI 4140 |
|||
|
Du=
reza
(HRc) |
Es=
fuerzo
a la fluencia (Kg/mm2) |
Es=
fuerzo
a la tracción (Kg/mm2) |
|
|
28=
-34 |
60=
-74 |
95=
-105 |
10=
-18 |
El molde debe cumplir
requerimientos de trabajo que permitan extruir el elemento. Este molde esta soportando diferentes condiciones de trabajo en =
los
cuales se aplica el sistema de calentamiento para que la resina en su inter=
ior
se pueda solidificar, asi como las fuerzas de
tracción en las cuales la mezcla fibras y resina que se producen por el
arrastre de las mismas.
Sistema
de transferencia de calor.
La ecuación de transferencia de=
calor
dentro del molde en coordenadas cartesianas esta descrito en la ecuación 1:=
Donde ρ es la
densidad del compuesto, Λho es el calor de=
la
reacción del polímero, W res la fraccion másica=
de la
resina, Ra es la velocidad de reacción de la resina utilizada en este caso
resina poliéster isoftalica, Vz
es la velocidad de tirado de lor hilos de fibra=
de
vidrio. Con la ecuación 7 es necesario obtener la velo=
ciad
de la reacción de la polimerización (curado) que viene expresada en la ecua=
ción
8 que involucra la exotermina.
Dónde
y
Resolviendo las
ecuaciones 10 y 7 obtenemos las temperaturas en las cuales los iniciadores =
para
el proceso de polimerización son óptimos lo que nos impide que la
polimerización se de en el tanque de resina.en
la tabla 2 obtenemos dichas temperaturas con las que se trabaja.
Tab=
la
2. Zo=
nas
de calentamiento.
|
|
Zona 1<= o:p> |
Zona 2<= o:p> |
Zona 3<= o:p> |
|
Tempera=
tura
(°C) |
70 |
120 |
170 |
|
Longitud
(mm) |
280 |
220 |
200
|
Fue=
nte:
Adaptado
La transferencia de c=
alor
indicada en el molde se puede observar en la figura 3 con lo que se conside=
ra
una temperatura ambiente de 20 °C.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Es por lo cual tenemos
que el molde debe soportar temperaturas que van desde los 70 a 170 °C, la c=
arga
térmica que esta soportando se debe afectar al
proceso de mecanizado es por lo cual debe garantizar que el molde después de
esta carga no sufra afectaciones dimensionales, es decir garantizar su
estabilidad dimensional.
El molde también debe
soporte mezclas químicas de diferentes tipos de resina una concentración de=
la
mezcla:
· =
Resina
poliésteres isoftalica la que va a ser nuestro
estándar en porcentaje de peso es decir en 1000g
· =
Iniciador
para temperatura baja Percadox 16 la concentrac=
ión
recomendada es 0.5 a 1.5 %.
· =
Iniciador
TBPO la concentración recomendada es 0.5 a 0.25 %.
· =
Iniciador
TBPB la concentración recomendada es 0.5 a 0.25 %.
· =
Pigmento
Amarillo para resina poliéster 0.5-2.5%
· =
Carbonato
de calcio, se debe poner entre un 10 – 30 %.
· =
Talco
industrial, las cantidades recomendad es 10 – 30 %.
· =
Alúmina
como agente desmoldante 0.5 a 1.5%.
Para la velocidad de =
arrastre
de los pullers.
· =
Velocidad:
0,1 – 0,4 m/min.
Los diferentes tipos =
de
resina en los cuales va a trabajar el molde generan fr=
iccion
por ello que necesitamos que el molde.
Diseño
Con todos estos
parámetros en cuenta debemos asegurarnos que el diseño del molde sea en dos
partes iguales con lo cual garantizamos que el proceso de mecanizado en amb=
as
caras sea el mismo. En la figura 2 podemos ver la modelación del elemento.
Debemos tener unos últimos puntos en cuenta como son que todas
las superficies de molde en su interior debe tener un acabado SPI /S=
PE
número 2, lo cuales en su dirección debe ser longitudinal
Todas las superficies de los moldes
internos que consideran los materiales de FRP deben tener un SPI / SPE acab=
ado
2 molde con el atenuante que el pulido final debería estar en la dirección
longitudinal.
