Ensayos de recepción y verificación estructural de un tejido de fibra

Ensayos de recepción y verificación estructural de un tejido
de fibra de carbono preimpregnado
Máster:
Diseño Avanzado en Ingeniería Mecánica
Alumno:
Andrés Aitor de Arambarri Serradilla
Profesor:
D. José Cañas Delgado
1. Introducción
EL presente documento se centrará en la descripción del proceso de fabricación y
ensayo de un material compuesto Fibra de Carbono - Epoxi.
1.1 Los materiales compuestos
Aunque es complejo dar una definición precisa de lo que son los materiales
compuestos, se puede decir que éstos son, principalmente, el resultado de la
combinación macroscópica de dos o más materiales, discretos y con interfases
distintas, que se unen formando un nuevo material [6].
El objetivo de la unión es sintetizar, en un único material, con una identidad
estructural propia y distinta a la de sus materiales constituyentes, propiedades
inalcanzables de modo aislado por éstos materiales que lo integran. De entre las
propiedades que se persiguen con especial interés se podría destacar la Resistencia
Mecánica, la Rigidez, la Vida a Fatiga, etc.
Son muchos los materiales que se usan para ser combinados y obtener un único
material resultante; también son muchas las formas en las que los materiales pueden
combinarse, de modo que se centrará la aproximación al universo de los materiales
compuestos desde la perspectiva del tipo concreto de material que se empleará en el
presente estudio.
En concreto, se empleará un Material Compuesto formado a partir de dos materiales:
La fibra de carbono y la resina Epoxi.
Las fibras de carbono tienen un diámetro que oscila entre los 7-8 μm y sus
propiedades dependen de la orientación de los planos de las capas de grafito, que
deben estar orientadas paralelamente al eje de la fibra.
Las fibras de carbono son frágiles y muestran una recuperación elástica del 100%
cuando se someten a esfuerzos inferiores a los de rotura, siendo sus propiedades
transversales muy inferiores a las longitudinales.
Uno de los mayores problemas de la fibra de carbono es la variabilidad de sus
propiedades, condicionadas en gran medida por su longitud ya que al aumentar ésta
aumenta también la posibilidad de existencia de un defecto.
Por otro lado, la matriz de resina epoxi está ampliamente extendida en el universo de
los materiales compuestos.
La resita epoxi es un polímero termoestable, que no funde al ser calentado, si bien
pierde propiedades de rigidez a partir de los 300º C. Este hecho presenta una
limitación importante para su uso, que ha de ser tenida muy en cuenta a la hora de
definir el uso de estos materiales. En este sentido, es de contrastar los mencionados
300ºC frente a los aproximadamente 2000ºC que es capaz de soportar la fibra de
grafito manteniendo inalteradas sus propiedades.
Para conformar los materiales compuestos, los hilos en los que se presenta la fibra de
carbono se agrupan formando haces que se podrán disponer o bien alineados
paralelamente unos a otros, o de manera entrecruzada. En el primero de los casos
hablaremos de cintas, mientras que en el segundo caso hablaremos de tejidos.
En el caso que nos ocupa, los haces de fibra se disponen en forma de tejido
bidireccional formando dos hileras entrecruzadas a 90º, tal y como se observa en la
figura 1.
Figura 1: Disposición de los haces de fibras de carbono
Este tejido se impregna en resina epoxi (la matriz del Material Compuesto), dando
como resultado lo que se conoce como un tejido laminado Preimpregnado (pregpreg).
Una vez fabricado, el material se cubre de una lámina de polietileno protector que
sirve, a la vez de para proteger el material de posibles contaminaciones, para facilitar
su empleabilidad. Finalmente, se presenta comercialmente (figura 2) en forma de
rollos de medidas estandarizadas y con un peso que en ningún caso superarán los 32
kg [6].
Figura 2: Presentación comercial de un tejido de fibra de carbono [6]
Partiendo del tejido, el proceso de fabricación de piezas de material compuesto puede
resumirse en dos pasos fundamentales [7]:
–
El Apilado de Capas: Se extraen del rollo láminas de material que se van
apilando hasta dar al material el espesor y forma deseadas.
–
Curado: una vez apiladas las capas, se someten a presión y temperatura. En
el proceso se produce la polimerización de la resina. Se forman enlaces
permanentes en la matriz de cada lámina y entre las distintas láminas.
Una característica destacada de este tipo de materiales es su caducidad. La resina
caduca debido al proceso de polimerización de la misma y, en consecuencia, el
material ha de ser empleado en tiempo y forma adecuados. Los preimpregnados de
carbono-epoxi suelen tener una vida en toro a los 365 días si se conservan en cámara
frigorífica a -18ºC, y de 240 horas fuera de dicha cámara, de forma continua o en
intervalos acumulativos [6].
Es necesario asegurar, pues, la trazabilidad del material y control de tiempos y
condiciones de almacenaje. Al proceso que gestiona y asegura las propiedades de la
materia prima y la del material curado es a lo que se denomina "Proceso de
Recepción" del material compuesto [6]. Así mismo, se denomina "Recepción" a la
realización de ensayos destructivos que garantizan, sobre un número adecuado de
probetas, que un lote de material reune las características establecidas en su
calificación, dadas por el fabricante.
1.2 Objetivos
Con el fin contrastar experimentalmente algunas de las características mecánicas
detalladas en la documentación [1] de un tejido de fibra de carbono preimpregnado,
se recepcionó el material, realizando una serie inicial de ensayos de resistencia a la
tracción paralela a la fibra según la normativa UNE-EN-2561 [2].
Los resultados de aquella serie inicial de ensayos no reflejaron la deseada
concordancia con los datos expuestos en la documentación del material [1],
revelándose una resistencia menor de la deseada, así como resultados distintos según
el tipo de probeta.
Se pensó que la forma de las probetas, principalemte el que algunas tuvieran tacones
y otras no, pudieron ser la causa original de las discordancias observadas ya que,
efectivamente, para algunas configuraciones de las probetas se mostraban diferencias
sustanciales entre los resultados prácticos de los distintos ensayos.
Con el fin de determinar la causa concreta de estos resultados, se propone una
segunda serie de ensayos, más amplia, que permita determinar hasta qué punto los
resultados obtenidos en la primera serie de ensayos se debieron a un fallo puntual de
fabricación de las probetas y/o ensayo de las mismas, o a la configuración física de
éstas. A tal fin, se decide la fabricación de cinco probetas de cada uno de los tres tipos
descritos en la normativa [2]. El objeto del presente documento es la descripción del
proceso de fabricación y ensayo de esta segunda serie de probetas.
Durante el proceso de fabricación de estas 15 probetas, se hará evidente la necesidad
de estudiar el material más profundamente de lo previsto inicialmente; se realizarán
análisis del contenido en fibra del material y se fabricará una serie extra de probetas
extraidas de la dirección del tejido perpendicular a la de fabricación de la primera
serie.
EL estudio se describirá siguiendo el siguiente guión:
- Descripción del proceso de preparación del material y de las probetas a fabricar
según normativa UNE-EN-2561 [2].
- Ensayo de determinación del contenido en fibra del material degún normativa UNEEN 2559 [3].
- Fabricación de las probetas según normas [4] (Normativa del cliente de Fabricación
de estructuras con materiales compuestos de fibra de carbono (laminados y
"sandwich"), [5] (Normativa del cliente de Métodos de mecanizado y recanteado de
estructuras de fibra de carbono) y [7] ( Prácticas de materiales compuestos)
- Realización de ensayos según normativa UNE-EN-2561 [2].
- Exposición de resultados.