Análisis del proceso de
extruido de un tubo de material compuesto en resina is=
oftalica
y fibra de vidrio.
Analysis of the extru=
ded
process of a tube with an isophthalic resin composite material in fiber and
glass.
=
Edgar
Fabián Sánchez Carrión.[1]=
, Edison
Marcelo Castillo Cárdenas.[2]=
, Víctor
David Bravo Morocho.
The present work
analyzes an extrusion process for composite material, which is a process for
obtaining profiles of constant section based on composite materials by mean=
s of
fiberglass reinforcement and thermostable matrix. An experimental study of =
the
process variables was established, in which each of the variables involved =
in
the extrusion process were modified, such as fiber matting, the quantity of
fiberglass yarns, the concentrations of initiators in the isfotalica
resin (matrix), speed in the pullers, with which a product resulting from
characteristics suitable to the process used is obtained which is compared =
with
traditionally diffused materials.
.
Keywords: =
Composite
Material, Fiber Reinforced Plastic (Frp), Fiber=
glass,
Mathematical Model, Concurrent Design.
El presente trabajo se analiza un proceso= de extrusión para material compuesto, que es un proceso para la obtención de perfiles de sección constante en base a materiales compuestos por medio refuerzo de fibra de vidrio y de matriz termoestable. Se estableció un estu= dio experimental de las variables del proceso, en el cual se modificó cada una = de las variables que intervienen en el proceso de extrusión como son el entram= ado de la fibra mat, la cantidad de hilos de fibra = de vidrio las concentraciones de iniciadores en la resina isfotalica (matriz), velocidad en los pullers, con lo que = se obtiene un producto resultante de características adecuadas al proceso utilizado el cual es comparado con materiales tradicionalmente difundidos.<= o:p>
Palabras Claves=
: material compuesto, =
fiber
reinforced plastic =
(FRP),
fibra de vidrio, modelo matemático, diseńo concurrente.
Introducción=
.
Un material compuesto está conformado por dos o más materiales que s=
on
diferentes entre sí, para lo cual existen diferentes métodos de fabricación=
. El
proceso de extrusión también llamado pultrusión=
, de
este tipo de materiales de matriz termoestable, se esquematiza en la figura=
1 y
consiste en que fibras de vidrio pasen por un recipiente que contiene resin=
a,
en la cual las fibras se saturan y pasan por un conformador (molde) en el q=
ue
se da la sección deseada todo este conjunto resina/fibra es tirado por un
sistema hidráulico. Cuando la resina que está cargada de rellenos, aceleran=
tes,
agentes desmoldantes, pigmentos y aditivos pasa por el molde calefaccionado
activando la polimerización de la resina (curado). Las resinas que se utili=
zan
en este proceso de extrusión pueden ser de éster vinilo, epoxica
o poliéster, pero aproximadamente el 90% es poliéster.
=
Figura
1. Proceso de extrusión (pultrusion)
de material compuesto
Fuente: Strongwell Corporation.
El desarrollo de este tipo de materiales =
nace
de la necesidad de tener productos resistentes mecánicamente, resistentes a=
la
corrosión, y de peso ligero. El perfil extruido de material compuesto es
=
Importancia
del problema.
En el campo de la extrusión de materiales
compuestos es necesario controlar las variables del proceso, ya que de no
hacerlo las propiedades físicas, mecánicas y químicas se verían afectadas de
una manera decisiva.
Es por ello que se necesita predecir con
anterioridad las características del nuevo material para que cumpla las
exigencias en el campo que se va a desarrollar el perfil y las variables que
ingresan en el proceso son de vital importancia para dicho fin. Este tipo de
nuevos materiales obtenidos por medio de este proceso de manufactura en paí=
ses
de la unión Europea está ampliamente usado para diferentes áreas entre las
cuales se está desarrollando con énfasis en el sector automotriz a través d=
el
proyecto COALINE, el cual lleva a cabo nuevos procesos de fabricación para
reducir costos y que el perfil cumpla las exigencias para que sea utilizado=
en
dicha área.
