Tesis de Diploma Tema: Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba. Autora: Lianet Bernardo Reyes Tutor: Dr. Lamberto Álvarez Gil. Facultad: Construcciones Ing. Teylor Alejo Rodríguez Departamento: Ingeniería Civil 2010 1 Pensamiento “Para que una idea triunfe hay que empezar a pensarla bien, hay que predicarla, hay que defenderla, hay que persuadir a mucha gente y entonces al final la idea triunfa”. FIDEL Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . Dedicatoria Con todo el amor del mundo a mis padres… Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . Agradecimiento Gracias a todas las personas que me ayudaron y a las entidades correspondientes, pero sobre todo a los que confiaron en mí y a los que estuvieron ahí cuando más los necesité. A todos de corazón GRACIAS. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . Resumen En este trabajo se presenta la aplicación de ensayos a tracción y flexión en elementos de plástico reforzado con fibra de vidrio con el objetivo de lograr la caracterización de este material, que está compuesto por una matriz poliéster y refuerzos de fibras de vidrio E presentado bajo diferentes formas de tejidos (Mats y Roving). Se realizaron ensayos a probetas hechas con los diferentes tipos de tejidos de la fibra de vidrio E para evaluar las propiedades físicomecánicas de cada uno. Las probetas utilizadas como muestra del material ensayado fueron rectangulares de 190 x 15 mm de sección y de 9.5 mm de espesor. Se realizó el diseño de experimento para determinar el número de muestras a analizar y así observar la evolución del proceso de daño. El material se modeló en el programa de elementos finitos Abaqus, para validar su utilización y luego se compararon los resultados obtenidos de los ensayos reales y virtuales. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . Summary This work shows the characterization of different types of polyester matrix materials reinforced with E fibreglass (Mats and Roving) through traction and flexion tests. To evaluate the physical-mechanical properties, different materials constructed with diverse kinds of E fibreglass were tested. The material samples assayed were rectangular with 190 x 15 mm of section and 9.5 mm of thickness. The experiment was designed to estimate the number of samples necessary to observe the evolution of the damage process. In order to validate its suitability, these composed materials were modeled using the program of finite elements Abaqus. The results obtained by real and virtual tests were then compared. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . Índice ÍNDICE Contenido Página Introducción Capítulo 1: 1 “Estado del arte de materiales compuestos de plásticos reforzados con fibra de vidrio”. 1. Capítulo 2: Introducción 11 1.1 Generalidades sobre Materiales Compuestos. 11 1.2 Ley de comportamiento de una lámina. 19 1.3 Comportamiento mecánico de una lámina. 23 1.4 Comportamiento mecánico de un laminado. 31 1.5 Ensayos estáticos a materiales compuestos. 34 1.6 Métodos de fabricación de productos de Materiales Compuestos con fibra de vidrio como materia prima principal. 39 1.7 Proceso de fabricación de productos reforzados con fibra de vidrio por el Método de Contacto a Mano y utensilios necesarios. 44 1.8 Conclusiones del capítulo. 48 “Procedimiento para la caracterización mecánica de los materiales compuestos de plástico reforzado con fibra de vidrio mediante ensayos reales”. 2. Introducción 2.1 Determinación de la Resistencia a la Tracción y 49 50 a la Flexión de la Fibra de Vidrio. 2.1.1 Objeto y campo de aplicación. 50 2.1.2 Normas de consulta. 50 2.1.3 Definiciones. 50 2.1.4 Fundamento. 51 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . Índice 51 2.1.5 Material y probetas. 59 2.1.6 Equipos de ensayo. 62 2.1.7 Procedimiento experimental. 65 2.1.8 Expresión de los resultados. 67 2.1.9 Análisis de los resultados. 71 2.2 Conclusiones del capítulo. Capítulo 3: “Propuesta de ensayos virtuales mediante la modelación matemática”. 3. Introducción 73 3.1 Condiciones del programa. 73 3.2 Conceptualización de la modelación matemática 74 de la fibra de vidrio. 3.2.1 Modelación de la parte. (Geometría) 74 3.2.2 Modelo de las propiedades del material. 76 3.2.3 Modelo del ensamblaje. 77 3.2.4 Modelo de las condiciones de salida de 77 datos. 3.2.5 Modelo de las cargas y condiciones de 77 apoyo. 3.2.6 Mallado. 79 3.3 Complementación y calibración de los modelos. 3.3.1 Análisis de los resultados de 79 los 79 Comparación entre los resultados reales 82 modelos. 3.3.2 y virtuales. 3.4 Conclusiones del capítulo. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 84 Índice Conclusiones generales 86 Recomendaciones 88 Bibliografía 89 Anexos 92 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . Introducción Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 0 Introducción El empleo de materiales compuestos es para muchos una solución eficiente por las ventajas que ofrecen. Todos los expertos coinciden en definirlos como la unión de dos ó más materiales (conocidas como fases) que unidos logran propiedades superiores a las de sus constituyentes actuando por separado, estas fases no logran mezclarse completamente y es posible distinguir la interfase entre ellas. Logran el mérito sobre otros materiales por las cualidades funcionales que se presentan como son: ligereza, resistencia mecánica y química, mantenimiento reducido y libertad de formas. Los materiales que combinan la materia plástica (conocida como matriz que actúa como material aglutinante) y el refuerzo con fibras de vidrio (conocido como partícula) en la actualidad han tenido un empleo creciente y se han abierto importantes mercados en la industria de la construcción por su excelente relación peso-resistencia así como por la libertad de formas que se pueden lograr a pesar de ser aún un poco caros. La alta resistencia de las fibras de vidrio es atribuida al bajo número y tamaño de defectos sobre la superficie de la fibra. La resistencia mecánica de los productos de plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV) depende de la cantidad de fibra de vidrio que contenga, el tipo de resina y del perfil que tengan. A mayor cantidad de fibra de vidrio, tendremos mayor resistencia mecánica. Las fibras son las responsables de las buenas propiedades estructurales del composite. Todas ellas tienen similar rigidez pero diferentes valores de resistencia y diferentes resistencias a la tracción y buena resistencia química. Las fibras de vidrio son las preferidas como refuerzo estructural debido a la combinación de resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y bajo costo con respecto a las Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 1 Introducción demás. Los distintos tipos de vidrio utilizado como fibras de refuerzo son E, S, S-2 (S-Glass y S2-Glass, S=Strength), C (C=Corrosion) y D (D=Dielectric). El presente trabajo abordará el tema de los plásticos reforzados con fibra de vidrio haciendo énfasis en el establecimiento de los esquemas de ensayo para caracterizar las propiedades mecánicas de este tipo de material compuesto y en la realización de una validación de las propiedades mecánicas según los métodos de diseño. Se hace necesario conocer el comportamiento estructural de este composite a partir de cada uno de los materiales que lo componen, se requiere estudiar las propiedades físico-mecánicas tales como el módulo de deformación, módulo de Poisson y resistencia última entre otras, mediante la experimentación y ensayos virtuales utilizando la modelación mediante métodos numéricos, llegando a un mejor conocimiento del material y poder así realizar otros diseños estructurales. Antecedentes: Es probable que la segunda mitad del siglo XX y el siglo XXI sean conocidos como la época de los productos sintéticos, es decir, de los plásticos, las fibras artificiales, los cauchos sintéticos, los materiales compuestos y los adhesivos sintéticos. Desde hace aproximadamente 100 años se ha ido creando una industria masiva que simboliza al siglo XX del mismo modo que el hierro y el acero caracterizaron al siglo XIX (Miravete, 1995; Barbero, 1999). Así pues, se ha registrado una clara tendencia a elevar el uso de esta clase de materiales y se prevé un mayor aumento para los próximos años (ANAIP, 2004; López, 2002). La base de los materiales compuestos modernos son los polímeros sintéticos. La baquelita fue el primer polímero completamente sintético, fabricado por primera vez en 1909. Partiendo de esta Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 2 Introducción primera invención, es posible en nuestros días adaptar y crear nuevos polímeros que pueden ser diseñados para funciones específicas. Se ha desarrollado por ejemplo un tipo de polímeros que no sufren corrosión. Se pueden diseñar polímeros sintéticos con propiedades de rigidez o flexibilidad, transparencia u opacidad, dureza o fragilidad (Miravete, 2000; Mallick, 1997). Para aplicaciones resistentes, en las que tanto la resistencia como la rigidez del material son críticas, es necesario combinar el polímero con otros materiales para obtener materiales compuestos cuyas propiedades superen las de sus constituyentes (Barbero, 1999). Así pues, durante el siglo XX la ciencia de los materiales ha avanzado con la incorporación de productos sintéticos al mercado industrial. Estos avances han sido bien aprovechados por sectores tradicionalmente innovadores como la automoción o la aeronáutica, pasando muchos de los considerados nuevos materiales a formar parte de objetos cotidianos de nuestras vidas. Esta inmersión y sustitución, más o menos progresiva, de materiales tradicionales por nuevos materiales con mejores prestaciones, como los materiales compuestos, no se ha efectuado de forma pronunciada en el sector de la construcción (Sedó, 2000). Durante los últimos años se han realizados considerables progresos en calidades de fibras, preimpregnados, métodos de fabricación, métodos de ensayos no destructivos, mecánica de materiales compuestos, métodos de diseño y análisis de medios anisótropicos, y nuevos conceptos de diseño. Por esa razón este trabajo tiene como objetivo ser un aporte técnico y práctico de dichos conocimientos para profesionales, fabricantes, etc., dedicados a la industria de los plásticos reforzados con fibras. La primera referencia de la fibra e vidrio data de 1713, cuando en el transcurso de una conferencia dada por Reaumur en la Academia de Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 3 Introducción las Ciencias de París, este presenta varias muestras de tejido de fibra de vidrio. No obstante, la producción a nivel industrial de las primeras fibras de vidrio de alta resistencia mecánica fue obtenida por primera vez en 1938. La fabricación de depósitos a presión, por medio de enrollamiento continuo de fibras de vidrio, fue la primera aplicación estructural de los materiales compuestos modernos. Desde 1930 la fibra de vidrio fue admitida en la línea de los materiales avanzados (Pablo Arteaga, Lorenzo Jiménez, Antonio Miravete).A lo largo de las siguientes décadas se apreció el avance de este material. En Perú la industria de Plástico Reforzado en Fibra de Vidrio (PRFV), conocido comercialmente como productos de Fibra de Vidrio empieza a tener demanda en los años 1975-1980, con la instalación de empresas dedicada a la fabricación de auto partes (carrocería de ensamblaje y otros). En los años 85-90 empieza una mayor demanda de productos en fibra de vidrio, constituyéndose las primeras empresas productoras de materia primas de PRFV, es en los años 90 con las políticas de globalización de mercado y políticas de comercio internacional se incrementa el nivel de importaciones de materia prima, materiales, herramientas y equipos para la industria de Plásticos Reforzados y consecuentemente mejores condiciones técnicas para el desarrollo de la industria de PRFV. (Bendezú, 2002) En la actualidad existen pequeñas y medianas empresas constituidas formalmente y un universo de pequeños talleres artesanales en la mayoría de carácter informal en la industria de PRFV. En nuestro país a lo largo del tiempo se han estado buscando soluciones de materiales más ligeros y más resistentes para salir un Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 4 Introducción poco del marco acero, hormigón y madera. En el mundo ha existido un auge del empleo de materiales compuestos con fibra de vidrio pero nuestro país se ha quedado un poco atrás en este sentido debido fundamentalmente materiales y la a la marcada anisotropía de estos complejidad en el diseño y la comprensión del comportamiento de estos materiales que se deriva de lo anterior. Para incrementar en nuestro país el conocimiento sobre su comportamiento y su empleo en la construcción como elementos estructurales es que realizamos este trabajo. La principal empresa que trabaja en la conformación de elementos de PRFV en Cuba es ASTISUR que se especializa en la elaboración de depósitos y embarcaciones de mediano y pequeño tamaño. Situación problemática: Existe la necesidad de realizar el diseño y construcción de elementos de plástico reforzado con fibra de vidrio y no existe una caracterización de dicho material conformado bajo las condiciones de fabricación y el método empleado en nuestro país. Se hace necesario conocer el comportamiento estructural de este material compuesto a partir de cada uno de los materiales que lo componen y estudiar las propiedades físico-mecánicas del material tales como el módulo de deformación, módulo de Poisson y resistencia última entre otras, mediante la experimentación y ensayos virtuales utilizando la modelación mediante métodos numéricos. Objeto de Estudio: Plásticos reforzados con fibra de vidrio. Problema: ¿Podré hacer una metodología para caracterizar los plásticos reforzados con fibra de vidrio? Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 5 Introducción Objetivo general: Realizar la caracterización mecánica de elementos estructurales conformados con plástico reforzado con fibra de vidrio y proponer una metodología para este trabajo. Interrogante científica: 1. ¿Cuánto ha avanzado el conocimiento científico en materia de materiales compuestos con fibra de vidrio? 2. ¿Cuáles serían los esquemas de ensayo para este tipo de material? 3. ¿Cuáles son las propiedades mecánicas de este tipo de material compuesto que validan su empleo? Objetivos específicos: 1. Realizar una actualización de la bibliografía existente o búsqueda bibliográfica en temas afines con los materiales compuestos con fibra de vidrio y tipo de ensayos, para definir las consideraciones principales de los tipos de ensayos a utilizar. 2. Establecer los esquemas de ensayo para caracterizar las propiedades físico-mecánicas del plástico reforzado con fibra de vidrio. 3. Realizar una validación de las propiedades mecánicas de materiales compuestos con fibra de vidrio según los métodos de diseño. Tareas científicas: 1. Estudio de la bibliografía disponible con temas afines tales como; propiedades de las fibras de vidrio, normas vigentes y diseño de experimento. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 6 Introducción 2. Proponer una metodología para establecer los criterios y elementos a tener en cuenta para la realización de los ensayos. 3. Identificar los procedimientos para la realización de los ensayos de acuerdo a las normas vigentes o existentes. 4. Establecer las características de los estados tensionales que están presentes en los elementos estructurales de objeto de estudio. 5. Definir las variables objeto de estudio para caracterizar desde el punto de vista mecánico (propiedades mecánicas del material). 6. Diseñar los especímenes y esquemas de los ensayos que se proponen realizar, lo cual sería el diseño de experimento que incluye forma y dimensiones de las probetas, tipo de material y cantidad de probetas. Hipótesis: A partir del estudio y caracterización de materiales de plástico reforzado con fibra de vidrio se pueden conocer sus propiedades mecánicas que intervienen en el diseño de elementos estructurales permitiendo establecer diseños económicos y seguros. Variables independientes: Cantidad de láminas (li), espesor de la lámina (el) y % de fibra (%F). Variables dependientes: Módulo de deformación del material (E), módulo de Poisson (μ), resistencia a flexión (Xf), resistencia a tracción (Xt) y esfuerzo (σ). Aportes: Científico-técnico: Se establecen los criterios para el diseño de la experimentación física y virtual de elementos plásticos reforzado con fibra de vidrio aplicando técnicas avanzadas de modelación permitiendo conocer el Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 7 Introducción comportamiento físico-mecánico de los materiales compuestos para las condiciones cubanas y que son producidos por la empresa ASTISUR. Metodológicos: Mediante la realización de esta investigación se establece una forma de proceder para el estudio de las características físico-mecánicas de materiales compuestos, permitiendo llegar a establecer una metodología de trabajo para estudios similares. Importancia práctica: Con el conocimiento de las características físico-mecánicas y el comportamiento de materiales compuestos fabricados por la empresa ASTISUR se podrán diseñar y construir las producciones de esta empresa. Novedad: Se establece la caracterización mecánica y comportamiento estructural de elementos conformados en plástico reforzado con fibra de vidrio en las condiciones de diseño y fabricación de materiales compuestos en nuestro país aplicando técnicas novedosas que complementan la modelación virtual a través de software profesionales y experimentación a escala de laboratorio. