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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 
Unidad Azcapotzalco 
 
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación 
 
 
DESARROLLO DEL PROCESO DE FABRIACIÓN DE UN 
MATERIAL COMPUESTO DE MATRIZ TERMOPLÁSTICA 
 
 
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
MAESTRO EN INGENIERÍA DE MANUFACTURA PRESENTA: 
ING. YVES ÁNGEL DÁVILA MONTAÑO 
 
 
 
 
DIRECTORES: DR. ORLANDO SUSARREY HUERTA 
DR. HILARIO HERNÁNDEZ MORENO 
MÉXICO D. F. DICIEMBRE 2010 
 
 
 
 
 
 
 
 
A mis abuelos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Morpheus: ‘This is your last chance. After this, there is no 
turning back. You take the blue pill - the story 
ends, you wake up in your bed and believe 
whatever you want to believe. You take the 
red pill - you stay in Wonderland and I show you 
how deep the rabbit-hole goes.' 
Andy & Larry Wachowsky 
 “The Matrix” (1999) 
i 
RESUMEN 
 
Durante los últimos años se ha incrementado la demanda de materiales ligeros y resistentes, 
especialmente en el sector aeronáutico; lo que ha ocasionado que el uso de materiales compuestos de 
matriz polimérica haya aumentado en la fabricación de componentes y estructuras. Estas estructuras de 
materiales compuestos están fabricadas, por lo general, con resinas termofijas sobre todo por la facilidad 
de uso, la baja viscosidad que ofrecen y un bajo costo relativo. Aunque este tipo de resinas tiene como 
desventaja una baja capacidad de reparación y no pueden ser reciclados. Debido a estas limitaciones se 
ha despertado un renovado interés en la utilización de matrices termoplásticas en la fabricación de 
materiales compuestos avanzados, aun cuando tienen viscosidades y temperaturas de procesamiento 
más elevadas. 
Se desarrolló un material compuesto termoplástico mediante la técnica de prensado en caliente 
utilizando la infraestructura y equipos existentes con materiales constituyentes locales. Se eligió una 
lámina de 0.5 mm de espesor de polipropileno (PP) como material matriz debido a sus buenas 
propiedades mecánicas, bajo costo y disponibilidad en el mercado nacional. Igualmente para el refuerzo, 
se seleccionó fibra de vidrio en un arreglo de tejido biaxial tipo tafetán. Para la fabricación de la lámina 
de material compuesto se fabricó un molde en aluminio, dentro del cual son colocados preformas de los 
materiales constituyentes. El molde es calentado hasta alcanzar la temperatura de fusión del PP, 
posteriormente se le aplica una presión de consolidación utilizando una prensa mecánica para forzar al 
polímero fundido a embeber las fibras del refuerzo. 
El material compuesto resultante fue ensayado para obtener las fracciones volumétricas de los 
constituyentes, empleándose la técnica de ignición de resina. Se obtuvieron las propiedades mecánicas 
mediante el ensayo de tensión para las orientaciones de [0/90] y [±45]. Las propiedades obtenidas 
fueron el módulo de elasticidad, modulo cortante en el plano, relación de Poisson y el esfuerzo máximo. 
Los datos obtenidos del material compuesto desarrollado permitirán construir la base de la pirámide de 
ensayos y diseñar un sistema que permita fabricar laminados y componentes de material compuesto de 
matriz termoplástica. 
Palabras clave: material compuesto, termoplástico, fibra de vidrio, polipropileno. 
ii 
ABSTRACT 
 
Over the last years, the demand for lighter and stronger materials has increased, especially in the 
aeronautical sector. Therefore, the use of polymer matrix composites has augmented in the components 
and structures manufacturing. These composite structures are often made from thermosetting matrixes, 
due to their ease of use, low viscosity and relative low cost. But the major drawbacks of thermosetting 
resins are their very low reparability and almost null recyclability. This has awakened a renewed interest 
in the use of thermoplastic matrixes in fabrication of advanced composites, despite its higher viscosities 
and processing temperatures. 
A thermoplastic matrix composite has been developed by means of the hot press technique 
using the existing facilities with local constituents. For the thermoplastic matrix, a 0.5 mm thick 
polypropylene (PP) sheet was selected, due its good mechanical properties, low cost and availability in 
the domestic market. The same stands for the reinforcement, which fiberglass (FG) was selected in a 
biaxial plain wave arrangement. A die mold tool was designed and made of aluminum to manufacture a 
thermoplastic composite lamina. This was achieved by placing the constituents preform into the mold; 
then, the mold was heated until the PP melting temperature was reached, afterwards a consolidation 
pressure was applied by using a mechanical press to force the melted PP to impregnate the fibers. 
The resultant composite was characterized to obtain its constituents’ volume factions by means 
of the burn off technique, and then uniaxial tensile tests in the [0/90] and [±45°] orientations were 
carried to obtain the modulus, axial-shear modulus, ultimate strength and Poisson ratios of the 
manufactured lamina. The data gathered in these tests will be used to construct the composites test 
pyramid’s base and to design a system that will permit the fabrication of thermoplastic composite 
laminates and components. 
 
Keywords: composite, thermoplastic, fiberglass, polypropylene. 
 
iii 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
Quiero otorgar mi más sincero agradecimiento a todos aquellos que hicieron posible la realización de 
este trabajo, quienes no solo aportaron de su gran conocimiento y sugerencias a este trabajo, sino que 
también expresaron un gran interés y apoyo tanto en lo moral como en recursos. Sin ustedes no hubiera 
sido posible culminación del presente trabajo de tesis. 
Primeramente quiero agradecer al Instituto Politécnico Nacional por haberme brindado una nueva 
oportunidad para continuar mis estudios; sobre todo a las Secciones de Posgrado e Investigación de las 
Escuelas Superiores de Ingeniería Mecánica y Eléctrica de las unidades profesionales Azcapotzalco, 
Ticomán y Zacatenco. A su vez, un gran reconocimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por 
haberme permitido formar parte de su programa de becarios y otorgarme la ayuda financiera y así 
poder dedicar tiempo completo a esta actividad. 
Agradezco enormemente a mis Directores de Tesis, el Dr. Hilário Hernandez por haberme depositado su 
libertad y confianza en mí durante este trabajo, haberme guiado con su gran conocimiento acerca de los 
materiales compuestos, y asimismo por su entusiasmo y apoyo total para la realización de este 
proyecto. Al Dr. Orlando Susarrey, quién con su apoyo hizo posible concretar este proyecto, y su visión 
siempre crítica y constructiva de las ideas aquí presentadas. 
También, quiero agradecer a los demás integrantes de la comisión revisora quienes han tenido muy a 
bien revisar este trabajo de tesis; al Dr. Pedro Tamayo quien tuvo la paciencia de revisarlo 
minuciosamente y orientarme con sus consejos, al Dr. José Martínez Trinidad quién fue de gran apoyo 
durante el transcurso de la maestría al aportar sus conocimientos del área y despertar el interés de sus 
alumnos por la búsqueda del conocimiento. Gracias también al M. en C. Antonio Mosqueda quien no 
solo realizó sus observaciones respecto a este trabajo, sino que también fue el enlace entre las 
secciones de Azcapotzalco y Ticomán. 
Asimismo, agradezco al Dr. René Vargas por sus comentarios críticos sobre el trabajo en sus primeros 
días, que bien tuvieron recibimiento para mejorar y ampliar este trabajo, así como la información 
siempre oportuna acerca del comportamiento de los polímeros. Una mención especial para el Dr. Carlos 
iv 
A. Hernández quien confió en mi persona y fue de gran apoyo durante el transcurso de mi estancia en la 
maestría. 
También quiero reconocer enormemente al Ing. Víctor M. Huertapor su apoyo que me brindó y el 
haberme abierto las puertas para el uso de las instalaciones y equipos en la ESIME UT, así como 
facilitarme de los materiales que fueron requeridos durante el trabajo experimental. Asimismo, se 
reconoce el apoyo experimental del CNMN‐IPN en la realización del trabajo aquí presentado; y a la 
empresa CIM Co. de México por su apoyo en la captura de las imágenes empleando CDI y su posterior 
procesamiento en Aramis. 
Muchas gracias todos mis profesores que me enseñaron cosas invaluables tanto dentro como fuera del 
salón de clases, para incrementar tanto mi conocimiento como ayudarme a crecer en lo profesional y lo 
personal. Adicionalmente, quiero hacer una mención especial al Dr. Arturo Keer quien me acepto para 
realizar la estancia industrial en la empresa Cavendish SA de CV, en donde pude aprender a emplear 
programas de modelado en 3D y simulación de fluidos computacional que sin duda me serán de enorme 
utilidad en un futuro. 
También quiero agradecer a mis amigos y compañeros con quienes compartí esta aventura en donde 
pasamos buenos ratos, desveladas, juegos de billar y hasta regaños. Con quienes intercambiamos 
puntos de vista de nuestros trabajos, incluso siendo muy diferentes entre sí,y siempre estuvieron ahí 
para una buena carcajada, sin duda alguna. Sin ustedes estos 2 años y medio no hubieran sido lo mismo. 
Y al final, aunque no menos importante, a mí gran Familia que me brindó todo su apoyo y su paciencia 
durante esta época, que siempre me han inculcado el deseo de superación a través del estudio, mucho 
de lo que he logrado ha sido Gracias a ustedes. Y a mis amigos, por su apoyo y comprensión y siempre 
me animaron a seguir incluso en los tiempos difíciles y que siempre estuvieron ahí aunque nuestros 
caminos hayan sido diferentes. 
 