La importancia de dichos materiales radic=
al
en el uso que se esta llevando a reemplazar a l=
as
estructuras hechas con materiales tradicionales por este tipo de perfileria.
Como proceso de ingeniería, el diseńo
detallado transforma alternativas de conceptos, arquitecturas físicas
preliminares, especificaciones de diseńo y requisitos técnicos en definicio=
nes
de diseńo finales e interdisciplinares. Estos diseńos se ajustan y se elabo=
ra
toda la documentación que les acompańa y que se necesita para fabricación c=
on
el fin de entregar producto que cumpla con los requerimientos deseados.
=
Dosificación
de la fibra de vidrio.
Para tener características correctas del
producto final en este caso un tubo cuadrado es importante que la dosificac=
ión
de la fibra de vidrio tanto como su distribución dentro del molde sean
importantes para que el material tenga las características deseadas, cabe d=
ecir
que la sección es constante con lo que calculamos su área en la ecuación 1.=
Figura
2.
Dimensiones del perfil pultruido.
Elaborado
por:
Grupo de Investigación
En
la ecuación 1 realizamos el cálculo del área del perfil a diseńar.
Recordando la parte teórica los moldes en
este tipo de extrusión están estandarizados en un metro para lo cual vamos a
calcular el volumen en ese apartado:
La fracción del peso de la fibra de vidri=
o está
en 65% y revestida de fibra mat, pero en este c=
aso es
necesario obtener algunos datos de la fibra de vidrio como es el Tex (g/m) =
que
es el rendimiento en peso de la resina que es de 2400 Tex, cabe recalcar qu=
e el
presente trabajo se realiza con hilo del fibra de vidrio grado E.
Las propiedades de la resina poliéster que
provee a nivel Ecuador están indicados en la tabla 1. Como se puede observar
son necesario las propiedades de la resina y la fibra de vidrio para obtene=
r un
valor correcto de las bobinar de hilo de fibra de vidrio.
Tabla 1.
Propiedades de la resina isoftalica.
|
=
PROPIEDADES
DE LA RESINA ENDURECIDA SIN CARGA (VALORES TIPICOS) |
|||
|
=
Propiedades |
=
Valor |
=
Unidad |
=
Método
ensayo |
|
Densidad (20 |
1,21 |
|
DIN 53479 |
|
Resistencia a la tracción |
70 |
|
DIN 53 455 |
|
Módulo de elasticidad en tracción |
4300 |
|
DIN 53 457 |
|
Elongación a la ruptura |
2 |
|
DIN 53 455 |
|
Resistencia a la flexión |
110 |
|
DIN 53 452 |
|
Módulo de elasticidad en flexión |
4300 |
|
DIN 53 457 |
|
Temperatura de distorsión por calor (HD=
T) |
66 67 |
|
DIN EN ISO 75 ASTM D 648 |
Fuente:
Adaptado datos del fabricante 2018<=
/span>.
Se hace la suposición que el perfil tiene=
el
100% de su estructura compuesta únicamente de resina endurecida, pues sería=
el
escenario donde su peso seria el máximo, entonces se tiene que en la ecuaci=
ón
3:
|
=
2) |
Como se considera una relación de peso del
65% se tiene:
=
Para el cálculo del número de hilos de fi=
bra
de vidrio tenemos la siguiente razón que reúne la masa del perfil y el
rendimiento de la fibra.
Para nuestro perfil tenemos 146 bobinas l=
as
cuales vamos a distribuir de la siguiente manera dentro del área de la secc=
ión
transversal.
Figura
3.
Disposición de hilos dentro de la sección transversal.
Elaborado
por:
Grupo de Investigación
=
Tanque
de resina.
Otro
de los puntos importantes de este proceso de fabricación es el tanque que
contiene la resina y todo sus aditivos ya es ese=
ncial
que disponga del volumen necesario para que el proceso pueda fluir sin ning=
una
interrupción. Es necesario calcular el volumen necesario para la fabricació=
n de
un metro de resina lo que esta expresado en la ecuación 6 es importante not=
ar que
el porcentaje en peso de la resina isoftalica e=
n el
perfil es del 35%.
