¿Qué es el tejido 3D? Preformas tejidas en tres ejes

En qué se diferencia el tejido 3D del tejido 2D

En los tejidos convencionales (tafetán, sarga, raso), los hilos de urdimbre y de trama pasan unos por encima y por debajo de otros en un único plano. Un tejido de este tipo suele tener un espesor inferior a un milímetro. Para fabricar una pieza gruesa de material compuesto, se apilan capas cortadas de estos tejidos, se unen con resina y se curan. El resultado se denomina laminado.

En un laminado, las fibras solo discurren en el plano de cada capa. Lo único que mantiene unidas las capas en la dirección del espesor es la fina capa de resina que hay entre ellas. Como la resina es mucho menos resistente y tenaz que la fibra, un laminado es resistente frente a cargas en el plano, pero débil frente a la tracción en la dirección del espesor y la cizalladura interlaminar. La separación de las capas entre sí, conocida como delaminación, es la consecuencia más conocida de esa debilidad.

En el tejido 3D, el espesor se genera en el propio proceso de tejeduría. El telar alimenta simultáneamente muchas capas de hilo de urdimbre; los hilos de trama se insertan entre esas capas y los hilos aglutinantes recorren el espesor para unir las capas entre sí. En la estructura no hay capas independientes: la preforma es una sola pieza desde el momento en que se teje.

Tres ejes: urdimbre, trama e hilo aglutinante

• Urdimbre (X): hilos que recorren el telar longitudinalmente, en la dirección en que se produce el tejido. Un tejido 3D contiene varias capas de urdimbre superpuestas.
• Trama (Y): hilos insertados entre las capas perpendicularmente a la urdimbre. Cada inserción puede colocar hilos de trama a varias alturas.
• Hilo aglutinante (Z): hilos alimentados en la dirección de la urdimbre que suben y bajan a través del espesor. Bloquean mecánicamente las capas entre sí y aportan la resistencia a la delaminación.

La denominación de los ejes sigue la convención de coordenadas habitual en la ingeniería de materiales compuestos: X e Y son las direcciones en el plano y Z es la dirección del espesor. Los hilos aglutinantes suelen representar una pequeña parte de la fibra total; las cargas en el plano siguen soportándolas principalmente la urdimbre y la trama. Más hilo aglutinante significa una unión más fuerte en la dirección del espesor, pero menos fibra disponible para las direcciones en el plano. Encontrar ese equilibrio es una de las decisiones centrales en el diseño de un patrón de tejido.

Cómo funciona el tejido 3D

Un telar 3D conserva las operaciones básicas de la tejeduría convencional, pero las aplica a una urdimbre de varias capas. Un ciclo de tejeduría consta de los siguientes pasos, por este orden:

1. Formación de la calada: los hilos de urdimbre y los aglutinantes se elevan a distintas alturas según el patrón de tejido, lo que abre varias caladas (huecos) entre las capas.
2. Inserción de la trama: los hilos de trama se pasan a través de las caladas abiertas.
3. Batanado: el peine empuja los nuevos hilos de trama contra el frente del tejido.
4. Movimiento del hilo aglutinante: los hilos aglutinantes se llevan a la cara superior o inferior según el patrón y envuelven las columnas de trama a través del espesor.

El patrón de tejido es una tabla que define a qué altura se sitúa cada hilo en cada inserción de trama, y a menudo lo ejecutan sistemas de formación de calada controlados por ordenador. El patrón puede cambiar durante la tejeduría para seguir la sección de la pieza. Esto permite que el telar produzca no solo placa plana, sino también preformas de espesor variable o curvas. Las preformas de los perfiles en T, Π y H se tejen cerradas (plegadas) en el telar y, al salir del telar, se despliegan para formar la sección.