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 8 Introducción Esquema metodológico de la investigación: Definición del Problema Definición de la Hipótesis Planteamiento de los Objetivos Definición de las Tareas Científicas Capítulo 1: Estado del arte de materiales compuestos de plásticos reforzados con fibra de vidrio. Capítulo 2: Procedimiento para la caracterización mecánica de los materiales compuestos de plástico reforzado con fibra de vidrio mediante ensayos reales. . Capítulo 3: Propuesta de ensayos virtuales mediante la modelación matemática. . . Conclusiones y Recomendaciones. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 9 Introducción Estructura del trabajo: Introducción: Se presenta el diseño de la investigación propuesta y donde se incluye el problema, hipótesis, objetivos específicos, novedad científica e importancia práctica. Capítulo 1: Estado del arte de materiales compuestos de plásticos reforzados con fibra de vidrio. Se incluye en epígrafes todos los conocimientos existentes sobre la temática objeto de estudio que serán aplicados en la investigación a partir del estudio de trabajos referentes, bibliografía disponible y normas nacionales e internacionales. Capítulo 2: Propuesta para la caracterización mecánica de materiales compuestos de plástico reforzado con fibra de vidrio mediante ensayos reales. Se incluye el diseño de experimento que permite establecer la condición de especimenes a tener en cuenta en cada tipo de ensayo, teniendo en cuenta las normas vigentes y estableciendo las variables dependientes e independientes. Se incluyen epígrafes donde se dan recomendaciones para los distintos tipos de ensayos. Capítulo 3: Propuesta de ensayos virtuales mediante la modelación matemática. En este capítulo se hace una modelación virtual de los ensayos propuestos para establecer las distintas variantes de comportamiento del material. Conclusiones. Recomendaciones. Bibliografía. Anexos. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 10 Capítulo..1 “Estado del arte de materiales compuestos de plásticos reforzados con fibra de vidrio”. 1. Introducción 1.1 Generalidades sobre Materiales Compuestos. 1.2 Ley de comportamiento de una lámina. 1.3 Comportamiento mecánico de una lámina. 1.4 Comportamiento mecánico de un laminado. 1.5 Ensayos a materiales compuestos. 1.6 Métodos de fabricación de productos de Materiales Compuestos con fibra de vidrio como materia prima principal. 1.7 Proceso de fabricación de productos reforzados con fibra de vidrio por el Método de Contacto a Mano y utensilios necesarios. 1.8 Conclusiones del capítulo. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 10 Capítulo..1 Capítulo 1: Estado del arte de materiales compuestos de plásticos reforzados con fibra de vidrio. 1. Introducción. Los ingenieros en la búsqueda de soluciones que le proporcionen ventajas tanto constructivas como en cuanto al costo, desarrollaron un nuevo material con propiedades superiores, “los plásticos reforzados con fibra de vidrio”. En este primer capítulo se abordará el estado del arte de los materiales compuestos por fibra de vidrio. Para la comprensión de los temas a desarrollar posteriormente en el resto de los capítulos, es necesario conocer las generalidades de este tipo de materiales a través de las respuestas a las interrogantes siguientes: ¿Qué es un material compuesto?, ¿Cuáles son sus propiedades?, ¿Cuál es el comportamiento mecánico de una lámina y un laminado?, ¿Cuáles son los ensayos que se les realizan? y ¿Cuáles son los procesos para su fabricación? Una vez planteados y analizados los rasgos fundamentales y la actualización sobre temas afines, nos basaremos en ellos para el logro de los objetivos propuestos en cada una de las partes del trabajo. 1.1 Generalidades sobre Materiales Compuestos. Los materiales compuestos suelen ser definidos por muchos investigadores del tema como la combinación a escala macroscópica de dos a más materiales, donde se pueden visualizar las interfases de separación entre ellos. Estos forman así un nuevo material con propiedades superiores a la de sus constituyentes actuando por separados. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 11 Capítulo..1 Dentro de las propiedades que muestran las ventajas de estos materiales están la resistencia mecánica, la resistencia a corrosión, la resistencia a la abrasión, la rigidez, el peso, la vida a fatiga, el aislamiento térmico y el aislamiento acústico. Se pueden realizar gran variedad de clasificaciones a materiales compuestos solo con resaltar respecto a qué factor se va realizar la misma. A continuación donde se muestra la clasificación con respecto a la geometría de refuerzo que se introduce en un material base denominado matriz. Los materiales compuestos pueden estar reforzados con fibras ó con partículas. Una fibra se distingue porque una dimensión, en este caso su longitud, es mucho mayor que las otras dos. El resto de los refuerzos están agrupados como partículas que pueden ser esféricos, cúbicos, laminares o irregulares. Los materiales compuestos reforzados con fibras pueden ser de una sola capa o multicapa y los reforzados con partículas pueden presentar orientación aleatoria o preferente. En la Fig. 1.1 se muestra la clasificación de los materiales compuestos dada por (París, Cañas, Marín en el año 2006). Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 12 Capítulo..1 MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS UNA SOLA CAPA REFORZADOS CON PARTÍCULAS MULTICAPA LAMINADOS FIBRA CONTINUA ORIENTACIÓN ALEATORIA ORIENTACIÓN PREFERENTE HIBRIDOS FIBRA DISCONTÍNUA ORIENTACIÓN PREFERENTE ORIENTACIÓN ALEATORIA REFUERZO UNIDIRECCIONAL REFUERZO BIDIRECCIONAL Fig.1.1. Clasificación de los materiales compuestos. Los materiales compuestos de partículas apenas mejoran la resistencia del material base que forma la matriz debido a que no absorben una parte considerable de la carga que soporta el material compuesto. Esto ocurre de forma distinta en los compuestos de fibras y debido a esto se introducen partículas duras en matrices frágiles. Por otra parte los materiales compuestos reforzados con fibra no son directamente usables en las aplicaciones ingenieriles debido a las pequeñas dimensiones de la sección transversal por lo cual se encuentran embebidas en matrices para formar los materiales compuestos reforzados con fibras. La matriz envuelve las fibras transfiriendo la carga y las protege contra agentes exteriores así como frente al daño derivado de su uso y manipulación. Los materiales compuestos por varias capas llamadas láminas pero con las mismas propiedades y orientación se suelen llamar de una Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 13 Capítulo..1 capa. Cuando todas las láminas son del mismo material (misma fibra y matriz y volumen relativo de ambos), pero presentan orientaciones diferentes debido a las necesidades de diseño, el material compuesto recibe el nombre de laminado y esta es la situación más común en Ingeniería. El laminado híbrido se utiliza en el caso de que las láminas sean de diferentes materiales constituyentes. Un material compuesto se dice de fibra discontinua o corta cuando la longitud de la fibra afecta a las propiedades del material. En el material de fibra continua la carga es soportada fundamentalmente por las fibras, donde la principal función de la matriz es mantener unidas a las fibras y protegerlas. Dentro de las láminas de fibra continua cabe que el refuerzo se produzca en una dirección o en dos direcciones. Las de una dirección suelen aparecer comercialmente en cintas enrolladas de fibras preimpregnadas de matriz. Los compuestos unidireccionales son muy rígidos y resistentes en la dirección de la fibra pero muy débiles en la dirección perpendicular, por lo que su uso se reduce a aplicaciones en que trabajan estructuralmente como un tirante. Conocidas las principales características de los materiales compuestos pasaremos a detallar las características mecánicas de las fibras y las matrices que componen estos materiales. Los tipos de fibras más utilizadas son las de carbono, las de vidrio y las orgánicas (Kevlar). En lo que se refiere a las fibras de vidrio, se han usado muchas combinaciones de vidrios minerales. Todas tienen como base sílice (SiO2) con adiciones de óxidos de calcio, boro, sodio, hierro y aluminio. El diámetro de las fibras de vidrio oscila entre 8 y 15 μm y son isótropas, consecuencia de la estructura tridimensional de la red del vidrio. Durante su manipulación puede sufrir rotura por ello se les suele aplicar una capa protectora que adicionalmente Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 14 Capítulo..1 puede generar una unión química entre la superficie del vidrio y la matriz, creando una interfase de alta resistencia. El vidrio E es el más usado por sus buenas propiedades de resistencia, rigidez, eléctricas y de desgaste. El C tiene una mayor resistencia a la corrosión química, pero es más caro y de menor resistencia. El S es más rígido y más resistente a la temperatura que el E, pero es también más caro. Hull presenta en una tabla las propiedades de las fibras de carbono, vidrio y Kevlar 49 a 20ºC valores comparativos entre ellas. En el diagrama tensión-deformación de estas fibras se representa que sólo la fibra de Kevlar tiene una cierta ductilidad en la rotura con estrechamiento local en la zona de fractura. Por tanto, desde el punto de vista de las propiedades absolutas, puede decirse que la fibra de Kevlar es la más resistente, que la de carbono es la más rígida, y que la de vidrio es la menos resistente y la menos rígida. El comportamiento de la fibra de vidrio ante las variaciones de temperatura comienza a disminuir a partir de los 200º C, por lo que son compatibles con las matrices poliméricas ya que éstas pierden sus propiedades por encima de los 200º C. En cuanto a las matrices podemos mencionar las más usadas que son las resinas epoxi y poliéster con gran variedad en sus propiedades mecánicas y químicas. Estas cuentan con una propiedad que las hace ventajosas sobre los plásticos y es que no se funden al calentarse por lo que son conocidas como termoestables. No obstante las resinas epoxi y poliéster tienen temperaturas límites sobre las cuales pierden propiedades de rigidez, en el caso de las epoxi 300º C y para las de poliéster 110º C. En la Tabla 1.1 de propiedades típicas de las resinas epoxi y poliéster descrita por (Hull, 1987) se reconocen las principales Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 15 Capítulo..1 propiedades de estas resinas y se puede observar que las epoxi son en general superiores a las de poliéster aunque más caras. Tabla 1.1 Propiedades típicas de las resinas epoxi y poliéster usadas en los materiales compuestos. Propiedad Unidades Resinas Epoxi Resinas Poliéster Densidad Mg m-3 1.1-1.4 1.2-1.5 Módulo de Young GPa 3-6 2-4.5 0.38-0.4 0.37-0.39 Coef. Poisson Resist. Tracción Mpa 35-100 40-90 Resist. Compresión Mpa 100-200 90-250 Alarg. Rotura(tracción) % 1-6 2 Conduct. Térmica Wm-1C-1 0.1 0.2 60 100-200 50-300 50-110 % 1-2 4-8 % 0.1-0.4 0.1-0.3 -6 Coef. dilatación 10 ºC Temp. distorsión o Contracción curado o Absor. de agua(24h a20 C) C -1 En la unión fibra matriz se forma una interfase entre ambos elementos que es la responsable de la transmisión de cargas de la matriz a las fibras, lo que condiciona en gran medida la resistencia final del material compuesto. El mecanismo de transferencia de carga es mucho más importante en los compuestos de fibra corta debido a las concentraciones de tensión que aparecen en los extremos de la fibra. La naturaleza de la unión fibra-matriz junto a las características aisladas de estos dos componentes condicionan el modo de fisuración del material compuesto. De este modo, cuando la interfase es muy resistente, las grietas no se propagan a lo largo de las fibras. En cualquiera de los múltiples procesos existentes para la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibra se pueden distinguir dos fases: la configuración del laminado y el curado. La primera incluye con carácter general el conjunto de acciones que es preciso realizar hasta obtener la configuración final del material compuesto. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 16 Capítulo..1 Así, podría para algunos materiales constar de la disposición de fibras en una matriz para obtener una lámina, y a continuación de la disposición de una serie de láminas para obtener un determinado laminado. El curado es el proceso de secado o de polimerización de la matriz, para formar los enlaces permanentes entre la matriz y las fibras en una lámina y a su vez entre las propias láminas. El curado se puede producir de manera natural o puede requerir, para acelerar el proceso de polimerización, la aplicación independiente o combinada de calor y presión en autoclaves u hornos. La fase de configuración del laminado puede ser elaborada por diferentes métodos como son: 1- El método de apilado manual (“hand lay-up”) que consiste en disponer sobre un molde elaborado previamente las fibras que se impregnan de la resina con brocha o rodillo. Se van sucediendo capas de matriz y resina hasta alcanzar el espesor de diseño. Las fibras pueden estar dispuestas en una o dos direcciones. En este método, el curado se realiza al ambiente sin ayuda de presión ni calor. Es usual aplicar este método a materiales compuestos de poliéster y fibra de vidrio con bajos requerimientos estructurales o en geometrías que no permiten una mayor automatización. 2- El método de enrollado de filamentos (“filament winding”) que consiste en pasar hilos o mechas continuas de fibras por un baño de resina enrollándolos a continuación sobre un molde giratorio que dispone del mecanismo para orientar la fibra con el ángulo adecuado de diseño con respecto al eje longitudinal. Este procedimiento se utiliza en geometrías de revolución (tubos y depósitos). 3- El método de bolsa de vacío, presión o autoclave para el que se puede partir de las capas de fibras, ahora unidireccionales generalmente, impregnarlas y curarlas parcialmente. Las láminas Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 17 Capítulo..1 se colocan en la superficie del molde en el orden de apilamiento y con las direcciones adecuadas para formar un laminado. Se cubren con un saco de presión para introducirlos en la autoclave a temperatura y presión adecuadas para provocar el curado final del conjunto. Este método es muy difundido en los materiales compuestos de fibra de carbono y resina epoxi que se utilizan para paneles y elementos de aviones. 