v 
CONTENIDO 
 
Resumen i 
Abstract ii 
Agradecimientos iii 
Contenido v 
Índice de figuras vii 
Índice de tablas x 
Glosario xi 
Nomenclatura xv 
Simbología xv 
Acrónimos xviii 
1. Introducción 1 
1.1. Generalidades 1 
1.2. Justificación 9 
1.3. Objetivos 10 
1.3.1. Objetivo General 10 
1.3.2. Objetivos Particulares 10 
1.4. Alcances 11 
1.5. Metodología 11 
2. Estado de la ciencia y de la tecnología 15 
2.1. Materiales Compuestos. 15 
2.1.1. Refuerzos 16 
2.1.2. Matrices. 18 
2.2. Procesos de manufactura de materiales compuestos de matriz termoplástica. 21 
2.2.1. Moldeo por compresión de GMT. 23 
2.2.2. Técnica de prensado en caliente 24 
2.2.3. Moldeado por autoclave. 25 
2.2.4. Moldeado por diafragma. 26 
2.2.5. Otros métodos de fabricación de materiales compuestos termoplásticos. 27 
2.3. Paradigma actual de diseño y certificación de estructuras de materiales compuestos. 29 
2.4. Estado del Arte. 33 
2.5. Teoría del análisis del comportamiento mecánico de una lámina y laminado de 
materiales compuestos. 35 
2.5.1. Micromecánica de la lámina. 37 
2.5.2. Ley Generalizada de Hooke para una lámina ortotrópica. 40 
2.5.3. Teoría del laminado. 45 
2.5.4. Definiciones de los parámetros de rigidez para un material tejido biaxial. 49 
2.5.5. Resistencia de una lámina de material compuesto. 51 
 
vi 
 
3. Puesta a punto del proceso de fabricación 53 
3.1. Metodología de fabricación 53 
3.1.1. Selección de materiales 55 
3.1.2. Molde y equipos. 56 
3.2. Proceso de fabricación del laminado 58 
3.2.1. Puesta a punto del proceso de fabricación. 60 
3.2.2. Descripción del proceso. 61 
3.2.3. Diseño del experimento para la determinación de los parámetros óptimos del 
proceso de fabricación. 64 
3.2.4. Probetas para ensayos mecánicos. 66 
4. Caracterización 67 
4.1. Procedimiento de obtención de las fracciones volumétricas de los constituyentes. 67 
4.2. Caracterización Mecánica (ensayo de tensión) 71 
4.2.1. Caracterización del material matriz (PP) 75 
4.2.2. Caracterización de la lámina de material compuesto 76 
4.3. Caracterización de propiedades micro y nanométricas. 85 
5. Resultados y Discusiones 89 
5.1. Caracterización inicial. 89 
5.1.1. Obtención de las propiedades mecánicas de la matriz. 89 
5.1.2. Fracciones volumétricas del compuesto (DOE). 90 
5.2. Resultados de la caracterización mecánica 91 
5.2.1. Correlación Digital de imágenes (CDI) 91 
5.2.2. Extensometría 94 
5.2.3. Determinación de la Tenacidad del material. 101 
5.3. Determinación de las propiedades mecánicas del compuesto analíticamente 102 
5.4. Análisis de resultados y discusiones 104 
5.4.1. Caracterizaciones micro y nanométricas. 106 
5.4.2. Tratamiento estadístico. 111 
5.4.3. Comparación 113 
6. Conclusiones y Recomendaciones 115 
6.1. Conclusiones 115 
6.2. Recomendaciones y trabajo futuro 117 
Referencias 119 
Anexo A – Propiedades de Materiales 123 
Anexo B – Dibujos del Molde 125 
Anexo C - Requerimientos 129 
 
vii 
ÍNDICE DE FIGURAS 
Figura 1.1 Ejemplos de aeronaves que utilizan ampliamente MCP avanzados [7] 2 
Figura 1.2 Pronósticos del crecimiento global anual promedio del uso de materiales 
compuestos en el periodo 2009 – 2014 por sector industrial [9] 3 
Figura 1.3 Propiedades relativas nominales de materiales termoplásticas [18]. 7 
Figura 1.4 Diagrama de flujo de la metodología utilizada 12 
Figura 2.1 Fases en un material compuesto [23] 15 
Figura 2.2 Clasificación de los materiales compuestos según la disposición del refuerzo [23] 17 
Figura 2.3 Combinaciones de material preliminar [32] 21 
Figura 2.4 Rollo unidireccional de PEEK/carbono [32] 22 
Figura 2.5 Fibras con Polvos adheridas [32] 22 
Figura 2.6 Fibras de la matriz mezcladas con fibras del refuerzo [32] 23 
Figura 2.7 Esquema del proceso de moldeo por compresión de GMT [33] 24 
Figura 2.8 Esquema de la técnica de prensado en caliente [33] 25 
Figura 2.9 Esquema del proceso de formado por diafragma [33] 27 
Figura 2.10 Esquema del embobinado de cinta termoplástica [33] 28 
Figura 2.11 Componentes termoplásticos fabricados mediante pultrusión [33] 28 
Figura 2.12 Pirámide de ensayos de materiales compuestos [21] 29 
Figura 2.13 Integración de los bloques de construcción [21] 30 
Figura 2.14 Esquema del análisis de materiales compuestos laminados [46] 36 
Figura 2.15 Elemento de volumen representativo de una lámina [25] 37 
Figura 2.16 Lámina unidireccional y los ejes principales de coordenadas [48] 38 
Figura 2.17 Respuestas típicas para materiales isotrópicos, anisotrópicos y ortotrópicos 
sujetos a tensión uniaxial y cortante [25] 40 
Figura 2.18 Estado de esfuerzos en un punto del continuo 41 
Figura 2.19 Componentes del esfuerzo en una lámina unidireccional referido a los ejes 
globales. 44 
Figura 2.20 Laminado multidireccional y el sistema coordenado de referencia global [23] 45 
Figura 2.21 Sección del laminado antes y después de la deformación 46 
Figura 2.22 Localización de la capa k en un laminado 46 
Figura 2.23 Esquema de la variación de la deformación y de la variación discontinua de los 
esfuerzos en un laminado multidireccional 47 
Figura 2.24 Elemento de una capa única con resultantes de (A) fuerzas y (B) momentos 48 
Figura 2.25 Laminado multidireccional con la notación coordenada de capas individuales 48 
Figura 2.26 Laminado bidireccional a partir de 2 láminas UD [49] 50 
Figura 2.27 Patrón del tejido liso tipo tafetán (onda plana) [50] 50 
Figura 2.28 Curvas de esfuerzo-deformación longitudinales para un mc y sus constituyentes 
en el caso de una resistencia dominada por la fibra.[23] 52 
Figura 3.1 Programa de evaluación de materiales 53 
Figura 3.2 Integración de los bloques de construcción para la fabricación de una lámina en 
material compuesto termoplástico 54 
Figura 3.3 Esquema del proceso de prensado en caliente 55 
Figura 3.4 Molde - Troquel. 57 
Figura 3.5 Mufla Carbolite Furnaces CSF-1200 57 
Figura 3.6 Prensa Morfin y Casarin con capacidad de 50 Ton 57 
Figura 3.7 Termómetro de termopares Fluke 52 series II 58 
Figura 3.8 Ciclo propuesto del proceso 59 
viii 
Figura 3.9 Diagrama temperatura del molde – tiempo para el ciclo de fabricación a 
diferentes temperaturasde la mufla. 59 
Figura 3.10 Lámina de material compuesto de prueba 61 
Figura 3.11 Lámina E4 con el refuerzo movido por la viscosidad de la resina 61 
Figura 3.12 Diagrama de bloques de fabricación de las láminas de MCT 62 
Figura 3.13 Preparación de la preforma de fibras 62 
Figura 3.14 Preforma de polipropileno 62 
Figura 3.15 Preparación de las probetas 63 
Figura 3.16 Molde colocado en la prensa. 63 
Figura 3.17 Pieza de MCT terminada 64 
Figura 3.18 Orientación del refuerzo en las probetas para ensayos de tensión 66 
Figura 4.1 Balanza de Precisión Ohaus 68 
Figura 4.2 Aparato para medir la densidad de un material compuesto 68 
Figura 4.3 Crisoles con los especímenes del MC dentro del horno 69 
Figura 4.4 Desecador con los crisoles 70 
Figura 4.5 Barra bajo tensión uniaxial [60] 71 
Figura 4.6 Diagrama Esfuerzo-Deformación típico para un termoplástico [61] 72 
Figura 4.7 Comportamiento de la curva esfuerzo deformación para 3 tipos de materiales 
compuestos [23] 73 
Figura 4.8 Máquina de ensayos universal Instron 8502 74 
Figura 4.9 Dimensiones de la probeta para ensayo de tensión [56][57][61] 75 
Figura 4.10 Probeta de PP para ensayo de tensión 75 
Figura 4.11 Probetas para ensayos de tensión 77 
Figura 4.12 Equipo de interferometría Danteq Q-100 79 
Figura 4.13 Imagen tomada con la cámara láser de la sección de prueba 79 
Figura 4.14 Esfuerzos en la probeta 80 
Figura 4.15 Equipo de CDI GOM ATOS 81 
Figura 4.16 Captura de las deformaciones mediante CDI 81 
Figura 4.17 Campo de deformaciones en la probeta [0/90] con una carga de 100 Kgf (981 N) 82 
Figura 4.18 Campo de deformaciones en la probeta [±45] con una carga de 35Kgf (343.4 N) 82 
Figura 4.19 Probeta de FG/PP con las galgas extensométricas 83 
Figura 4.20 Equipo de medición de deformaciones Vishay System 6000 y estación de trabajo 84 
Figura 4.21 Probeta instrumentada montada en la máquina de ensayos universal 84 
Figura 4.22 Diagramas de tiempo – deformación obtenidos en el ensayo de tensión en las 
direcciones ‘X’ y ‘Y’ para las probetas con dirección (A) *0/90°+ y (B) *±45°+ 85 
Figura 4.23 Ensayo de dureza Vickers y Berkovich [66] 86 
Figura 4.24 Zonas de interés para realizar las nanoindentaciones. 87 
Figura 5.1 Diagrama esfuerzo Vs deformación del PP 90 
Figura 5.2 Fracciones volumétricas en porcentaje de fibra (vf), matriz (vm) y porosidad (vp) 91 
Figura 5.3 Gráfica esfuerzo deformación para la orientación [0/90] mediante CDI (probeta 0) 92 
Figura 5.4 Diagrama de deformación axial VS deformación transversal para obtención del 
módulo de Poisson. 92 
Figura 5.5 Gráfica esfuerzo deformación para la orientación [±45] mediante CDI (probeta 2) 93 
Figura 5.6 Diagrama de deformación axial VS deformación transversal para obtención del 
módulo de Poisson. 93 
Figura 5.7 Gráfica esfuerzo cortante vs deformación angular (probeta 2) 94 
Figura 5.8 Grafica esfuerzo deformación para la orientación [0/90] mediante galgas 
extensométricas (prob 5) 95 
Figura 5.9 Diagrama de deformación axial vs deformación transversal para probeta [0/90] 95 
ix 
Figura 5.10 Diagrama esfuerzo deformación para la orientación [±45] (probeta 6) 96 
Figura 5.11 Diagrama deformación axial vs deformación transversal para orientación [±45°] 96 
Figura 5.12 Diagrama de esfuerzo cortante deformación angular (probeta 6) 97 
Figura 5.13 Comparación entre la curva obtenida mediante galgas extensométricas y 
utilizando el desplazamiento del cabezal de la máquina de ensayos para [0/90] 
(probeta 5) 98 
Figura 5.14 Comparación entre la curva obtenida mediante galgas extensométricas y 
utilizando el desplazamiento del cabezal de la máquina de ensayos para [±45°] 
(probeta 6) 99 
Figura 5.15 Diagrama esfuerzo deformación obtenido mediante extensómetro para una 
orientación [0/90] (probetas A y C) 100 
Figura 5.16 Diagrama esfuerzo deformación obtenido mediante extensómetro para una 
orientación [±45°] (probetas B y D) 100 
Figura 5.17 Perfil 3D de la superficie del material compuesto 106 
Figura 5.18 Huella de dejada por el nanoindentador Berkovich 106 
Figura 5.19 Gráfico carga – desplazamiento promedio resultado del ensayo de 
nanonindentación para las zonas de interfase fibra – matriz y únicamente matriz. 107 
Figura 5.20 Micrografías MEB de la sección transversal 108 
Figura 5.21 Micrografías MEB de la sección transversal en el acoplamiento entre trama y 
urdimbre. 109 
Figura 5.22 Micrografía MEB donde se muestra (A) detalle de impregnación entre fibras y (B) 
porosidad entre las fibras. 109 
Figura 5.23 Micrografía MEB de la fractura 110 
Figura 5.24 Micrografía MEB de la Fractura 110 
Figura 5.25 Histograma y gráfica de probabilidad para las distribuciones Normal y Weibull de 
módulo de elasticidad E1. 112 
Figura 5.26 Histograma y gráfica de probabilidad para las distribuciones Normal y Weibull del 
esfuerzo máximo SU1. 112 
Figura 5.27 Histograma y gráfica de probabilidad para las distribuciones Normal y Weibull de 
la relación de Poisson ν12. 112 
Figura 5.28 Histograma y gráfica de probabilidad para las distribuciones Normal y Weibull del 
módulo cortante G12. 113 
Figura 5.29 Histograma y gráfica de probabilidad para las distribuciones Normal y Weibull de 
la tenacidad T1. 113 
 
