Diseño asistido por computador de moldes para la tecnología de RTM ligero

La tendencia hacia la reducción de costos y a la disminución de peso de los plásticos reforzados con fibra de vidrio PRFV en las industrias aeroespacial, automotriz y de la construcción, han impulsado el desarrollo de nuevas tecnologías de moldeo cerrado. Vale la pena indicar que el éxito de estos materiales radica en que conjugan alto desempeño mecánico, bajo peso, resistencia a la corrosión y la posibilidad de fabricar bajos volúmenes [1-3]. Aunque un alto porcentaje de las piezas de PRFV en América Latina son fabricadas a través de sistemas de moldeo abierto (en Colombia está cerca del 95%), en el ámbito mundial se vienen desarrollando y utilizando tecnologías de moldeo cerrado, que ofrecen mayor productividad y calidad con relación al moldeo abierto. Dentro de las nuevas tecnologías de moldeo cerrado aplicables a la resina de poliéster insaturado se deben mencionar el moldeo por transferencia de resina (RTM convencional), que implica una mayor inversión en equipos y moldes. Sin embargo, existen algunas variantes que involucran inversiones más modestas, tales como el moldeo por transferencia de resina asistido con vacío (RTM VACFLO), el moldeo por transferencia de resina infusión con membrana y el moldeo transferencia de resina ligero (RTM ligero).

De particular importancia y aplicabilidad a nuestro medio es el proceso de moldeo transferencia de resina ligero (RTM ligero), que presenta las siguientes ventajas en comparación con el moldeo abierto:

Mejoras en calidad:
-- Se pueden obtener piezas con acabado superficial por ambas caras.
-- Mejor reproducibilidad del espesor de las piezas.
-- Facilidad para moldear estructuras complejas y con espesores entre 0.5 mm y 90 mm.

Mejoras en productividad:
-- Menores costos de producción: algunas estimaciones efectuadas sobre la base de una producción de 15 unidades al día indican que se pueden tener ahorros anuales en los costos de producción de hasta un 40%, que representan hasta 10 veces el valor de un molde tradicional.

-- Se puede automatizar dando como resultado velocidades más altas de producción.

-- Reducción de la generación de desechos y reprocesos.

Mejoras ambientales:

-- Menores emisiones de componente volátiles.

El RTM ligero es una tecnología de moldeo por transferencia de resina donde el refuerzo de fibras secas (usualmente llamado preforma) es colocado en el molde, el molde es cerrado y la resina fluye en la cavidad del molde impregnando el refuerzo. El principal atractivo de esta tecnología radica en que los moldes son fabricados en materiales menos costosos, como por ejemplo resina de poliéster reforzados con fibra de vidrio.

Pese al auge mundial y a las ventajas de estas tecnologías emergentes de RTM, en los países latinoamericanos han tenido poca penetración debido a las mayores inversiones en equipos y moldes, pero principalmente por no contar con asesoría y acompañamiento en el diseño de nuevos moldes o la reconversión de los moldes actuales, así como también en la optimización del proceso.

Este artículo ilustra cómo algunas herramientas de simulación son útiles para el diseño y optimización de los moldes destinados al proceso de RTM ligero. Con un caso práctico del diseño de una bañera, se ilustrarán los beneficios que ofrece la utilización de las herramientas de simulación en el diseño de moldes para RTM ligero.

Metodología para el diseño de moldes de RTM:
Para el adecuado diseño y optimización de un molde de RTM ligero se debe utilizar la siguiente aproximación metodológica de diseño:

-- Modelamiento geométrico de la pieza: En ésta etapa se concibe la geometría de la pieza, a partir de una imagen generada en un programa de modelamiento geométrico o digitalizando un prototipo de la pieza.

-- Generación de malla de elementos finitos: Para realizar las simulaciones con mayor facilidad, se recurre a ‘discretizar’ la geometría de la pieza en una red de elementos finitos, utilizando para ello programas especializados. No necesariamente se utiliza la misma red de elementos finitos para la simulación mecánica y para la simulación de llenado.

-- Simulación mecánica: Antes de proceder a la simulación del llenado en el molde de RTM ligero, conviene efectuar una optimización de la geometría y del espesor de la pieza para cumplir con las exigencias mecánicas y en lo posible lograr una reducción en costos.