4- El método de proyección (spray-up) que se usa en el caso de que el refuerzo no sea continuo ni tenga orientación preferente. En este caso se proyectan simultáneamente los hilos ya cortados y la resina a un molde, y se consolida el compuesto con el rodillo. Se usa generalmente para compuestos de resina poliéster y fibra corta de vidrio. Para todos los métodos mencionados se utiliza molde abierto. Es preciso mencionar las fases finales de ensamblado que incluye pegado después del curado, procesos con máquinas herramientas para configurar zonas difíciles de realizar con el molde o simplemente ejecución de orificios para proceder a la realización de uniones atornilladas y finalmente el pintado. Las piezas fabricadas pasan por un control (inspección visual, rayos X, ultrasonidos y ensayos de resistencia) que permiten detectar los principales defectos que pueden presentar. Se describen discontinuidades entre láminas producidas por la existencia de aire atrapado, falta de resina o de laminaciones que aparecen durante el curado, curado incompleto de la resina, exceso de resina entre láminas, porosidad o agujeros en la matriz, orientación incorrecta de las láminas para formar el laminado, daño en las fibras, inclusiones, variaciones en el espesor y uniones inaceptables. La estructura de los materiales compuestos reforzados con fibra es heterogénea y anisótropa. El análisis de estos se considera desde dos Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 18 Capítulo..1 puntos de vista: Micromecánico y Macromecánico. En el análisis Micromecánico se reconoce la existencia de dos componentes, la fibra y la matriz aunque no se considera la estructura interna de cada uno de ellos. El objetivo de este análisis sería definir las propiedades de una lámina homogénea y ortótropa que se comportara de forma equivalente desde el punto de vista mecánico que la lámina real de material compuesto. En el análisis Macromecánico se considera la lámina como un material homogéneo con unas propiedades representativas. Por consiguiente la microestructura de la lámina no es considerada salvo en el hecho de que existan propiedades diferentes en la dirección de la fibra y en la dirección perpendicular. La lámina ortótropa se toma ahora como base para diseñar elementos laja, placa o lámina, a los cuales se les aplica las teorías del cálculo estructural. Los materiales compuestos de fibras tienen gran aplicación en la actualidad. En la industria aeronáutica se utilizan fundamentalmente en las alas, en el fuselaje y en el tren de aterrizaje. En la industria automovilística se emplea para toda la carrocería y otros elementos de distintos modelos. En la ingeniería naval se emplea en los cascos cubiertas y en los mástiles, sobre todo en embarcaciones deportivas. En la industria química se utilizan cada vez más en conducciones y recipientes a presión. Dentro de la industria deportiva se aplican profusamente en raquetas de tenis, en cañas de pescar y en palos de golf. 1.2 Ley de comportamiento de una lámina. Los materiales compuestos, como todos los sólidos deformables, se caracterizan porque al actuar sobre ellos un sistema de cargas exteriores en equilibrio cambian las posiciones relativas de los diferentes puntos del material y dan lugar a una nueva configuración geométrica que se denomina configuración deformada. El sistema de Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 19 Capítulo..1 fuerzas exteriores en equilibrio puede ser aplicado directa o indirectamente, con el empleo de un sistema de fuerzas cualesquiera en una zona del contorno pero limitando desplazamientos en otra zona de tal forma que en ella se generarán las fuerzas que necesariamente tienen que equilibrar el sistema exterior aplicado. Es necesario definir variables internas de tensiones y deformaciones en Mecánica de Medios Continuos: Cargas exteriores que intervienen en el proceso de deformación de un sólido (aplicadas en el dominio, Fi, y/o en el contorno, ti). Tensor de tensiones σij (con i y j variando de 1 a 3) en un punto que caracteriza la transmisión de fuerzas por el interior del sólido y representa en unos ejes determinados la acción que el resto del dominio hace sobre dicho punto al actuar las cargas exteriores. En la Fig.1.2 se exponen los tres planos perpendiculares donde se representan los nueve componentes del tensor de tensiones y las ecuaciones válidas para cualquier tipo de sólidos independientemente del comportamiento del mismo, de acuerdo a lo descrito por (París, Cañas, Marín en el año 2006). 3 σ33 σ31 1 σ23 3 σ13 σ12 σ11 σ32 σ21 σ22 2 2 Fig. 1.2. Tensor de tensiones en un punto. Al establecer las condiciones de equilibrio en un punto material sobre el que pueden actuar unas cargas exteriores Xi (i = 1,3) por unidad de volumen se obtienen las siguientes ecuaciones. σji,j + Xi = 0 (1.1) σji = σij (1.2) Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 20 Capítulo..1 o lo que es lo mismo: σij,j + Xi = 0 (1.3) Estas constituyen las ecuaciones de equilibrio interno del sólido. Puede calcularse el vector tensión en un plano orientado de forma cualquiera en relación a los ejes de referencia tomados, lema de Cauchy, Fig. 1.3: 3 Tn n 2 1 Fig. 1.3. Vector de tensión en un plano de orientación arbitraria. Tni = σij nj (1.4) En lo que respecta a las deformaciones εij (con i y j variando de 1 a 3) son magnitudes para el caso en que los desplazamientos sean pequeños frente a las dimensiones del sólido, están asociadas a los cambios de forma y de volumen que experimentan los puntos del sólido, representado en la ecuación: εij = 1/2 (ui,j +uj,i) (1.5) El tensor de deformaciones, al igual que el de tensiones, es un tensor de segundo orden simétrico. Las componentes de la diagonal principal están asociadas al cambio de volumen y el resto al cambio de forma. Las ecuaciones 1.5 se satisfacen automáticamente si el campo de deformaciones cumple las ecuaciones de compatibilidad de SaintVenant. εij,kl + εkl, ij - εik,jl- εjl,ik = 0 (1.6) Estas ecuaciones son independientes del material, por lo cual en ellas no aparecen valores de constantes asociadas al mismo. Se trata de Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 21 Capítulo..1 relaciones geométricas que pueden alterarse y tomar otras expresiones también geométricas, cuando según el tipo de material que se esté estudiando los desplazamientos alcanzan ciertos valores frente a las dimensiones del dominio en estudio. Las tensiones están únicamente relacionadas con las cargas exteriores y las deformaciones con los desplazamientos y dada la relación entre característica éstos de y las cada cargas, material debe entre existir las una relación tensiones y las deformaciones. Esta relación se conoce como ley de comportamiento o ecuaciones constitutivas del material. Para el conocimiento de la ley de comportamiento para materiales elásticos lineales es necesario conocer la relación más general que puede plantearse entre el tensor de tensiones y el de deformaciones que es: σij = Cijkl σkl Cijkl - tensor de cuarto orden que incluiría 81 constantes de rigidez. Dada la simetría de los tensores de tensión y deformación, puede simplificarse la expresión anterior. La ley de comportamiento elástica lineal se pondría ahora: σi = Cij εj De esta forma queda definido el módulo de deformación longitudinal (o de Yuong), el coeficiente de Poisson y el módulo de elasticidad tangencial o de cizalladura. (París, Cañas, Marín, 2006) 1.3 Comportamiento mecánico de una lámina. A continuación se realizará la caracterización mecánica del material en orden de acuerdo a la realización del análisis (determinación de las propiedades de rigidez que se utilizan en él) y del diseño (determinación de las características resistentes en direcciones principales y criterios de rotura ante cualquier tipo de solicitaciones). Esta caracterización sería equivalente en todo a la de los materiales Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 22 Capítulo..1 isótropos. En los materiales ortótropos cobra una importancia especial la contribución de los elementos que conforman el material compuesto en las propiedades finales del conjunto. Esta parcela, que se conoce con el nombre de micromecánica, permite crear un material de manera que se pueda adaptar a las solicitaciones exteriores. Los criterios de resistencia, a diferencia de los materiales isótropos, no tiene sentido plantearlos en términos de tensiones o deformaciones principales, sino referidos a ejes de ortotropía de la lámina. Estos ejes no tienen en general por qué coincidir con los ejes principales. Sólo en el caso particular en que las direcciones principales de tensión o deformación coincidan con las direcciones de ortotropía del material, se producirá la coincidencia entre las direcciones principales de tensión y deformación. Lo que se hace es comparar un estado real con un estado admisible del material. Ambos están referidos a los ejes de ortotropía de la lámina. El real, en el caso de que la lámina tenga unas cargas que permitan la determinación fácil de las tensiones en otras direcciones, se obtiene por simple rotación del tensor, y el admisible está en función de las propiedades resistentes de la lámina en las propias direcciones de ortotropía. Se definen cinco características en el plano de la lámina (por París, Cañas, Marín, 2006). Xt = Resistencia longitudinal a tracción. Xc = Resistencia longitudinal a compresión. Yt = Resistencia transversal a tracción. Yc = Resistencia transversal a compresión. S = Resistencia a cortadura. En las direcciones principales del material la resistencia a cortadura es única independientemente del sentido de la solicitación, dado que Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 23 Capítulo..1 las dos configuraciones en tracción-compresión son idénticas. En las direcciones no principales no sucede así, puesto que la tracción actúa en el sentido de las fibras y en el sentido transversal a las mismas. En la actualidad a pesar de que la mayor parte de los criterios se siguen formulando sobre variables macromecánicas, se cree que estos deben basarse en los mecanismos de funcionamiento interno del material, por lo que cobra cada vez más importancia el estudio de la micromecánica. Las constantes ingenieriles de rigidez se obtienen experimentalmente mediante ensayos adecuados. Estas constantes relacionan magnitudes sin entidad física inmediata (tensiones y deformaciones). Las tensiones y deformaciones pueden ser obtenidas a partir de los datos experimentales (normalmente fuerzas y alargamientos). El ensayo de tracción es el más utilizado para conocer el valor de las constantes tanto para materiales isótropos como ortótropo. Para materiales ortótropos, no basta el ensayo de tracción para obtener de forma fiable todas las constantes del material. Con un ensayo de tracción se logra obtener las constantes E y v para un material isótropo. Primeramente se supone una probeta recta de longitud L, de sección transversal circular y de área transversal Ω. Si se somete la probeta en sus extremos a una tracción de resultante F, la solución tensional en una zona suficientemente alejada de la zona de aplicación de la carga (Principio de Saint-Venant) se uniformiza y resulta valer: σ33 = F/Ω, y el resto de las componentes de σij serían iguales a cero. El tensor de deformaciones puede obtenerse a partir de las ecuaciones constitutivas y por integración de éste obtener el correspondiente campo de desplazamientos. Si al sólido se le realizan 4 marcas antes de comenzar el ensayo, dos en el sentido longitudinal separadas inicialmente a una distancia determinada y dos más en sentido diametral, los incrementos de Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 24 Capítulo..1 distancia (ΔL y Δd) que sufren estos puntos para un incremento de carga dado (ΔF) son medibles fácilmente en el laboratorio. A partir de dichas medidas, se obtienen las constantes buscadas (E y ν). Es conveniente realizar comprobaciones del comportamiento elástico lineal al incrementar la carga y para ello lo mejor es trazar un gráfico en el que se recojan la carga aplicada y el alargamiento que se origina en la probeta. Tal gráfico deberá ser una línea recta (carga unitaria frente a alargamiento unitario donde la pendiente de la recta es el Módulo de Elasticidad del material). Al desaparecer la carga se debe comprobar nuevamente, puesto que en este momento el incremento de longitud sufrido por la probeta deberá ser igual a cero. En el caso de materiales ortótropos el problema resulta más complejo, es necesario obtener E y v en las dos direcciones para láminas reforzadas en una dirección y con el mismo comportamiento en tracción que en compresión. Para la determinación experimental de la resistencia de una lámina las características a determinar son: Xt Resistencia a la tracción en la dirección de las fibras. Xc Resistencia a la compresión en la dirección de las fibras. Yt Resistencia a la tracción en la dirección transversal a las fibras. Yc Resistencia a la compresión en la dirección transversal a las fibras. S Resistencia a cortadura. Resistencia a la tracción en la dirección de las fibras: En este caso la relación σ−ε en la dirección de la fibra es prácticamente lineal, dado que es la fibra la que aporta la mayor resistencia. El ensayo a realizar para determinar el valor de Xt es un ensayo de tracción. La resistencia se determinará dividiendo la carga máxima entre el área de la sección transversal de la probeta. La rotura puede ir precedida de diferentes fallos internos en el material Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 25 Capítulo..1 como son la rotura de fibras, la microfisuración de la matriz y la separación de las fibras de la matriz. Los tipos de rotura de un laminado unidireccional a tracción pueden agruparse en tres: - Rotura frágil en una sección, donde el mecanismo fundamental es la rotura de las fibras en esa sección. Aparece una superficie de rotura limpia y no se aprecia claramente la existencia de los dos componentes. - Rotura frágil en una sección pero acompañada de arranque y/o despegue de fibras. En este caso la superficie de rotura no es limpia y aparecen extremos de fibra emergiendo de dicha superficie de rotura. - Rotura frágil en diferentes secciones transversales con despegue de fibras y/o fallo por cortadura de la matriz. Resistencia a la tracción en la dirección transversal a las fibras: La resistencia transversal se encuentra gobernada por muchos factores que incluyen las propiedades aisladas de la fibra y de la matriz, la resistencia de la unión de la interfase, la presencia y la distribución de los huecos, la distribución interna de los esfuerzos y de las deformaciones debidas a la interacción entre las fibras, etc. La matriz juega un papel importante en la resistencia del conjunto frente a solicitaciones transversales a las fibras, por lo que aparecen algunas zonas no-lineal en el diagrama σ−ε que próxima a la rotura. Resistencias a compresión en las dos direcciones de ortotropía de la lámina: La estructura interna del material compuesto se hace compleja por la diferencia existente entre los valores de las resistencias a la tracción y a la compresión. En los ensayos de compresión, tanto los dispositivos de ensayo como la geometría de las probetas están diseñados para evitar los fenómenos de pandeo global del espécimen. La probeta se dispone entre unas guías que evitan la flexión del Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 26 Capítulo..1 espécimen fuera de su plano y las pequeñas dimensiones de las probetas, junto con los refuerzos laterales que se adhieren a éstas contribuyen a la reducción de la esbeltez de la zona efectiva de ensayo del espécimen. El valor de la resistencia a compresión en la dirección de las fibras Xc se obtendrá cuando la dirección de las fibras coincida con la dirección longitudinal de la probeta. Con la disposición de las fibras en la dirección transversal del espécimen se obtendría el valor de la resistencia a la compresión en la dirección transversal a las fibras Yc. Resistencia a la cortadura: La resistencia a la cortadura depende de la concentración de tensiones que sobre la matriz introduce la existencia de fibras y huecos. Esta concentración de tensiones aumenta lentamente con el volumen de fibras entre 0 y 60% y muy rápidamente para volúmenes de fibras superiores. Por tanto, puede darse el caso de que un material compuesto con fibras en una dirección tenga una resistencia a la cortadura inferior a la resistencia de la propia matriz. El mecanismo de fallo en este caso se produce por rotura o cortadura de la matriz y/o despegue de los elementos constituyentes. En cuanto a los criterios de resistencia biaxial de una lámina es importante señalar que las láminas de materiales compuestos estarán sometidas a solicitaciones exteriores que provocarán estados tensionales cuya determinación no necesariamente se hace en los ejes principales del material. También puede ocurrir que las cargas actuantes sobre la lámina provoquen estados no uniaxiales de tensión. En ambos casos será necesario definir un criterio que relacione el estado actual de tensiones con uno admisible. El estado admisible representa el fin del comportamiento elástico lineal y la rotura. