La maravillosa fibra que puede salvar vidas en los accidentes… 2da Parte

¿Que es la Fibra de Carbono?

La fibra de carbono (alternativamente denominada fibra de grafito) es un polímero llamadopoliacrilonitrilo (PAN) obtenido por un proceso de calentamiento bastante complicado de describir pero que viene a ser una forma de material similar al grafito y consiste en fibras extremadamente finas alrededor de 0,005 a 0,010 mm de diámetro y compuestos principalmente de átomos de carbono.

Los átomos de carbono están unidos entre sí en los cristales microscópicos (anillos aromáticos hexagonales) que están más o menos alineados en paralelo a lo largo del eje de la fibra. La alineación de cristal hace que la fibra sea increíblemente fuerte para su tamaño.

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Varios miles de fibras de carbono juntas están retorcidas entre sí para formar un hilo, que puede ser utilizado por sí mismo o tejido en una tela.

La fibra de carbono se puede combinar con sustancias epoxi y moldeadas para formar materiales compuestos tales como plástico reforzado con fibra de carbono (también referenciado como fibra de carbono o CFRP) para proporcionar un material de alta resistencia y de bajo peso proporcional. La fibra de carbono es un material muy fuerte, que también es muy ligero. A los ingenieros y diseñadores les encanta porque es cinco veces más fuerte que acero, dos veces más dura y, sin embargo, pesa alrededor de un tercio.

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La densidad de la fibra de carbono también es considerablemente menor que la densidad del acero que lo hace ideal para aplicaciones que requieren bajo peso. Las propiedades de la fibra de carbono, tales como alta resistencia, bajo peso y baja expansión térmica hacen que sea muy popular en la industria aeroespacial, militar y en los deportes de motor junto con otros deportes de competición. El aspecto único de la fibra de carbono también hace que sea popular para propósitos estilísticos.

Estas fibras no son utilizados por sí mismas sino que en su lugar se usan para reforzar otros materiales como resinas epoxi y otros materiales termoestables y los llamamos materiales compuestos reforzados o composites debido a que tienen más de un componente.

En el diseño de un coche de carreras se pone empeño para que sea capaz de proteger su ocupante en una colisión, se debe recordar que en un choque tanto la energía y el impulso se conservan .y la tarea del ingeniero es hacer que la disipación de ambos sea de tal manera que lo menos posible de esa energía sea pasada al que conduce.
La resistencia de los vehículos a los choques requiere un entendimiento de las respuestas de las estructuras y materiales para disipar la carga dinámica. Además, el efecto de esta carga en el conductor también debe ser considerada. No es la velocidad lo que hiere o mata a la gente, es la súbita pérdida de ella. El diseñador debe tener en cuenta la desaceleración que será transmitida al piloto y debe consultar con médicos especialistas en cuanto a qué niveles “g” es capaz de sobrevivir el conductor.

La Construcción de Autos de Formula 1

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Los equipos utilizan fibras de carbono impregnadas en una resina epoxi y una capa de aluminio, que se intercala entre dos capas de fibra de carbono. El chasis suele ser la primera parte del coche a construirse, debido a la cantidad de tiempo requerido. El chasis normalmente consta de alrededor de 8 partes o paneles
La primera etapa del proceso de fabricación es construir un modelo sólido (computercut), desde el cual se produce un molde para el panel.
Los moldes se construyen mediante la acumulación de un total de 10 capas de fibra de carbono pre-impregnadas con resina de cada patrón para producir el molde. La producción del molde tiene lugar en varias etapas, con tratamientos en vacío, de reducción y procesos de calor. El molde, a continuación, tiene que ser limpiado completamente y preparado para su uso.

La siguiente fase es la fabricación real de una parte del coche, hecha de laminas de fibra de carbono divididas, pre-impregnadas, que se colocan cuidadosamente dentro de los moldes. Es de vital importancia orientar las láminas de fibra de carbono de una manera determinada a fin de lograr la resistencia deseada. Se enciman un total de 5 capas de fibra de carbono, formando la parte exterior del chasis (para lograr un espesor de 1 mm hace falta unas 3 o 4 capas de fibra de carbono).

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La siguiente etapa del proceso es la cura de la fibra de carbono en un autoclave. Esto expone la fibra de carbono a ciclos de alta temperatura y de alta presión de acuerdo a las necesidades específicas de los materiales y componentes que se están procesando.
Durante este tratamiento, la resina impregnada en la fibra de carbono se derrama en las fibras circundantes y se activa, ‘curando’ la fibra de carbono.

