Estructuras+sandwich

Por //José Manuel Rodríguez Rodríguez//

Una estructura sandwich es una estructura constituida por dos pieles resistentes entre las que se interpone un material ligero y, por lo general, de baja densidad. Este núcleo, si bien aumentará el espesor y en mínima medida el peso de la nueva estructura comparada con una estructura simple, reportará grandes beneficios desde el punto de vista de la rigidez del conjunto. Una estructura sandwich está compuesta por tres elementos fundamentales: Las pieles exteriores, el núcleo del sandwich y la interfase de unión entre el núcleo y las pieles, que generalmente es un adhesivo. Cada uno de los elementos implicados cumple una función determinada. Las pieles exteriores son los elementos resistentes, generalmente realizadas con materiales de mejores propiedades que el resto; el núcleo, de material ligero, cuyas funciones principales son mantener separadas las pieles exteriores, brindar aislamiento ( si cabe ) y transmitir los esfuerzos cortantes de una cara a la opuesta; y por último la interfase, que tiene como función principal mantener unido el conjunto. Si un panel sandwich es sometido a flexión, las pieles exteriores experimentarán esfuerzos diferentes. Por ejemplo, si la piel superior está sometida a tracción, la piel inferior estará sometida a compresión. El núcleo debe mantener la distancia relativa entre las pieles y la distancia entre las pieles y la línea neutra. El núcleo debe, por lo tanto, ser suficientemente resistente para poder soportar los esfuerzos de corte que se producen y evitar que se produzca un desplazamiento de las pieles en el sentido longitudinal. Debe también soportar los esfuerzos de compresión perpendicular a las pieles. Las pieles deberán ser capaces de resistir el esfuerzo de flexión al cual están sometidas a través de los correspondientes esfuerzos de tracción y compresión. De modo que la nueva estructura sandwich, comparada con la estructura simple, será mucho más resistente con sólo un mínimo de aumento de peso.

Madera balsa: La madera balsa es originaria del centro y sur de América. Considerada como madera dura, es entre todas ellas la más blanda y ligera ( densidad entre 100 y 250 Kg/m3 ). Dada su alta rigidez, es difícil adaptarla a formas curvas, por lo que se suele emplear en forma de bloques unidos entre sí por un material de soporte, generalmente un tejido de poco gramaje. También existen paneles planos rígidos en los cuales los bloques de madera son encolados con adhesivos de madera estructurales. La disposición de las fibras de madera es siempre perpendicular al laminado, que es donde se obtienen las máximas propiedades mecánicas ( esta configuración otorga excelente resistencia a la compresión ). En las direcciones perpendiculares al grano, las propiedades mecánicas decrecen. La madera balsa posee módulo y resistencia a la compresión más elevados con el resto de materiales utilizados como núcleo. La madera balsa para estructuras sandwich debe ser tratada antes de procesarse, eliminando la materia orgánica presente y reduciendo la humedad hasta el 10%. Humedades superiores provocan hinchazón y podredumbre de la madera, y pueden ocasionar deslaminaciones de las pieles exteriores. Posee, sin embargo, una capacidad de absorción de resina muy elevada, producto de su elevada porosidad, por lo que se recomienda sellar las superficies antes de proceder a su laminado.
 * TIPOS DE NÚCLEO:**
 * 1.-Maderas naturales:**