Tejer en muchas capas hilos frágiles y sensibles a la abrasión, como la fibra de carbono, exige un control cuidadoso de la tensión del hilo y de la fricción. La bibliografía señala que el daño en los hilos y la ondulación (crimp) introducidos durante la tejeduría pueden afectar a las propiedades en el plano del material compuesto (Mouritz y Cox, 2010). Por tanto, el diseño del telar y los parámetros de tejeduría influyen directamente en la calidad de un producto tejido en 3D.

Arquitecturas de tejido 3D

La trayectoria que siguen los hilos aglutinantes a través del espesor define la arquitectura de un tejido 3D. En la bibliografía aparecen tres tipos principales (Tong, Mouritz y Bannister, 2002).

Tejido ortogonal

Los hilos aglutinantes atraviesan verticalmente todo el espesor; los hilos de urdimbre y de trama permanecen prácticamente rectos. Los hilos rectos contribuyen a la rigidez en el plano, mientras que los aglutinantes conectan directamente las caras superior e inferior. La sección del diagrama anterior muestra esta arquitectura.

Angle interlock capa a capa

Los hilos aglutinantes no atraviesan todo el espesor; cada uno une capas adyacentes con un ángulo. Las capas se entrelazan como los eslabones de una cadena. Esta estructura suele adaptarse con más facilidad a un molde, y el espesor puede aumentarse añadiendo capas.

Angle interlock a través del espesor

Los hilos aglutinantes atraviesan todo el espesor con un ángulo. Esta arquitectura se sitúa entre las otras dos en el equilibrio entre unión en la dirección del espesor y propiedades en el plano.

La arquitectura se elige valorando conjuntamente el caso de carga, el espesor, la necesidad de adaptarse a un molde y el ritmo de producción. También pueden utilizarse patrones distintos en diferentes zonas de una misma pieza.

Tejido 3D híbrido

Como los hilos de urdimbre, de trama y aglutinantes se alimentan al telar por separado, cada eje de un tejido 3D puede utilizar una fibra distinta. El carbono puede aportar rigidez en la dirección que soporta la carga, mientras que la aramida puede emplearse en los hilos aglutinantes o en una cara expuesta a impactos, y el vidrio donde priman el coste o el aislamiento eléctrico. Las distintas fibras quedan bloqueadas entre sí por los hilos aglutinantes en una sola preforma; a diferencia de un laminado híbrido formado por capas apiladas de materiales distintos, las transiciones entre materiales permanecen unidas también en la dirección del espesor. Las estructuras tejidas en 3D híbridas se estudian ampliamente en la literatura. Como las fibras difieren en rigidez y en alargamiento a rotura, la elección de las fibras y del patrón de tejido se evalúa junto con el caso de carga y las condiciones de uso de la pieza.

De la preforma al material compuesto

Lo que sale de un telar 3D es una preforma de fibra seca, todavía sin resina. Para convertirse en una pieza de material compuesto, la preforma se coloca en un molde y se inyecta resina a presión o por vacío. Los procesos más habituales para ello son el moldeo por transferencia de resina (RTM), el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) y la infusión al vacío. Una vez curada la resina, la pieza se desmoldea y, si es necesario, se mecaniza en CNC.

Una preforma seca de una sola pieza también facilita la producción: no es necesario cortar y colocar una a una decenas de capas, y no pueden producirse errores como el desplazamiento de capas o su colocación con un ángulo incorrecto. Por otro lado, impregnar por completo una preforma gruesa y de tejido denso requiere un diseño de proceso cuidadoso. Si el flujo de resina es insuficiente, pueden formarse zonas secas y huecos (porosidad).

Ventajas y límites

La bibliografía resume así las principales características de los compuestos tejidos en 3D (Mouritz et al., 1999; Tong et al., 2002):

• La tenacidad a la fractura interlaminar y la resistencia a la delaminación son notablemente superiores a las de laminados 2D equivalentes.
• El daño por impacto queda limitado a una zona más pequeña y la resistencia a la compresión tras impacto (CAI) es mayor.
• Las zonas de unión, como las secciones en T, Π y H, pueden tejerse en una sola pieza, lo que reduce el número de líneas de unión adhesiva y de elementos de fijación.
• Como la preforma sale en una sola pieza, desaparece la mano de obra del apilado de capas.