 
x 
ÍNDICE DE TABLAS 
Tabla 1.1 Correlación entre matrices en los materiales compuestos [7] 6 
Tabla 2.1 Ventajas y desventajas de las fibras de refuerzo [23] 18 
Tabla 2.2 Comparación entre resinas termofijas y termoplásticos [6] 19 
Tabla 2.3 Propiedades típicas de diferentes termoplásticos utilizados en la fabricación de 
materiales compuestos [28-31] 20 
Tabla 2.4 Definición del programa de prueba 32 
Tabla 3.1 Propiedades típicas de los materiales constituyentes (matriz y refuerzo) [23][31] 56 
Tabla 3.2 Diseño de Experimento 2K en el proceso de fabricación de las láminas de MCT 65 
Tabla 3.3 Codificación del diseño de experimento 65 
Tabla 4.1 Dimensiones promedio de las probetas de PP 76 
Tabla 4.2 Dimensiones de la sección transversal de las probetas para ensayo de tensión 78 
 
Tabla 5.1 Tabla de resultados de la caracterización de las láminas de PP 89 
Tabla 5.2 Fracciones volumétricas y másicas de las probetas obtenidas. 90 
Tabla 5.3 Propiedades obtenidas mediante CDI 94 
Tabla 5.4 Resultados obtenidos mediante el uso de galgas extensométricas 97 
Tabla 5.5 Resultados obtenidos mediante el desplazamiento del cabezal de la máquina 99 
Tabla 5.6 Resultados de las probetas obtenidos con extensómetro 101 
Tabla 5.7 Valores de tenacidad para el material compuesto 102 
Tabla 5.8 Propiedades de los constituyentes 102 
Tabla 5.9 Resultados del análisis del comportamiento del material 104 
Tabla 5.10 Resultados de la caracterización y análisis de las propiedades mecánicas 104 
Tabla 5.11 Variación entre los módulos obtenidos mediante distintas técnicas 105 
Tabla 5.12 Resultados de la prueba de nanoindentación 107 
Tabla 5.13 Parámetros de las distribuciones Normal y Weibull para los datos obtenidos de los 
ensayos 111 
Tabla 5.14 Comparación con diferentes tipos de materiales de aplicación estructural 114 
Tabla A.1 Propiedades de fibras [23] 123 
Tabla C.1 Requerimientos 129 
xi 
GLOSARIO 
 
Aditivo: Elementos químicos que modifican las propiedades de los metales o de los polímeros. 
Aramis: Programa computacional propiedad de GOM para la medición de deformaciones mediante 
comparación digital de imágenes. 
Arrastramiento (Creep): Incremento de deformación que sufre un material cuando se le aplica un 
esfuerzo constante a través del tiempo, presentándose principalmente en materiales viscoelásticos y 
polímeros. 
Atos: Equipo de captura de imágenes de GOM utilizado para la medición de deformaciones mediante 
CDI y captura de puntos para modelado virtual de una pieza. 
Autoclave: Horno a presión para procesos que involucran altas temperaturas y presiones en la industria. 
Cargas: Materiales usados en el procesamiento de polímeros para incrementar el volumen de los 
mismos sin provocar una reducción de sus propiedades mecánicas.Ciclo de vida (evaluación): Es una técnica utilizada para evaluar el impacto que tienen todas las etapas 
de un proceso desde la “cuna a la tumba”; es decir, desde el procesamiento de la materia prima, 
pasando por el procesamiento de materiales, manufactura, distribución, uso, reparación y 
mantenimiento, y desecho o reciclado. 
Curado: Proceso por el cual una material polimérico (termofijo) endurece mediante un entrecruzamiento 
de las cadenas de polímeros, el cual es realizado mediante la aplicación de aditivos químicos, radiación 
ultravioleta, o calor. 
Delaminación: Falla en un material compuesto que comprende el desprendimiento o separación de las 
láminas en un laminado. 
Diseño de experimento: Es el diseño y el tratamiento de información de ejercicios donde existe una 
variación entre ellos, ya sea teniendo un control completo sobre la variación o no. Estadísticamente son 
experimentos controlados para observar el comportamiento de una variable respuesta en función de 
otras variables que influyen en el experimento o proceso. 
xii 
Fieltro (Mat): Paño o tela, en el cual las fibras no se teje. Estas están dispuestas en una forma aleatoria y 
pueden ser fabricados con fibras largas o continuas. 
Flechado: Ángulo que forma el ala y el eje perpendicular al fuselaje del avión. 
Fractura: Es la separación física de un objeto o material en dos partes bajo la aplicación de esfuerzos. 
Material compuesto avanzado: Es un material compuesto en el cual el reforzamiento es continuo y tiene 
una orientación bien definida. 
Material compuesto: Material que se compone, a escala macroscópica, de dos o más materiales 
diferentes, los cuales actúan mecánicamente independientes y sus propiedades pueden ser obtenidas 
mediante una regla de mezclas. 
Matriz: Fase continúa en un material compuesto. Su función es mantener unido al reforzamiento y 
transmitir la carga uniformemente al refuerzo. 
Módulo específicos: La relación que existe entre el módulo (de elasticidad, cortante, flexión) entre la 
densidad del material. La utilidad del módulo específico es encontrar materiales que produzcan 
estructuras con peso mínimo. 
Mufla: Horno industrial que puede alcanzar muy altas temperaturas (1000°C o más) 
Pala (hélice o rotor): Se denomina así al brazo que al girar produce el movimiento impulsarte. Una hélice 
o rotor está compuesta por 2 o más palas. 
Porosidad: Son burbujas o vacios en la matriz de un material compuesto, formados en el proceso de 
impregnación y consolidación del material. Reducen la resistencia mecánica del material compuesto al 
generar zonas de acumulación de esfuerzos, así como impedir una correcta transferencia de las carga 
entre la matriz y el refuerzo. 
Preimpregnado (pre-preg): Se refiere al refuerzo que fue previamente impregnado con resina para ser 
procesado posteriormente en una autoclave, en donde se consolida la forma final de la pieza mediante 
calor y presión. En los materiales compuestos termoplásticos se refiere a las fibras mezcladas con hilos 
de la matriz o con polvos de la matriz adheridos. 
Refuerzo: Fase discontinua en un material compuesto, la cual es la que tiene la función de soportar las 
cargas en el mismo. 
xiii 
Resina: Es el término utilizado para nombrar al polímero precursor o reactante que formara a un plástico 
termofijo. 
Resistencia interlaminar: Son las componentes de la resistencia asociadas en dirección del espesor de 
una lámina. Es la resistencia de la unión adhesiva entre las capas adyacentes en un láminado. 
Rigidez: La capacidad de un material para soportar grandes esfuerzos sin adquirir grandes esfuerzos y/o 
desplazamientos. 
Semicristalino: Es un polímero que contiene dos regiones claramente definidas en su estado sólido. Una 
de estas regiones es cristalina y la otra amorfa. 
Tafetán: es un tejido formado por el cruzamiento de hilos pares de la urdimbre por un hilo de la trama y 
un entrecruzamiento de hilos impares de la urdimbre por otro hilo de la trama. 
Tela sin ondulación (Non-crimp fabric): Tipo de técnica textil para la elaboración de telas no tejidas que 
no producen ondulaciones; es decir, no hay entrecruzamiento de trama e urdimbre. Es un tipo de 
refuerzo intermedio entre los refuerzos completamente unidireccionales y los tejidos. Se caracterizan 
por que los mechones del refuerzo son colocados de forma paralela entre ellos y son unidos mediante un 
hilo delgado. 
Temperatura de transición vítrea: Es la temperatura a la cual se presenta una transición reversible en un 
material amorfo (o en la región amorfa de un material semicristalino) en la cual el material pasa de un 
estado endurecido y relativamente frágil a un estado fundido o similar al hule. 
Termofijo: Es un plástico el cual es endurecido mediante una etapa de curado mediante agentes 
químicos o calor, durante el cual se presenta un entrecruzamiento de las cadenas moleculares, lo cual los 
hace infusibles e insolubles. 
Termoplástico: Es un plástico que puede ser suavizado al ser calentado y endurecido al enfriarlo dentro 
de un rango de temperaturas característico. Estos materiales pueden ser reprocesados en el estado 
suave. 
Valor P: Es la probabilidad de obtener un ensayo estadístico por lo menos tan extremo como el que fue 
observado al menos una vez asumiendo que la hipótesis nula sea válida. 
Variable respuesta: Es la variable que se estudia en un diseño de experimentos. 
xiv 
Vida de estante: Es el tiempo en que la resina pueda estar almacenada antes de volverse inutilizable. 
También es el tiempo recomendado en el cual el producto puede ser almacenado, durante el cual la 
calidad definida de la resina permanece aceptable bajo ciertas condiciones de almacenamiento, 
distribución y exhibición. 
xv 
NOMENCLATURA 
SIMBOLOGÍA 
1, 2, 3 Dirección de los ejes principales de la lámina (pueden representarse también con l, t, z) 
[A] Matriz de rigidez extensional del laminado 
[a], [b], [c] Matrices inversas (flexibilidad) de las matrices [A][B] y [D] 
A0 Área transversal 
[B] Matriz de acoplamiento entre los efectos de tensión y flexión. 
Cij Constantes de la matriz de rigidez 
CV Coeficiente de variación 
[C] Matriz de rigidez 
[D] Matriz de rigidez en flexión del laminado 
E Módulo de elasticidad 
E’m Módulo de elasticidad equivalente de la matriz 
E1, E2 Módulo de elasticidad en la dirección axial, transversal en dirección de los ejes principales 
de la lámina 
E1f Módulo de elasticidad en la dirección axial (a lo largo) de la fibra 
E2f Módulo de elasticidad transversal de la fibra 
Ec Módulo de elasticidad cuerda 
Em Módulo de elasticidad de la matriz 
Esec1%ε Módulo de elasticidad secante a 1% de la deformación 
F Fuerza de tensión 
Fi Fuerza de tensión en cualquier punto i del ensayo 
Fx Fuerza de tensión 
G Módulo cortante 
G12 Módulo cortante en el plano en dirección de los ejes principales de la lámina 
G12f Módulo cortante de la fibra 
Gm Módulo cortante de la matriz 
H Dureza 
k Forma de la distribución Weibull 
K Rigidez del material 
l longitud 
l0 Longitud inicial 
li Longitud en cualquier punto i del ensayo 
m coseno del ángulo θ 
M Masa total 
M1 Peso del portaespecimen y cable de sujeción en el aire 
M2 Peso del portaespecimen y cable de sujeción sumergidos en el agua 
M3 Peso de la probeta en conjunto con el portaespecimen y cable de sujeción en el aire 
xvi 
M4 Peso de la probeta en conjunto con el portaespecimen y cable de sujeción sumergidos en 
el agua. 
Mc Peso del crisol vacío 
Mcf Peso del crisol y la fibra posteriormente de haberse consumido la matriz 
mf, mm Fracciones másicas de la fibra y de la matriz 
Mf, Mm Masa de la fibra y matriz 
MI Peso del especímen 
Mx, My, Mxy Momentos por unidad de longitud aplicados alrededor de los ejes x, y y del plano xy. 
n seno del ángulo θ 
Nx, Ny, Nxy Cargas por unidad de longitud en dirección de los ejes x, y y cortante en el plano xy. 
[Q] Matriz reducida de rigidez[ ̅] Matriz de rigidez en el sistema global del laminado 
s Desviación estándar 
[S] Matriz de flexibilidades 
[ ̅] Matriz de flexibilidades en el sistema global del laminado 
S1 Esfuerzo máximo en dirección axial en el eje principal de la lámina 
Sft Esfuerzo máximo del refuerzo en tensión 
Sij Constantes de la matriz de flexibilidades 
T Tenacidad 
Tg Temperatura de transición vitrea 
u0 Desplazamiento en el plano medio en dirección x 
V Volumen total 
v0 Desplazamiento en el plano medio en dirección y 
Vf, Vm, Vp Volúmen de la fibra, matriz y porosidad 
vf, vm,vp. Fracciones volumétricas de fibra, matriz y pososidad 
w Desplazamiento fuera del plano (dirección z) 
x, y, z Dirección de los ejes globales del laminado 
 ̅ Promedio 
zk Distancia tranversal al plano medio 
 
