![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image072.gif")
Análisis de ensay=
os
destructivos de una platina de material compuesto en resina poliester
isoftática y fibra de vidrio para aplica=
ciones
automotrices.
Analysis
of destructive tests of a plate of composite material in isophthalic polyes=
ter
resin and fiberglass for automotive applications.
Edgar Fabián Sánchez
Carrión.[1], Edison Marcelo Castil=
lo
Cárdenas.[2], Víctor David B=
ravo
Morocho.[3]&
Juan Marcelo Ramos Flores. [4]
Recibido:
23-04-2019 / Revisado: 25-05-2019 /Aceptado: 24-06-2019/ Publicado: 05-07-2=
019
Abstract: &nb=
sp; =
<=
span
style=3D'mso-tab-count:1'> =
DOI: https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v=
3i3.648
=
The present work analyzes a platen in a process of extrusion of mater=
ial
composed of resin and fiberglass, which is a process for obtaining profiles=
of
constant section based on composite materials by means of fiberglass
reinforcement and thermostable matrix. . An
experimental study was established under tensile and flexural loads to obta=
in
the characteristics of the stage, in which the characteristics of the compo=
site
material were obtained. It is important to detail the characteristics to ob=
tain
a suitable resulting product to obtain the necessary characteristics in ord=
er
to compare their characteristics. results with other similar materials.
Keywords: Composite Material, Fiber Reinforced Pla=
stic
(Frp), Fiberglass, Concurrent Design, Simulatio=
n.
Resumen:
El presente trabajo se analiza una platina en un proceso de
extrusión de material compuesto por resina y fibra de vidrio, 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 mat=
riz
termoestable. Se estableció un estudio experimental bajo cargas de
tracción como de flexion para obtener la=
s caracterisicas de la platina, en el cual se obtuvo la=
s carcteristicas del material compuesto es importante
detallar las carcateristicas para obtener un pr=
oducto
resultante adecuado para obtener las caracteristicas
necesarias para asi comparar sus resultados con=
otros
materiales similares.
Palabras claves: Material Compuesto,
Introduccion<=
/o:p>
Un material compuesto está conform=
ado
por dos o más materiales que son diferentes entre sí, para lo
cual existen diferentes métodos de fabricación. El proceso de=
extrusión
también llamado pultrusión, de este tipo de materiales de mat=
riz
termoestable, se esquematiza en la figura 1 y consiste en que fibras de vid=
rio
pasen por un recipiente que contiene resina, en la cual las fibras se satur=
an y
pasan por un conformador (molde) en el que se da la sección deseada =
todo
este conjunto resina/fibra es tirado por un sistema hidráulico. Cuan=
do
la resina que está cargada de rellenos, acelerantes, agentes
desmoldantes, pigmentos y aditivos pasa por el molde calefaccionado activan=
do
la polimerización de la resina (curado). Las resinas que se utilizan=
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
![3D"Resultado](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image073.jpg")
Fuente: Strongwell Corporation.<= o:p>
Al
poder crear cualquier tipo de sección transversal de manera constant=
e y
de longitud que deseemos es significativa que sus cara=
cteticas
mecanicas sean lo suficientemente superiores co=
mo
para competir con materiales tradicionales en cararter=
iticas
y precio. Dentro de sus ventajas tenemos que su densidad es baja y su baja =
conductividad
térmica y eléctrica y el nulo matenimien=
to;
es por ello que es un material importante de caracterizarlo.
Importancia del problema
En los
últimos años se ha experimentado un grande crecimiento en la
industria de los materiales compuestos pensando en sus diversos usos y en l=
as
diferentes aplicaciones industriales es por ello que tener un conocimiento =
de
sus capacidades mecánicas es de vital importancia para comprender sus
usos.
La importancia=
de
este tipo de material se ve en sus múltiples ventajas frente a los
materiales ya conocidos, como su propiedad a la corrosión, peso, con=
ductividad
eléctrica y térmica, nulo mantenimiento y fácil
diseño e instalación. Los campos en los cuales ha estado
introduciéndose este material compuesto son las industrias como
aeroespaciales, tecnología médica, construcción de
vehículos entre otras.
Es por ello qu=
e el
conocimiento a sus diferentes tipos de ensayos se vuelve importante para po=
der
entender el uso y la importancia de dichos materiales para su uso en los
diferentes tipos de industrias.
Metodología
En
el siguiente estudio se centrara en una platina,=
por
lo que es necesario tener un diseño detallado del elemento y la
distribución de la resina y de los hilos de fibra de vidrio para ten=
er
una repartición adecuada para obtener los mejores característ=
icas
mecánicas. Es importante precisar que estos diseños son
detallados y se ajustan a las características de la máquina p=
ara
poder tener un elemento de alta calidad.