Figura 4.
Molde de extruido de material compuesto.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Como ultima considera=
ción
debemos tener un espesor de 0,0015-0,002 pulgad=
as de
espesor de cromado para tener una larga vida útil del molde o un tratamiento
superficial.
En el molde podemos v=
er
que se tiene un bloque de acero AISI 4140 con lo cual necesitamos afinar las
caras en la cual vamos a mecanizar porque este va a ser el punto de unión de
las dos partes del molde.
Figura 5. Mecanizado
cara superior
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Cara en la cual a
utilizamos una estategia de zig-zag
para no ejercer altos esfuerzos en el elemento con lo que tenemos un tiempo=
de
mecanizado de 23.34 minutos. Y como se puede ver en al =
figura
el material que nos deja este procedimiento.
Figura 6.
Grosor por espesor del mecanizado
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
El siguiente
procedimiento es el necesario para poder unir las dos partes del molde, la
unión la vamos a realizar mediante pernos M8x1.25; en este procedimiento
podemos hacerlo en dos etapas primero con una perforación y luego con un
machuelo macho que nos de la medida requerida, esto solo lo hacemos en la p=
arte
inferior ya que en el molde superior se va a realizar un procedimiento dife=
rente.
Figura 7.
Perforado.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Para el mecanizado se=
han
realizado la siguientes estrategias de trabajo e=
n la
perforación con rotura de viruta para poder garantizar la circularidad en la
perforación, para en su posterior proceso poder hacer el roscado en con lo =
que
obtenemos un tiempo de 8.5 min.
Para el proceso de
roscado obtenemos mediante un machuelo macho con la medida, velocidades, ti=
empo
de espera que se solicitada dentro de la norma para la construcción de este=
tipo
de moldes.
Figura 8.
Roscado interno para unión del molde.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Se ha concretado los
valores para que el machuelo tenga dos velocidades una de entrada y otras de
salida ajustando la secuencia de trabajo para poder obtener la mejor calida=
d de
la rosca. Con lo cual variando la estrategia tenemos que se ha reducido el
tiempo de trabajo el cual se puede evidenciar en las figuras posteriores.
Una vez definido las
caras externas de trabajo, es necesario concentrarnos en garantizar la
circularidad del molde, para lo que vamos a comenzar a maquinar la superfic=
ie
del semi-circulo mediante un contorno con una f=
resa
8.
Figura
9.
Roscado interno para unión del molde.
Fuente: Adaptado de
fuente propia.
Con este tipo de
mecanizado por la forma de la herramienta tenemos que ajustar la estrategia
para que nos de la forma del semi-circulo, pues
tenemos que notar por la forma quedan dientes de sobre=
material.
Es por ello que se necesita un nuevo proceso con una herramienta diferente,=
el
tiempo estimado para este proceso con el ajuste de 300 min.
Figura 9.
Desbaste y acabado del semi-circulo.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
En la nueva estrategi=
a de
proceso que tenemos es seguir el contorno con una fresa redonda de 8 mm con=
una
estrategia sobre el contorno para eliminar los sobre-m=
ateriales,
en esta proceso de mecanizado tenemos que ajusta=
r las
medidas al cono y al ajuste propio de la herramienta para poder tener un me=
nor sobre-material. En a figu=
ra vemos
el ajuste que se hizo en velocidad, trayecto y poder tener una forma adecua=
da.
Figura 10.
Estrategia de corte con fresa redonda.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Una vez terminado el
mecanizado podemos ver que con este tipo de estrategia la herramienta que es
necesario refinar las curva de mecanizado. Es po=
r ello
que utilizamos una estrategia de contorno de área que ajuste de velocidad,
avance por diente y un afilado fino de la herramienta podemos obtener un
seguimiento fino de la forma del molde.
Figura 11.
Material del proceso de afinado.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Con la estrategia de
contorno de área vemos que por último seguimos a la curva de una forma adec=
uada
y no tenermos picos de material lo cual no es
adecuado por las condiciones de trabajo que sirven para tener un buen acaba=
do superficialmdel elemento extruido.
Figura 12.