 
γ12 Deformación angular en el plano (igual a γ6) 
γ4, γ5, γ6 Deformaciones angulares 
ε
0 Deformaciones en el plano medio del laminado 
ε1, ε2, ε3 Deformaciones longitudinales 
εij Estado general de deformaciones 
εj Tensor de deformaciones 
Θ, θ Ángulo de giro entre el sistema de coordenadas de la lámina 12 y el sistema global del 
laminado xy 
κ Curvatura inducida 
κx, κx, κxy Curvatura inducida alrededor de los ejes x, y y el plano xy 
λ Escala de la distribución Weibull 
λt longitud de onda 
xvii 
ν12, ν21 Relación de Poisson en el plano en los ejes principales de la lámina 
ν12f Relación de Poisson de la fibra 
νm Relación de Poisson de la matriz 
ρ Densidad 
ρ1 Densidad del agua 
ρc Densidad del compuesto 
ρf, ρm Densidad de la fibra y matriz 
σ1, σ2, σ3 Esfuerzos axiales 
σi Tensor de esfuerzos 
σij Estado general de esfuerzos 
σ'mt Esfuerzo de la matriz correspondiente a la deformación a la fractura de las fibras 
 
12
k
 ,  
12
k
 Vector de esfuerzos y deformaciones de una única capa k en dirección al eje principal de la 
lámina. 
 
k
xy
 ,  
k
xy
 Vector de esfuerzos y deformaciones de una única capa k en dirección al eje global del 
laminado. 
τ12 Esfuerzo cortante en el plano (igual a τ6) 
τ4, τ5, τ6 Esfuerzos cortantes 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
xviii 
ACRÓNIMOS 
ABS Acrilonitrilobutadienoestireno 
ASTM Sociedad Americana para Ensayos y Materiales 
CDI Correlación digital de Imágenes 
CF Fibra de carbono 
CFD Formado frio por diafragma 
DDE Diseño de experimentos 
DRFT Tecnología de fabricación de reforzamiento directo 
FG Fibra de vidrio 
GMT Termoplástico reforzado con fieltro de vidrio (glass mat thermoplastic) 
IEM Interferometría electrónica de moteado 
ISO Organización internacional para la estandarización 
LCA Evaluación del ciclo de vida 
MCP Material compuesto polimérico 
MCT Material compuesto termoplástico 
MEB Microscopía electrónica de barrido 
MFA Microscopio de fuerza atómica 
PE Polietileno 
PEAD Polietileno de alta densidad 
PEEK Polieteretercetona 
PET Polietilentereftalato 
PP Polipropileno 
PPS Sulfuro de polifenileno 
PVC Cloruro de polivinilo 
RTM Moldeo por transferencia de resina 
SMC Moldeado de hojas de compuestos (sheet molding compound) 
1 
1. INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 
 
1.1. GENERALIDADES 
El uso de materiales compuestos de matriz polimérica se ha extendido enormemente durante los últimos 
años en la manufactura de estructuras primarias y secundarias, como de diversos componentes de 
aeronaves, vehículos terrestres, barcos y equipos deportivos debido a sus grandes ventajas con respecto 
a los materiales de ingeniería tradicionales, como lo son los metales; para lo cual ha sido necesario el 
desarrollo no sólo nuevos materiales, sino que también nuevos procesos de manufactura que se adapten 
a las necesidades y requerimientos de una industria cada vez más exigente. El drástico incremento de la 
aplicación de materiales compuestos en estas aplicaciones se debe principalmente a los altos módulos 
de elasticidad y resistencias específicas inherentes a estos materiales, lo cual se refleja en una reducción 
del peso estructural del vehículo, y por ende, en el incremento de la eficiencia en el consumo de 
combustible y la reducción en costos de mantenimiento [1-5]. 
Otra de las razones por las que este tipo de materiales están siendo incorporadas en estructuras 
y componentes, es que pueden ser diseñadas y construidas específicamente para una aplicación dada, lo 
cual permite maximizar el rendimiento de la estructura [6]. Ejemplos de aplicaciones específicas se 
encuentran a lo largo de la industria; como por ejemplo, lo son la palas de los rotores de 13 m de 
diámetro utilizados en la aeronave militar V-22 (Fig. 1.1.a) y el ala con flechado negativo del avión 
experimental X-29 (Fig. 1.1.b). En ambos ejemplos los materiales empleados han sido diseñados 
específicamente para esas aplicaciones, las cuales no hubieran podido realizarse empleando materiales 
isotrópicos convencionales (por ejemplo los metales) por limitaciones de forma, peso y distribución de 
las cargas a lo largo de la estructura [7]. 
2 
 
(A) 
 
(B) 
Figura 1.1 Ejemplos de aeronaves que utilizan ampliamente MCP avanzados [7] 
A) V-22 de Bell-Boeing. B) avion experimental x-29 de nasa-grumman. 
 