Es muy importante tener en cuenta la cant=
idad
de metros que se va a obtener de perfil por lo cual es necesario tener prov=
ista
la cantidad de resina necesaria ya que un paro por falta de resina afectarí=
a de
una manera negativa las propiedades del elemento a estudiar.
=
Molde
y sistema de transferencia de calor.
La
ecuación de transferencia de calor dentro del molde en coordenadas cartesia=
nas
esta descrito en la ecuación 7:
Donde ρ es la densidad del compuesto=
, Λho es el calor de la reacción del polímero, W r=
es la fracción
másica de la resina, Ra es la velocidad de reacción de la resina utilizada =
en
este caso resina poliéster isoftalica, Vz es la velocidad de tirado de los hilos de fibra de
vidrio. Con la ecuación 7 es necesario obtener la velocidad de la reacción =
de
la polimerización (curado) que viene expresada en la ecuación 8 que involuc=
ra
la exotermina.
Dónde
Y
Dónde Ko es u=
na
contante,
En el proceso de extrusión de material compuesto, la
concentración de la especie de resina en la matriz de formación se rige por=
la
siguiente ecuación hiperbólica con fuente no lineal:
Resolviendo las ecuaciones 12 y 7 obtenem=
os
las temperaturas en las cuales los iniciadores para el proceso de
polimerización son óptimos lo que nos impide que la polimerización se de en=
el
tanque de resina. En la tabla 2 obtenemos dichas temperaturas con las que se
trabaja.
Tabla 2. Zo=
nas
de calentamiento.
|
|
Zona 1 |
Zona 2 |
Zona 3 |
|
Temperatura (°C) |
70 |
120 |
170 |
|
Longitud (mm) |
280 |
220 |
200 <=
/span> |
Fuente:
Adaptado.
La transferencia de calor indicada en el
molde se puede observar en la figura 10 con lo que se considera una tempera=
tura
ambiente de 20 °C.
Figura
4.
Transferencia de calor en el molde.
Elaborado
por:
Grupo de Investigación.
.
=
Sistema
de halado.
Para el siguiente proceso de obtención del
perfil se utilizó una máquina de extrusión de seis toneladas en el arrastre=
con
lo que gracias a su sistema automatizado permite obtener velocidades de 0.0=
5 a
0.4 m/min por lo que va a permitir la adecuada velocidad para el curado. La
máquina está provista de un sistema reciprocante. El corte de la perfileria se lo hace de manera manual con disco de <=
span
class=3DSpellE>widia
El número de bobinas para cubrir de una
manera óptima a la sección transversal es de 146 por lo que a la disposición
dentro del área es necesario distribuirlo de tal manera que pueda cubrir la
mayor parte del área para no tener espacios en exceso entre los hilos con lo
cual se cuenta ya con un diseńo de un pre-conformador que se adapte de mejor
manera al proceso. Otro de los datos para el proceso con el que contamos son
las temperaturas ya que las ecuaciones que se tienen en el apartado anterio=
r me
proveen de las temperaturas necesarias para conseguir un curado recomendable
estas temperaturas están en el molde.
Otra de las variables que al modificarla
provoca cambios sustanciales en las propiedades del perfil que se está
estudiando es la mezcla de la resina con sus aditivos. Una variación de sus
iniciadores de polimerización cambia las temperaturas de trabajo porque a
través de diferentes pruebas se tiene la siguiente concentración de la resi=
na isoftalica y las concentraciones que los fabricantes
recomiendan están expresada en los siguientes puntos.
Para la concentración de la mezcla:
ˇ&nb=
sp;
Resina poliéstres isoftalica la que va a ser nuestro estándar en porcen=
taje
de peso es decir en 1000 g
ˇ&nb=
sp;
Iniciador para temperatura baja Percadox 16 la concentración recomendada es 0.5 a 1.5=
%.
ˇ&nb=
sp;
Iniciador TBPO la concentración recomenda=
da
es 0.5 a 0.25 %.
ˇ&nb=
sp;
Iniciador TBPB la concentración recomenda=
da
es 0.5 a 0.25 %.