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Una vez que se ha curado y enfriado el exterior, una capa de panal de abeja en aluminio se fija sobre el exterior por una lámina de resina para asegurar que los materiales se adhieren. El panel , a continuación, vuelve al autoclave para el proceso de ‘curado’. Después de haberse enfriado nuevamente, se agregan una o varias capas más, conformado por un número determinado de láminas de fibra de carbono pre-impregnadas se colocan en la parte superior y son tratados nuevamente en el autoclave por última vez.

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A continuación veremos como es el proceso de preparación de la fibra de carbono:

La construcción del chasis se desarrolla en etapas según los diferentes cortes de fibra de carbono y el horno o autoclave tiene un papel vital en cada etapa y allí se cocinan las partes a diferentes temperaturas y a distintas presiones en vacío para extraer cualquier aire del material.
Con cada parte que entra en el autoclave, el proceso es el mismo: la fibra de carbono es colocada en el molde que debe estar cubierta de una capa plástica permeable, para permitir la salida del aire. Se cubre con una tela que deja “respirar” al material, antes de ser colocado en una bolsa de nylon que entra en el horno.

Procesos

Los dos procesos principales durante el cual los autoclaves entran en juego son el “de compresión” y el “de curación“:
El primero de ellos se utiliza para compactar y comprimir el material, por lo tanto, se utilizan temperaturas más bajas, hasta obtener que la resina llegue hasta el punto donde fluye y compacta el material hacia la parte baja del molde.
La curación es el proceso durante el cual la fibra de carbono adquiere su fuerza y rigidez. Normalmente, para la primera curación del chasis se coloca en el autoclave durante tres o cuatro horas, a una temperatura de hasta 180ºC bajo una presión de alrededor de 294 kg/cm2. La presión se incrementa constantemente a medida que aumenta la temperatura: El punto exacto en el que se hace el proceso es un secreto por parte de los equipos, ya que puede aportar una importante ventaja para sus rivales.

El chasis monocasco

Una capa de aluminio con forma de panal se inserta entre estas capas, lo que aumenta aún más la rigidez del monocasco .Toda la capa se calienta en el autoclave, en un horno gigante y bajo presión negativa.

Después de dos horas y media, la cáscara se endurece, siendo que el procedimiento de cocción se repite dos veces más y como resultado de estas maquinaciones los monocascos son lo suficientemente fuertes para proteger a los pilotos, incluso en en el más grave de los accidentes, como el que participó Robert Kubica en Canada en uno de los accidentes que entran en la categoría de los espeluznantes .
El de Fisichella en Silverstone en 1997 tras una posterior evaluación de los registros demostró que su Jordan redujo su velocidad de 227 kmh a cero en sólo 0,72 segundos, lo que corresponde matemáticamente a una caída desde una altura de 200 metros.Aún así, lo único que el italiano sufrió fue una lesión menor en la rodilla, en gran parte gracias al monocasco.

La evolución de la aplicación de la fibra de carbono

Como toda tecnología la construcción de chasis en base a esta “milagrosa” fibra se fue desarrollando a medida que se conocían sus secretos tanto teóricos como de métodos constructivos y se profundizaba en las investigaciones sobre nuevos materiales y las nuevas formas de construcción que dieran una mayor seguridad y a la vez ampliar el campo de aplicaciones; recordemos que en principio sus usos se restringían al chasis. Asimismo los monocascos fueron haciéndose con formas más suaves en contraste con los primeros que tenían proporciones angulosas y a la vez se fueron aumentando las regulaciones sobre los medios adicionales de seguridad como la capacidad de soportar impactos laterales, frontales y traseros.
Hoy en día el porcentaje que ocupan los materiales compuestos entre los elementos que componen un auto de carreras llega a casi el 90%. Hasta el volante está confeccionado en fibra de carbono y John Barnard, el mismo creador del primer chasis en fibra de carbono, desarrolló en 1994 cuando estaba en Ferrari, un revolucionario diseño de la caja de cambios construida en CFRP, iniciales del material compuesto reforzado por fibras y ciertamente esta clase de caja ha sido utilizada con éxito por el equipo Arrows desde 1998.



Los CFRP son excelentes materiales para los,chasis, tanques, cubiertas y estructuras de impacto, pero no es tan bueno en la aceptación de cargas puntuales como son las juntas, cajas de cojinetes y soportes de suspensión pero la constante investigación han ido abriendo el campo en estas aplicaciones.

McLaren MP4/6 Honda de 1991




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