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 27 Capítulo..1 Se proponen criterios basados en los mecanismos de fallo característicos de los materiales compuestos. Atendiendo a la primera línea situada podemos mencionar y calificar como clásicos a los siguientes: - Teoría de la máxima tensión: Es equivalente al criterio de Rankine para el comienzo de la plastificación en materiales isótropos. - Teoría de la máxima deformación: Criterio equivalente al de SaintVenant para materiales isótropos. - Criterio de Tsai-Hill: Está basado en el criterio de plastificación de Hill para materiales anisótropos que a su vez es una extensión del criterio de Von-Mises para isótropos. Sin embargo, dado que no es posible en materiales ortótropos (y por supuesto en anisótropos) separar la dilatación de la distorsión, este criterio de Tsai-Hill no puede llamarse de la energía de distorsión. En el criterio de TsaiHill aparece la interacción entre las tensiones normales y las tangenciales. - Criterio de Tsai-Wu: La idea de este criterio es generalizar el criterio de Tsai-Hill a través de la introducción de términos que no aparecen en él. Siguiendo con la otra línea mencionada podemos destacar los criterios de Hashin, los cuales se pueden considerar como precursores de esta tendencia seguida por otros autores (Puck, Knops, Kroll). Hashin parte del criterio de que para predecir el fallo de un material compuesto se debe basar en los mecanismos de fallo del mismo. Partiendo de este criterio existen dos ideas, una primera más simple para un estado biaxial de tensiones, y una segunda más elaborada para un estado tridimensional de tensiones. Las hipótesis en las que se basan las propuestas originales son las siguientes: - Consideración separada de los distintos modos de fallo (fibra, matriz, tracción y compresión). Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 28 Capítulo..1 - En el modo de fallo de la matriz se consideran las componentes del vector tensión en el plano de fallo como responsables del mismo. - La interacción entre las distintas componentes que intervienen en un modo se supone cuadrática. Ambos criterios estiman dos mecanismos de fallo de una lámina de material compuesto: fallo de la fibra y fallo de la matriz. Esta propuesta está basada en la observación de la forma de rotura de una lámina unidireccional con un cierto ángulo de orientación de la fibra. El criterio de Puck y el de Hashin, plantea la consideración independiente de distintos modos de fallo, el fallo de la fibra (FF) y el fallo “entre fibras” (IFF) llamado fallo de la matriz. En cada uno de los modos se admite que la envolvente de fallo pueda estar compuesta de distintos tramos, que modelen los diferentes comportamientos resistentes ante tracción y compresión. En cuanto al fallo de la fibra se considera que este se producirá cuando se alcance en las fibras una tensión normal longitudinal igual a la que provoca el fallo bajo un estado de tensión uniaxial. Dado que el mecanismo de fallo de la fibra en compresión involucra fenómenos de inestabilidad local (micro-pandeo), Puck indica que la componente de tensiones debe tenerse en cuenta en la expresión del fallo en compresión de la fibra, ya que juega un papel en la inducción de este tipo de mecanismo. En cuanto al fallo de la matriz los materiales compuestos, muestran un comportamiento en rotura frágil, por lo que Puck propone seguir un planteamiento similar al criterio de Mohr que se emplea como criterio de fallo en materiales frágiles. La idea básica que sustenta el criterio reside en admitir que el fallo está provocado exclusivamente por las componentes de tensión asociadas al plano de fallo. En el caso en que la tensión normal al plano de fallo sea positiva, las tres Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 29 Capítulo..1 componentes de tensión contribuirían al fallo, por lo que el criterio debería expresar una interacción entre dichas componentes. Para el caso en que la tensión normal al plano de fallo sea negativa, se considera que dicha componente contribuye impidiendo el fallo a cortadura que propician las componentes tangenciales en el plano de fallo. A partir de conocer las propiedades de homogeneidad e isotropía de la lámina y de las propiedades de rigidez y resistencia de cada uno de los elementos que componen el material compuesto, se podrá diseñar una lámina de material compuesto (tipo de matriz, tipo de fibra, tanto por ciento de volumen de fibra a matriz) para que tenga ciertas propiedades mecánicas. En todos los casos que se mostrarán se supone que la fibra es homogénea, isótropa, de comportamiento elástico lineal, que se encuentra alineada con la dirección de refuerzo y que está igualmente espaciada en la matriz. Se realizará la equivalencia entre la lámina real y la lámina homogénea ortótropa, donde las tensiones y las deformaciones son macroscópicamente uniformes. En las características de rigidez se representa el volumen elemental, que se considera cargando en la dirección de refuerzo a partir del cual se han aplicado las tres ecuaciones básicas del sólido deformable: equilibrio, compatibilidad y ley de comportamiento. Para la determinación del módulo de elasticidad aparente en la dirección transversal se somete al elemento representativo de la lámina a una tensión donde se pone de manifiesto que las fibras colaboran en pequeña medida a la rigidez transversal que está más condicionada por la rigidez de la matriz. En este caso no se considera el efecto de los diferentes módulos de Poisson en la fibra y en la matriz lo que induce tensiones longitudinales en la interfase. Se determina el valor del coeficiente de Poisson y la tensión tangencial (para un desarrollo Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 30 Capítulo..1 completo ver “Introducción al Análisis y Diseño de Materiales Compuestos” por París, Cañas, Marín, 2006). El proceso de rotura de un material compuesto reforzado con fibra en una dirección ante cargas de tracción, se presenta en cuatro fases: Al aplicar la carga, la fibra y la matriz se deforman elásticamente al alcanzar un cierto nivel de carga, la matriz comienza a deformarse plásticamente mientras las fibras continúan haciéndolo elásticamente el nivel de carga provoca la deformación plástica de las fibras y se produce la rotura de las fibras lo que conlleva la rotura del material compuesto. Alguna de estas fases puede no producirse en función de las ductilidades de la fibra y de la matriz. Si la fibra es frágil la tercera fase no se produce, por lo cual la cuarta fase requeriría una alta ductilidad en la matriz en relación a la fibra. 1.4 Comportamiento mecánico de un laminado. Un laminado es un conjunto de dos o más láminas pegadas entre sí con orientaciones cualesquiera entre ellas, por lo que en general el laminado no tendrá direcciones principales de ortotropía. La Teoría General de Laminados consiste en encontrar la relación entre esfuerzos y deformaciones usando las hipótesis generales de placas delgadas (hipótesis de Kirchhoff). Las hipótesis de Kirchhoff establecen que una línea perpendicular a la superficie media, permanece perpendicular a la superficie media deformada, sin acortarse ni alargarse. Existen casos particulares de configuraciones de láminas con características como son: configuraciones de una sola capa, de capa isótropa, de capa ortótropa en ejes principales, de capa ortótropa en ejes no principales, de capa sencilla anisótropa, de configuraciones de varias capas simétricas, de varias capas isótropas, de varias capas Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 31 Capítulo..1 especialmente ortótropas, de varias capas generalmente ortótropas, varias capas anisótropas, de varias capas antisimétricas, de láminas cruzadas antisimétricas (Cross-ply) y de láminas anguladas antisimétricas. La resistencia de un laminado interviene en los problemas de análisis para conocer la máxima carga que puede soportar un laminado y diseño para establecer como debe ser un laminado para poder soportar una vez conocida la carga. En ambos casos la resistencia del laminado se establece a partir de las resistencias de las láminas que lo componen. El laminado no tiene características de resistencia en el mismo sentido que la lámina, sino que su resistencia, que dependerá de cada estado de carga, se va determinando viendo el comportamiento de cada lámina hasta que no quede ninguna resistiendo. El fallo de una lámina no implicar el fallo del laminado, ni el fallo global de la propia lámina. Normalmente la lámina puede seguir aportando algo de resistencia en algún sentido y de cualquier forma, el resto de las láminas pueden seguir resistiendo. La resistencia de un laminado se afecta debido a la resistencia de las láminas que lo componen de acuerdo a las rigideces de las láminas, al coeficiente de dilatación de las láminas, a la orientación de las láminas, al espesor de las láminas, a la secuencia de apilado de las láminas y a la temperatura de curado. Cuando una lámina falla (o parte de ella al menos) la redistribución de tensiones que ello conlleva, puede producir el agotamiento simultáneo de otras láminas (o parte de ellas). Existe una cierta degradación de la lámina donde se produce el fallo, lo que afectaría a las propiedades de rigidez y de resistencia de la lámina. Para definir el comportamiento entre los mecanismos luego de ocurrir el fallo se considera el fallo de la fibra y el fallo de la matriz, en los cuales se pueden englobar la mayor parte de los Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 32 Capítulo..1 mecanismos de fallo existentes en la lámina. El fallo de las fibras supone una merma casi total de la capacidad portante de la lámina en la dirección del refuerzo. El fallo de la matriz se aprecia en la aparición de grietas paralelas a la dirección de las fibras que atraviesan la matriz. Estas grietas pueden comenzar a formarse por despegues entre la fibra y la matriz. Cuando la interfase entre la fibra y la matriz es muy resistente estas fisuras pueden generarse previamente en la matriz. Se ve reflejado por ende la pérdida de rigidez que resulta progresiva con el aumento del número de grietas en la matriz. Para el análisis del comportamiento mecánico de un laminado después del fallo de la primera lámina se proponen distintos modelos que se clasifican como micromecánicos y macromecánicos. Los micromecánicos modelan el fallo de la matriz a través de la degradación de las propiedades de la misma, y a partir de éstas y de las propiedades inalteradas de la fibra se evalúan las propiedades de la lámina que ha sufrido el fallo. Los modelos macromecánicos las láminas que presentan fallos se modelan mediante láminas homogéneas equivalentes con propiedades mecánicas alteradas respecto a las originales con objeto de representar la degradación sufrida por la lámina. De los modelos de degradación total el más simple es el propuesto por Tsai, el cual sólo es aplicable sobre estados tensionales uniformes porque no contempla la degradación de las propiedades en la dirección de la fibra. Este modelo asume que cuando se alcanza el fallo del laminado todas las láminas se encuentran repletas de grietas paralelas a las fibras, en un estado que denomina como de saturación. Por tanto, para la determinación de la carga última de fallo este modelo propone analizar un laminado ficticio constituido por el conjunto de láminas totalmente degradadas (es decir en estado de Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 33 Capítulo..1 saturación). Cuando se analiza el laminado con propiedades degradadas, la carga correspondiente a la lámina que falle a menor nivel de carga se considerará como la carga de fallo última. Para la comprobación del fallo de las láminas se debe emplear un criterio de fallo. Si el estado tensional es variable se requiere modelar el fallo de la fibra en distintas áreas del laminado, dado que en este caso el fallo local de la fibra no tiene porqué conllevar el fallo total del laminado. El modelo de daño progresivo trata de reproducir cualitativamente la evolución del daño en el laminado a través de degradaciones parciales que modelan el fallo individual de las láminas y de un proceso de acumulación de este daño que es considerado a través del recuento del número de fallos de cada lámina. El proceso parte del análisis del laminado original para determinar el fallo de la primera lámina y en este punto se procede a la degradación parcial de las propiedades de la lámina que falló. El planteamiento del modelo de daño progresivo se puede también extender al tratamiento de configuraciones con tensiones no uniformes incluyendo la degradación de las propiedades en la dirección de las fibras. 1.5 Ensayos estáticos a materiales compuestos. Ensayos a tracción: Para este ensayo existe una gran variedad de probetas, por lo que se hará énfasis en las más significativas. a) Unidireccionales: Presentan el problema de la elevada resistencia a la tracción en el sentido longitudinal de las fibras (2000 MPa en algunos casos), frente a la resistencia en sentido transversal (60 MPa), por lo que se realizan probetas con poca sección y protegida con talones para evitar el efecto de las mordazas en la rotura transversal. En la Fig. 1.4 se muestra la probeta más representativa Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 34 Capítulo..1 a nivel de laboratorio con una mezcla única definida en la Norma AENOR B 38-153 y en el actual Proyecto de Norma ISO/DIS 9163. Fig. 1.4. Probetas AENOR e ISO para ensayos de tracción de laminados unidireccionales. Se asume que el vidrio es el único que participa en la rotura y entonces la tensión de rotura y el módulo tangente en el origen se obtienen de las fórmulas: Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 35 Capítulo..1 b) Bidireccionales o multidireccionales (mats y tejidos): En esta no se presenta tan pronunciadamente el problema de la resistencia longitudinal frente a la resistencia transversal. En la Fig.1.5 se presentan las probetas definidas en la norma UNE 34.280-79 con equivalencia en EN61 (Norma europea). Fig.1.5. Probetas UNE 34.280-79 para ensayo de tracción de mats y tejidos. En la norma se aconseja el uso de extensómetro para trazar la curva fuerza-deformación y no se permite medir esta deformación por el Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 36 Capítulo..1 deslizamiento de las mordazas. Los intervalos que se marcan en las curvas de fuerza-deformación son usados para obtener la tensión a rotura y el módulo elástico. Mediante las fórmulas que a continuación se muestran se obtiene los resultados de tensión a rotura (σ) y módulo de elasticidad tangente inicial (ET): Ensayo a compresión: Este tipo de ensayo no se encuentra muy difundido en el campo de materiales compuestos debido a que estos se encontrarán trabajando a flexión o a tracción. El inconveniente de este ensayo es el diseño del aparato auxiliar ya que se deben evitar los efectos derivados del pandeo de la probeta (se debe recordar el relativo bajo módulo de los materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio). Si este inconveniente no se evita hace que las características del material a compresión sean menores que a tracción. Se plantea que no hay razón física para que se produzca este efecto y que por tanto la resistencia a tracción debe ser idéntica a la de compresión. Ensayo a flexión: Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 37 Capítulo..1 Se distingue la flexión de 3 o 4 puntos, en este caso solo se hace referencia a 3 puntos por ser el objeto de la Norma UNE 53-288-80. Las probetas son rectangulares cuya longitud mínima (l) es igual a 20h donde (h) es el espesor. El ancho (b) está en función del espesor como se indica a continuación: Fig.1.6 Ensayo a flexión 3 puntos. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 38 Capítulo..1 1.6 Métodos de fabricación de productos de materiales compuestos con fibra de vidrio como materia prima principal. Se presenta una síntesis de los métodos más conocidos y utilizados en la actualidad, a partir de conocer las fases de moldeo del material y a partir de esto elegir el método más conveniente según la tecnología y la mano de obra con que se cuente. Estas fases son: impregnación del refuerzo por la resina exento de inclusiones de aire, adaptación de dicho material compuesto a las formas y dimensiones deseadas con la ayuda de un molde y endurecimiento del material y desmolde de la pieza final. Moldeo por contacto a mano (Hand Lay-up): Este método puesto que no requiere tecnología avanzada ni mano de obra especializada es utilizado por la empresa cubana ASTISUR, que se dedica a la elaboración de productos de plástico reforzado con fibra de vidrio. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 39 Capítulo..1 Esta técnica fue la primera utilizada en los laminados de plásticos reforzados con fibra de vidrio y es aún muy difundida. Es conocida como moldeo por contacto a mano debido a la poca presión que necesita. Se basa fundamentalmente en la preparación el molde donde se aplica un agente desmoldante, luego se agrega una capa de Gel-Coat, después se coloca la capa de refuerzo (en este caso fibra de vidrio), se prepara la capa de resina termoestable, se impregna la resina y la fibra con la ayuda de un rodillo o brocha, se endurece sin ayuda de calor, se desmolda y por último se realiza el control de la calidad. Sus principales ventajas son: Se pueden producir elementos de geometría compleja. No existen complicaciones en la elaboración. No requiere mano de obra excesivamente especializada. La inversión de equipos es mínima. Se pueden insertar elementos con facilidad. No es necesario un horno para el curado. Como en el resto de los métodos existen sus inconvenientes. En este caso la producción lenta, tiene mayor necesidad de mano de obra, el acabado fino solo se logra por una de las caras, la calidad final está sometida a la especialización y a la sensibilidad del operario. Proyección simultánea: Se basa en la preparación de un molde donde se aplica un agente desmoldante que suele ser cera o barnices a base de alcoholes polivínilicos, luego se agrega una capa de Gel-Coat que sea resistente a la intemperie o a agentes agresivos. La resina puede ser mezclada con el catalizador antes de ser proyectada en el molde o proyectada por separado y mezclada en el molde como en el caso de moldeo a mano. Luego se dejar secar y se desmolda. