Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales Área de Ingeniería Mecánica http://www.upv.es/ingmec Centro de Investigación de Tecnología de Vehículos http://www.upv.es/citv Diseño con Polímeros y Materiales Compuestos Diseño con Polímeros y Materiales Compuestos Tema 1: Introducción al Diseño con Materiales Compuestos Tema 1: Introducción al Diseño con Materiales Compuestos
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Diseño con Polímeros y Materiales CompuestosDiseño con Polímeros y Materiales Compuestos
Tema 1: Introducción al Diseño conMateriales Compuestos
Tema 1: Introducción al Diseño conMateriales Compuestos
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TEMA 1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO CON MATERIALES COMPUESTOS
ETSII Diseño con Polímeros y Materiales Compuestos 2
1. Material compuesto1.0. Índice
ÍndiceÍndice
1. Material compuesto
2. Clasificación de los materiales compuestos.
3. Tipos de fibras y sus propiedades
4. Tipos de matrices y sus propiedades
5. Aspectos geométricos de los plásticos reforzados con fibras
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Diseño con Polímeros y Materiales CompuestosDiseño con Polímeros y Materiales Compuestos
1. Material compuesto1. Material compuesto
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1. Material compuesto1.0. Índice
ÍndiceÍndice
1. Definición
2. Propiedades
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1. Material compuesto1.1. Definición
• MATERIAL COMPUESTO:Dos o más materiales combinados a escala macroscópica con propiedades propias.
• CARACTERÍSTICAS:
a) Los componentes son materiales distintos, separables mecánicamente.b) Dispersión de un material en otro puede ser controlada (optimización
de las propiedades finales).c) Efecto sinérgico: Propiedades en conjunto son superiores (y
posiblemente únicas) a las propiedades de los componentes por separado.
NOTA: A diferencia de las aleaciones que son una combinación a escala microscópica.
Definición de material compuesto y sus característicasDefinición de material compuesto y sus características
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1. Material compuesto1.2. Propiedades
Límite elástico
Rigidez
Resistencia a la corrosión
Resistencia al desgaste
Peso
Vida a fatiga
Fluencia con la temperatura
Aislamiento térmico
Aislamiento acústico
Conductividad térmica
Acabado estético
PropiedadesPropiedades
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Diseño con Polímeros y Materiales CompuestosDiseño con Polímeros y Materiales Compuestos
2. Clasificación de los materiales compuestos
2. Clasificación de los materiales compuestos
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TEMA 1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO CON MATERIALES COMPUESTOS
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2. Clasificación de los materiales compuestos2.0. Índice
ÍndiceÍndice
1. Tipos de material
2. Características de diseño
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2. Clasificación de los materiales compuestos2.1. Tipos de material
1) Compuestos reforzados con fibras:Fibras orientadas convenientementeembebidas en un aglutinante (matriz):
Fibras Rigidez y resistenciaMatriz Transmite esfuerzos.
Protección.
2) Compuestos laminados: Capas (láminas) de dos o más materiales diferentes, unidas entre sí.
diferente material Láminas diferente orientación
3) Compuestos reforzados con partículas: Polímeros reforzados con partículas o mezclados con cargas.
TiposTipos
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2. Clasificación de los materiales compuestos2.2. Características de diseño
1)Si material no isótropo:
a) Se puede optimizar el material
b) Se puede optimizar la geometría
c) El diseño es mucho más complicado
d) Las uniones requieren un tratamiento especial
e) Métodos de fabricación complicados y aparición de defectos
locales.
2)Si material isótropo: El diseño tiene las mismas características
asociadas al diseño clásico ya estudiado:
a) Se puede optimizar sólo la geometría
c) El diseño es más simple
d) Las uniones pueden diseñarse con metodologías clásicas
Características del diseñoCaracterísticas del diseño
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3. Fibras3. Fibras
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3. Fibras3.0. Índice
ÍndiceÍndice
1. Rigidez y resistencia específica
2. Tipos y características
3. Propiedades
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3. Fibras3.1. Rigidez y resistencia especifíca
Rigidez y resistencia específicaRigidez y resistencia específica
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3. Fibras3.2. Tipos y características
• TIPOS:a) Fibra de vidriob) Fibra de carbonoc) Fibra de aramida (Kevlar)d) Fibra de boro
• CARACTERÍSTICAS:
a) Alta rigidez y resistenciab) Comportamiento prácticamente
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3. Fibras3.2. Tipos y características
Fibras de vidrioFibras de vidrio
• Vidrio E: (E de eléctrico). Buenas propiedades deresistencia, rigidez, eléctricas y de desgaste.
• Vidrio C: (C de corrosión o de “chemical”). Resistencia a la corrosión química, más caro y peores propiedades resistentes.