El volumen de la demanda de materiales compuestos se ha incrementado en las últimos años, y 
de acuerdo con el Departamento de Innovación y Habilidades en los Negocios del Reino Unido, la 
producción de estos materiales tendrá un crecimiento promedio anual, durante el periodo 2009 – 2014, 
como se muestra en la Figura 1.2 [8][9]. 
3 
 
Figura 1.2 Pronósticos del crecimiento global anual promedio del uso de materiales compuestos en el periodo 
2009 – 2014 por sector industrial [9] 
La gran mayoría de este tipo de materiales para aplicaciones estructurales utiliza matrices 
termofijas, debido a las bajas presiones y temperaturas de procesamiento para la consolidación del 
material compuesto. A su vez, este tipo de polímeros proveen una buena estabilidad térmica y mecánica, 
incluso a temperaturas relativamente altas (aproximadamente 300°C), y presentan una elevada 
resistencia, tanto química como mecánica, originado por el entrecruzamiento de las cadenas 
moleculares que conforman al polímero [10][11]. Pero los polímeros termofijos tienen un inconveniente 
principal: sus limitadas capacidades para ser reparados como para ser reciclados. 
Cuando un material compuesto termofijo experimenta daño (fractura, delaminación, etc.), éste 
tiene que ser reparado de acuerdo con los procedimientos estándares, lo cual implica la remoción del 
área afectada y la aplicación de adhesivos y/o parches de acuerdo con la característica del daño y la 
disposición del laminado [12][13]. Al terminar la vida útil del componente, puesto que su reciclaje es 
difícil y costoso, una pequeña parte es procesada para ser utilizados como cargas o refuerzos en nuevos 
materiales compuestos; sin embargo, la mayor parte son desechados como basura y pasan a llenar los 
depósitos comunes y, en el mejor de los casos, a ser incinerados creando múltiples problemas ecológicos 
[14]. 
En los últimos años se ha incrementado la preocupación sobre el impacto ambiental que pueden 
provocar los materiales durante el tiempo de vida, sobre todo en materia de contaminación y energía 
0%
5%
10%
15%
20%
Aeroespacial Energía eólica Tuberias y
tanques
Marina Construcción Transportación Bienes de
consumo
Electríco Otros
C
re
ci
m
ie
n
to
 P
ro
m
ed
io
 A
n
u
al
 
Sectores Industriales 
4 
utilizada desde la extracción de las materias primas hasta su desecho. Como se puede constatar existe 
una clara tendencia en el incremento de la utilización de materiales compuestos en sistemas de 
transporte, construcción y otras industrias [15], en las cuales los materiales compuestos han ido 
sustituyendo paulatinamente a los materiales clásicos de ingeniería, situación que puede causar graves 
repercusiones en el medio ambiente cuando los componentes fabricadoscon estos materiales terminen 
su vida útil. Esta circunstancia obliga a hacer un estudio para analizar la viabilidad de la sustitución de un 
material metálico (u de otro tipo) por el de un material compuesto. Este tipo de análisis puede realizarse 
mediante la Evaluación del Ciclo de Vida (LCA por sus siglas en inglés), la cual es una técnica utilizada 
para estimar el desempeño ambiental de los productos, materiales y servicios en todas las etapas de su 
ciclo de vida [16]. 
Así pues, en los últimos años se está presentando dentro de la industria un interés renovado en 
la fabricación de materiales compuestos avanzados utilizando matrices termoplásticas, debido a las 
ventajas que ofrecen este tipo de resinas respecto a sus contrapartes termofijas, las cuales, además de 
poder ser recicladas, presentan otras ventajas como la reducción de costos, sobre todo aquellos 
relacionados con el tiempo de procesamiento, lo cual ha generado la creación de nuevas tecnologías y 
aplicaciones para los materiales compuestos de matriz termoplástica (MCT) y sobre todo de materiales 
avanzados [17]. 
Dentro de las ventajas que presentan los materiales compuestos termoplásticos respecto a 
aquellos que son fabricados empleando resinas termoplásticas se encuentran: 
 Pueden ser reciclados, reprocesados y soldados; 
 Los tiempos de procesamiento de los materiales son muy reducidos (en el orden de los 
segundos); 
 Estos materiales tienen una vida de ‘estante’ (shelf life) indefinida; 
 Ciertas matrices termoplásticas, como lo son los polímeros de ingeniería (ejemplo: PPS, PEEK) 
tienen mejor resistencia mecánica, mayor módulo de elasticidad y mejor resistencia a la tensión; 
 La rigidez de estos materiales, así como su resistencia se incrementa a velocidades de 
deformación elevadas (por ejemplo en impacto); 
 Las temperaturas de operación de algunas de las matrices termoplásticas son superiores a las de 
las resinas termofijas (por ejemplo el PEEK). 
 
5 
Aunque cabe recordar que estos materiales también tienen algunas desventajas, las cuales han 
impedido su amplia aceptación en la industria, señalando las siguientes: 
 Altas temperaturas de procesamiento para algunas matrices, las cuales pueden llegar a ser de 
aproximadamente 400° C; en comparación con los 180 a 200°C que se requiere para el curado de 
un material termofijo. 
 La elevada viscosidad del polímero fundido, la cual dificulta la impregnación de las fibras. 
 El elevado costo de los polímeros termofijos de alto rendimiento. 
 La dificultad para la elaboración de preformas y el apilamiento de las capas, sobre todo en 
superficies curvas e irregulares. 
En la tabla 1.1 se muestran los compromisos que existen entre las matrices termofijas y las 
termoplásticas y los criterios que influyen en la selección del sistema de matriz del material compuesto. 
El reforzamiento de polímeros termoplásticos no es un concepto nuevo, ya que desde que 
empezaron a procesarse se ha buscado mejorar sus propiedades mecánicas, térmicas y resistencia 
química mediante el adicionamiento de aditivos, cargas, y refuerzos en formas de partículas o fibras (ya 
sean cortas, largas o continuas). La principal diferencia entre el reforzamiento de una matriz 
termoplástica con partículas (o en su caso con fibras cortas) y los materiales reforzados con fibras 
continuas orientados en una dirección preferencial, son que a los primeros se les pretende dotar de una 
mayor rigidez, mientras que en el caso de los segundos la carga principal es transferida al refuerzo por lo 
que las propiedades de rigidez y resistencia son mucho mayores en estos materiales. En la Figura 1.3 se 
muestra una gráfica comparativa entre los efectos que tienen en las propiedades típicas de un 
termoplástico sin reforzar el uso de un reforzamiento mediante fibras cortas y con fibras continuas [18]. 
A este tipo de materiales compuestos, en donde el reforzamiento fibroso continuo se encuentra 
alineado y orientado en una dirección preferencial se le conoce como material compuesto avanzado, y es 
particularmente atractivo como material empleado en la manufactura de estructuras debido a la elevada 
resistencia y módulo de elasticidad proporcionados por las fibras, que son las que soportan la mayor 
parte de la carga. A su vez, este tipo de materiales compuestos poliméricos también son altamente 
interesantes al poderse elegir la orientación de las fibras en el proceso de diseño de la estructura para 
optimizar la distribución de las cargas en el material. Al conjunto de fibras alineadas en cierta orientación 
se le da el nombre de capa o lámina. Los materiales compuestos avanzados se construyen a través del 
apilamiento de un cierto número de láminas donde cada capa se coloca en una orientación diferente. 
Este apilamiento de capas se le conoce como laminado [19]. 
6 
 
Tabla 1.1 Correlación entre matrices en los materiales compuestos [7] 
Propiedad Termofija Termoplástica Notas 
Costo de la Resina Bajo a medio alto. 
Basada en los requerimientos 
de la resina. 
Bajo a alto, 
dependiendo de los 
requerimientos. 
Se verá reducido para los 
termoplásticos mientras el 
volumen se incrementa. 
Formulación Compleja Simple 
Viscosidad (fundida) Muy baja a media Alta 
Impregnación de la 
fibra 
Fácil Difícil 
Amoldamiento/fijación 
del preimpregnado 
Buena Ninguna Está simplificada por el 
uso de fibras poliméricas 
entrelazadas 
Estabilidad del 
preimpregnado 
Pobre Buena 
Porosidad del 
compuesto 
Buena (baja) Buena a excelente 
Tiempo del ciclo del 
procesamiento 
Largo Corto a largo (un 
procesamiento largo 
degrada al polímero) 
 
Costos de fabricación Altos para la industria 
aeroespacial. Bajos para 
tubería y tanques con fibra de 
vidrio 
Bajo (potencialmente); 
algunas formas aún no 
pueden ser procesadas 
económicamente 
 
Propiedades mecánicas 
del compuesto 
Justas a buenas Buenas 
Tenacidad a la fractura 
interlaminar 
Baja Alta 
Resistencia a 
fluidos/solventes 
Buena Pobre a excelente: es 
necesario una buena 
selección de la matriz 
 
Tolerancia al daño Pobre a excelente Justa a buena 
Resistencia al 
deslizamiento. 
Buena No conocida 
Bases de datos Muy amplia Pocas 
Problemas de 
cristalinidad 
Ninguno Posible La cristalinidad afecta la 
resistencia a los solventes 
Otras Pueden ser reformados 
para hacer una junta de 
interferencia. 
 
7 
 
Figura 1.3 Propiedades relativas nominales de materiales termoplásticas [18]. 
(Valores típicos para una resina termoplástica sin reforzar: resistencia a la tensión, 70 a 105 MPa; resistencia a la 
tensión, 105 a 170 MPa; módulo de elasticidad, 2.7 a 4.1 GPa; temperatura de distorsión, 140 a 260 °C; resistencia 
al impacto, 17 a 85 J∙mm.) 
Tanto la tecnología como el costo de los materiales compuestos dependen ampliamente de los 
constituyentes; es decir, las fibras y la matriz que son combinados para formar el material compuesto, lo 
cual, a su vez, depende de la habilidad de los constituyentes para unirse y por lo tanto, formar un 
material cohesivo. Por lo general, el procesamiento involucra la aplicación de elevadas temperaturas y/o 
presiones, las cuales dependen de la elección de la matriz. La unión del refuerzo con la matriz a 
temperaturas elevadas tiene la desventaja que se puede presentar un debilitamiento en la unión, o 
incluso, un desprendimiento de la matriz y la fibra durante la etapa de enfriamiento del compuesto, lo 
cual está relacionado con los coeficientes de expansión térmica del refuerzo y de la matriz. El 
debilitamiento de la unión incapacita a la fibra en su función como refuerzo ocasionando un 
desmejoramiento en propiedades mecánicas del material [20]. Adicionalmente, pueden existir 
variaciones en la temperatura de servicio, estabilidad frente a la corrosión, susceptibilidad a la presencia 
de microgrietas, fatiga y disminución de la vida de servicio. 
0 5 10 15 20 25 30 35
Resistencia
al impactoTemperatura
de distorsión
Módulo de
elasticidad
Resistencia
a la flexión
Resistencia
a la tensión
Valor Relativo 
Reforzado con fibras
continuas (orientado a 0°)
Reforzado con fibras cortas
Sin refuerzo
8 
En la mayoría de los casos, estos materiales o los elementos estructurales construidos con ellos, 
son fabricados mediante procesos complejos de pasos múltiples. En consecuencia, al momento de 
emplear o construir una base de datos que contenga las propiedades de los materiales se necesita 
entender cómo dependen las propiedades medidas del material; así como, de las características y la 
variabilidad asociadas a los materiales constituyentes y a la secuencia del procesamiento empleado en la 
combinación de los materiales constituyentes para la obtención del producto final. Como resultado, el 
desarrollo y la aplicación de controles en las diferentes etapas del procesamiento son esenciales para 
alcanzar las propiedades mecánicas y físicas deseadas en una estructura de material compuesto [21]. 
 