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 40 Capítulo..1 Las ventajas son Uso de un refuerzo de menor costo (roving). Gran versatilidad y variedad de formas. Rapidez en el depósito de la matriz y de la fibra. Bajo costo de herramientas. Posibilidad de automatizar el paso del rodillo. Desventajas El espesor del laminado y su homogeneidad depende en gran medida de la habilidad del laminador. Tiene gran desprendimiento de estireno debido a las micro burbujas que se forman. Los laminados suelen ser ricos en resinas y para conseguir resinas con baja viscosidad es necesario emplear altos niveles de diluyentes (estireno) lo cual empeora las propiedades mecánicas y térmicas. Inyección de termoestables (RTM (Resin Transfer Molding)): Consiste en un molde cerrado donde los refuerzos se colocan en el interior del molde antes de cerrarlo y trabarlo firmemente. Se utilizan resinas de poliéster, epoxi, fenólicas y acrílicas, las cuales son introducidas por uno o varios orificios hasta llenar la cavidad del molde. Con el uso de este método se pueden obtener superficies lisas por ambos lados, y más rápidamente que por el método de moldeado a mano. Proceso de vacío: Este combina técnicas de inyección de resina a baja presión con técnicas de vacío. El cierre del molde es llevado a cabo por un circuito periférico con alto nivel de vacío. El flujo de resina se obtiene con la inyección a baja presión o aplicando la resina manualmente dentro del molde, antes que éste se cierre. Cuando el cierre ocurre, se crea el vacío dentro de la cavidad del molde. Las resinas aplicadas más Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 41 Capítulo..1 comúnmente son los poliéster con baja viscosidad que pueden ser combinados con cargas minerales (Ramón 2005). Método de prensado en frío: Para el prensado en frío se utilizan resinas de elevada reactividad y acelerantes químicos. Se dispone de moldes de resina de poliéster, epoxi o acero. La resina y el refuerzo se introducen en el molde abierto y se procede a cerrar inmediatamente el molde. A medida que la reacción vaya avanzando, la temperatura aumenta (40-70oC) con el calentamiento del molde. Este aumento de la temperatura del molde produce una aceleración de las siguientes piezas. Por este método se pueden fabricar de 4-8 piezas por molde. Método de prensado en caliente: Este método exige de moldes de acero que puedan soportar hasta 150oC y prensas hidráulicas. El calentamiento tiene lugar por vapor o mediante aceite. Es importante obtener una temperatura uniforme en todo el molde con variaciones no superiores a +/- 5oC. La superficie del molde debe estar cromada o como mínima pulida. Se debe poner especial cuidado en los bordes del molde para que puedan recoger el exceso que pueda sobre añadir de resina, así como la fibra de vidrio que pueda colgar fuera. Centrifugado: Permite obtener cuerpos cilíndricos mediante la fuerza centrífuga. Los refuerzos aplicados y la resina son introducidos en un molde de metal rotativo y cilíndrico. La resina impregna el refuerzo bajo el efecto de la fuerza centrífuga y forma, después de la polimerización, una estructura cilíndrica. Tras introducir los materiales en el molde, la velocidad de rotación aumenta hasta alcanzar la velocidad de moldeado adecuada. Ésta depende de varios factores: la cantidad y la Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 42 Capítulo..1 naturaleza del refuerzo, el espesor y el diámetro de la pieza y la viscosidad de la resina (Ramón 2005). Bobinados de filamentos (Filament winding): Con una máquina de enrollamiento de hilos se enrollan los hilos en un mandril movido, siempre en rotación, para ser polimerizado en un horno (o con luces infrarrojas). Una vez curado, y con la polimerización de la resina termoestable completa, el mandril es removido (Ramón 2005). Ventajas: Automatizable, rápido, contenido en resina controlable, se elimina la elaboración de preforma de fibras y tiene buenas propiedades mecánicas. Desventajas: Limitado a formas convexas, problemas para controlar algunas geometrías del refuerzo, coste del mandril, cara externa pobre estéticamente y generalmente se necesitan resinas de baja viscosidad (peores propiedades mecánicas y problemas de seguridad laboral). Se aplican fundamentalmente en tanques y tuberías para productos químicos y en depósitos. Pultrusión: El proceso cuenta con partes como preparación e incorporación de las fibras de vidrio, zona de impregnación de la resina, preformación, molde, mecanismo de tiraje y corte de perfiles. Las fibras de refuerzo se deben dirigir desde la fileta hacia la zona de impregnación y atravesar una estación de preformación donde se moldean debidamente para las fases sucesivas. Las fibras pasan por un baño que contiene la matriz polimérica y así quedan todas impregnadas, luego estas se colocan en el molde y se le suministra calor para facilitar el endurecimiento. Luego el perfil obtenido se corta a la longitud deseada mediante un sistema de corte automatizado. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 43 Capítulo..1 Este proceso es el más adecuado para una producción en continuo, sin limitaciones de longitud, permite la realización de vigas, de cualquier tipo de perfiles, de conductos de cables eléctricos, de escaleras fijas y móviles. Además, es un proceso altamente automatizado, por lo que no es necesaria gran cantidad de mano de obra en comparación con los demás procesos. Ventajas: Muy rápido (proceso continuo), control preciso de la cantidad de resina, se elimina la elaboración de preforma de fibras, productos de elevada resistencia y zona de impregnación cerrada y se limitan las emisiones de productos volátiles. Desventajas: Limitado a componentes de sección transversal constante y los costes de calentamiento de las matrices pueden ser elevados. 1.7 Proceso de fabricación de productos reforzados con fibra de vidrio por el método de contacto a mano y utensilios necesarios. A continuación se muestran una serie de pasos donde queda evidenciado el proceso de fabricación de elementos reforzados con fibra de vidrio por el método de contacto a mano, desde la obtención del molde requerido hasta el control de la calidad del mismo: 1. Crear un molde lo más perfecto y pulido posible. 2. Aplicar a la pieza del molde cera desmoldante, por lo menos cinco veces, de manera que quede perfectamente encerada y todos los poros sellados. 3. Aplicar a la pieza la película separadora, mojando parte de la esponja y esparciéndola uniformemente por todo el molde. Para piezas nuevas es aconsejable por lo menos dos capas de película y la segunda capa se aplica cuando la primera esté totalmente seca. Esto es de suma importancia para que el molde no se pegue. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 44 Capítulo..1 4. Aplicar el gelcoat, que para su endurecimiento se debe catalizar, con peróxido de metil-etil-cetona aplicado al 2% de la cantidad de gelcoat. La operación de mezclar el catalizador tanto con el gelcoat así como con la resina, debe ser realizada rápidamente y con mucho cuidado, pues de lo contrario se endurece de forma dispareja, lo que ocasiona que el gelcoat se corte y se pegue al molde. 5. Preparar la fibra de vidrio que debe cortarse en pedazos, para poderla moldear en los contornos del original. En muchos casos cuando la pieza presenta esquinas muy pronunciadas o en piezas pequeñas, se puede abrir la fibra para que quede de menos espesor, lo que ayuda a que se acomode en la forma complicada. 6. Preparar la resina (no en grandes cantidades pues puede tardar la aplicación con lo que se catalizará la misma antes de terminar). La proporción de catalizado es también de 2% en promedio. Es aconsejable para piezas de medianas a grandes, no preparar más de 1 Kg de resina, que es equivalente a 1 litro. Cuando se termina este se prepara otro litro y así sucesivamente hasta que se concluya la aplicación de todas las capas de fibra y resina. 7. Impregnar una ligera capa de resina sobre el gelcoat (esto es importante). La fibra no se debe poner directamente sobre el gelcoat porque provoca burbujas y la fibra no queda encapsulada en resina. 8. Colocar la fibra de vidrio sobre esta capa de resina de forma que se moje completamente la fibra y cambie de color, lo que indica que está sumergida en la resina. Se debe sacar las burbujas de aire hacia los extremos, para que de esta forma quede completamente adherida al gelcoat y entre una capa de resina (esto es lo que marca la diferencia entre un trabajo fino y uno Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 45 Capítulo..1 burdo). Las esquinas se deben hacer con mayor precaución, pues es donde más se presentan las burbujas de aire. 9. Generar calor y con este la resina va curando o catalizando a mayor cantidad de catalizador hay más reacción química y por lo tanto se genera mucho más calor en la pieza, lo cual si es excesivo esta puede provocar deformación y daño. Por esa razón hay que cuidar mucho las proporciones de catalizador y acelerador. 10. Desmoldar la pieza, teniendo sumo cuidado para no dañarla. Con la punta del desarmador se va despegando poco a poca hasta quedar completamente desprendida la pieza. Si la pieza no desmolda con esa operación, se puede escurrir agua entre las uniones para ayudar a que la película separadora despegue y el vacío que puede provocar el molde o pieza misma deje de hacer succión entre las partes. Otra opción es dar unos pequeños golpes con el martillo de goma a la superficie del molde para que la pieza despegue. 11. Lavar con agua el molde y la pieza para quitar la película separadora que se queda adherida en la superficie. 12. Recortar los sobrantes o excesos de fibra en las terminaciones de los moldes o piezas. Para cortar los sobrantes de las fibras lo más común es una cuchilla, en el momento exacto en que la resina se encuentra gelada y a punto de endurecer. 13. Realizar el control de la calidad, donde se evalúa el trabajo realizado. Los materiales e instrumentos necesarios para la realización del proceso descrito anteriormente se numeran y describen a continuación: (Araya, 2009) 1. Cera desmoldante: Neutra o especial para desmoldar piezas de fibra de vidrio. 2. Película separadora, alcohol polivinílico y esponja para la aplicación de la película. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 46 Capítulo..1 3. Gelcoat o plastiesmalte: Su tipo depende de si se va a utilizar para molde o pieza. El tipo tooling para molde es mucho más resistente a los golpes y al calor, situación de vital importancia para la duración del molde. El gelcoat se puede adquirir en varios colores, aunque los más comunes para moldes son el color negro y el anaranjado. El gelcoat para piezas, se le conoce como ortofálico. 4. Resina de poliéster: Esta se puede preparar o adquirir preparada o preacelerada. Esta última forma es la más aconsejable si no se tiene experiencia en el manejo de los materiales que la componen, ya que existe el riesgo de reacción de explosión al mezclar componentes como el acelerador (cobalto) y el catalizador (peróxido de metil-etil-cetona). 5. Catalizador: peróxido de metil-etil-cetona, aplicado al 2% (sustancia altamente reactiva e inflamable). 6. Fibra de vidrio: Esta dependerá del tipo de trabajo y de las capas que se vayan a aplicar. En ambos casos su espesor y peso se encuentran clasificados por onzas. 7. Brochas y/o rodillos de aplicación según sea el caso. 8. Cubetas o recipientes plásticos para la preparación de la resina. 9. Thinner y estopa. 10. Cuchilla y tijeras para cortar la fibra de vidrio 11. Mascarilla. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 47 Capítulo..1 1.8 Conclusiones del capítulo. La mayoría de los materiales usados en la ingeniería son combinaciones de dos o más fases y la resistencia y la dureza de los plásticos en este caso se consigue combinando fases de gran resistencia con fases dúctiles y tenaces. Estos pueden fabricarse mezclando los distintos materiales de tal forma que alcancen propiedades óptimas. Los materiales compuestos posibilitan la introducción de rigideces y de resistencia donde realmente se requiera en el producto. La combinación y compensación de dureza y blandura, fragilidad y tenacidad en los compuestos hace que estos materiales tengan muchas aplicaciones y respondan a variadas exigencias constructivas. La fase matriz del composite suele ser la más tenaz, aunque la menos resistente y dura. La fase reforzante (fibras) suele ser la de mayor resistencia y con más alto módulo de elasticidad. Para evaluar las propiedades de los materiales compuestos se le realizan ensayos a tracción, compresión y flexión, con sus correspondientes tipos de probetas. El método de fabricación de este tipo de productos utilizado en nuestro país es moldeo por contacto a mano debido a la poca presión que necesita. Esta fue la primera técnica utilizada en laminados de plásticos reforzados con fibra de vidrio y aún muy difundida. Con el uso de estos se han reemplazado los materiales tradicionales, sobre todo los metales, de aquí el rápido crecimiento en su aplicación. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 48 Capítulo..2 “Procedimiento para la caracterización mecánica de los materiales compuestos de plástico reforzado con fibra de vidrio mediante ensayos reales.” 2 Introducción 2.1 Determinación de la Resistencia a Tracción y Flexión de la Fibra de Vidrio. 2.1.1 Objeto y campo de aplicación. 2.1.2 Normas de consulta. 2.1.3 Definiciones. 2.1.4 Fundamento. 2.1.5 Material y probetas. 2.1.6 Equipos de ensayo. 2.1.7 Procedimiento experimental. 2.1.8 Expresión de los resultados. 2.1.9 Análisis de los resultados. 2.2 Conclusiones del capítulo. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 48 Capítulo..2 Capítulo 2: Procedimiento para la caracterización mecánica de los materiales compuestos de plástico reforzado con fibra de vidrio mediante ensayos reales. 2. Introducción. Las características finales de los materiales compuestos varían en función del proceso adoptado para su elaboración y de las múltiples combinaciones, tanto en tipo como en proporciones, de los materiales usados para su constitución (matrices y refuerzos) (Hull, 1996). Las dos características más conocidas de los materiales compuestos (MC) son la ligereza y la gran resistencia a la corrosión, y por tanto, son los dos campos en los que actualmente tienen más aplicaciones. También poseen otra serie de características que deben ser estudiadas y tenidas en cuenta, como la resistencia a la tracción y a la flexión. Para la elección concreta de los materiales a estudiar como matriz y refuerzo, se tuvo en cuenta la información recopilada así como el estudio teórico de estos materiales y se ha confrontado la teoría con la práctica mediante la experiencia adquirida por las empresas fabricantes de elementos conformados con Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio (PRFV) consultadas. Basado en lo planteado anteriormente se escogió para el análisis del material la combinación matriz poliéster, que es la más empleada en la conformación de la parte resistente del laminado, reforzado con fibra de vidrio E (Borosolicato) que es el tipo de vidrio comúnmente empleado en la fabricación de PRFV y sus principales formas de uso como refuerzo son “woven roving” o tejido en dos direcciones, que Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 49 Capítulo..2 pueden ser equilibrados o no y “mat” de hilos cortados o continuos, las cuales tendrán una atención primordial. 2.1 Determinación de la resistencia a la tracción y a la flexión de la fibra de vidrio. 2.1.1Objeto y campo de aplicación. Se establece esta metodología para la determinación de la resistencia a la tracción y flexión de los diferentes tipos de tejidos de la fibra de vidrio reforzada con resina poliéster. 2.1.2 Normas de consulta. ANSI/AWS B4.0 Standard Methods for mechanical testing of welds. AWS B 2.1:2000 An American National Standard. UNE 34.280-79 Con equivalencia en EN 61(Norma europea). UNE 53-288-80 (EN 63). NF T 57-103 (74) Norma francesa. ISO 4603. 