ˇ&nb=
sp;
Pigmento Amarillo para resina poliéster
0.5-2.5%
ˇ&nb=
sp;
Carbonato de calcio, se debe poner entre =
un
10 30 %.
ˇ&nb=
sp;
Talco industrial, las cantidad recomendad=
es
10 30 %.
ˇ&nb=
sp;
Alumina
Para las zonas de calor:
ˇ&nb=
sp;
Zona 1: 60 - 80 °C.
ˇ&nb=
sp;
Zona 2: 100 -120 °C.
ˇ&nb=
sp;
Zona 3: 150 -180 °C.
Para la velocidad de arrastre de los pullers.
ˇ&nb=
sp;
Velocidad: 0,1 0,4 m/min.
Después de realizar 10
pruebas se ajustaron los parámetros necesarios para poder obtener un perfil
estable tanto dimensionalmente y sin contracciones.
Tabla 3.=
Parámetros óptimos para la
obtención del Tubo.
|
EXP. |
PARÁMETROS
VARIABLES |
|||||||
|
Preparación
de la resina |
Temperaturas
de las Zonas de Calor (°C) |
Velocidad
de tracción de los pullers. (m/min) |
||||||
|
10 |
Material |
Peso
(g) |
% |
Z1 |
Z2 |
Z3 |
0,15 |
|
|
Resina |
1000 |
- |
70 |
120 |
170 |
|||
|
Iniciador
P16 |
5 |
0,5 |
||||||
|
Iniciador
TBPO |
5 |
0.5 |
||||||
|
Iniciador
TBPB |
2.5 |
0.25 |
||||||
|
Pigmento
|
50 |
2 |
||||||
|
Carbonato |
20 |
20 |
||||||
|
Talco
industrial |
10 |
10 |
||||||
|
Alumina |
1 |
1 |
Elaborado
por:
Grupo de Investigación.
Las propiedades de los materiales compues=
tos
fabricados por extrusión dependen del contenido de fibra de vidrio, del tip=
o de
resina y sus aditivos asi como de la fibra de v=
idrio
que recubre exteriormente el perfil com lo es <=
span
class=3DSpellE>mat (velo) y su forma, es decir, la forma del entrama=
do que
pueden ser dispersas o tejidas. La resistencia del perfil depende en gran
manera del contenido de fibra de vidrio con una conclusión que entre más fi=
bra
de vidrio tenemos más resistencia.
El trabajo realizado en este trabajo es d=
e un
tubo cuadrado con fibras contin=
uas
de roving que están a lo largo del perfil como =
se
observa en la figura 5 cabe recalcar que el material del perfil es de tipo
anisotrópico, esto significa que la resistencia no es la misma en todas s=
us
direcciones, ya que es un perfil laminado que está compuesto de fibra
unidireccional y resina poliéster.
Figura
5.
Direccionamiento de hilos dentro de la sección transversal.
Elaborado
por:
Grupo de Investigación.
En la tabla 4, se muestra los valores ref=
erentes
a tracción y flexión de cada proceso descrito y lo valores de trabajos
anteriores.
Tabla 4. Propiedades mecán=
icas
de varios procesos.
|
Proceso<= o:p> |
Gl=
ass <=
span
class=3DSpellE>fiber % |
ρ =
|
σ tracción |
Módulo tracción |
σ flexión |
Módulo
flexión |
|
Filament wound |
80 |
2,07 |
551,58 |
27,57 |
689,47 |
34,47 |
|
Moldeo compresión |
22 |
1,82 |
41,36 |
12,06 |
88,25 |
10,89 |
|
Extrusión |
65 |
1,68 |
58,28 |
11,56 |
- |
- |
|
Inyección |
22 |
0,18 |
33,78 |
10,55 |
87,56 |
9,92 |
|
Hand lay-up |
30 |
1,35 |
86,18 |
6,89 |
193,05 |
5,17 |
Elaborado
por:
Grupo de Investigación
En la tabla 5, se tiene los valores
anteriormente obtenidos.