 
 
9 
1.2. JUSTIFICACIÓN 
 
Existe una urgente necesidad de materiales estructurales ligeros, los cuales puedan ayudar a 
reducir el consumo de energía de los sistemas motrices industriales y de transportes, en donde estos 
materiales deben; por un lado, tener la capacidad de ser reciclados y por otro, encontrar procedimientos 
de reparación que permitan que la estructura recobre su integridad sin implicar un aumento significativo 
en la masa del componente. Es necesario asimismo aprovechar las características que ofrecen los 
materiales compuestos de fibras continuas orientadas para maximizar las propiedades mecánicas del 
compuesto. Los materiales termoplásticos ofrecen esta posibilidad aunada con ventajas en el 
incremento de la tenacidad y mayor resistencia al impacto que las matrices termofijas principalmente. 
Constituye enorme interés continuar con el desarrollo de estos compuestos y entender cómo se 
relacionan los procesos de conformado y consolidación con las propiedades mecánicas del material y, así 
mismo, profundizar en el conocimiento para la producción de estos sistemas de materiales con un bajo 
costo y conseguir los materiales constituyentes dentro del mercado nacional, lo cual contribuirá con el 
desarrollo de tecnologías de fabricación locales tanto de materias primas como de materiales 
compuestos. 
Por esta razón se propone el desarrollo de un proceso de fabricación de un material compuesto 
de matriz termoplástica y la caracterización física y mecánica del producto obtenido con el fin de 
optimizar la producción ulterior de futuros componentes estructurales. 
 
10 
1.3. OBJETIVOS 
 
1.3.1. OBJETIVO GENERAL 
 
Poner a punto un proceso para la fabricación de láminas de material compuesto de matriz 
termoplástica reforzada con fibras continuas de vidrio y realizar la caracterización física y mecánica del 
material resultante para determinar los parámetros globales indicativos del proceso de fabricación y del 
desempeño del material. 
 
 
1.3.2. OBJETIVOS PARTICULARES 
 
 Seleccionar los materiales susceptibles para ser utilizados en este proceso, los cuales tendrán que 
ser de origen nacional. 
 Seleccionar el proceso de fabricación, para lo cual se tomarán en cuenta las instalaciones y 
equipos que serán utilizados en consolidación del material. 
 Poner a punto el proceso de fabricación, lo que conlleva el diseño del dispositivo y la 
determinación de los parámetros de fabricación involucrados en el conformado del material. 
 Evaluar las características del material y explorar posibles aplicaciones para el material obtenido. 
 
 
 
 
 
11 
1.4. ALCANCES 
A fin de tener una base de datos confiable del material elaborado mediante este procedimiento, 
el cual permita expandir el conocimiento del comportamiento mecánico del mismo a un segundo y 
tercer nivel de la pirámide de ensayos, se realizará la correlación entre la teoría del comportamiento del 
laminado y los resultados en los ensayos mecánicos realizados. Por lo que de acuerdo con los objetivos 
expresados, los alcances de este trabajo son: 
 
 Obtener un proceso de fabricación de materiales compuestos termoplásticos usando materia 
prima de origen nacional y la infraestructura local. 
 Tener las bases para la elaboración de un dispositivo para la fabricación de materiales 
compuestos. 
 Obtener láminas delgadas de un material compuesto termoplástico, las cuales serán utilizadas en 
la generación de la base de la pirámide de ensayos de los materiales compuestos mediante: 
o Caracterización física del compuesto resultante para obtener las fracciones volumétricas de 
fibra vf, matriz vm y Porosidad vp. 
o Caracterización mecánica: Obtención de los módulos de elasticidad en dirección longitudinal y 
transversal de las fibras E1, E2, la relación de Poisson ν12, el módulo cortante G12, resistencia 
máxima longitudinal Su1, y la correlación ensayos cálculos. 
1.5. METODOLOGÍA 
Para el logro de los objetivos de este trabajo, se procede a seguir la metodología propuesta en el 
diagrama de la Figura 1.4, en donde en un inicio se realiza una investigación bibliográfica, que tiene 
como finalidad determinar los métodos de fabricación del material compuesto que se están utilizando, 
así como, para encontrar las ventajas y desventajas de los procesos y materiales. Posteriormente, una 
vez seleccionado tanto el proceso de fabricación a utilizar y los materiales constituyentes, se procede a 
diseñar el experimento para determinar los parámetros del proceso que tengan un mayor impacto sobre 
las propiedades mecánicas. En este punto, se toma como parámetro explicativo de las propiedades 
mecánicas del material las fracciones volumétricas de los constituyentes y de la porosidad del material. 
Entre mayor es la fracción volumétrica del refuerzo y menor la porosidad el material compuesto tendría 
un mejor rendimiento mecánico. 
12 
 
Figura 1.4 Diagrama de flujo de la metodología utilizada 
13 
Una vez establecidos los óptimos parámetros del proceso, se procede con la manufactura de 
probetas con el objetivo de determinar las propiedades mecánicas en tensión a [0/90] y las propiedades 
de corte obtenidas del ensayo de tensión con probetas [±45°]. Usando los datos de las propiedades 
mecánicas de los constituyentes y sus fracciones volumétricas se calculan las propiedades mecánicas del 
material compuesto, las cuales son comparadas con las propiedades obtenidas mediante la 
caracterización mecánica. De acuerdo con la metodología mostrada en la Figura 1.4, el presente reporte 
se divide de la siguiente manera: 
El capítulo presente (Introducción) sirve para presentar el marco teórico en dónde este trabajo 
se sitúa, introducir la problemática existente con el incremento en el empleo de materiales compuestos 
poliméricos tradicionales y el interés renovado por los materiales de matriz termoplástica. Asimismo, se 
plantean los objetivos de este trabajo, los resultados que se esperan obtener y el método para 
obtenerlos. 
En el capítulo 2 (Estado de la ciencia y la tecnología) se efectúa una revisión bibliográfica sobre 
de los materiales compuestos, los materiales constituyentes enfocándose principalmente a las matrices 
termoplásticas, así como los procesos de manufactura asociados a los mismos. Se revisan los últimos 
avances en la manufactura de materiales compuestos termoplásticos, así como en las técnicas de 
caracterización. Finalmente se explican brevemente las teorías del comportamiento mecánico de los 
materiales compuestos laminados. 
En el capítulo 3 (Puesta a punto del proceso de fabricación) se explica cómo se procedió para 
seleccionar los materiales y se describen los pasos del proceso de fabricación de las láminas del material 
compuesto termoplástico describiendo los materiales y equipos utilizados, así como el diseño del 
experimento 2k empleado para la selección de los óptimos parámetrosde este proceso. 
En el capítulo 4 (Caracterización) se hace una descripción de las técnicas utilizadas para la 
caracterización del contenido de los constituyentes como la obtención de las propiedades mecánicas del 
material, los equipos y normas utilizadas durante el procedimiento. 
En el capítulo 5 (Resultados y discusiones) se desarrollan las propiedades del material mediante 
análisis matemáticos usando los modelos matemáticos expresados en el capítulo 2, así como la 
presentación de los resultados obtenidos de la caracterización realizada en el capítulo 4, la correlación 
con los parámetros analíticos y su comparación con las propiedades de otros materiales similares. 
14 
Finalmente, en el capítulo 6 se presentan las conclusiones analizando los resultados obtenidos a 
lo largo de todo el proceso. También se presentan los aportes finales de este trabajo, las 
recomendaciones y los posibles desarrollos que pudieran surgir. 
 
 
15 
2. ESTADO DE LA CIENCIA Y DE LA TECNOLOGÍA 
 
 
 
 
 
2.1. MATERIALES COMPUESTOS. 
Se considera como material compuesto estructural a un sistema de materiales consistente de 
dos o más fases a escala macroscópica, en el cual las propiedades físicas y el rendimiento mecánico de 
cada una de éstas son combinadas para obtener un material con propiedades superiores a aquellas de 
los materiales que lo constituyen. Una de las fases, la cual generalmente es discontinua, y es la más 
resistente y rígida, se le denomina refuerzo; mientras que la otra fase más débil y menos rígida, que se 
caracteriza por ser continua, se conoce como matriz [22]. En algunos casos debido a interacciones 
químicas u otros efectos del procesamiento, puede encontrarse una fase adicional entre el refuerzo y la 
matriz conocida como interfase [23].En la Figura2.1 se puede observar un corte esquemático de un 
material compuesto. 
i 
Figura 2.1 Fases en un material compuesto [23] 
16 
Las propiedades de un material compuesto dependen tanto de las propiedades de los materiales 
constituyentes como de la geometría y la distribución de las fases; siendo uno de los parámetros más 
importantes la fracción volumétrica del refuerzo. La distribución del refuerzo determina la 
homogeneidad del sistema del material; entre menos uniforme sea la distribución del refuerzo el 
material será más heterogéneo, lo que incrementa las probabilidades de falla en las zonas más débiles 
del mismo. Es importante mencionar que tanto la geometría como la orientación del refuerzo afectan a 
la anisotropía del sistema. 
2.1.1. REFUERZOS 
Los refuerzos se pueden ser clasificados por el material de que están hechos: ya sea de vidrio, 
carbono, metálicas, cerámicas u orgánicas. Otro criterio de clasificación de los materiales está referido al 
tipo de refuerzo utilizado, donde existen dos clases de materiales compuestos: fibrosos y particulados, 
como se muestra en la Figura2.2, y cada uno tiene propiedades únicas y una aplicación potencial, la cual 
puede ser subdividida en categorías específicas. 
Los refuerzos fibrosos son aquellas fibras continuas, largas o cortas suspendidas en un material 
matriz; teniendo por definición que una fibra continua se caracteriza geométricamente por tener una 
relación muy grande de longitud entre diámetro, éstos son materiales que tienden a ser muy resistentes 
y rígidos. Se considera una fibra corta cuando la relación entre la longitud y el diámetro se encuentra 
entre 5 < l/d < 1000 [24]. Los materiales compuestos que tienen por refuerzo fibras discontinuas pueden 
ser producidos de tal manera que las fibras sean, ya sea, orientadas aleatoriamente o tengan alguna 
orientación definida. Estas discontinuidades producen un material anisotrópico, pero en la mayoría de 
los casos la respuesta del material puede ser prácticamente isotrópica. Mientras que los materiales que 
cuentan con refuerzos continuos son conformados por varias capas con una orientación determinada y 
capa está conformada generalmente por fibras dispuestas en forma unidireccional o en tejido, dando 
una respuesta ortotrópica. 
Los materiales compuestos particulados se caracterizan por que el refuerzo es una partícula 
suspendida en la matriz, las cuales pueden tener cualquier forma, tamaño y configuración. La respuesta 
de este tipo de materiales puede ser tanto anisotrópica, ortotrópica o incluso isotrópica dependiendo 
del tratamiento que se le dé al material durante su procesamiento. Este tipo de refuerzos se utilizan 
cuando la resistencia no es una característica importante en el diseño del material. [25] 
 