• Vidrio S: (S de “high stiffness and strength”. También llamado vidrio R en Europa).
Componente principal: Sílice SiO2 (de un 50 a 65 %) con adiciones de óxido de calcio,boro, sodio, hierro, aluminio.
Estructura: red tridimensional ⇒ propiedades isótropas.
3 vidrios más utilizados:
Diámetro fibras vidrio E: 8 - 15 µm
Necesario: Capa de ensimaje (protección; lubricación; unión fibras entre sí; unión química entre fibra y matriz; propiedades antiestáticas).
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3. Fibras3.2. Tipos y características
Fibras de carbonoFibras de carbono
• Fibra de carbono tipo I: Rigidez alta y menor resistencia
• Fibra de carbono tipo II: Rigidez menor y alta resistencia
Diámetro: 7 - 8 µm
Red cristalina (átomos de carbono):según el eje de la fibra ⇒ propiedades anisótropas.
Tipos básicos:
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3. Fibras3.2. Tipos y características
Fibras de aramidaFibras de aramida
• Kevlar 29: Resistencia alta y rigidez media
• Kevlar 49: Resistencia y rigidez altas
Fibras orgánicas (poliamida aromática).
Polímeros totalmente alineados ⇒ prop. anisótropas.(buenas propiedades como polímero).
Tipos básicos:
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(*) Resistencia para la fibra de vidrio recién estirada. (puede ser el doble de los valores típicos)(**) Magnitud en dirección radial (no isotropía)
Tabla comparativa de propiedades de fibras (20º)Tabla comparativa de propiedades de fibras (20º)
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3. Fibras3.3. Propiedades
Algunas consideracionesAlgunas consideraciones
a) Resistencia: Kevlar 49 y vidrio-S ↑↑.
b) Rigidez: Boro y carbono ↑↑ (uso aeronáutico).
c) Estabilidad térmica: Carbono ↑↑. Kevlar ↓↓
d) Resistencia a compresión: Kevlar ↓↓. Vidrio y carbono = en tracción y compresión.
e) Rotura: Vidrio y carbono, frágil; Kevlar, dúctil.
f) Flexibilidad y curvatura: Vidrio E ↑↑. Carbono tipo I ↓↓.Kevlar se deforma plásticamente.
Kevlar 49
Vidrio E2
10 2
1
(GPa)
3
σ
Carbono II
Carbono I
(%)3 ε
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4. Matrices4. Matrices
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4. Matrices4.0. Índice
ÍndiceÍndice
1. Tipos y características
2. Propiedades
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4. Matrices4.1. Tipos y características
• Tipos:
a) Resinas termoestables1) Poliésteres2) Epoxi3) Fenólicas
b) Resinas termoplásticas1) Nylon 6-62) Policarbonatos3) Polipropileno
Comportamiento: Viscoelástico o viscoplástico con fluencia
• Características deseables:
• Facilidad de fabricación• Compatibilidad con fibras• Propiedades finales buscadas• Coste reducido
Tipos y característicasTipos y características
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Prop. mecánicas: dependen de las unidades moleculares + extensión y densidadde enlaces cruzados en red:
– No funden al calentarlas– Pierden propiedades a partir de Tdistorsión
– Isótropas– Más rígidas y resistentes que las termoplásticas– Rotura frágil a tracción– Fluyen a compresión– Contracción en el curado (tensiones internas)– Gran estabilidad dimensional y térmica
Resinas fenólicas: en auge (buenas en caso de incendio)
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4. Matrices4.1. Tipos y características
Resinas termoplásticasResinas termoplásticas
Prop. mecánicas: inherentes a la unidad monomérica y peso molecular muy elevado:
– Funden al calentarlas– Prop. mecánicas muy sensibles a la temperatura.– Pueden tener comportamiento anisótropo– Menos rígidas y resistentes que las termoestables– Fluyen a tracción– Fluyen a compresión– Presentan deformación tipo “creep”– Muy viscoelásticos– Usadas en compuestos con refuerzo de fibra corta.
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Tabla comparativa de propiedades de resinas (20º)Tabla comparativa de propiedades de resinas (20º)
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados
5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.0. Índice
ÍndiceÍndice
1. Tipos de refuerzos y parámetros que influyen
2. Plásticos reforzados con fibra larga
3. Plásticos reforzados con tejidos
4. Plásticos con fibras aleatoriamente distribuidas
5. Plásticos reforzados con fibra corta
6. Interfase fibra-matriz
7. Anclaje de fibra a matriz
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.1. Tipos de refuerzo y parámetros que influyen
Tipos de plásticos reforzados con fibras:
1) Plásticos reforzados con fibras continuasa) Reforzado con fibra larga unidireccionalb) Reforzados con tejidosc) Reforzados con fibra aleatoriamente distribuida
2) Plásticos reforzados con fibras cortas
• Las propiedades del material dependen los siguientes aspectos geométricos:
1) Diámetro de la fibra 4) Distribución de la fibra2) Longitud de la fibra 5) Orientación de la fibra3) Fracción en volumen
Tipos de refuerzos y parámetros que influyenTipos de refuerzos y parámetros que influyen
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.2. Plásticos reforzados con fibra larga
• Hipótesis:
a) Sección recta de las fibras es circular (válido para vidrio y aramida; carbono, irregular)
b) Todas las fibras tienen el mismo diámetro.
