La inyección de fibra larga (LFI) es un nuevo proceso de moldeo de poliuretano desarrollado con éxito en los últimos años. El proceso tiene las ventajas de alta automatización, ciclo de moldeo corto, peso ligero y bajo costo de fabricación.
En la industria automotriz, el proceso LFI se utilizó primero para fabricar paneles estructurales y semiestructurales, como los componentes del techo. Según los informes, el techo de poliuretano LFI de un automóvil deportivo es un 20% más ligero que un techo de acero y más del doble de rígido que un techo de aluminio u otro techo de fibra de vidrio. Además, los materiales compuestos de poliuretano LFI también se utilizan en la industria de los vehículos agrícolas y comerciales, como cubiertas de tractores, paneles de camiones pesados, paneles de carrocería de excavadoras, bastidores de equipaje de autobús, etc.
En los últimos años, los expertos en compuestos de la industria privada, los militares y las instituciones de investigación han estado colaborando para explorar si el proceso LFI también se puede utilizar para producir piezas compuestas reforzadas con fibra de carbono (CFRP) necesarias para mercados de materiales de alto rendimiento, como el aeroespacial. , habilitando la producción en masa a un costo menor. El estudio ha sido financiado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (AFRL) desde 2022, y los participantes incluyen las divisiones de fabricación, tecnología industrial y energía de AFRL, el contratista principal Lockheed Martin, el fabricante de equipos Kraussmaffei y el Instituto de Investigación de la Universidad de Dayton (UDRI) .
El proceso de fabricación de componentes compuestos de fibra de carbono que se utilizan actualmente en el aeroespacial es largo y intensivo en mano de obra, y generalmente presenta prepreg de fibra de carbono que se coloca manualmente en una herramienta de un solo lado, se ha vuelto en bolsas y luego se enrolla a un autoclave durante un día completo de curado. En contraste, el proceso LFI es rápido, eficiente y automatizado. El proceso LFI primero corta la fibra de vidrio a la longitud deseada, la fibra picada se mezcla con una resina líquida de dos componentes, luego se rocía en un molde abierto precalentado y finalmente se cura a fuego lento y presión. Todo el proceso es uno de los métodos de desechos de menor costo y de menor costo para fabricar materiales compuestos y puede tomar desde unos minutos hasta unas pocas horas, dependiendo de la complejidad de la pieza.
El primer problema importante que enfrentó el equipo fue la desglose de la fibra de carbono, que debe dispersarse lo suficiente como para dispersarse uniformemente dentro de la resina durante la mezcla, y descubrieron que la gran fibra de carbono de remolque de Zoltek proporcionó las mejores propiedades mecánicas y propiedades de desgloses. Los investigadores primero rompieron grandes haces de 50k de fibra de carbono en paquetes de 2k a 3k más pequeños, y luego vuelven a revelar estos paquetes en paquetes de 50k. Cuando se produce un corte en la cabeza de LFI, son fáciles de desentrañar.
Seleccionar la resina correcta también es un foco de investigación. El equipo de investigación utilizó el sistema de resina de poliuretano covestro, que está específicamente diseñado para reducir la densidad del panel curado final, ajustando el método de mezcla para minimizar o eliminar el contenido de vacío potencial.
En términos de equipos de procesamiento, los investigadores están analizando varias variables, incluida la velocidad de corte, la longitud de la fibra, la relación de fibra/polímero, la presión del aire, el tiempo de presión, el diseño del molde y la temperatura del molde, uno de los problemas importantes es la capacidad de procesamiento de la fibra de carbono, especialmente La cuchilla y el tambor de la máquina de corte, que pueden obtener mejores resultados de corte después de la actualización de la cuchilla de corte.
El equipo de investigación planea llevar a cabo dos demostraciones de fabricación relacionadas con aeroespaciales utilizando tecnología LFI/ fibra de carbono a fines de 2025. Aunque actualmente se utiliza un sistema de resina de poliuretano de alto rendimiento, el equipo prefiere usar resina epoxi porque ofrece un mejor rendimiento. Pero esto requeriría modificaciones importantes al sistema de hardware LFI, y actualmente no hay fondos insuficientes para cubrir estos costos.
Este proyecto de investigación colaborativa puede promover el desarrollo de toda la industria de materiales compuestos. Aprovechar las innovaciones de estas compañías en procesos compuestos de bajo costo podría acelerar los fabricantes de equipos originales aeroespaciales (OEM), como Lockheed Martin, para encontrar soluciones de fabricación para aviones de próxima generación.