-- Simulación del proceso de llenado: Definida la geometría y el espesor óptimo de la pieza, se procede a simular el proceso de llenado del molde de RTM ligero, utilizando algunos programas de simulación que resuelven la ecuación de continuidad acoplada con la ecuación de Darcy [11]. La simulación del proceso de llenado requiere de información disponible sobre permeabilidad de la preforma en las direcciones ortogonales, la viscosidad de la resina y el tiempo de gel disponible para el llenado. Para una mayor profundización en las ecuaciones que rigen el proceso de llenado se recomienda al lector revisar algunas referencias bibliográficas [4-13].

--Ecuación de continuidad: asumiendo que la resina líquida se comporta como un fluido incompresible

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Caso de estudio: 
Diseño de un molde para una bañera
El caso de estudio que se presenta a continuación ilustra cómo se puede efectuar el diseño y la optimización de un molde de RTM ligero para una bañera que tradicionalmente se fabrica por moldeo abierto. La imagen del modelo geométrico se presenta en la figura 1. permeabilidad de la preforma y la resina de poliéster se presentan en Para la generación de la malla de elementos finitos, la geometría se simplificó a 2.5D con un espesor constante de 3 mm y se utilizó para el mallado elementos tipo "shell" triangulares.

Se evaluaron diferentes escenarios de diseño del molde: alimentación perimetral con uno o varios puntos de vacío; alimentación perimetral por la base con dos puntos de vacío; canales alimentadores en la base; varios puntos de alimentación y vacío perimetral. Las simulaciones permitieron definir que el escenario que optimiza el tiempo de llenado y la evacuación de aire es la alimentación perimetral con un solo punto de vacío. La simulación también permitió definir la mejor ubicación del punto de vacío. La  figura 2 muestra el patrón de llenado que reportan las simulaciones, trabajando con una presión de inyección de resina de 2 bar y un nivel de vacío: 0.5 bar. En la figura 3 se reporta el tiempo de llenado de la pieza en el escenario óptimo, cuyo valor es de 286 segundos.

Se debe advertir que las herramientas de simulación utilizadas sólo simulan el macroflujo de la resina (velocidad del frente de flujo) y no la velocidad de impregnación microscópica de las fibras de la preforma (microflujo). Una vez construido el molde se deben efectuar una optimización de las velocidades de inyección para lograr la impregnación adecuada de la preforma de fibra de vidrio (microflujo).

Conclusiones:
-- La tecnología de moldeo cerrado RTM ligero es una alternativa interesante en nuestro medio para la producción de bajos volúmenes de plásticos reforzados con fibra de vidrio PRFV. Esta técnica tiene una serie de ventajas en la calidad del producto, en la productividad y en la emisión de volátiles, que hacen factible recuperar rápidamente las mayores inversiones en moldes y equipos de proceso.

-- Para una adecuada implementación de la tecnología de RTM ligero en nuestro medio, se debe considerar el uso de herramientas computacionales que permiten el rediseño de moldes existente y el diseño optimizado de moldes nuevos.

-- Para el diseño o rediseño de moldes de RTM ligero debe efectuarse una aproximación metodológica, con la aplicación secuencial de las siguientes etapas: Modelamiento geométrico, generación de la red de elementos finitos, simulación mecánica y simulación del proceso de llenado.

-- Para que el uso de las herramientas computacionales en el diseño de los moldes de RTM ligero sea confiable, se debe disponer de información precisa de la reología de las resinas y de la permeabilidad de la preforma en las direcciones ortogonales.

Agradecimiento:
Los autores del presente artículo agradecen al Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y la Tecnología "Francisco José de Caldas" (COLCIENCIAS) por la cofinanciación en el proyecto "Programa estratégico de las cadenas productivas: plásticos, cauchos, petroquímica, pinturas, tintas y fibras (año 1)" y el subproyecto "Desarrollo local de la tecnología para el diseño de moldes y la optimización del proceso de moldeo por transferencia de resina (RTM ligero) para resinas de poliéster insaturado". También agradecen al personal del ICIPC y de ANDERCOL que colaboraron en la ejecución del proyecto de investigación.