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Definición
Polímero (Poly = muchos, Meros = parte). Es un compuesto
que consiste en moléculas de cadena larga, cada molécula
está hecha de unidades repetitivas que se conectan entre sí,
llamadas monómeros.
La mayoría de los polímeros se basan en el carbono y por
consiguiente, son considerados sustancias orgánicas.
Clasificación
Polímeros
Termoplásticos
Termofijos
Elastómeros
Polimerización
Por adición
Por pasos
Aspectos de la estructura molecular:
1.Estereorregularidad.
2.Ramificación y encadenamiento transversal.
3.Copolímeros.
ESTEREORREGULARIDAD
(a) Isotáctico.
(b) Sindiotáctico.
(c) Atáctico.
Ejemplo del
polipropileno.
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RAMIFICACIÓN Y ENCADENAMIENTO TRANSVERSAL COPOLÍMEROS
(a) Alternante.
(b) Al azar.
(c) Bloque.
(d) Injerto.
Los Termoplásticos (TP), son materiales sólidos a
temperatura ambiente, pero cuando se someten a
temperaturas de algunos cientos de grados se
convierten en líquidos viscosos.
Esta característica permite conformarlos fácil y
económicamente en productos útiles, y enfriamiento sin
que se degraden. Pueden sujetarse repetidamente a
ciclos de calentamiento significativo.
Son comercialmente los más importantes de los trestipos, pues constituyen alrededor del 70% del tonelajetotal de los polímeros sintéticos producidos. Lostermofijos y los elastómeros comparten el 30%restante, en partes iguales aproximadamente, con
una ligera ventaja para los últimos.
PROPIEDADES DE LOS TERMOPLÁSTICOS
Propiedades Mecánicas. Los termoplásticos típicos a
temperatura ambiente poseen las siguientes características:
Menor rigidez, el modulo de elasticidad es dos veces (en algunos casos tres) más bajo que los metales y los cerámicos.
La resistencia a la tensión es baja.
Dureza muy baja.
Ductilidad alta.
TIPOS DE TERMOPLÁSTICOS
Acetales. (Polioximetileno)
El método de polimerización es por pasos.
Propiedades:
Alta rigidez
Resistencia
Tenacidad y resistencia al desgaste.
Alto punto de fusión
Baja absorción de la humedad
Son insolubles en los solventes comunes a temperatura ambiente.
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Aplicaciones. Se aplican por lo común en partes y
componentes automotrices como manijas de
puerta, cajas de bombas y partes similares, así
como en artefactos de ferretería y componentes
para maquinaria.
Acrílicos. Polimetilmetacrilato (PMMA). Plexiglass
Es un polímero lineal amorfo.
Su propiedad principal es que posee una excelente
transparencia que lo hace competitivo con el vidrio en
aplicaciones ópticas.
Método de polimerización por adición.
Posee una elongación del 5% solamente.
Su utilización en el mercado es alrededor del 1%.
Aplicaciones. Suelen aplicarse en micas de autos,
instrumentos ópticos y ventanas para aviones. Otros
usos son ceras para pisos y pinturas. Tambien fibras
textiles como por ejemplo DuPont.
Acrilonitrilo-butadieno-estireno. (ABS)
Se le llama plástico de ingeniería porque su elaboración es más compleja que cualquier otro plástico común.
Es un terpolímero de dos fases.
Es muy resistente al impacto.
Método de polimerización por adición.
Es amorfo con una elongación del 10-30%
Aproximadamente un 3% de este tipo de polímeros es utilizado en el mercado.
Aplicaciones. Se aplican por lo general en tuberías,
acoplamientos, artículos de plomería recubiertos con cromo,
cascos, mangos para herramientas, componentes
automovilísticos, cascos de embarcaciones, teléfonos, equipajes,
construcción de viviendas, electrodomésticos, recubrimientos de
refrigeradores y páneles decorativos.
Celulósicos. Es un carbohidrato polímero que existe en la naturaleza; la madera y las fibras de algodón, que son las principales fuentes de celulosa.
Cuando ésta se produce en forma de fibra se le conoce como rayón.