Tabla 5. Propiedades mecánicas.
|
Mpa |
|
|
modulo a flexión |
2.14 |
|
esfuerzo a flexión |
46.23 |
|
Módulo a Tesión |
11.56 Gpa |
|
Esfuerzo a Tensión |
58.28 |
Elaborado
por:
Grupo de Investigación
Ahora es necesario recordar los valores p=
ara
el material pultruido que recomienda la EPTA (<=
span
class=3DSpellE>the European Pultrusion
Technology Asocciation)
cabe destacar que esta asociación reúne a los grandes productores de perfil=
de material
comuesto a nivel mundial. La figura 6 tiene los
valores recomendados y es necesario compararlo con los valores del material
analizado.
Figura
6.
Propiedades de materiales compuestos según la EPTA
|
|
|
1,65
- 2,25 g/cm2 |
|
|
|
44
/ 500 N/mm2 |
|
|
|
200
/ 300 N/mm2 |
|
|
|
17500
/ 25000 N/mm2 |
|
|
|
12000
/ 1700 N/mm2 |
|
|
|
24
/ 350 N/mm2 |
|
|
|
430
/ 900 N/mm2 |
|
|
|
6
/ 200 N/mm2 |
|
|
|
2,20
% |
|
|
|
1,60
% |
|
|
1,5-5
* 106ᴧ-xKᴧ-=
1 |
|
|
|
|
1,16
/ 2,5% |
Elaborado
por:
Grupo de Investigación
Como se puede observar en la comparación =
de
los valores que existe una diferencia en los valores recomendados por la EP=
TA,
por lo que ellos utilizan procesos de producción de última tecnología así c=
omo
distintos refuerzo e iniciadores por lo que estos valores son considerablem=
ente
altos.
Conclusiones.
Se tiene que las variables del proceso de pultrusión como es la disposición de los hilos, concentración de resina, =
las
temperaturas en el molde, y la velocidad de arrastre del proceso son
determinantes en la obtención del proceso. Necesario trabajar con los inici=
adores
corrector ya que se puede tener un plimerización
prematura lo que dańa absolutamente todo el proceso. Así como una velocidad
alta produce burbujas de aire por donde puede crear fracturas en el materia=
l lo
cual no es deseable. Para mayor resistencia en el perfil y aumentar las
propiedades en las diferentes direcciones (recordar que estamos trabajando =
con
un material anisotropico) es necesario recubrir=
lo con
un velo o mat que puede tener la forma tejida o
dispersa. El trabajar con fibras de hilo roving de grado S sería mejor ya que tendríamos mejor=
es
propiedades del elemento. =
Es
importante ajustar el modelo para que pueda utilizarse con otro tipo de res=
inas
por lo que para aplicaciones industriales de alta carga se utiliza una resi=
na epoxica. La modelación matemática del proceso es nece=
saria
para controlar de una manera recomendable las variables.
Agradecimiento.
Esta investigación no ha=
bría
sido posible sin el apoyo de la empresa AISA
COMPOSITES por lo que agradecemos la disposición por buscar mejoras
tecnológicas por el bien de la sociedad.- Además este trabajo investigativo=
es el fruto del esfuerzo conjunto de conocimient=
os y
experiencias laborales de los Ingenieros Fabián Sánchez, Marcelo Castillo,
David Bravo, Patricio Abarca. Con estas líneas queremos mostrar nuestro agradecimiento a todas aquellas personas que sup=
ieron
orientar nuestra investigación de una manera exitosa.
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=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
Para citar el artículo indexado.
=
Sánchez E., Castillo E., Bravo V. =
& Abarca E. (2018). Análisis del proceso de extruido de un t=
ubo de
material compuesto en resina isoftalica y fibra=
de
vidrio. Revista electrónica Ciencia Digital 2(2), 334-347. Recuperado desd=
e: http://cienciadigital.org/revistacienciadigital=
2/index.php/CienciaDigital/article/view/104/97
El artículo que se
publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente
reflejan el pensamiento de la Revi=
sta
Ciencia Digital.
=
=
El
articulo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
=
[1]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador,
esanchez_c@espoch.edu.ec
[2] Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo, Chimborazo, Ecuador, edison.castillo@espoch.edu.ec
[3]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador,
[4]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo, Ecuador,
edison.abarca@espoch.edu.ec