Cedro rojo: Originaria de América del Norte, Reino Unido y Nueva Zelanda, es una madera blanda y aromática. De color pardo rojizo, se torna gris plateado tras una larga exposición a la intemperie. Tiene una densidad aproximada de 370 Kg/m3. Por lo general se presenta en forma de listones fresados que permiten ser montados de una manera rápida y sencilla ( técnica conocida como Strip-plank). Contrachapado marino: Es un tablero a partir de delgadas láminas de madera, denominadas placas o chapas estructurales, unidas para formar un tablero resistente. El número de hojas siempre es impar y la dirección de cada chapa es perpendicular a aquellas con las cuales está en contacto. En función de la cola utilizada existen diferentes grados, siendo el grado marino el que se confecciona con colas fenólicas que permiten soportar el ataque de hongos y de la humedad en ambientes marinos. Por lo general se utiliza en las estructuras sandwich como complemento de las espumas sintéticas, reemplazándolas en todas aquellas zonas donde ocurren esfuerzos de compresión o tracción excesivos. Existe una amplia variedad de contrachapados marinos derivados del uso, en su fabricación, de diferentes maderas. Las maderas más utilizadas son el okume, el iroko,la teka, la caoba, el sapelli, el cedro, la acacia, el abeto, la pícea y pino de Oregón (Douglas spruce), y en menor medida el moabi, el sipo y la balsa. Los diferentes tableros contrachapados pueden ser construidos con una única madera o pueden combinarse diferentes. Todos aquellos plásticos en los cuales existe un gas incluido en forma de burbujas se denominan espumas plásticas. El volumen que ocupan estas burbujas puede alcanzar hasta el 95% dentro del total de la espuma. Cuando las burbujas interiores de gas presentes en la espuma se comunican entre sí, se denominan espumas de **celda abierta**; cuando cada burbuja interior se encuentra aislada, tenemos espumas de **celda cerrada**. Entre unas y otras, existen espumas plásticas en estados mixtos. La gran mayoría de los plásticos se pueden espumar, pero por cuestiones técnicas, económicas y prácticas, sólo se espuman un grupo reducido.
 * 2.- Espumas sintéticas:**

Epumas de poli(cloruro de vinilo) ( PVC ): Se fabrican combinando un copolímero con plastificantes, agentes de entrecruzamiento y gasificantes. Se trata de un espumado químico con activación térmica. La mezcla de sustancias es calentada en un molde bajo presión para que se produzca la reacción de entrecruzamiento. Una vez realizada esta fase del proceso, se sumergen en agua caliente para continuar su expansión hasta obtener la densidad perseguida. Los diámetros de celda pueden varia de 0,254 mm hasta 2.5 mm. Se clasifican en función de la densidad ( alta, media y baja densidad, densidades entre 40 y 210 Kg/m3 ) y por su estabilidad térmica. Las espumas de PVC presentan buena resistencia mecánica, buena resistencia térmica, poseen buenas características como aislante acústico y tienen una alta resistencia a la penetración del agua. Comparadas con el resto de espumas sintéticas, poseen la mejores propiedades, lo que, sumado a su adaptabilidad a las superficies con doble curva, los convierten en unos de los más utilizados. Los PVC lineales presentan la ventaja de una mayor capacidad de absorción de impactos, mayor que en espumas de PVC de celda cerrada.

Espumas de poliuretano: Nos referimos al pliuretano con carácter termoestable. Los productos de partida para obtener espumas de poliuretano son un isocianato y un poliol de tipo poliéter o poliéster. Como los componentes son líquidos, se suele realizar la reacción de polimerización en el mismo instante que se moldea. Las espumas resultantes pueden ser de celda abierta o de celda cerrada. Las de celda abierta tienden a ser estructuras flexibles y las de celda cerrada, estructuras rígidas. Las densidades resultantes pueden ser muy amplias ( desde 10 hasta 900 Kg/m3 ), y vendrán gobernadas por la proporción y composición química. Si bien tienen características menores que las espumas de PVC, presentan una buena resistencia mecánica y tenacidad, resisten la abrasión, poseen buena resistencia química, baja conductividad térmica y elevada resistencia eléctrica. A temperatura ambiente trabajan mejor que las espumas de PVC y son más resistentes a las altas temperaturas.

Espumas de poliestireno ( PS ): Como resultado de espumar el poliestireno se obtiene una espuma muy ligera, resistente a la absorción de agua y a los microorganismos. Sin embargo, debido a que dichas espumas son solubles al estireno, no se suelen utilizar con resinas de poliéster y viniléster. Poseen una reducida resistencia mecánica ( no se utilizan como material estructural ) y una baja conductividad térmica. Las densidades varían entre 10 y 45 Kg/m3.