17 
 
i 
Figura 2.2 Clasificación de los materiales compuestos según la disposición del refuerzo [23] 
Entre los principales refuerzos empleados en la fabricación de materiales compuestos 
termoplásticos se encuentran [6][26]: 
Fibra de Vidrio: Dado su gran disponibilidad y bajo costo es el refuerzo más utilizado en la fabricación de 
plásticos reforzados, aunado a sus buenas características mecánicas. La fibra de vidrio es muy útil debido 
a su gran relación peso-área, y su estructura amorfa hace que sus propiedades de la fibra sean las 
mismas tanto en forma longitudinal como transversal a la misma. Las aplicaciones más comunes para la 
fibra de vidrio incluyen el aislamiento térmico y eléctrico, el reforzamiento de varios materiales, 
absorción de sonido, fabricación de telas resistentes a la corrosión y al calor, telas de alta resistencia, 
equipo deportivo, cascos de barco y componentes automotrices. 
Fibra de Carbono Este es un material el cual consiste de fibras extremadamente delgadas (entre .005 y 
0.01 mm) el cual está compuesto principalmente de átomos de carbono, los cuales en conjunto forman 
cristales microscópicos que están alineados más o menos paralelamente al eje longitudinal del 
filamento. Este alineamiento cristalino hace que la fibra sea muy resistente en relación a su diámetro. 
Dado que la densidad de la fibra de carbono es considerablemente más baja que la del acero, la hace 
18 
ideal para aplicaciones que requieren bajo peso. Entre sus principales propiedades se encuentra una 
resistencia muy elevada en tensión, baja densidad y bajos coeficientes de expansión térmica. Aunque su 
principal desventaja es el costo elevando en comparación con materiales similares como la fibra de 
vidrio. 
Aramida (Kevlar) Las fibras de Aramida, principalmente conocidas con el nombre comercial de Kevlar, 
son una clase de fibras sintéticas resistentes al calor que son utilizadas en aplicaciones aeronáuticas y 
balísticas, debido a su alta orientación molecular a lo largo de la fibra, lo cual le da excelentes 
propiedades mecánicas, así como una gran resistencia química. 
En la Tabla 2.1 se puede apreciar algunas de las ventajas y desventajas que representa emplear un 
determinado tipo de fibra en la fabricación de un material compuesto y el impacto que tiene en los 
criterios de selección del material; mientras que en la Tabla del Anexo A, se enumeran las propiedades 
mecánicas más relevantes de algunas de los refuerzos comerciales más utilizados. 
Tabla 2.1 Ventajas y desventajas de las fibras de refuerzo [23] 
Tipo de Fibras Ventajas Desventajas 
Vidrio E y Vidrio S 
Alta resistencia 
Bajo costo 
Baja rigidez 
Vida de fatiga corta 
Alta sensibilidad al calor 
Aramida (Kevlar) 
Alta resistencia en tensión 
Baja densidad 
Baja resistencia en compresión 
Alta absorción de humedad 
Carbón (AS4, T300, C6000) 
Alta resistencia 
Alta rigidez 
Costo moderadamente elevado 
 
2.1.2. MATRICES. 
Para la fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica, se emplean tanto polímeros 
termofijos como termoplásticos. La diferencia principal entre estos dos tipos de polímeros radica en el 
comportamiento que observan respecto al incremento de la temperatura. Para los materiales 
termoplásticos al incrementar la temperatura estos se comienzan a reblandecer hasta el punto en que el 
material se derritey puede ser formado, y al enfriarse el polímero vuelve a solidificarse manteniendo la 
forma que se le dio en estado líquido o semiendurecido; a diferencia de los polímeros termofijos, que 
debido al entrecruzamiento molecular ocasionado en la etapa de curado, si se incrementa la 
temperatura del material este no se reblandece, sino que permanece en el mismo estado hasta que 
empieza a degradarse. Otra diferencia existente entre los polímeros termoplásticos y termofijos, es que 
19 
los termoplásticos tienden a absorber menos humedad, lo que evita una drástica disminución en las 
propiedades mecánicas en condiciones de trabajo donde existen temperaturas elevadas. 
A su vez, ciertos materiales termoplásticos son más resistentes que los termofijos, especialmente 
los polímeros conocidos como de ingeniería (por ejemplo PEEK), y muestran una mayor resistencia 
interlaminar y al impacto [7]. Estas diferencias se pueden apreciar en la Tabla 2.2. 
Tabla 2.2 Comparación entre resinas termofijas y termoplásticos [6] 
Termofijos Termoplásticos 
Características principales 
Conlleva un proceso químico cuando se cura. No reactivo, no requiere de curado. 
Poca deformación en la fractura. Alta deformación en la fractura. 
Baja energía de fractura. Alta energía de fractura. 
Muy baja viscosidad posible. Muy alta viscosidad. 
Absorbe humedad. El procesamiento es reversible. 
Altamente resístete a los solventes. Absorbe poca humedad. 
 Resistencia limitada a solventes orgánicos, en 
algunos casos. 
Ventajas 
Temperatura de procesamiento relativamente baja. Tiempos de procesamiento cortos posibles. 
Buena tiene buena capacidad para mojarse. Desperdicios reusables. 
Formable en formas muy complejas. Puede ser reprocesado posterior al formado. 
Posible la manufactura por medios de resina liquida. Procesamiento rápido. 
Resistente al creep. Vida en el estante ilimitada sin refrigeración. 
 Alta resistencia a la delaminación. 
Desventajas 
Largos tiempos de procesamiento. Baja resistencia a los solventes 
Tiempo de curado largo. Puede ser susceptible al creep. 
Vida de almacenamiento restringida (requiere de 
refrigeración). 
Requiere de altas temperaturas de procesamiento 
(entre 200 a 400 °C). 
 Muy pobre capacidad de fijarse y amoldarse. 
 
Asimismo, los polímeros termoplásticos, de acuerdo con su estructura molecular, pueden ser 
clasificados como amorfos o semicristalinos, siendo estos últimos los que tienen más cualidades para ser 
empleados como matrices en materiales compuestos de alto rendimiento, debido a que este tipo de 
estructura presenta una mayor resistencia a ataques químicos y exhibe un mejor comportamiento 
mecánico. A continuación se enumeran algunos de los polímeros termoplásticos más comúnmente 
empleados en la fabricación de materiales compuestos: 
Polietileno (PE) El polietileno se caracteriza por ser el polímero más simple, el cual consiste de una 
cadena lineal no ramificada y éste puede ser amorfo o semicristalino. Las propiedades mecánicas del PE 
dependen de su grado de cristalinidad, peso molecular y punto de fusión, el cual ocurre en el intervalo 
20 
entre 120 a 140 °C. Los polietilenos de baja, media y alta densidad tienen buena resistencia a los 
químicos y no se disuelven a temperatura ambiente debido a su cristalinidad. [6][7] 
Polipropileno (PP) El polipropileno es uno de los termoplásticos más vendidos en el mundo, tiene una 
demanda anual estimada de 40 millones de toneladas, con incrementos anuales de consumo próximos al 
10% durante las últimas décadas. El gran interés que presenta está directamente relacionado con su 
versatilidad, buenas propiedades físicas y la competitividad económica en sus procesos de producción. 
Por la excelente relación entre su rendimiento y costo, éste polímero ha sustituido gradualmente a 
materiales como el vidrio, algunos metales (en ciertas aplicaciones), madera, así como otros polímeros 
de amplio uso general como el ABS y PVC. [6][7] 
Sulfuro de Polifenileno (PPS): El Sulfuro de Polifenileno es un polímero cristalino reconocido por su 
combinación única de propiedades, las cuales incluyen estabilidad térmica, resistencia química y 
resistencia al fuego. Este material exhibe propiedades mecánicas intermedias, así como tolerancia a la 
temperatura y su resistencia a la corrosión es excelente, la cual se debe a que es inerte a solventes 
orgánicos y sales inorgánicas. [27][28] 
Polieteretercetona (PEEK) El Polieteretercetona es un termoplástico perteneciente al grupo de las 
policetonas, el cual es un polímero semicristalino con una excepcional resistencia en temperaturas 
elevadas, así como a los solventes, ya que solo puede ser disuelto por ácido sulfúrico concentrado. Dado 
sus características, el PEEK es un material sumamente costoso y es utilizado en aplicaciones de alto 
rendimiento en la industria aeronáutica y de defensa. [27][28] 
Los materiales candidatos son polímeros termoplásticos de bajo costo y producción nacional, tal 
como el Polipropileno (PP) o el Polietileno de Alta Densidad (PEAD), debido a que ambos materiales 
presentan estructuras moleculares semicristalinas y buenas propiedades mecánicas. Una comparación 
de las propiedades se muestra en la Tabla 2.3. 
Tabla 2.3 Propiedades típicas de diferentes termoplásticos utilizados en la fabricación de materiales compuestos [28-31] 
Propiedades PEAD PP PPS PEEK 
Resistencia Máxima Tensión (MPa) 26 - 33 31 28 - 176 960 - 1000 
Módulo de elasticidad (MPa) 1070 - 1090 1380 1720 - 2410 3600 
Densidad relativa (g/cm
3
) 0.952 - 0.965 0.85 - 0.95 1.26 - 1.75 1.30 - 1.32 
Temperatura máxima de 
operación (°C) 
80 - 90 100 200 - 280 260 
21 
2.2. PROCESOS DE MANUFACTURA DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ 
TERMOPLÁSTICA. 
La manufactura de materiales compuestos termoplásticos está asociada al empleo de altas 
temperaturas y presiones para la correcta consolidación del material. Para la producción de estos 
materiales, es esencial que la matriz y el refuerzo se encuentren juntas, ya que es de gran interés reducir 
tanto el tiempo y la presión para que la matriz embeba completamente a las fibras durante la fabricación 
final del producto. Para este fin, se encuentran disponibles una variedad de presentaciones de fibras y 
resinas termoplásticas, Figura 2.3, que son principalmente: en cinta, fibras con polvos adheridos, fibras 
mezcladas y películas láminas de termoplásticos intercaladas entre las capas del reforzamiento. Las 
primeras 3 presentaciones son conocidas asimismo como preimpregnados termoplásticos por sus 
similitudes con los preimpregnados tradicionales termofijos.[32] 
 j 
Figura 2.3 Combinaciones de material preliminar [32] 
 