• Fracción en volumen de fibra:
Vf =Volumen de fibras
Volumen total del compuesto
Consideraciones previas e hipótesisConsideraciones previas e hipótesis
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.2. Plásticos reforzados con fibra larga
• Distribuciones ideales:
2 r
s
2 R
2 R
2 rs
Hexagonal
Cuadrada
VrRf =⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
π2 3
2
VrRf =⎛⎝⎜
⎞⎠⎟
π4
2
Vf max, .= 0907
Vf max, .= 0 785
s rVf
=⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟ −
⎡
⎣
⎢⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥⎥
22 3
1
12π
s rVf
=⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟ −
⎡
⎣
⎢⎢
⎤
⎦
⎥⎥2
41
12π En la práctica:
Vf = 0.7 límite máximo
Contenido en fibra máximo según distribuciónContenido en fibra máximo según distribución
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
1
2
3
4
5
fV
rs
Ordenación hexagonal
Ordenación cuadrada
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
1
2
3
4
5
fV
rs
Ordenación hexagonal
Ordenación cuadrada
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.2. Plásticos reforzados con fibra larga
• Fracción en volumen y en peso:
En diseño
En fabricación
Vvolvolf
fibras
comp
= Vvolvolm
matriz
comp
=
V Pfcomp
fibraf=
ρρ
V Pmcomp
matrizm=
ρρ
Ppesopesof
fibrass
comp
= Ppesopesom
matriz
comp=
V Vf m+ =1
Relación
Si no hay huecos
Fracciones en volumen y en pesoFracciones en volumen y en peso
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.3. Plásticos reforzados con tejidos
Definiciones básicas sobre tejidosDefiniciones básicas sobre tejidos
Ventaja: Reduce el problema de la delaminación.
Inconvenientes: Vf es menor y hay curvaturas
Definiciones:
Tejido: Hilos entrelazados en un orden determinado.
Urdimbre: Hilos dispuestos longitudinalmente.
Trama: Hilos dispuestos transversalmente.
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.3. Plásticos reforzados con tejidos
TEJIDOS
Tipos:
Características:
• Tafetán: Tejido estable con buena porosidad a la resina.•• Sarga: Más diámetro: más flexible y fuerte; menos estable.
• Satén: Alto gramaje, alta flexibilidad. Sup. doble curvatura.
Características según tipo de tejido de refuerzoCaracterísticas según tipo de tejido de refuerzo
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.3. Plásticos reforzados con tejidos
Aplicaciones:
Alta resistencia: Con gran índice de ondulación
Flexión o compresión: Con bajo índice de ondulación
Tracción: Hilos finos
Cortante: Hilos gruesos
Ejemplos y aplicacionesEjemplos y aplicaciones
Tejidos híbridos:
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.4. Plásticos fibras aleatoriamente distribuidas
• MATS O FIELTROS
Características:
Fibras distribuidas en un plano
Vf bajo de 0’1 a 0’3
Mats de hilos continuos: Para capas de acabado
Velos de superficie: Más ligados y menos deformables
Overlays: Menos ligados y más deformables. Gel-coat
Mats de hilos cortados: Para contacto a mano
Hilos sin orientación preferencial
Tipos y característicasTipos y características
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.5. Plásticos reforzados con fibra corta
Longitud de la fibra cortaLongitud de la fibra corta
Fibra corta ⇒ importa controlar longitud + orientación
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.5. Plásticos reforzados con fibra corta
Orientación de la fibra cortaOrientación de la fibra corta
Moldeo por inyección ⇒ orientación depende de:
Orientación con el flujo de llenado:
• Geometría de las fibras• Propiedades viscoelásticas de la matriz• Forma y tipo de molde• Parámetros de inyección
Estimación con micrografías:
β =⎛⎝⎜
⎞⎠⎟arcsen
ba
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.6. Interfase fibra-matriz
CLAVE EN LA TRANSMISIÓN DE ESFUERZOS
Influencia de la interfase fibra-matrizInfluencia de la interfase fibra-matriz
Mecanismos de adhesión:
Plásticos reforzados ⇒ enlace químico
• Fibra de vidrio: Necesita ensimaje (xilanos):
• Fibra de carbono: Superficie muy reactiva, con muchas microrrugosidades.Uniones fuertes.