2.1.3 Definiciones. Tracción: Esfuerzo a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto y tienden a estirarlo. Resistencia a la tracción: Valor de tensión al cual ocurre el agotamiento del elemento estando sometido a esfuerzos de tracción y se determina mediante el cociente entre la carga máxima que ha provocado el fallo elástico del material por tracción y la superficie de la sección transversal inicial del mismo. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 50 Capítulo..2 Flexión: Cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerza perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a los inmediatos. Resistencia a la flexión: Esfuerzo máximo de la fibra desarrollado en una probeta justo antes de que se agriete o se rompa en un ensayo de flexión. Es la relación del esfuerzo máximo con la sección donde actúa. 2.1.4 Fundamento. Determinación del módulo de elasticidad y la resistencia a tracción de los diferentes tipos de tejidos, donde cada probeta que constituye la muestra de ensayo se somete a una extensión progresiva hasta producir la rotura. Determinar el módulo de elasticidad y la resistencia a flexión. La probeta se comporta como una viga simplemente apoyada, con la carga concentrada en un punto medio. 2.1.5 Material y probetas. Descripción del material utilizado: Existen diferentes tipos de refuerzos de fibra de vidrio. Las formas comerciales más conocidas y frecuentemente utilizadas por los fabricantes de PRFV son el roving tejido (Woven Roving) que consiste en mechas de fibras de vidrio continuas de un ancho variable (entre 3.2 mm y 6.4 mm) tejidos sin torcer a 90º en igual número, por lo que no constituye una tela. El otro más conocido es el mat que está constituido por fibras de vidrio que pueden ser continuas o cortadas en pequeñas longitudes (alrededor de 5 cm) y depositadas al azar para formar paños. Estas fibras cortadas se mantienen unidas formando una capa debido a un apresto de resina de alta solubilidad, compatible con la resina de Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 51 Capítulo..2 moldeo. Para ambos tipos de tejidos se obtienen diferentes gramaturas. (Frías, Rodríguez,1978) Por otra parte, las resinas poliéster pertenecen al grupo de resinas sintéticas termoestables cuya característica principal es poder curar o endurecer cuando son catalizadas a temperatura ambiente y bajo muy poca o ninguna presión. (Elementos para el PRFV) Se utilizó como material de ensayo un composite de resina poliéster ortoftálica no acelerada reforzado con fibra de vidrio E en forma de tejido mats (100 gr/m2, 300 gr/m2, 450 gr/m2) y roving (800 gr/m2) (Ver Fig.2.1, 2.2, 2.3, 2.4). Este material fue suministrado por “Comargo” en forma de rollos de 45 Kg aproximadamente y dimensiones 1.250x300 m. La fracción volumétrica de fibra de vidrio es del 60%. (Ver Fig. 2.5 y 2.6) Fig.2.1 Fibra Mat 100 gr/m2 Fig. 2.2 Fibra Mat 300 gr/m2 Fig.2.3 Fibra Mat 450 gr/m2 Fig. 2.4 Fibra Roving 800 gr/m2 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 52 Capítulo..2 Fig. 2.5 Rollos comerciales de los diferentes tipos de tejidos Fig. 2.6 Rollo comercial de tejido roving 800 gr/m2 Diseño de experimento (cantidad de muestras): La teoría de la estimación estadística y la teoría de muestreo se encargan del estudio de las relaciones entre las poblaciones y las muestras, de la estimación de propiedades de la población a partir de las muestras, de la determinación de las diferencias entre dos muestras mediante el planteamiento de hipótesis y de las llamadas test o pruebas de significación. Variables que describen el diseño: n- Número de muestras. d- Precisión. β- Nivel de confiabilidad. - Nivel de significación. σ2 - Varianza. z- Nivel de probabilidad. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 53 Capítulo..2 Datos: d= 0.5 MPa β= 95% β=1- = 0.05 σ= 0.5~1.0 = 0.62 z / 2 = z0.025 = 1.96 Fórmula: n= 2 z2 / 2 d2 0.62 2 1.96 2 0.5 2 n= 5.90 ≈ 6 muestras En este caso no se conocía σ que es el caso más frecuente en la práctica. Por lo tanto se toma una pequeña muestra piloto, con ella se estima σ2 y este valor se evalúa en la fórmula, sustituyendo σ por su estimación. El valor de n obtenido será aproximadamente el valor necesario. Si se continúa iterando se llega a cumplir con las restricciones prefijadas. Diseño y elaboración de probetas (forma y dimensiones): Para la determinación de la forma y las dimensiones de la probeta a utilizar se analizaron dos aspectos fundamentales, las condiciones a cumplir para la utilización de la prensa universal y las condiciones que requieren los tipos de ensayos a realizar a los plásticos reforzados con Fibra de Vidrio. Condición del equipo: ≤3/8 in 1~1/2 in 6 in (mín.) Fig.2.7 Forma y dimensiones de la probeta según condiciones in mm 1 /16 1.6 1 /8 3.2 3 /8 9.5 1~1/2 38 6 152 del equipo. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 54 Capítulo..2 Condición del ensayo a flexión: l= 20h L= 16h 1< h ≤ 10 mm → b= 15 ± 0.5 mm Donde: l → Longitud máxima L → Longitud entre apoyos. h → Espesor. b → Ancho. h in 1 /16 b l L mm mm mm mm 1.6 15 ± 0.5 32 25.6 1 /8 3.2 15 ± 0.5 64 51.2 3 /8 9.5 15 ± 0.5 190 152 1 /2 12.7 30 ± 0.5 254 203.2 Siguiendo las condiciones anteriores tomamos la probeta de longitud 190 mm, ancho 15 mm y espesor ≤ 9.5 mm para desarrollar el trabajo. ≤9.5mm 15mm 190mm Fig. 2.8 Forma y dimensiones de la probeta a utilizar en los ensayos. Las probetas deben contener la cantidad de material mínima necesaria que represente las características del material que se ha de examinar. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 55 Capítulo..2 Las probetas se elaboraron por el método de moldeo a mano, según (Frías, Rodríguez, 1978) las propiedades mecánicas en este tipo de moldeo no son elevadas debido al poco contenido de vidrio por volumen de plástico reforzado con fibra de vidrio, por la gran cantidad de burbujas de aire, la impregnación irregular del refuerzo por la resina y la falta de uniformidad en el contenido de componentes del plástico reforzado en algunos lugares. Para nuestros laminados se tuvo en cuenta eliminar las burbujas de aire, mejorar la uniformidad del plástico reforzado y aumentar el contenido de fibras de vidrio, para asegurar la mejora de sus propiedades. Primeramente se procedió a la preparación de la fibra de vidrio para la producción, que no es más que el corte de la misma extendiéndola sobre una mesa y cortándola con sus dimensiones y formas requeridas por medio de una cuchilla y con la ayuda de plantillas, cinta métrica y creyones de marcar. La fibra de vidrio se pesa antes de ser entregada al obrero y sobre la base del peso de la fibra de vidrio entregada se entrega la cantidad de resina requerida para el trabajo. Se limpia cuidadosamente la superficie del molde aplicando agua jabonosa hasta que la misma esté completamente limpia de cualquier tipo de suciedad. Luego se seca y se procede a aplicar el agente separador que en nuestro caso es cera con la función de facilitar la separación del elemento laminado del molde. Luego se procedió al laminado, se aplicaron capas sucesivas de refuerzo de fibra de vidrio impregnadas en resina líquida con la ayuda de los rodillos metálicos, evitándose zonas con cantidades excesivas de resinas, zonas de carencia de esta y las burbujas de aire. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 56 Capítulo..2 Se elaboraron cinco planchas de plástico reforzado con fibra de vidrio de dimensiones 360 x 9.5 mm y espesor 9.5mm, cada una de un tejido diferente y con cantidad de capas según el espesor de las fibras. (Ver Fig. 2.9) Fig. 2.9 Elaboración de las planchas de plástico reforzado con fibra de vidrio. El corte de las probetas y los cambios superficiales que se pueden derivar son determinantes para la alteración de la microestructura y tendrían consecuencias fatales en los resultados de los ensayos. (García, Viña, 2004) El corte de los sobrantes de cada laminado y el marcado y corte de cada probeta se realizó con un disco de corte (Ver Fig. 2.10). De esta forma se obtuvo cada probeta con sus debidas dimensiones y con la calidad requerida. (Ver Fig. 2.11) Fig.2.10 Disco de corte utilizado. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 57 Capítulo..2 Se debe tener mucho cuidado con la manipulación de las probetas para evitar cambios microestructurales del material. a) Probetas tejido Mat 100 gr/m2 b) Probetas tejido Mat 300gr/m2 c) Probetas tejido Mat 450 gr/m2 d) Probetas tejido Roving 800 gr/m2 e) Probetas tejido Combinado de Mat 300 gr/m2 con Roving 800 gr/m2 Fig. 2.11 Probetas según el tipo de tejido Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 58 Capítulo..2 Las características mecánicas de los plásticos reforzados con fibra de vidrio dependen fundamentalmente de la interacción de la resina y la fibra de vidrio, del tipo de refuerzo que se utilice y de la calidad del tipo de moldeo utilizado, (Frías, Rodríguez, 1978) por ello se realizó anteriormente una descripción detallada del proceso. Características de las probetas. En la Tabla 2.1 se muestran las principales características de las probetas a ensayar. Tabla 2.1 Características de las probetas. Tipo de Tipo de Cantidad Espesor Espesor de % Moldeo tejido de capas de la fibra la probeta de (mm) (mm) fibra (gr/m2) Mat 100 11 0.19 3.53 Mat 300 12 0.37 8.83 Contacto Mat 450 8 0.8 8.46 manual Roving 800 6 0.65 6.36 Combinado 7 - 6.21 60 Para mayor información sobre las dimensiones correspondientes de cada probeta según el tipo de ensayo y de tejido dirigirse al Anexo 1. 2.1.6 Equipos de ensayo. Pie de rey: Para la medición de la longitud y el ancho, las probetas se colocarán suavemente en los extremos del pie de rey y no se ejercerá una presión excesiva sobre ellas. El pie de rey formará un ángulo aproximado de 45° con el plano de probeta (Fig. 2.12). La medida de la longitud y del ancho se aproximará a la cifra más cercana a 0.1 mm. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 59 Capítulo..2 Fig. 2.12 Pie de rey y su inclinación con respecto al plano de la probeta. Prensa CONTROLS: Prensa producida en Alemania, utilizada para someter materiales a ensayos de compresión, que ejerce fuerzas de este tipo para lograr medir sus propiedades. La presión se logra mediante discos o placas accionadas a un sistema hidráulico. Después de que se realizan las pruebas se construyen gráficas de esfuerzo contra deformación. Se utilizó para los ensayos a flexión acoplándole los aditamentos normados para estos fines. (Ver Fig.2.13 ) Fig. 2.13 Prensa CONTROLS Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 60 Capítulo..2 Máquina universal electro-hidráulica CRITM: Nuevo tipo de máquina electro-hidráulica producida en China que integra ensayos mecánicos usados para obtener las propiedades físico-mecánicas de los materiales. Es una máquina excelente, multifuncional y de gran precisión ±1% con medidas exactas y con control de los parámetros de ensayo de tracción y de compresión. Esta máquina brinda la posibilidad de definir, entre una amplia gama de propiedades, las variables de salida requeridas en el ensayo y puede ser usada para materiales metálicos y no metálicos. Los resultados de los ensayos son procesados en la computadora adjunta y se obtienen las curvas de Fuerza-Deformación y Fuerza-Tiempo. Fue utilizada para la realización de los ensayos a tracción obteniéndose excelentes resultados.(Ver Fig. 2.14) Fig. 2.14 Máquina universal Electro-hidráulica CRITM. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 61 Capítulo..2 2.1.7 Procedimiento experimental. En estos momentos el país no cuenta con ningún método estandarizado que defina con exactitud el equipo a utilizar y la forma de desarrollar los ensayos. A continuación se exponen las variantes desarrolladas en cuanto al procedimiento experimental para la evaluación del material. Ensayo a flexión: La configuración experimental recomendada para el ensayo a flexión consiste en una probeta plana y alargada en forma rectangular (como la diseñada y mostrada anteriormente ver Fig. 2.11), la cual se coloca simplemente apoyada en sus extremos y es inducida a deformarse en el centro de la luz. El resultado de la prueba consiste en un diagrama de carga-desplazamiento que correlaciona la fuerza vertical aplicada y la flecha en el punto central de la probeta. Primeramente se realizaron mediciones del largo, espesor y ancho en los extremos y en el centro de la luz de cada una de las muestras a ensayar, utilizando para esta actividad un pie de rey digital debidamente calibrado. Para la realización del ensayo se utilizó un aditamento con las características del ensayo a flexión que fue acoplado a una prensa de compresión CONTROLS con una capacidad de carga de 10t. (Ver Fig. 2.15). El aditamento utilizado está diseñado para su uso con probetas principalmente de hormigón, por este motivo fue necesario tomar las probetas con la mitad de su dimensión original para que pudieran obtenerse valores leíbles de deformación. A este equipo se le pueden definir los parámetros que definen el ensayo como el valor de la velocidad de aplicación de la carga que fue de 0.100 MPa, y el pico de sensibilidad, en este caso con un valor de 10. La prensa Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 62 Capítulo..2 comienza a aplicar incrementos de cargas hasta alcanzar la rotura del elemento y marca entonces el valor de la fuerza aplicada en la rotura. Esta prensa con la que contamos no permite medir electrónicamente la deformación, solo muestra el gráfico de fuerza-tiempo. Para obtener este valor fue necesario acoplar un defómetro correctamente calibrado y tomar lecturas del mismo cada 10 segundos una vez comenzado el ensayo y hasta el valor de rotura. Para obtener la curva Fuerza-deformación solo es necesario sustituir los valores tiempo por el correspondiente de deformación cada 10 segundos. Luego de sacar las probetas de la máquina fueron revisadas detenidamente para analizar la gravedad del daño que se produjo al alcanzar la rotura. Fig. 2.15 Aditamento de flexión acoplado a la prensa CONTROLS. Ensayo a tracción: Para el desarrollo experimental la probeta a utilizar debe ser rectangular, alargada y de pequeño espesor, por lo cual trabajamos con el mismo tipo de probeta utilizada para flexión debido a que fue diseñada teniendo en cuenta las condiciones tanto para un ensayo como para el otro. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 63 Capítulo..2 Antes de comenzar el ensayo se realizó la medición de las probetas con la misma calidad que fue descrito en el ensayo a flexión. Para la realización del ensayo se utilizó la máquina universal electrohidráulica CRITM, la cual tiene una capacidad de carga de 10 t y cuenta con mordazas que permiten sujetar fuertemente la probeta por sus extremos y se dejó un espacio libre en el centro de la sección de 60 mm (Ver Fig. 2.16). Fig. 2.16 Probeta colocada en la prensa ajustada mediante las mordazas. Una vez colocada correctamente la muestra utilizando los botones manuales con que cuenta la máquina para accionar, se abre el software y se le introduce el valor de velocidad de aplicación de la carga (en este caso de 3 mm/min), las dimensiones particulares de cada probeta y se seleccionan los valores de salida que se desean obtener al finalizar la prueba. Luego con todos los parámetros listos damos comenzar prueba. A partir de este momento se comienza a aplicar carga en una determinada medida de tiempo hasta que la probeta llega a la rotura, inmediatamente el programa deja de aplicar carga y muestra los Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 64 Capítulo..2 resultados tales como gráficas de fuerza-tiempo, fuerza-deformación y los valores de fuerza y presión máxima y de rotura. A la máquina es posible instalarle un extensómetro para medir módulo de deformación pero por razones económicas, pues es una pieza desechable y muy cara, no fue posible colocar este aditamento y se tomó como solución tomar como lectura de la deformación el desplazamiento de la mordaza lo cual es registrado digitalmente por la máquina y permite realizar la gráfica fuerza-deformación del elemento. Una vez obtenida la curva es posible el cálculo de la resistencia y el módulo de deformación a tracción del material y con estos resultados quedarían cumplidos los objetivos del ensayo. 