Las mismas fuentes son igual de claras respecto a los límites:

• La ondulación debida a los hilos aglutinantes y el daño en los hilos durante la tejeduría pueden reducir, en algunas estructuras, la rigidez y la resistencia en el plano por debajo de las de un laminado equivalente. La magnitud del efecto depende de la arquitectura, del contenido de hilo aglutinante y de la calidad de fabricación (Mouritz y Cox, 2010).
• Pueden formarse zonas ricas en resina alrededor de los hilos aglutinantes, y el daño puede iniciarse en ellas (Cox et al., 1994).
• El diseño del telar y del patrón requiere conocimientos especializados, y las opciones de suministro son más limitadas que en los tejidos estándar.

Por tanto, el tejido 3D no es la opción adecuada para todas las aplicaciones. Las mayores ventajas se obtienen en piezas cuyo diseño está gobernado por la delaminación, el daño por impacto o la separación en una unión.

Comparación: laminado 2D y compuesto tejido en 3D

Dónde se utilizan los compuestos tejidos en 3D

Los compuestos tejidos en 3D se utilizan o se investigan en uniones y piezas de conexión aeroespaciales, componentes expuestos a impactos como los álabes del fan de los motores de aviones comerciales, estructuras espaciales, defensa y protección balística, estructuras navales y aeronaves no tripuladas. Lo que tienen en común estas aplicaciones es que la pieza está expuesta a daño interlaminar por impacto, vibración o tensiones en una unión. La revisión de 1999 de Mouritz y coautores recoge los primeros ejemplos de estas aplicaciones y las propiedades por las que se eligió el tejido 3D.

En la práctica

3Dwovens realiza I+D en tejido 3D desde 2011, y sus telares se diseñan y fabrican en sus propias instalaciones. La placa de carbono tejida en 3D OWC se fabrica convirtiendo en material compuesto, con resina epoxi, una preforma tejida de este modo. La placa mide 500 × 250 × 6,5 mm, tiene una densidad de aproximadamente 1,55 g/cm³ y una temperatura de transición vítrea (Tg) de la resina de 140 °C.

Según los resultados de los ensayos, las probetas tejidas en 3D y fabricadas por RTM alcanzaron una resistencia a la tracción de 813–993 MPa y un módulo de flexión de 94–107 GPa. En los mismos ensayos, las probetas de preimpregnado unidireccional (UD) alcanzaron 718–819 MPa y 82–91 GPa, y las de preimpregnado de tejido plano, 420–454 MPa y 39–41 GPa. Estos valores corresponden a probetas y condiciones de ensayo concretas; verifíquelos en sus propias condiciones de carga antes de utilizarlos como valores de diseño. Para perfiles en T, Π, H o cajón tejidos según plano, puede solicitarse un presupuesto en la página de producción a medida.

Preguntas frecuentes

Referencias

• Mouritz, A. P., Bannister, M. K., Falzon, P. J., Leong, K. H. (1999). Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 30(12), 1445–1461.
• Tong, L., Mouritz, A. P., Bannister, M. K. (2002). 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.
• Mouritz, A. P., Cox, B. N. (2010). A mechanistic interpretation of the comparative in-plane mechanical properties of 3D woven, stitched and pinned composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 41(6), 709–728.
• Cox, B. N., Dadkhah, M. S., Morris, W. L., Flintoff, J. G. (1994). Failure mechanisms of 3D woven composites in tension, compression, and bending. Acta Metallurgica et Materialia, 42(12), 3967–3984.
• Chen, X. (ed.) (2015). Advances in 3D Textiles. Woodhead Publishing.
• ASTM D3039/D3039M. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.
• ASTM D7264/D7264M. Standard Test Method for Flexural Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International.