• Fibra de Kevlar 49: Suelen recibir un ensimaje.
Plásticos reforzados ⇒ enlace químico
Particularidades:
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.7. Anclaje de fibra a matriz
Si ε1 = ε2 y E1 >> E2 entonces σ1 >> σ2
Análogamente si σ1 = σ2 y E1 >> E2 entonces ε1 << ε2
1
1
Edxdu σε ==
2
2
1
1EEσ
=σ
EFECTO DE REFUERZO DE LA FIBRA:
1. Con igual deformación el material más rígido soporta tensiones más altas
2. Con igual tensión el material más rígido se deforma menos
Efecto de refuerzo de la fibraEfecto de refuerzo de la fibra
2
2
Edxdu σε ==
E1
σ1
L u
E2
σ2
L u
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.7. Anclaje de fibra a matriz
III III
PP
Imσ
PPIm
mσ II
PPmII fP II
IIσ f
PIIf
IIσ f
IIfτ
IIfτ
mσ II
PfIIτ
PmII
P
mσ
Pm P
τ f
τ f
mσ
Pm fP
fPfσ
σ fIII
III
III
III
III
III
III
III
III
III
fτ III
Anclaje de fibra a matrizAnclaje de fibra a matriz
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.7. Anclaje de fibra a matriz
Toda la carga la soporta la matriz
Imσ
PPIm
PP
Anclaje de fibra a matrizAnclaje de fibra a matriz
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.7. Anclaje de fibra a matriz
Una parte importante de la carga la soporta la fibra
PP
mσII
PPmII fPIIIIσf
PIIf
IIσfIIfτ
IIfτ
mσII
PfIIτ
PmII
Anclaje de fibra a matrizAnclaje de fibra a matriz
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.7. Anclaje de fibra a matriz
Generan γ y τ.
Diferencia de deformaciones debida a la fibraDiferencia de deformaciones debida a la fibra
σ σ σ σ
Diferencia de deformaciones normales debido a la presencia de dos materiales
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5. Aspectos geométricos en plásticos reforzados5.7. Anclaje de fibra a matriz
Longitud de anclajeLongitud de anclaje
Porción de fibra dentro de longitud crítica lc⇓
no soporta la carga completa ⇓
tensión media en fibra corta < fibra larga continuaInterfase: Crucial para transmisión del esfuerzo.
Tensiones tangenciales pueden ocasionar: - Desunión en la interfase- Rotura de la matriz- Rotura de la fibra- Deformación angular de la matriz
Solución con MEFTensión en centro de fibra
σf
x
τmTensión en
interfase
x = 0 x = LLC LC
τ = 0
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Diseño con Polímeros y Materiales CompuestosDiseño con Polímeros y Materiales Compuestos
6. Fabricación de plásticos reforzados6. Fabricación de plásticos reforzados
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6. Fabricación de plásticos reforzados6.0. Índice
ÍndiceÍndice
1. Procesos de fabricación
2. Ejemplos
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6. Fabricación de plásticos reforzados6.1. Procesos de fabricación
Procesos de fabricación de plásticos reforzados Procesos de fabricación de plásticos reforzados
1) Contacto a mano
2) Por proyección
3) Preimpregnados
4) Arrollamiento
5) Por centrifugado
1) Moldeo por prensado en caliente
2) Moldeo por prensado en frío
3) Moldeo por inyección
4) Inyección de resina (RTM)
5) Moldeo por inyecc. de reacc. reforzada (RRIM)
6) Pultrusión
Procesos en molde abierto: Procesos en molde cerrado:
Otros componentes: gel-coats ; catalizadores; acelerantes; cargas.
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6. Fabricación de plásticos reforzados6.2. Ejemplos
Aplicación del gel-coatAplicación del gel-coat
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TEMA 1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO CON MATERIALES COMPUESTOS
ETSII Diseño con Polímeros y Materiales Compuestos 5
6. Fabricación de plásticos reforzados6.2. Ejemplos
Contacto a mano Contacto a mano
Ejemplo proceso en molde abierto: contacto a mano. Fabricación pala aerogenerador.
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TEMA 1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO CON MATERIALES COMPUESTOS
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6. Fabricación de plásticos reforzados6.2. Ejemplos
Contacto a mano Contacto a mano
Ejemplo proceso en molde abierto: contacto a mano. Fabricación pala aerogenerador.
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TEMA 1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO CON MATERIALES COMPUESTOS
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6. Fabricación de plásticos reforzados6.2. Ejemplos
ProyecciónProyección
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TEMA 1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO CON MATERIALES COMPUESTOS
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6. Fabricación de plásticos reforzados6.2. Ejemplos