2.1.8 Expresión de los resultados. Esfuerzo de flexión: Los resultados del esfuerzo a la flexión se pueden obtener mediante la siguiente fórmula: eF 3FL (MPa) 2bh 2 Donde: F= Fuerza a rotura aplicada(N) L= Longitud entre apoyos (mm) b= Ancho de la probeta (mm) h= Espesor de la probeta (mm) Sin embargo en nuestro caso la máquina con la cual se trabajó nos mostró estos valores una vez introducida el área de la probeta. Para un lote de probetas del mismo tipo de tejido de fibra de vidrio se calculará mediante la media aritmética de los resultados de cada probeta. Se expresará en N/mm2 (MPa) y con tres cifras Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 65 significativas. Capítulo..2 Módulo de elasticidad en flexión: Este se obtiene tomando la pendiente de la parte recta inicial de la curva de tensión-deformación y definiendo la relación lineal esfuerzodeformación descrita en la ecuación de la ley de comportamiento elástica lineal σi = Cij εj. De esta forma queda definido el módulo de deformación. Este se expresará en N/mm2 (MPa) y con dos cifras significativas. Para el cálculo de los resultados de cada lote de probetas se procederá de igual manera. Tensión de rotura a la tracción: Se obtiene de la siguiente fórmula: F (MPa) bh Donde: F= Fuerza a tracción máxima(N) b= Anchura media inicial de la probeta (mm) h= Espesor medio inicial de la probeta (mm) Los resultados obtenidos de la fórmula anterior se verificaron con los mostrados por la maquina de ensayo, con excelentes resultados. Se expresada en N/mm2 (MPa) y con tres cifras significativas. Módulo de elasticidad a tracción: Se obtuvo de la misma manera que la descrita para el ensayo de flexión. Se expresa en N/mm2 (MPa) y con tres cifras significativas. 2.1.9 Análisis de los resultados. Principales características de los laminados analizados. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 66 Capítulo..2 En la tabla 2.1 se hace una comparación de los diferentes tipos de tejidos de fibra de vidrio E analizados y sus principales propiedades. Tabla 2.2 Principales propiedades mecánicas de los diferentes laminados. Tipo de tejido Flexión Tracción Fuerza Esfuerzo Módulo Fuerza Esfuerzo Módulo (gr/m ) (KN) (MPa) (MPa) (KN) (MPa) (MPa) Mat 100 7.55 57.003 109.21 5.50 82.612 178.55 Mat 300 9.78 66.188 143.50 11.57 75.488 123.68 Mat 450 9.15 55.133 132.30 13.24 88.177 166.57 Roving800 8.50 74.261 147.46 30.10 233.720 317.53 Combinado 7.79 66.269 127.91 23.23 119.755 294.05 2 Para la complementación de esta tabla resumen se utilizaron las propiedades de cada lote de probetas según el tipo de tejido y se tomó la media aritmética de los mismos. (Ver Anexo 2 y 3) Muestra del comportamiento esfuerzo-deformación de cada tipo de laminado. Una vez medida la deflexión de las probetas en función de la carga aplicada se obtienen las gráficas de aspecto similar a las curvas siguientes mostradas en las Fig. 2.17. Se realizaron seis ensayos para cada tipo de tejido y para cada condición se observó una similitud en los recorridos que permite deducir el alto grado de repetiilidad del ensayo cuando las probetas tienen espesores similares. Por tanto esas pequeñas diferencias se pueden atribuir a defectos del material, a la apreciación de los equipos de medición y posibles errores experimentales. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 67 Capítulo..2 Muestras sometidas a flexión. Muestras sometidas a tracción. E sfuerzo-deformación Mat 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Esfuerzodeformación Mat 100 0 1 2 3 4 5 a) Comportamiento del tejido Mat 100 E sfuerzo-deformación Mat 300 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Esfuerzodeformación 0 2 4 6 8 b) Comportamiento del tejido Mat 300 E sfuerzo-deformación Mat 450 120 100 80 60 Esfuerzodeformación 40 20 0 0 2 4 6 8 c) Comportamiento del tejido Mat 450 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 68 Capítulo..2 E sfuerzo-deformación R 800 250 200 150 Esfuerzodeformación 100 50 0 0 2 4 6 8 d) Comportamiento del tejido Roving 800 E sfuerzo-deformación C ombinado 200 180 160 140 120 Esfuerzodeformación 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 e) Comportamiento del tejido Combinado (Mat 300 con Roving 800) Fig. 2.17 Comportamiento de los diferentes tipos de compuestos. Tanto para la flexión como para la tracción se observa un primer tramo de la curva en el cual el comportamiento del material es linealelástico, luego cambia la pendiente para inmediatamente continuar con un crecimiento no lineal de carga-desplazamiento hasta llegar a valores máximos de carga y a partir de este punto la carga comienza un descenso gradual terminando con una caída abrupta hasta el punto de fallo una vez superada la carga máxima. En el caso de la flexión este cambio de pendiente es más fácilmente apreciable que en la tracción y esto se atribuye a que en la tracción los valores de incrementos de elongación son muy pequeños en Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 69 Capítulo..2 comparación con los de deformación en la flexión para similares valores de carga. (García, Viña, 2004) Muestra de los daños. La rotura se encuentra precedida de diferentes fallos internos en el material como son la rotura de fibras, la microfisuración de la matriz y la separación de las fibras de la matriz. Los tipos de rotura visualizadas en los laminados sometidos a tracción son rotura frágil en una sección, apareciendo una superficie de rotura limpia no apreciándose claramente la existencia de los dos componentes y rotura frágil en una sección pero acompañada de arranque y/o despegue de fibras. En este caso la superficie de rotura no es limpia y aparecen extremos de fibra emergiendo de dicha superficie de rotura. (Ver Fig. 2.18, 2.19 y 2.20) Fig. 2.18 Probeta luego de ser sometida a una fuerza de flexión. Fig.2.19 Probetas luego de ser sometidas a una fuerza de tracción. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 70 Capítulo..2 Fig. 2.20 Daños de las probetas sometidas a tracción. El fallo de una lámina no implicar el fallo del laminado, ni el fallo global de la propia lámina. La lámina continúa aportando algo de resistencia en algún sentido y por tanto el resto de las láminas siguen resistiendo. Existe una cierta degradación de la lámina donde se produce el fallo, lo que afecta las propiedades de rigidez y resistencia de la lámina. La resistencia del laminado se afecta debido al agotamiento de las láminas que lo componen por lo que se ve afectado por la resistencia de las mismas. 2.2 Conclusiones del capítulo. La rotura está precedida de diferentes fallos internos en el material como son la rotura de fibras, la microfisuración de la matriz y la separación de las fibras de la matriz. En el caso del ensayo a tracción se produce una delaminación entre las láminas. Las fibras comienzan a romperse cuando la carga es del orden del 50% de la carga final de rotura. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 71 Capítulo..2 Las roturas provocan concentraciones de tensión que pueden conducir a despegues de la fibra y de la matriz en la sección de rotura. El comportamiento del material es superior frente a la tracción que frente a la flexión ya que logra resistir mayores fuerzas y mejores esfuerzos mientras que el Mat 100 al aplicar la carga a flexión se deforma más y no llega al fallo tan fácilmente. El tejido Roving 800 y el combinado (Mat 300 con Roving 800) son los que presentan mejor comportamiento debido a que con el menor número de capas y menor espesor de probeta logra prácticamente los mejores esfuerzos y resiste mayores cargas. El tejido Mat 100 presenta valores por debajo del resto de las fibras, pero con referencia al poco espesor que tiene en comparación con el resto se puede decir que presenta un buen comportamiento. El fallo de una lámina no implica el fallo del laminado, ni el fallo global de la propia lámina. El material tiene un comportamiento lineal elástico en gran parte de su curva de comportamiento y solo un pequeño tramo donde deja de ser lineal. Tomando como valor de resistencia ese valor de esfuerzo donde el comportamiento deja de ser lineal elástico se puede simplificar el diseño de elementos fabricados con PRFV. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 72 Capítulo..3 “Propuesta de ensayos virtuales mediante la modelación matemática” 3. Introducción 3.1 Condiciones del programa. 3.2 Conceptualización de la modelación matemática de la fibra de vidrio. 3.2.1 Modelación de la parte. (Geometría) 3.2.2 Modelo de las propiedades del material. 3.2.3 Modelo del ensamblaje. 3.2.4 Modelo de las condiciones de salida de datos. 3.2.5 Modelo de las cargas y condiciones de apoyo. 3.2.6 Mallado. 3.3 Complementación y calibración de los modelos. 3.3.1 Análisis de los resultados de los modelos. 3.3.2 Comparación entre los resultados reales y virtuales. 3.4 Conclusiones del capítulo. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 72 Capítulo..3 Capítulo 3: Propuesta de ensayos virtuales mediante la modelación matemática. 3. Introducción. Para la modelación matemática se utilizó el software Abaqus, programa de elementos finitos que nos permite realizar la modelación de ensayos virtuales, para luego compararlos con los reales. Es necesario primeramente definir la geometría es decir modelar la probeta real que fue ensayada, crear el tipo de material y asignarlo al modelo, luego colocar las condiciones de apoyo y el tipo de carga en su posición real y para terminar escoger las variables de salida y comprobar que el elemento sea estructural. Una vez colocados todos los parámetros se corre el modelo y obtener así los resultados deseados. 3.1 Condiciones del programa. Sistema coordenado: El sistema cartesiano es el usado por el programa de elementos finitos, cuyo convenio de signo positivo se muestra en la Fig. 3.1 y debe coincidir con la regla de la mano derecha.(Uzcátegui) Y X Z Fig. 3.1 Sistema cartesiano de coordenadas. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 73 Capítulo..3 Grados de libertad: El programa considera los grados de libertad de desplazamiento en X, Y, Z, rotación a través del eje X, Y, Z y otros que no fueron utilizados en nuestro caso. Los grados de libertad sólo son activados cuando el análisis lo requiere, ya que cada elemento finito usa los grados de libertad que requiere. Unidades consistentes: El programa no especifica las unidades a utilizar por lo que las unidades que se escojan deben ser consistentes entre si. En la Tabla 3.1 se muestran las unidades que fueron utilizadas en la modelación. Tabla 3.1 Unidades consistentes utilizadas. Masa Long. Tiempo Kg mm m/s Fuerza KN Tensión GPa Densidad Módulo 7.83e-0.6 2.07e+02 La información sobre los tipos de unidades consistentes a utilizar se complementa en el Anexo 4. 3.2 Conceptualización de la modelación matemática de la fibra de vidrio. A partir del esquema real de las probetas definidas y ensayadas en el capítulo 2 se hace una modelación virtual de los ensayos a flexión y tracción para establecer las distintas variantes de comportamiento del material y de esta forma lograr la complementación y calibración de los modelos para obtener las propiedades mecánicas de este material compuesto. 3.2.1 Modelación de la parte. (Geometría) En este momento se crea la geometría de cada parte que en este caso serían cinco tipos de modelos que coinciden con los tipos de fibra que se están analizando. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 74 Capítulo..3 Primeramente damos crear parte donde escogemos las condiciones de la estructura, en este caso modelación en el espacio en 3D, estructura tipo deformable y perteneciente a la familia de sólidos en extrusión. Luego se procede a dibujar la geometría en 2D y cuando damos terminar nos pide automáticamente la profundidad o espesor de la probeta virtual. (Ver Fig.3.2) Los especimenes a modelar tendrán las siguientes dimensiones (Ver Tabla 3.2), obtenidas de la media aritmética de las dimensiones del número de muestras ensayadas en cada lote. Tabla 3.2 Dimensiones de los modelos. Muestra Espesor Ancho Longitud según ensayo (mm) (mm) (mm) Mat 100 3,53 18,90 95 190 Mat 300 8,83 17,05 95 190 Mat 450 8,46 17,74 95 190 Roving 800 6,36 19,20 95 190 Combinado 6,21 18,90 95 190 Ensayo Flexión Ensayo Tracción Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 75 Capítulo..3 a) Mat 100 b) Mat 300 Fig. 3.2 Geometría de las probetas virtuales 3.2.2 Modelo de las propiedades del material. En este momento se conocen los tipos de materiales disponibles en Abaqus. Los materiales son definidos a partir de la selección del material y la definición de los parámetros necesarios para establecer su comportamiento. Abaqus requiere que el material este correctamente definido para proporcionar las propiedades convenientes de los elementos con los cuales el material esta asociado y será corrido posteriormente, aunque es posible omitir algunos parámetros que no son necesarios para el tipo de análisis. (Uzcátegui) Las características de nuestro material fueron asignadas en la categoría de general behaviors, con modelos de elasticidad lineal que permite representar el comportamiento elástico de tipo isotrópico, introduciéndole relación de Poisson de 0.22 y módulo de elasticidad según los valores de cada tipo de tejido obtenido en el capítulo 2. (Ver anexo 2 y 3) Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 76 Capítulo..3 3.2.3 Modelo del ensamblaje. Este momento es importante para los casos de poseer varias partes y necesitar hacer un conjunto, en este caso no es así y por lo tanto creamos un caso tipo independiente y lo aplicamos a la parte correspondiente en cada momento. 3.2.4 Modelo de las condiciones de salida de datos. Un concepto básico es la historia de las cargas en step, en este momento se escoge un procedimiento de análisis de tipo general y las condiciones de comienzo que serán las mismas condiciones finales son especificadas mediante la opción “initial conditions”. Para este tipo de análisis Abaqus ofrece dos alternativas para controlar la incrementación de tiempo: Control fijo, en el cual el usuario designa el tamaño del incremento y control automático que fue en este caso el utilizado, el cual permite definir ciertas tolerancias o mensajes de errores, además Abaqus automáticamente selecciona el tamaño del incremento dependiendo si existe o no convergencia. 3.2.5 Modelo de las cargas y condiciones de apoyo. Las condiciones de borde asumen una categoría mecánica de desplazamiento y rotación, aplicada en los nodos que me permitan modelar las condiciones de apoyo reales del ensayo a flexión (Ver Fig. 3.3) y a tracción (Ver Fig.3.4) Ensayo a flexión: Probeta simplemente apoyada en ambos extremos. Ensayo atracción: Probeta en un borde con restricción total de desplazamiento y en el otro borde solo libertad de desplazamiento en el sentido de aplicación de la carga. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 77 Capítulo..3 Fig. 3.3 Condiciones de apoyo ensayo flexión. Fig. 3.4 Condiciones de apoyo ensayo tracción. Las cargas externas son aplicadas como cargas distribuidas para el ensayo a flexión y concentrada en el caso de tracción. La magnitud de la carga es usualmente definida luego de especificar la dirección de aplicación de la misma. Las cargas concentradas son aplicadas en los nodos por lo que para representarla es necesario particionar para lograr la referencia en un punto específico y para el caso de las distribuidas también se particionó para lograr el enfoque en la zona central. (Ver Fig. 3.5) a) Ensayo Flexión b) Ensayo Tracción Fig. 3.5 Cargas aplicadas. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 78 Capítulo..3 3.2.6 Mallado. Primeramente se comprueba que el modelo se encuentre en verde que significa estructural. En el caso de nuestro modelo se trabajó con el tipo de elemento finito y parámetros que toma el programa por defecto: Como tipo de elemento finito hexaedro con integración reducida, este es el que el programa propone según la variante de modelo introducida y por tanto será la que expondrá mejores resultados para estos casos. Mientras menor es el tamaño de los elementos finitos se minimizan los errores pero aumenta el número de nodos lo que puede provocar una corrida muy prolongada del modelo (Mora, 2009), por tanto se tomó como densidad de malla dimensiones de 2mm que nos permite tener una cantidad media de números de nodos. (Ver Fig. 3.6) Fig. 3.6 Representación del mallado. 3.3 Complementación y calibración de los modelos. 