Cuando se produce como una película delgada se le llama celofán, utilizada ampliamente como material de envoltura.
La celulosa no se puede usar como termoplástico porque cuando se aumenta la temperatura se descompone.
Con otros componentes la encontramos como AC (Acetato de celulosa y ABC (acetato butirato de celulosa).
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Aplicaciones.Fluoropolímeros. Teflón (politetrafluoroetileno, PTFE), representa alrededor del 85% de esta familia de polímeros.
Alta resistencia al ataque químico y ambiental
No le afecta el agua
Buenas propiedades eléctricas
Buena resistencia al calor y un coeficiente de fricción muy bajo.
Método de polimerización por adición
Aplicaciones. Se aplican
en recubrimientos para
equipo de procesamiento
químico, recubrimientos
antiadherentes para
utensilios de cocina,
aislamiento eléctrico para
alambres y cables de alta
temperatura, cojinetes no
lubricados, procesamiento
de alimentos.
Poliamidas. El nylon es uno de los mas importantes ejemplos de los PA.
Resistente, altamente elástico, tenaz, resistente a la abrasión y autolubricante.
Una desventaja es que absorbe agua con la consiguiente degradación de sus propiedades.
Los ejemplos mas comúnes del nylon son el Nylon-6 y el Nylon-6,6
Método de polimerización por pasos.
Aplicaciones. La mayoría de las aplicaciones (alrededor del 90%) se encuentran en fibras para alfombras, muebles y cuerdas. El restante (10%) se aplica en componentes de ingeniería; es un buen sustituto para los metales en los cojinetes, engranes y partes similares donde se necesita resistencia y baja fricción.
Policarbonato. (PC) es notable por sus excelentes
propiedades mecánicas que incluyen alta tenacidad y buena
resistencia a la termofluencia. Es uno de los mejores
termoplásticos por su resistencia al calor; puede usarse a
temperaturas cercanas a los 250° F (125° C).
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Aplicaciones. Se aplican en cascos de seguridad, componentes
eléctricos de soporte de carga, aislantes eléctricos, aparatos
médicos, componentes de maquinas para negocios, guardas
para maquinaria y partes que requieren estabilidad dimensional.
Poliésteres. Puede ser amorfo o parcialmente cristalizado
(arriba de 30%), dichos sistemas dependen de la velocidad
de enfriamiento después del conformado. El enfriamiento
rápido favorece el estado amorfo altamente transparente
Aplicaciones. Sus aplicaciones significativas incluyen
envases moldeados por soplado para bebidas, películas
fotográficas y cintas para grabadora magnética.
Polietileno. (PE) Representa el volumen de consumo más
grande de todos los plásticos.
Bajo costo
Pasividad química
Fácil procesado.
Baja densidad (PEBD): Altamente ramificado, con baja
cristalinidad y densidad.
Alta densidad (PEAD): Estructura lineal, con mayor
cristalinidad y densidad.
Aplicaciones.
Los PEBD.
Se aplican en el hogar, botellasque pueden apretarse,bolsas del mandado,juguetes, film parainvernaderos, etc.
Los PEAD.
Envases para higiene personaly recipientes de jabón paralavar. Pallets, cascos,rodileras.
Polipropileno. El (PP) se ha convertido en un plástico de mayoruso, especialmente para el moldeo por inyección. Se comparafrecuentemente con el polietileno debido a su costo y a quemuchas de sus propiedades son similares.
Sin embargo, el punto de fusión más alto del polipropileno permiteusarlo en ciertas aplicaciones que no son posibles con elpolietileno, como por ejemplo componentes que necesitanesterilizarse.
Se puede sinterizar en cualquier estructura, isotáctica, sindiotácticao atáctica.
Método de polimerización por adición.
Participación en el mercado cerca del 13 %.
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Aplicaciones. Aislamiento de alambres, partes para automóviles que resulten del moldeo por inyección, tuberías, empaques de cosméticos, cierres herméticos.
Poliestireno. (PS). Se usa en mayor volumen.
Es un polímero lineal con estructura amorfa.