Espumas de estireno-acrilonitrilo ( SAN ): Este copolímero tiene mejor resistencia química y térmica, así como mayor rigidez que el poliestireno. Su comportamiento es similar al PVC; en capacidad de absorción de impactos se comporta de manera similar a la espuma de PVC lineal, y en capacidad estática como la espuma de PVC cruzada.

Espuma de polimetacrilímida ( PMI ): Las espumas PMI se producen por expansión térmica de un ácido metacrílico y metacrilonitrilo. Durante el proceso de espumado, la hoja de copolímero es convertida en polmetacrilimida. Como resultado se obtiene un plástico celular rígido con estructura celular homogénea y cerrada. Estas espumas poseen mejores propiedades mecánicas que el resto de las espumas sintéticas, entre las cuales destacan la alta resistencia térmica, excelente resistencia a la fluencia y un reducido peso. La elevada estabilidad térmica las convierte en las preferidas para utilizar en estructuras sandwich realizadas a partir de materiales preimpregnados. Existen diferentes grados en función de su densidad.

Espumas sintácticas: Menos conocidas que las espumas sintéticas, se diferencian de éstas porque las cavidades no se forman por generación de gas dentro del material, sino que se producen por la incorporación a su masa de microesferas huecas de diferentes materiales. Las espumas má comunes son las de microesferas de vidrio con resina fenólica o poliéster, pero existen también las metálicas y de carbono. Fruto de esta combinación, se obtiene una espuma con una elevadísima resistencia a la compresión, razón por la cual se utiliza ampliamente en la construcción de elementos destinados a la inmersión profunda.

Nido de abeja: El concepto nido o panal de abeja se refiere a una forma de estructuras diferentes materiales que se emplean como núcleo en estructuras sandwich. Se reproduce la forma natural de los nidos de abejas con láminas delgadas de diferentes materiales. La morfología del núcleo queda definida por parámetros como el tamaño de la celda, la densidad del material empleado, la zona de adhesión entre celdas, la altura del núcleo, el espesor de la hoja que se utiliza para confeccionarlo, y la dirección de las placas. Los materiales que se emplean más frecuentemente son el aluminio, la fibra de vidrio o papel de aramida impregnados con resinas fenólica, el papel y el polipropileno. Los panales de abeja se pueden fabricar por procesos de expansión y por procesos de corrugado u ondulación. Las láminas obtenidas se unen mediante adhesivos o soldadura, dando lugar a estructuras regulares y repetitivas. Con su empleo se consiguen estructuras sandwich extremadamente ligeras. Su elevado coste y una compleja técnica de encolado son las razones fundamentales de su limitada utilización.

Fire Coremat: El Fire Coremat es un material conformado de fibras sintéticas no tejidas de poliéster, de orientación completamente aleatoria, que incorpora como cargas microesferas cerradas de plástico a base de poli(cloruro de vinilideno) ( PVDC ) junto con un aglutinante soluble en estireno. Se utiliza como material de núcleo para producir estructuras que requieran rigidez aunque con un coste inferior al de estructuras sandwich realizadas con espumas sintéticas ( por ejemplo, en la construcción de moldes ). Su aplicación se realiza por estratificación, a diferencia del resto de materiales de núcleo, que son encolados. Por ello presentan una excelente capacidad de conformación con unos espesores reducidos (de 1 a 5 mm). Para mejorar su adhesión, debe ser laminado entre ordenamientos planos tipo fieltros. Existen dos tipos fundamentales: - Coremat XM: con un contenido de 55% de microesferas. Para resinas poliésteres y vinilésteres. Para porcesos de laminado manual por contacto y proyección simultánea. - Coremat XX: con un contenido de 45% de microesferas. Para resinas de poliéster y viniléster. Para procesos de laminado manual por contacto y proyección simultánea. Existe una variante con mat añadido para reducir el tiempo de aplicación. Su inconveniente principal es que su densidad final dependerá de la habilidad del operario, puesto que al ser un material poroso generalmente absorbe gran cantidad de resina.