3.3.1 Análisis de los resultados de los modelos. a) b) Fig. 3.7 Probeta luego de ser sometida a una carga de: a) Flexión y b) Tracción Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 79 Capítulo..3 Una vez corrido el programa se muestra el elemento deformado como se muestra en la Fig. 3.7 y a partir de aquí se escoge el resultado de salida que se desea y se marca en la zona de mayores tensiones un punto para que nos muestre la deformación alcanzada en ese punto. En la Tabla 3.3 y Tabla 3.4 se muestran los valores de las propiedades de los diferentes tipos de muestras obtenidas mediante el programa. Tabla 3.3 Propiedades del material a flexión. Valores resultantes Flexión Muestra Esfuerzo Flexión Módulo Elasticidad 2 2 Fuerza MPa Kg/cm MPa Kg/cm Mat 100 58,265 594,541 106,400 1085,714 7,589 KN Mat 300 66,290 676,429 141,900 1447,959 9,925 Mat 450 56,238 573,857 127,400 1300,000 9,206 Roving 800 74,336 758,531 146,300 1492,857 8,672 Combinado 66,864 682,286 120,230 1226,837 7,910 Tabla 3.4 Propiedades del material a tracción. Valores resultantes Tracción Muestra Mat 100 Mat 300 Mat 450 Roving 800 Combinado Esfuerzo Tracción Módulo Elasticidad 2 MPa Kg/cm 82,812 75,089 88,376 235,596 199,914 845,020 766,214 901,796 2404,041 2039,939 2 MPa Kg/cm 173,640 120,300 160,180 311,540 290,230 1771,837 1227,551 1634,490 3178,980 2961,531 Fuerza KN 5,520 11,433 13,282 30,260 23,300 En la tabla anterior se demuestra que el material presenta un mejor comportamiento a tracción, soportando mayores cargas y esfuerzos. El compuesto de la muestra Mat 100 gr/m2 se comporta mejor a flexión debido a que su espesor es muy pequeño y se deforma en gran medida sin llegar a la rotura. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 80 Capítulo..3 En sentido general el material ensayado virtualmente mantiene las mismas características y comportamiento que las muestras reales. A continuación en la Fig.3.8 se muestra el comportamiento de los diferentes tipos de compuestos modelados. Comportamiento a flexión. Comportamiento a tracción. a) Comportamiento del tejido Mat 100 b) Comportamiento del tejido Mat 300 c) Comportamiento del tejido Mat 450 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 81 Capítulo..3 d) Comportamiento del tejido Roving 800 e) Comportamiento del tejido Combinado (Mat 300 con Roving 800) Fig. 3.8 Comportamiento de los diferentes tipos de modelos. 3.3.2 Comparación entre los resultados reales y virtuales. Para lograr la validación de las propiedades mecánicas de lo diferentes tipos de tejidos de la fibra de vidrio E se realiza una comparación entre los resultados de los ensayos reales y virtuales procedentes del Capítulo 2 y de la modelación matemática respectivamente. (Ver Tabla 3.5) Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 82 Capítulo..3 Tabla 3.5 Comparación de las propiedades obtenidas de los ensayos reales y virtuales. Tipo de ensayo Muestra Parámetros Esfuerzo (MPa) Mat 100 Módulo (MPa) Deform. (mm) Esfuerzo (MPa) Mat 300 Módulo (MPa) Deform. (mm) Esfuerzo (MPa) Flexión Mat 450 Módulo (MPa) Deform. (mm) Esfuerzo (MPa) Roving800 Módulo (MPa) Deform. (mm) Esfuerzo (MPa) Combinado Módulo (MPa) Deform. (mm) Esfuerzo (MPa) Tracción Mat 100 Módulo (MPa) Deform. (mm) Valores de los parámetros Real Virtual % Dif. 57,003 58,265 2,166 109,210 106,400 2,573 5,220 5,360 2,612 66,188 66,290 0,154 143,500 141,900 1,115 4,680 4,810 2,703 55,133 56,238 1,965 132,300 127,400 3,704 4,650 4,600 1,075 74,261 74,336 0,101 147,460 146,300 0,787 4,840 4,900 1,224 66,269 66,864 0,890 127,910 120,230 6,004 4,990 5,100 2,157 82,612 82,812 0,242 178,550 173,640 2,750 4,410 4,300 2,494 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 83 Capítulo..3 Esfuerzo (MPa) Mat 300 75,488 75,089 0,529 123,680 120,300 2,733 5,890 5,390 8,489 88,177 88,376 0,225 166,570 160,180 3,836 5,450 5,980 8,863 Esfuerzo (MPa) 233,720 235,396 0,712 Módulo (MPa) 317,530 311,540 1,886 7,690 7,690 0,000 Esfuerzo (MPa) 119,755 129,914 7,820 Módulo (MPa) 294,050 290,230 1,299 7,210 7,900 8,734 Módulo (MPa) Deform. (mm) Esfuerzo (MPa) Mat 450 Módulo (MPa) Deform. (mm) Roving 800 Deform. (mm) Combinado Deform. (mm) Los valores de propiedades mostradas en la tabla se encuentran relacionados debido a que estos son similares, las diferencias que se aprecian podemos atribuirlas a problemas de precisión en los ensayos reales y en el caso de los virtuales a las apreciaciones tomadas aunque se modeló teniendo en cuenta todos los parámetros reales. 3.4 Conclusiones del capítulo. El programa de elementos finitos Abaqus permite modelar elementos sin restricción de unidades de medidas a trabajar, solamente es necesario que las mismas sean consistentes. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 84 Capítulo..3 A través de la modelación matemática podemos obtener como resultados valores de propiedades del material para luego comparar con los ensayos reales y de este modo calibrar el modelo. El material presenta un mejor comportamiento a tracción aunque no así en el caso del compuesto de la muestra Mat 100 gr/m2 se comporta mejor a flexión debido a que su espesor es muy pequeño y se deforma en gran medida sin llegar a la rotura. Luego de obtenidos los valores y comparados podemos concluir que los mismos son similares, las diferencias que se aprecian podemos atribuirlas a problemas de precisión en los ensayos reales y en el caso de los virtuales a las apreciaciones tomadas. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 85 Conclusiones Generales Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 85 Conclusiones Generales Los ensayos a probetas de plástico reforzado con fibra de vidrio todavía carecen de la normalización necesaria, por lo que este trabajo constituye una metodología para el logro de la caracterización a este tipo de materiales. Significa un paso de avance para en un futuro lograr la creación de nuevas normas en esta línea y poder ampliar el campo de estudio de las propiedades mecánicas de este material más allá de hasta donde en estos momentos ha sido posible. A quedado demostrado que el material cuenta con excelentes propiedades mecánicas por lo que complementamos junto a sus propiedades de ligereza, fácil manipulación y elaboración prueban que es una excelente alternativa para nuestras construcciones. El material tiene un comportamiento lineal elástico en gran parte de su curva de comportamiento y solo un pequeño tramo donde deja de ser lineal. Tomando como valor de resistencia ese valor de esfuerzo donde el comportamiento deja de ser lineal elástico, simplificándose de esta forma las expresiones de diseño de elementos fabricados con PRFV. De los diferentes tipos de compuestos ensayados podemos decir que los que presentan mejor comportamiento son los compuestos: Roving 800 y el combinado. Presentando menor número de capas, menor espesor de la probeta y sin embargo alcanzan prácticamente los mejores valores de esfuerzo y soportan cargas elevadas. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 86 Conclusiones Generales El programa utilizado nos permitió modelar la geometría de las probetas y las condiciones reales de los ensayos realizados, obteniendo resultados que nos facilitaron la validación de su uso y calibración de los modelos. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 87 Recomendaciones Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 87 Recomendaciones Existen puntos en los que es necesario hacer énfasis por lo que se recomienda: Aumentar la divulgación de este tipo de material y su forma de producción para poder ser tomado en cuenta a la hora de realizar un proyecto. Aumentar el suministro de la materia prima a las entidades que elaboran elementos con fibra de vidrio como material de refuerzo y así aumentar las producciones de las mismas. Lograr la elaboración de las normas de ensayos para el material compuesto de plástico reforzado con fibra de vidrio para obtener materiales caracterizados de una forma más cómoda y por una metodología vigente y aprobada. Utilizar el programa Abaqus como herramienta auxiliar para estudios y diseños posteriores del material objeto de estudio. Seguir profundizando en el estudio y la aplicación de los materiales compuestos reforzados con fibras en la construcción de estructuras. Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 88 Bibliografía Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba . 88 Bibliografía 1. Anónimo Elementos para el plástico reforzado con fibra de vidrio. http://www.polimeroscompuestos.cl/Page/prfv.htm 2. 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No. Muestra L1 L2 L3 (mm) (mm) (mm2) 1 18,74 20,02 19,32 3,68 19,36 71,24 2 18,27 19,05 18,62 3,33 18,65 62,09 3 18,72 18,60 17,85 3,44 18,39 63,26 4 19,73 19,04 19,52 3,38 19,43 65,67 5 17,60 19,69 18,14 3,52 18,48 65,04 6 Mat 100 18,01 20,00 19,04 3,72 19,02 70,74 Promedios 3,51 18,89 66,34 1 16,89 17,92 16,95 8,41 17,25 145,10 2 16,51 16,32 17,12 8,55 16,65 142,36 3 17,00 17,36 18,01 8,22 17,46 143,49 4 17,81 17,96 17,46 9,57 17,74 169,80 5 16,20 16,18 16,49 7,55 16,29 122,99 6 Mat 300 17,15 18,16 17,17 9,98 17,49 174,58 Promedios 8,71 17,15 149,72 1 17,70 18,66 18,48 8,59 18,28 157,03 2 17,90 17,40 17,96 8,34 17,75 148,06 3 18,92 19,07 18,95 8,6 18,98 163,23 4 17,28 18,31 17,90 8,2 17,83 146,21 5 17,67 16,82 17,37 7,95 17,29 137,43 6 Mat 450 17,54 17,41 18,15 8,34 17,70 147,62 Promedios 8,34 17,97 149,93 1 17,72 19,22 17,13 6,06 18,02 109,22 2 19,85 20,83 20,42 6,8 20,37 138,49 3 19,72 16,52 17,26 5,46 17,83 97,37 4 17,56 18,24 19,54 6,01 18,45 110,86 5 20,18 18,42 18,59 6,22 19,06 118,57 6 Roving 800 20,45 18,11 19,50 6,48 19,35 125,41 Promedios 6,17 18,85 116,66 1 17,82 20,10 6,21 18,96 117,74 2 19,70 17,20 17,77 6,35 18,22 115,72 3 19,20 19,67 19,34 6,39 19,40 123,99 4 18,52 18,52 18,78 5,75 18,61 106,99 5 18,62 20,05 19,07 6,54 19,25 125,87 6 Combinado 17,89 19,21 19,98 6,28 19,03 119,49 Promedios 6,25 18,91 118,30 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba. Anexos Dimensiones de las probetas para ensayo a tracción Longitud= 190mm Ancho (mm) Espesor Ancho promedio No. Muestra L1 L2 L3 (mm) (mm) Área (mm2) 1 19,47 18,17 19,83 3,84 19,16 73,56 2 17,99 16,21 18,40 2,95 17,53 51,72 3 19,95 21,74 19,57 3,48 20,42 71,06 4 16,62 21,26 19,92 3,51 19,27 67,63 5 17,24 19,31 18,74 3,95 18,43 72,80 6 Mat 100 17,60 19,96 18,61 3,53 18,72 66,09 Promedios 3,54 18,92 67,14 1 16,77 20,01 16,39 9,57 17,72 169,61 2 17,24 17,85 17,73 9,57 17,61 168,50 3 17,46 18,38 18,84 9,08 18,23 165,50 4 15,93 14,61 14,95 7,47 15,16 113,27 5 15,97 15,95 16,35 8,91 16,09 143,36 6 Mat 300 16,77 17,49 16,50 9,06 16,92 153,30 Promedios 8,94 16,96 152,26 1 18,68 18,71 19,43 8,42 18,94 159,47 2 16,55 17,27 16,60 8,26 16,81 138,82 3 17,89 17,54 17,73 8,88 17,72 157,35 4 16,25 15,36 15,49 8,23 15,70 129,21 5 17,84 20,77 17,45 8,99 18,69 167,99 6 Mat 450 16,14 17,45 17,98 8,66 17,19 148,87 Promedios 8,57 17,51 150,29 1 19,53 21,78 20,84 6,78 20,72 140,46 2 19,98 16,07 17,64 6,15 17,90 110,06 3 19,66 20,16 19,39 6,71 19,74 132,43 4 20,14 19,84 19,67 6,4 19,88 127,25 5 18,00 20,55 19,08 6,4 19,21 122,94 6 Roving 800 19,99 20,05 19,73 6,9 19,92 137,47 Promedios 6,56 19,56 128,44 1 19,91 17,82 19,53 6,17 19,09 117,76 2 18,66 20,87 18,96 6,1 19,50 118,93 3 18,30 20,40 19,43 6,14 19,38 118,97 4 17,63 18,36 19,88 6,19 18,62 115,28 5 18,53 18,83 17,89 6,37 18,42 117,31 6 Combinado 18,30 18,68 18,17 6,04 18,38 111,04 Promedios 6,17 18,90 116,55 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba. Anexos “Propiedades a flexión del material” Valores resultantes Flexión Esfuerzo Flexión Módulo Elasticidad Muestra Mat 100(3y4) Mat 100(3y4)1 Mat 100(5y6) Mat 100(5y6)1 Promedio Mat 300-1 Mat 300-11 Mat 300-2 Mat 300-21 Mat 300-3 Mat 300-31 Mat 300-4 Mat 300-41 Mat 300-5 Mat 300-51 Mat 300-6 Mat 300-61 Promedio Mat 450-1 Mat 450-11 Mat 450-2 Mat 450-21 Mat 450-3 Mat 450-31 Mat 450-4 Mat 450-41 Mat 450-5 Mat 450-51 Mat 450-6 Mat 450-61 Promedio R 800-1(3F) R 800-1(4F) R 800-11(4F) R 800-2 R 800-21 R 800-3 R 800-31 R 800-4 R 800-41 MPa 57,820 57,640 55,110 57,440 57,003 68,790 69,960 70,110 71,300 69,900 66,170 55,780 55,490 77,210 79,380 53,970 56,200 66,188 20,720 20,090 67,180 63,310 55,500 54,600 61,620 62,950 66,620 66,270 60,870 61,860 55,133 82,490 80,040 76,930 59,970 60,150 89,310 92,300 76,010 75,570 2 Kg/cm 590,000 588,163 562,347 586,122 581,658 701,939 713,878 715,408 727,551 713,265 675,204 569,184 566,224 787,857 810,000 550,714 573,469 675,391 211,429 205,000 685,510 646,020 566,327 557,143 628,776 642,347 679,796 676,224 621,122 631,224 562,577 841,735 816,735 785,000 611,939 613,776 911,327 941,837 775,612 771,122 MPa 111,840 111,420 104,450 109,110 109,205 129,980 158,230 167,900 136,440 139,350 148,850 124,500 111,790 181,970 173,460 115,830 133,680 143,498 117,380 137,980 139,820 135,100 119,810 141,870 129,520 128,420 143,920 130,950 137,020 125,810 132,300 162,800 164,070 178,890 127,600 113,910 171,200 179,260 147,060 149,080 2 Kg/cm 1141,224 1136,939 1065,816 1113,367 1114,337 1326,327 1614,592 1713,265 1392,245 1421,939 1518,878 1270,408 1140,714 1856,837 1770,000 1181,939 1364,082 1464,269 1197,755 1407,959 1426,735 1378,571 1222,551 1447,653 1321,633 1310,408 1468,571 1336,224 1398,163 1283,776 1350,000 1661,224 1674,184 1825,408 1302,041 1162,347 1746,939 1829,184 1500,612 1521,224 Fuerza KN 7,500 7,400 7,500 7,800 7,550 10,000 10,200 10,000 10,200 10,000 9,500 9,500 9,400 9,500 9,800 9,400 9,800 9,775 9,500 9,200 9,100 9,400 9,100 8,900 9,000 9,200 9,200 9,100 9,000 9,100 9,150 9,000 8,700 8,400 8,300 8,300 8,700 9,000 8,400 8,400 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba. Anexos R 800-5 R 800-51 R 800-6 R 800-61 Promedio Combinado 1 Combinado 11 Combinado 2 Combinado 21 Combinado 3 Combinado 31 Combinado 4 Combinado 41 Combinado 5 Combinado 51 Combinado 6 Combinado 61 Promedio 72,500 69,020 65,840 65,260 74,261 67,450 64,760 68,620 67,360 67,200 65,240 72,410 72,410 62,120 59,810 64,840 63,010 66,269 739,796 704,286 671,837 665,918 757,763 688,265 660,816 700,204 687,347 685,714 665,714 738,878 738,878 633,878 610,306 661,633 642,959 676,216 138,190 131,590 127,940 125,330 147,455 130,000 124,000 130,300 127,300 128,360 120,760 135,610 136,090 127,090 117,970 138,830 118,610 127,910 1410,102 1342,755 1305,510 1278,878 1504,647 1326,531 1265,306 1329,592 1298,980 1309,796 1232,245 1383,776 1388,673 1296,837 1203,776 1416,633 1210,306 1305,204 8,600 8,200 8,300 8,200 8,500 7,900 7,600 7,900 7,800 8,300 8,100 7,700 7,700 7,800 7,500 7,700 7,500 7,792 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba. Anexos “Propiedades a tracción del material” Valores resultantes Tracción Muestra Esfuerzo Tracción Módulo Elasticidad 2 2 MPa Kg/cm MPa Kg/cm Mat 100-1 Mat 100-2 Mat 100-3 Mat 100-4 Mat 100-5 Mat 100-6 83,130 95,390 69,430 81,300 76,210 90,210 848,265 973,367 708,469 829,592 777,653 920,510 180,600 180,300 161,900 188,900 179,300 180,300 1842,857 1839,796 1652,041 1927,551 1829,592 1839,796 Promedio Mat 300-1 Mat 300-2 Mat 300-3 Mat 300-4 Mat 300-5 Mat 300-6 82,612 842,976 178,550 1821,939 80,530 74,850 79,800 67,070 77,200 73,480 821,735 763,776 814,286 684,388 787,755 749,796 125,800 111,700 126,200 117,800 127,200 133,400 1283,673 1139,796 1287,755 1202,041 1297,959 1361,224 Promedio Mat 450-1 Mat 450-2 Mat 450-3 Mat 450-4 Mat 450-5 Mat 450-6 75,488 770,289 123,683 1262,075 87,260 74,070 86,310 98,000 88,000 95,420 890,408 755,816 880,714 1000,000 897,959 973,673 141,900 277,700 128,800 151,800 148,500 150,700 1447,959 2833,673 1314,286 1548,980 1515,306 1537,755 Promedio 88,177 899,762 166,567 1699,660 R 800-1 R 800-2 R 800-3 R 800-4 R 800-5 R 800-6 237,370 214,250 255,730 231,700 233,730 229,540 2422,143 2186,224 2609,490 2364,286 2385,000 2342,245 317,300 312,500 313,800 322,500 317,000 322,100 3237,755 3188,776 3202,041 3290,816 3234,694 3286,735 Promedio 233,720 2384,898 317,533 3240,136 CombinadoT1 Combinado T2 Combinado T6 205,460 161,800 178,800 224,180 202,910 225,380 2096,531 1651,020 1824,490 2287,551 2070,510 2299,796 370,300 339,700 257,900 289,800 248,700 257,900 3778,571 3466,327 2631,633 2957,143 2537,755 2631,633 Promedio 199,755 2038,316 294,050 3000,510 Combinado T3 Combinado T4 Combinado T5 Fuerza KN 6,116 4,933 4,934 5,499 5,548 5,961 5,499 13,656 12,615 13,209 7,595 11,067 11,264 11,568 13,915 10,285 13,581 12,663 14,786 14,204 13,239 33,346 23,586 33,873 29,480 28,736 31,550 30,095 24,200 19,246 21,276 25,839 23,809 25,021 23,232 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba. Anexos “Unidades consistentes” Mass Leng Ti me Force Stress Density Young's 35MPH Gravity kg m s N Pa 7.83e+03 2.07e+11 15.65 9.806 kg cm s 1.0e-02N 7.83e-03 2.07e+09 1.56e+03 9.81E+05 kg cm ms 1.0e+04N 7.83e-03 2.07+03 1.56 9.81E-01 kg cm us 1.0e+10N 7.83e-03 2.07e-03 1.56e-03 9.81E-07 kg mm ms KN GPa 7.83e-06 2.07e+02 15.65 9.81E+00 g cm s dyne dy/cm2 7.83e+00 2.07e+12 1.56e+03 9.81E+05 g cm us 1.0e+07N Mbar 7.83e+00 2.07e+00 1.56e-03 9.81E-07 g mm s 1.0e-06N Pa 7.83e-03 2.07e+11 1.56e+04 9.81E+06 g mm ms N MPa 7.83e-03 2.07e+05 15.65 9.81E+00 ton mm s N MPa 7.83e-09 2.07e+05 1.56e+04 9.81E+06 lbfs2 /in in s lbf psi 7.33e-04 3.00e+07 6.16e+02 386 slug ft s lbf psf 152e+01 4.32e+09 51.33 32.17 kgfs2 /mm mm s kgf Kgf/mm2 8.02e-10 2.07e+04 1.56e+04 kg mm s mN 1.0e+03Pa 7.83e-06 2.07e+08 g cm ms 1.0e+05Pa 7.83e+00 2.07e+06 Caracterización de los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio fabricados en Cuba. 9.81E+05