Notable por su fragilidad, es transparente, fácilmente coloreable y moldeable.
Degrada a temperaturas elevadas
Se disuelve en varios solventes.
Utilización en el mercado del 10 %
Aplicaciones. Suelen aplicarse en contenedores desechables,
empaques, charolas para carnes, galletas y dulces, aislantes
para espuma, cajas para CD, rastrillos, etc.
Cloruro de polivinilo. Mejor conocido como PVC.
Es un plástico de uso muy difundido cuyas propiedades pueden variar
por combinación de aditivos con el polímero.
Es relativamente inestable al calor y a la luz, por lo cual se le añaden
estabilizadores para mejorar su resistencia a estas condiciones
ambientales.
Utilización en el mercado 16%.
Se debe tener cuidado con el manejo y producción del monómero del
cloruro de vinilo debido a su naturaleza cancerígena.
Aplicaciones. Se usa en recubrimientos de alambres y cables,zapatos, imitación de piel, tapicería, empaques, guantes, juguetes,molduras automotrices, películas, láminas y recubrimientos.
Características:
1) Rigidez.
2) Fragilidad.
3) Menos solubilidad en los disolventes comunes.
4) Funcionamiento a temperaturas más altas.
5) No pueden ser refundidos.
6) Siempre son amorfos.
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TIPOS DE TERMOFIJOS
Aminoresinas. Se caracterizan por el grupo amino (NH2).
Tienen propiedades que dependen de la composición; en
general son duros, rígidos y resistentes a la abrasión, a la
termofluencia y al arco eléctrico.
Pueden ser urea formaldehído o melanina formaldehído.
Es más costoso que un material fenólico.
Método de polimerización por pasos.
Importancia comercial para los dos termofijos es de 4%
Aplicaciones: vajillas de mesa y recubrimientos
laminados para mesas y puertas (como la
formica).
Epóxicos. Se basan en un grupo químico llamado epóxidos.
Tienen excelentes propiedades mecánicas y eléctricas,
buena estabilidad dimensional, fuertes propiedades
adhesivas y buena resistencia al calor y a los productos
químicos.
Aplicaciones:
Pisos industriales, superficies de recubrimiento, adhesivos,
encapsulado de transistores, laminación de tarjetas para
circuitos impresos, etc.
Fenoles. Son rígidos, dimensionalmente estables y tienen alta
resistencia al calor, al agua, a la electricidad y a los productos
químicos .
Su capacidad para aceptar colores es limitada por lo que
generalmente se encuentran en colores oscuros.
Aplicaciones:
Maderas contrachapadas, adhesivo para discos abrasivos y balatas,
tarjetas para circuitos impresos.
Poliésteres. Tienen buenas propiedades mecánicas, químicas y
eléctricas.
En general, se usan en plásticos reforzados (compuestos) para
fabricar tubos grandes, cascos de botes, carrocerías de autos.
También se usa en moldeo para producir partes mas pequeñas,
pero es limitado en su aplicación.
Poliuretano. Poseen buenas propiedades mecánicas, físicas y
eléctricas a temperaturas elevadas; también tienen buena
resistencia a la termofluencia, baja fricción y bajo desgaste. Pueden
ser de las tres clasificaciones.
Se utiliza en forma de espumas como aislantes generalmente.
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Siliconas. Por lo general resisten bien el medio ambiente, poseen
excelentes propiedades eléctricas en una amplia gama de
humedad y temperatura y resisten a los productos químicos y al
calor.
Método de polimerización por pasos.
Usos en pintura, recubrimientos, laminados de tarjetas, pulimentos,
lubricantes, ceras, lubricante en la superficie interna de las jeringas
y botellas para la conservación de derivados de la sangre
y medicamentos intravenosos, marcapasos, son también fabricados
con silicona artefactos implantables.
Son materiales capaces de sufrir
grandes deformaciones elásticas
cuando se les sujeta a esfuerzos
relativamente bajos.
Algunos materiales pueden soportar
extensiones de hasta 500 % o más.
Consisten en moléculas de cadena
larga que se encadenan
transversalmente. Efecto del encadenamiento transversal
en el hule.