Cinta: La cinta consiste en filamentos unidireccionales unidos por la matriz, mostrada en la 
Figura 2.4. Es la presentación más común en la fabricación de láminas termoplásticas. Debido a que son 
difíciles de apilar y colocar en su sitio, generalmente son utilizadas en la investigación científica. Para la 
fabricación de este tipo de cinta es necesario que la resina se encuentre en forma líquida para impregnar 
las fibras, lo cual se puede lograrse al pasar las fibras en un baño del polímero fundido (conocido como 
Hot Melt o fundido en caliente), o mediante la disolución de la matriz en un solvente. 
22 
 
Figura 2.4 Rollo unidireccional de PEEK/carbono [32] 
 
Fibras con polvos adheridos: En este tipo presentación la matriz es pulverizada y posteriormente 
es adherida a la superficie de las fibras, como se muestra en el esquema de la Figura2.5, con lo que se 
logra una mejor impregnación del refuerzo una vez que la resina haya sido fundida. Adicionalmente, este 
proceso tiene la ventaja, con respecto a la (pre)impregnación de las fibras mediante resina diluida, que 
no existen solventes ni sustancias volátiles. Empleando este método, es posible extender el polvo a lo 
largo de todas las fibras con lo que se logra un buen mezclado, y por consecuencia, elmaterial puede ser 
calentado y enfriado rápidamente para minimizar la degradación del polímero. 
 i 
Figura 2.5 Fibras con Polvos adheridas [32] 
Fibras mezcladas: si la matriz termoplástica puede ser moldeada en forma de fibra, es posible 
combinar la matriz y las fibras mezclándolas en el hilado del material, como se muestra en la Figura 2.6. 
La impregnación de la fibra es entonces diferida hasta que se consolida el material compuesto. De esta 
forma pueden fabricarse preformas flexibles dado la independencia existente entre los elementos 
constituyentes se mantiene hasta el último momento posible. Pero debido a que los filamentos de la 
matriz no han embebido a las fibras, se requiere de un mayor esfuerzo para completar la consolidación, 
en comparación con los preimpregnados ya consolidados. 
23 
i 
Figura 2.6 Fibras de la matriz mezcladas con fibras del refuerzo [32] 
Sándwich de refuerzo y película de resina: Es un proceso en el cual se apilan capas del refuerzo y 
una película termoplástica, las cuales se mantienen separadas hasta el momento de la consolidación del 
material. Éste es uno de los procesos más sencillos y económicos, pero tienen el inconveniente que el 
grado de mezclado físico de las fibras con la resina después de la consolidación no es tan alto como con 
las fibras mezcladas con resina. 
En el sector comercial, las técnicas predominantes en la fabricación de materiales compuestos 
termoplásticos incluyen el moldeo por inyección, moldeo por compresión, e incluso, apilamiento de 
preimpregnados y consolidación en autoclave. Aunque la mayoría de los procesos de manufactura 
empleados en la producción de materiales compuestos termofijos son asimismo utilizados en la 
fabricación de materiales compuestos termoplásticos. Aunque en el caso del procesamiento de 
polímeros termoplásticos, está es una operación completamente física ya que no existe una reacción 
química durante el proceso de consolidación, como en el caso de las resinas termofijas, el tiempo del 
proceso es muy reducido (del orden de segundos únicamente).[33] 
A continuación se mencionan las principales técnicas de procesamiento utilizados en la 
manufactura de componentes de material compuesto termoplástico. 
2.2.1. MOLDEO POR COMPRESIÓN DE GMT. 
El proceso de compresión de termoplástico con fieltro de fibra de vidrio (GMT por sus siglas en 
inglés, glass mat thermoplastic) es el único proceso que es ampliamente aceptado en la industria para la 
fabricación de altos volúmenes de componentes estructurales de materiales compuestos termoplásticos, 
principalmente utilizado en la industria automotriz. 
Los materiales principales empleados en este proceso son los insumos denominados de forma 
homónima al proceso, GMT, los cuales son, generalmente, fieltros de fibra de vidrio que contienen 
24 
filamentos continuos orientados aleatoriamente dentro de una matriz de polipropileno, siendo la 
presentación más común el GMT impregnado en caliente, aunque también pueden utilizarse fieltros de 
fibra de vidrio discontinuo impregnados con polvo de PP. Estos materiales se encuentran disponibles en 
piezas precortadas listas para su procesamiento. La mayor parte de los componentes fabricados 
mediante este proceso son manufacturados al apilarse varias láminas de diferentes tamaños colocadas 
en un patrón predeterminado. En la Figura 2.7 se muestra un esquema del proceso de fabricación de 
GMTs. 
I 
Figura 2.7 Esquema del proceso de moldeo por compresión de GMT [33] 
La compresión de GMT es un proceso de formado por flujo de material, en el cual la lámina de 
material compuesto es compactada entre ambas cavidades del molde, lo cual hace que la resina y la 
fibra de vidrio sean forzados a rellenar la cavidad del molde. Los ciclos de moldeado tienen una duración 
de entre 30 a 60 segundos. Por lo general, en este proceso los GMT son precalentados por encima del 
punto de fusión de la resina y posteriormente son colocados en la cavidad del molde, para este paso se 
utilizan brazos robóticos para colocar las láminas calientes de GMT en el molde. Posteriormente el molde 
se cierra rápidamente y se aplica una presión de consolidación para formar el GMT y se mantiene la 
presión de cerrado hasta que el componente se haya solidificado, para lo cual el molde es enfriado por 
agua hasta alcanzar una temperatura entre 30 a 60 °C. 
2.2.2. TÉCNICA DE PRENSADO EN CALIENTE 
Este es un proceso similar al moldeo por compresión de GMT, con la diferencia de que en este 
procesamiento se utilizan preimpregnados unidireccionales, los cuales son apilados y colocados en un 
molde de compresión caliente. Mediante este proceso pueden lograr fracciones volumétricas de fibra 
superiores al 60%, lo cual hace que este proceso sea ampliamente empleado en la investigación y 
25 
desarrollo en la elaboración de probetas para ensayos [33]. También es un proceso utilizado para la 
fabricación de componentes laminados de espesor constante. 
En este método, la pieza de material compuesto es fabricada al colocar los preimpregnados 
dentro del molde como se muestra en la Figura 2.8. Los preimpregnados son cortados y apilados de 
acuerdo a los requerimientos de forma, tamaño y orientación de fibras. La preforma del laminado es 
colocada en el molde, previamente a la aplicación de un agente desmoldante, y posteriormente es 
cerrado y colocado entre dos placas calientes del equipo de moldeo a compresión, se aplica una ligera 
presión hasta que la temperatura del material haya alcanzado la temperatura de fusión del 
termoplástico, esta presión se mantiene hasta que la temperatura tanto del molde como el material 
alcance el equilibrio; Una vez alcanzado esta temperatura se incrementa la presión de moldeado por un 
tiempo específico, después del cual se remueve el molde de la prensa para ser colocado en otra prensa 
la cual se mantiene fría, en donde se mantiene la presión hasta que la pieza se haya solidificado por 
completo. Finalmente la pieza es removida del molde. 
i 
Figura 2.8 Esquema de la técnica de prensado en caliente [33] 
Existen dos parámetros de gran importancia para lograr una buena consolidación de la pieza: en 
primer lugar, debe de existir un adecuado contacto entre las capas adyacentes; y en segundo, debe 
haber suficiente calor y temperatura para que la autoadhesión tome parte en la interface de las láminas. 
Para asegurar un buen contacto, el aire en la interface necesita ser removido, para lo cual se tiene que 
aplicar una presión adecuada. 
2.2.3. MOLDEADO POR AUTOCLAVE. 
Este es un proceso similar al utilizado en la fabricación y consolidación de materiales compuestos 
termofijos; la diferencia radica en que este proceso se emplean preimpregnados unidireccionales 
26 
termoplásticos, mismos que son apilados en la secuencia deseada y colocados en el molde de tal manera 
que las capas no se muevan entre ellas. El ensamble completo se coloca dentro de una bolsa de vacío y 
se ubica dentro de una autoclave. Este proceso es muy parecido al proceso de prensado en caliente y 
sólo se diferencia de éste por la forma en que se aplica la presión y la temperatura. Las principales 
diferencias con el proceso empleado con preimpregnados termofijos, radica en la dificultad para apilar y 
moldear las capas de los materiales termoplásticos en formas complejas, ya que éstos tienen una 
capacidad para fijarse y amoldarse muy pobre. Se emplea la bolsa de vacío para remover el aire que 
pueda quedar entre las capas y al mismo tiempo mantener un adecuado contacto entre las mismas; y 
como las temperaturas a las cuales el proceso se lleva a cabo son más elevadas que en el caso de los 
termofijos, la bolsa de vacío debe ser altamente resistente al calor. 
En este proceso la presión de consolidación es aplicada ya sea mediante la creación de vacío 
dentro de la bolsa y mediante el incremento de la presión interna dentro de la autoclave. La aplicación 
de la presión