Trayectoria del mecanizado.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Con este tipo de
mecanizado podemos observar que podemos ver que no existe ningún tipo de
Figura 13.
Material después del afinado.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
El material para la
construcción para este tipo de molde es necesario que cubra las necesidades=
de
las condiciones de trabajo. Con lo cual tenemos que garantizar su calidad
superficial al producto final y el ajuste de las variables de trabajo para
optimizar el proceso, es necesario que los tiempos de mecanizado versus cal=
idad
y prestaciones de trabajo de los mismos es importante para el costo del
mecanizado y asi poder amortizar su costo en la
producción de perfiles extruidos.
Asi en el primer mecanizado de elementos con un aj=
uste
de los parámetros se puede ver la variación de la calidad con el tiempo de
desarrollado del primer proceso. Para cada proceso fue necesario ajustar
tiempos y calidad, es importante recalcar que por cada proceso se hizo cinco
pruebas de mecanizado hasta llegar con la óptima que se ajusta a la máquina=
y
herramientas disponibles para tener las prestaciones antes mencionadas.
Figura 14.
Tiempos de mecanizado desbaste.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
En el segundo
mecanizado se procede al retiro de los picos de material que desarrolla el
primer proceso los ajustes de los parámetros tenemos la
siguientes tiempos
Figura 15.
Tiempos de mecanizado de segundo desbaste.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
El siguiente proceso de mecanizado del elementose tiene un ajuste de parámetros se puede ver=
la
variación de la calidad con el tiempo de desarrollado del segundo proceso.<=
o:p>
Figura 16.
Tiempos de mecanizado de segundo desbaste.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Asi en el cuarto mecanizado que obtenemos el afina=
do
de elementos es el que mas demanda tiempos y es=
por
lo que es necesario tener un ajuste de los parámetros sin variar la calidad
necesaria.
Figura 17.
Tiempos de desbaste y afinado.
Fuente:
Adaptado de fuente propia.
Conclusiones.
·&nb=
sp;
El proceso es necesario utilizar
optimización del proceso de mecanizado para obtener tiempos coherentes para
garantizar la relación costo vs. calidad. Así también es necesario que el
diseño tenga en cuenta las variables del proceso de extruido como es la dis=
posición
de los hilos, concentración de resina, las temperaturas en el molde, y la
velocidad de arrastre del proceso son determinantes en la obtención de un m=
olde
el cual garantice que estas variables puedan ser controladas de una manera
recomendable. Es importante ajustar el modelo para que pueda utilizarse con
otro tipo de resinas por lo que para aplicaciones industriales de alta carga
que se utiliza una resina epoxica. Para una may=
or
durabilidad del mecanizado podemos darle un tratamiento superficial como un
nitrurado o cambiar el material por lo que se puede ajustar velocidades y el
tiempo variaría con lo cual a más tiempo mayor es el costo que se obtiene d=
el
molde.
Agradecimiento
Esta
investigación no habría sido posible sin el apoyo de la empresa AISA COMPOSITES por lo que agrade=
cemos
la disposición por buscar mejoras tecnológicas por el bien de la sociedad.
Además este trabajo investigativo es =
el
fruto del esfuerzo conjunto de conocimientos y experiencias laborales de los
Ingenieros involucrados en este trabajo. Con estas líneas queremos mostrar =
nuestro agradecimiento a todas aquellas per=
sonas
que supieron orientar nuestra investigación de una manera exitosa.
=
Referencias bibl=
iográficas
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PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
=
Sánchez E., Castillo =
E., Bravo V., Abarca E. & Montufar E.
El artículo que se publica es de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Ciencia
Digital.
El artículo qu=
eda
en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en
otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1]
Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo,
Chimborazo, Ecuador, esanchez_c@espoch.edu.ec
[2]
Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo,
Chimborazo, Ecuador, edison.castillo@espoch.edu.ec
[3]
Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo,
Chimborazo, Ecuador, victor.bravo@espoch.edu.ec
[4]
Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo,
Chimborazo, Ecuador, edison.abarca@espoch.edu.ec
[5]
Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo,
Chimborazo, Ecuador, paul.montufar@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org
=
Vol.
3, N°2, p. 620-635, abril - junio, 201