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Hule natural
Se extrae del látex (sustancia lechosa producida por
varias plantas).
Se remueve el agua por diferentes métodos.
Es pegajoso en clima caliente y quebradizo en clima
frio.
La vulcanización se lleva a cabo agregándole azufre y
otros ingredientes y se calienta.
El hule vulcanizado (poliisopreno, NR) tiene propiedades como:
Resistencia a la tensión, al desgarramiento, resilencia,
Resistencia al desgaste y a la fatiga.
Elongación del 700% a la ruptura.
Participación en el Mercado en un 22%
Aplicaciones:
La mayor aplicación es llantas, también se usa en suelas para
zapatos, sellos y componentes para absorber impactos.
Hules sintéticos
Hule butadieno: El polibutadieno (HB) es importante
en la producción de llantas en combinación de otros hules.
Se compone de hule natural y estireno.
Sus propiedades por sí solo no son muy deseables.
(desgarramiento, resistencia a la tension)
Elongación del 500% a la rupture.
Participación en el mercado del 12%.
Hule butílico: La vulcanización lo convierte en un
hule con muy baja permeabilidad al aire.
Permite utilizarlo en productos inflables como cámaras parallantas, forros de llantas sin cámara y artículos deportivos.
Elongación del 700 %.
Participación en el Mercado del 3%
Hule cloropreno: El policloropreno es de los mas
antiguos. Se le conoce como neopreno, y se caracteriza
porque cristaliza cuando se le tensiona produciendo así buenas
propiedades mecánicas.
Es resistente a los aceites, al clima, al ozono, al calor, a la
flama, pero es mas costoso.
Se utiliza en mangueras para combustibles y otras partes de
automotores, transportadores de banda y empaques.
Elongación del 500 %.
Participación en el Mercado del 2%
Hule etilen-propilénico: Es un hule muyutilizado para diferentes partes a la llanta de los autos,para alambres y cables principalmente.
Elongación de 300% a la ruptura.
Hule isopreno: es el poliisopreno sintético sin
vulcanizar.
Las aplicaciones son similares a su contraparte el hulenatural, como en bandas transportadoras, calzado,llantas, etc.
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Definición
Es un sistema de materiales formado
por dos o más fases físicas distintas,
cuya combinación produce propiedades
conjuntas diferentes a las de su
constitución.
Ventajas
Pueden lograrse diseños fuertes,rígidos y de peso muy ligero.
Las propiedades de fatiga songeneralmente mejores que para losmetales comunes de ingeniería.
Los compuestos pueden diseñarse paraprevenir la oxidación como el acero.
Desventajas
Muchos de los compuestos importantestienen propiedades anisotrópicas.
En los compuestos basados enpolímeros muchos de ellos estánexpuestos al ataque de agentesquímicos o solventes.
Son costosos
Clasificación de los compuestos
Existen dos clasificaciones:
Compuestos tradicionales
Compuestos sintéticos
Compuestos tradicionales
Son aquellos que se encuentran en la
naturaleza o han sido producidos por
antiguas civilizaciones.
-Ejemplos:
Madera
Concreto
Asfalto
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Compuestos sintéticos
Son sistemas de materiales modernos
asociados normalmente con las
industrias de manufactura, donde los
componentes se producen en forma
separada y luego se combinan bajo
control para lograr la estructura, las
propiedades y la geometría deseadas.
Componentes de los materiales
compuestos
Se componen de dos fases: unaprimaria y una secundaria o de refuerzo.
La fase primaria forma la matriz dentrode la cual se incorpora la segunda fase.
La segunda fase suele llamarse comoagente de refuerzo ya que viene areforzar el compuesto.
La fase matriz puede ser cualquiera de los
tres tipos de materiales básicos.
La fase secundaria también puede ser de
uno de esos tres materiales o de un
elemento como el carbono o boro.
Clasificación según la matriz
1. Compuestos en matriz metálica (CMM):Estos incluyen mezclas de cerámicos ymetales.
2. Compuestos en matriz cerámica (CMC): Esla menos común y se utiliza paraaplicaciones de alta temperatura.
3. Compuestos en matriz de polímeros (CMP):Se utilizan resinas termofijas principalmente,termoplásticos en forma de polvos yelastómeros.
