Por definición, el refuerzo se refiere al fortalecimiento de un objeto o sustancia con material adicional. Los materiales de refuerzo suelen aportar rendimiento mecánico a una pieza, haciéndola más dura, resistente y rígida que en su forma original.
Naturalmente, el refuerzo es vital para una amplia variedad de aplicaciones de ingeniería y fabricación, especialmente aquellas en las que la integridad estructural es primordial. Los materiales reforzados habituales incluyen el hormigón y otros materiales compuestos, como los polímeros reforzados con fibra (FRP). Un material de refuerzo que cautiva actualmente la imaginación de los ingenieros es la fibra de carbono, que se ha empleado en aplicaciones que van desde los plásticos reforzados utilizados en la industria aeroespacial hasta la mejora de la resistencia a la flexión del hormigón instalado en edificios y otros proyectos de construcción.
Aunque las propiedades ventajosas de los materiales reforzados con fibras se han aprovechado mediante diversos métodos de fabricación de materiales compuestos, el sector de la impresión 3D aún no ha desarrollado un equivalente al refuerzo que proporcionan los materiales reforzados fabricados de forma convencional. Un número creciente de sectores industriales y aplicaciones demandan materiales capaces de ofrecer un rendimiento mecánico ultraalto y ligereza. En los sectores aeroespacial y de la automoción, por ejemplo, el peso de una pieza tiene un impacto significativo en la autonomía del vehículo, el consumo de combustible y los costes y emisiones relacionados de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO2). Para introducir en estas industrias las ventajas de las tecnologías de fabricación aditiva, en cuanto a permitir la fabricación de estructuras altamente complejas y optimizadas, la capacidad de procesar materiales de ultraalto rendimiento es fundamental.
Un nuevo enfoque para el refuerzo
Sin embargo, a pesar de los recientes avances en la impresión 3D de materiales compuestos, como la capacidad de utilizar fibra de carbono cortada como refuerzo para polímeros y el revolucionario desarrollo de la impresión directa de fibras continuas, sigue existiendo un vacío en la industria de la impresión 3D para un enfoque verdaderamente innovador del refuerzo de fibras.
Reinforce 3D busca cubrir ese vacío con el desarrollo y la comercialización de su tecnología patentada Continuous Fibre Injection Process (CFIP). Mientras que las tecnologías actuales de fabricación aditiva reforzada con fibra continua (CFRAM) se basan en el refuerzo de una pieza durante el proceso de impresión 3D, el CFIP adopta un enfoque diferente: reforzar la pieza después de haber sido impresa en 3D. Yendo un paso más allá que las impresoras 3D de fibra de carbono actuales, el CFIP es la primera tecnología de postprocesado para reforzar piezas con fibras continuas.
La tecnología funciona inyectando fibras continuas simultáneamente con resina líquida en el interior de cavidades tubulares dentro de una pieza impresa en 3D. Dado que la resina se inyecta al mismo tiempo que las fibras, las cavidades tubulares se lubrican para facilitar el avance de las fibras durante el proceso. Durante la etapa de inyección, se aplica presión sobre la resina para producir fuerzas de arrastre sobre las fibras. Además, se ha desarrollado específicamente para el proceso un nuevo formato de fibra flexible y empujable, que es otro aspecto clave de la tecnología. La pieza se cura para que la resina, una vez solidificada, actúe como interfaz mecánica entre las fibras y el material de la pieza.
Cabe destacar que el CFIP también permite la unión integral de diferentes piezas al proporcionar continuidad de fibra entre ellas, logrando un rendimiento de unión ultraalto para estructuras grandes, multimaterial y multiproceso. Esto facilita el uso del material y la tecnología de fabricación más eficientes en cada zona de la estructura, de acuerdo no solo con sus requisitos mecánicos, sino también con sus objetivos de coste y producción.
Al ofrecer varias ventajas disruptivas, el CFIP permite la colocación de fibras en todas las direcciones y entre las capas impresas, siguiendo trayectorias complejas que pueden diseñarse libremente. Esto permite alinear las fibras en las direcciones más eficientes para posibilitar la fabricación de estructuras ligeras altamente optimizadas con un rendimiento mecánico mejorado.
El CFIP es capaz de reforzar cualquier pieza o material fabricado mediante las tecnologías de impresión 3D existentes, incluidos plásticos, metales y cerámicas. Mientras que otras tecnologías CFRAM se limitan en gran medida a los plásticos, el CFIP puede reforzar piezas impresas en 3D con cualquier tipo de fibras continuas, incluidas las de carbono, vidrio, aramida y fibras naturales. Un ejemplo notable es la capacidad de la tecnología para reforzar piezas de titanio o aluminio impresas en 3D con fibras de carbono continuas, una hazaña que hasta ahora era inalcanzable.
Revolucionando el refuerzo de compuestos
Aparte del sector de la fabricación aditiva, el CFIP se dirige al mercado más amplio de los materiales compuestos como una nueva tecnología sin moldes para reforzar y unir integralmente piezas fabricadas mediante cualquier tecnología de fabricación, desde la extrusión o el mecanizado hasta los métodos tradicionales de procesamiento de compuestos. En concreto, la tecnología beneficiará a numerosas aplicaciones en los sectores aeroespacial, de automoción, artículos deportivos, salud y construcción.
Hoy en día, las diferentes tecnologías de fabricación aditiva (AM) existentes permiten procesar una gran variedad de materiales. Por ejemplo, los polímeros de alto rendimiento como el PEEK pueden fabricarse mediante la tecnología de fabricación con filamento fundido (FFF), y las aleaciones de aluminio o titanio pueden procesarse mediante la tecnología de fusión selectiva por láser (SLM). Pero cada día más sectores y aplicaciones demandan materiales capaces de proporcionar un rendimiento mecánico y una ligereza ultraaltos. Por ejemplo, en los sectores aeroespacial o de automoción, el peso tiene un impacto importante en la autonomía del vehículo, el consumo de combustible y los costes y emisiones relacionados de gases de efecto invernadero (GEI). En otros sectores, como el de los artículos deportivos (por ejemplo, en aplicaciones como componentes de bicicletas o raquetas de tenis), el peso del producto es una de las principales características valoradas por el consumidor.
La siguiente figura muestra la resistencia específica (es decir, la resistencia dividida por la densidad) de diferentes materiales de fabricación aditiva de alto rendimiento: PEEK reforzado con fibras de carbono cortas y fabricado por FFF, y aleaciones de aluminio y titanio fabricadas por SLM. También muestra la resistencia específica de un compuesto reforzado con fibra de carbono continua. Se observa cómo la resistencia específica de un compuesto de carbono es entre 4 y 10 veces superior a la de los otros materiales, lo que al final significa que el compuesto de carbono puede reducir entre 4 y 10 veces el peso de una estructura en comparación con los otros materiales.
Por este motivo, para introducir en dichos sectores y aplicaciones las ventajas de las tecnologías de fabricación aditiva en cuanto a permitir la fabricación de estructuras altamente complejas y optimizadas, también deben ser capaces de procesar materiales de ultraalto rendimiento y, más concretamente, compuestos reforzados con fibra continua.
