Desarrollo de Dispositivo Tensionador para el proceso de Filament Winding

Abstract

El hidrógeno constituye uno de los vectores energéticos clave en la transición hacia matrices energéticas descarbonizadas, y su almacenamiento a alta presión en tanques de material compuesto reforzado con fibra de carbono representa una de las alternativas más prometedoras para su transporte. Estos tanques se fabrican a través del proceso de filament winding, en el cual la tensión de la fibra durante el bobinado incide directamente sobre la compactación del laminado, el contenido de fibra y el espesor de pared del componente, resultando un parámetro determinante tanto para su calidad estructural como para el diseño. Sin embargo, el equipo de filament winding disponible en el laboratorio del grupo de Compuestos Estructurales Termorrígidos (CET) del INTEMA carecía de un sistema de control de tensión, lo que motivó el presente trabajo. El objetivo del presente trabajo fue diseñar, desarrollar y validar un módulo tensionador capaz de sensar y regular en tiempo real la tensión de la fibra durante el proceso, para su integración al equipo del laboratorio. El desarrollo se llevó a cabo mediante un enfoque iterativo estructurado en tres etapas sucesivas, en las cuales cada instancia permitió identificar limitaciones experimentales y definir criterios de diseño para la siguiente. La configuración final implementó una disposición de polea flotante entre dos poleas fijas, que estableció una relación lineal entre la señal de la celda de carga y la tensión de la fibra, y a la vez integró la función de acumulador de fibra en un único dispositivo. La lógica de control se implementó sobre una placa Arduino UNO empleando una ecuación de control proporcional más el término BIAS, cuyos parámetros operativos se determinaron experimentalmente. La validación del sistema se realizó a través de la fabricación de un tubo de fibra de carbono y resina epoxi de seis capas con tres ángulos de bobinado, laminado de forma continua sin interrupciones. Las curvas de control registradas demostraron que el sistema mantuvo la tensión próxima a la tensión deseada en todas las condiciones evaluadas, mientras que el análisis de micrografías del espesor del tubo arrojó un espesor de pared uniforme, lo que confirma el correcto funcionamiento del sistema de control durante la fabricación de la pieza. Los resultados obtenidos respaldan el correcto desempeño del módulo tensionador desarrollado y ponen a disposición del grupo CET una nueva herramienta que facilitará avanzar en el estudio de la influencia de la tensión de la fibra sobre las propiedades finales de los laminados compuestos.