Fase primaria, matriz
Metal Cerámico Polímero
Metal Partes de
metalurgia de
polvos infiltrados
Cermets Algunos compuestos
de moldeo
Balatas
Cerámicos Cermets
Carburos
cementados
Metales reforzados
con fibra
Al2O3 reforzada
con SiC
Compuestos para
moldeado de plásticos
Plástico reforzado con
fibra de vidrio
Polímero ND ND Epóxicos reforzados
con Kevlar
Elementos
(C, B, etc.)
Metales reforzados
con fibra
ND Hule negro de humo
Plástico reforzado con
boro, o carbono
Fase
secu
nd
aria
, re
fue
rzo
Funciones de la matriz
1. Suministra la forma masiva de la parte.
2. Mantiene en su lugar la segunda fase
ocultándola.
3. Cuando se aplica una carga, la matriz
comparte ésta con el agente de
refuerzo
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La fase de refuerzo
Fase secundaria que refuerza a la faseprimaria.
Formas físicas de la fases incorporadas:
a) fibra, b) partícula y c) hojuela.
Fibras
Son filamentos de material de refuerzo de seccióncircular. El rango de diámetro va desde 0.0001” a0.005” dependiendo del material.
El refuerzo con fibras
brinda la mejor
oportunidad de
aumentar la
resistencia de
las estructuras
compuestas.
Orientación de las fibras
Al igual que el diámetro afecta en las
propiedades, la orientación tambien
afecta.
a) Reforzamiento unidimensional.
b) Reforzamiento planar
c) Reforzamiendo al azar o tridimensional
Tipos de materiales utilizados
para fibras.
Metales, cerámicos, polímeros, carbono y
boro. (el polímero es el mas utilizado)
Vidrio: Es la fibra mas utilizada en los
polímeros, el término fibra de vidrio se
aplica para denotar el plástico reforzado
con fibra de vidrio. Los más comunes
son los vidrio-E y el vidrio-S.
Carbono: Contiene la rigidez, baja
densidad y baja expansión térmica.
Generalmente son una combinación de
grafito y carbono amorfo.
Boro: Tiene alto modulo de elasticidad
pero es muy costoso por lo que su
aplicación se limita a la industria
aeroespacial.
Kevlar 49: Es la fibra más importante(miembro de las poliamidas). Su gravedadespecífica es baja, lo cual genera una delas relaciones mas altas sobre el peso delas otras fibras.
Cerámicos: El SiC y el Al2O3 son losprincipales materiales fibrosos. Tienen altoE y pueden usarse para reforzar metalesde baja densidad como el aluminio o elmagnesio.
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Metal: Los filamentos de acero, continuos o
discontinuos se utilizan como fibras de refuerzo en
plásticos.
Partículas y hojuelas
En el caso de las partículas existen dos tipos: lasmicroscópicas y las macroscópicas .
En el primero los polvos van de menos de unamillonésima de metro distribuidos en la matriz enconcentraciones de 15% o menos. (Endurece lamatriz y las partículas restringen los movimientosde las dislocaciones).
En el segundo caso los polvos son mayores auna millonésima de metro distribuidos en lamatriz en concentraciones de 25 % o más.
Las hojuelas son partículas
bidimensionales. Dos ejemplos son la mica
(aluminio y silicato de potasio) y el talco
que se usan en el refuerzo de plásticos.
Son materiales de bajo costo y añaden
resistencia y rigidez a los compuestos para
el moldeo de plásticos.
Los tamaños van desde 0.0004 a 0.040 in.
Fase infiltrada
Ocurre cuando la matriz forma unesqueleto poroso (como una esponja), yla segunda fase es simplemente elrellenador. Utilizada en la metalurgía depolvos.
Interfase Casi siempre hay una interfase entre las
fases constituyentes de un materialcompuesto.
Propiedades de los materiales
compuestos.
Cuando se selecciona un material compuestos, sebusca una combinación óptima de propiedades masque una propiedad en particular. Por ejemplo elfuselaje y las alas de un avión.
Las propiedades de un material compuesto sedeterminan en base a tres factores:
a) Los materiales usados como fases de los componentes delcompuesto.
b) La forma geométrica de los componentes y la estructura resultantedel sistema.
c) La forma en la cual las fases interactúan entre ellas.
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Otras estructuras
Estructura laminar: consiste en dos o mas
capas unidas para formar una pieza
integral. Las capas son suficientemente
gruesas para identificar el material.
Estructura de sandwich: se distingue de
la laminar, consiste en un corazón de baja
densidad unido a hojas de un material
diferente. Tambien tenemos la de panal.
Tabla 11.2 Ejemplos de estructuras de compuestos laminares.
Compuesto laminar Descripción
Llantas de automóvil Una llanta consiste en múltiples capas unidas; las capas son
materiales compuestos (hule reforzado con negro de humo), y
los refuerzos consisten en telas impregnadas con hule.
Tableros de panal Estructura de panal de peso ligero pegada a láminas ligeras en
ambas caras
Polímeros reforzados con
fibras
Paneles de plástico reforzado con fibras multicapa para
aviones, paneles para carrocerías de automoviles, cascos de
lanchas.
Contrachapados Chapas de madera alternadas pegadas en diferentes
direcciones para mejorar la resistencia
Circuitos impresos Capas de plástico reforzado y cobre en capas alternadas para
conductividad eléctrica y aislamiento.
Esquíes para nieve Los esquíes son estructuras laminares compuestas de capas
de metal, partículas de madera.
Parabrisas Dos capas de vidrio a cada lado de un plástico fuerte.
Compuestos en matriz de metal
Las fases de refuerzo comunes en los
CMM incluyen:
a) Las partículas de cerámica. (cermets)
b) Fibras de varios materiales como otros
metales, cerámicos, carbono y boro.
Cermets
Un cermet es un material compuesto en el
cual un material refractario esta contenido en
una matriz de metal. El cerámico
normalmente domina la mezcla logrando a
veces el 96% del volumen.
Se pueden subdividir en 2, carburos
cementados y cermets basados en óxidos.
Carburo cementado
Los carburos mas comunes se basan en el
carburo de tungsteno (WC), carburo de
titanio (TiC), y carburo de cromo. Se usan
también el tantalio y otros menos comunes.
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Cermets basados en óxidos
La mayoría de estos son en base al
aluminio y a veces base magnesio. Sus
aplicaciones son en herramientas de
corte, sellos mecánicos, protectores de
termopares.
Compuestos de matriz cerámica
--Pros--- Alta rigidez Dureza en caliente Resistencia a la compresión Baja densidad
--Contra--- Baja tenacidad Baja resistencia a la tensión en volumen Son suceptibles a la fractura por acción
térmica.
MatricesAlúmina
Carburo de boro
Nitruro de boro
Carburo de silicio
Nitruro de silicio
Carburo de titanio
RefuerzosFibras cortas parecidas a los bigotes de
gato
Fibras largas
Compuestos de matriz polimérica
Reforzados con fibra:
Es un material compuesto que consiste en una matriz polímero incorporada con fibras de alta resistencia.
El polímero normalmente es un termofijo (TF),plásticos como poliésteres o epóxicos.
La matriz puede ser de termoplásticos (TP), tales como el nylon, policarbonato, poliestireno, etc.
Las fibras en los CMP pueden ser:
Discontinuas
Continuas
Mallas
• Los principales materiales fibrosos son:
• El vidrio
• El carbono
• El Kevlar 49
• Menos comunes (boro, carburo de silicio, acero, alúmina)
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Compuestos avanzados
Se usa en conexión con los polímerosreforzados con fibra (FRP)
Su forma más amplia de utilización es unaestructura laminar donde se apilan y sepegan capas de fibra hasta que se obtieneel espersor deseado. Éste método seutiliza para las alas de aviones, seccionesdel fuselaje, tableros para automoviles ycamiones, así como cascos para botes.
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