En
la platina analizar es necesario precisar que el volumen de resina va a ser=
del
30% de área y el 70% va a ser una mezcla de los rellenos en los cual=
es
tenemos la fibra de vidrio, talco industrial, pigmento entre otros.
Dosificación de la fibra de vidrio
Es
necesario tener en cuenta las características geométricas de =
la
platina para que el producto final obtenga una estabilidad dimensional
correcta, la distribución de la fibra dentro del perfil define que e=
n la
máquina ingrese correctamente y mantener la sección constante=
. La
cantidad de relleno que ingresamos esta defina por la ecuación 1.
Figura 2. Dimensiones del perfil pultruido=
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image074.gif")
.
Fuente: Grupo de investigación
En la ecuación 1 realizamos el
cálculo del área del perfil a diseñar para poder tener=
una
relación del área a cubrir el material compuesto.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image075.gif")
=
&n=
bsp; &=
nbsp; (1)
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image076.gif")
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image077.gif")
El
estándar internacional para la fabricación de este tipo de
material nos dicta que la matriz en la que va a ser fabrica como longitud
máxima tendrá un metro de longitud; la cual nos sirve para
obtener el volumen al momento de la fabricación de la platina con la
ecuación 2.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image078.gif")
&=
nbsp; =
&nb=
sp; (2)
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image079.gif")
En
la introducción de este trabajo se tiene la consideración que=
el
volumen total va a estar ocupado por el 70% por la fibra de vidrio y el
restante por la resina y sus aditivos. La fibra utilizada para el proceso es
una fibra tipo E (para obtener propiedades deseables) y el rendimiento es 2=
400
TEX, la resina es de tipo isoftalica con las siguientes característi=
cas:
Densidad de 1,21 g/cm3, resistencia a la tracción de 70 MP1 y
están ensayadas bajo la norma DIN53479; el resto de las propiedades
están descritas en la tabla 1.
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 (HDT) |
66 67 |
|
DIN
EN ISO 75 ASTM
D 648 |
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image080.gif")
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image081.gif")
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image082.gif")
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image083.gif")
Fuente: Adaptado datos del fabricante 2018.
Con
el supuesto de que el perfil tiene el 100% de su sección constante l=
lena
de resina tenemos la siguiente ecuación que tenemos la masa en peso =
de
la platina estudiada.
|
|
(2) |
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image084.gif")
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image085.gif")
Como
se considera al inicio el 70% en peso se tiene:
=
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image086.gif")
=
&nb=
sp; =
(4)
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image087.gif")
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image088.gif")
Con
estos datos es necesario encontrar el número de hilo para lo cual
utilizamos la ecuación 5.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image089.gif")
=
&nb=
sp; =
&nb=
sp; (5)
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image090.gif")
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image091.gif")
Con
lo cual obtener 32 hilos los cuales van a ser distribuidos en la secci&oacu=
te;n
de la platina como se lo indica en la figura 3.
Figura
3.
Disposición de hilos dentro de la sección transversal.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image092.gif")
Fuente: Grupo de investigación
Los datos complementarios para obtener
nuestra platina de análisis se lo tienen en la tabla 2, la cual tiene
provista las velocidades de halado, las temperaturas de curado de la resina=
y
sus aditivos, y el volumen del tanque de resina.
Tabla 2. Pa=
rámetros
iniciales de máquina.
|
TANQUE=
DE
RESINA |
0.032<= o:p> |
Litro/=
cm3 |
||
|
=
|
|
|
|
|
|
TEMPER=
ATURA
CURADO |
||||
|
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;mso-fareast-font-family:"Times=
New Roman";
color:black;mso-themecolor:text1;mso-font-kerning:0pt;mso-ansi-language:E=
S;
mso-fareast-language:ES'> |
Zona 1 |
Zona 2 |
Zona 3 |
|
|
Temperatura (°C)<=
span
style=3D'mso-spacerun:yes'> |
70=
|
120=
|
170=
|
|
|
Longitud (mm)<=
/b> |
280=
|
220=
|
200=
|
|
|
VELOCI=
DAD
PULLER |
0.200 |
M/min |
||
Resultados
Considerando
que el material compuesto es la unión de dos o más elementos
diferentes es necesario considerar que el que mayor volumen ocupa es la fib=
ra
de vidrio la cuela tenemos que deben ser treinta y dos elementos por lo que=
la
disposición dentro de la sección transversal debe disponerse =
de
tal manera que se cubra la mayoría de la misma para no tener interva=
los
separados. El diseño del pre conformador es necesario que lleve la
disposición dispuesta en este trabajo para que se pueda producir los
esfuerzos deseados.
Un
elemento que debemos cuidar es la saturación de los hilos con resina=
, es
por ello que al mezclar la resina con los otros componentes es necesario qu=
e su
exotermia sea controlada para lo cual procedemos a la tabla 3 para ver las
concentraciones utilizadas y con las cuales fueron realizados en este estud=
io.
Tabla 3. Pa=
rámetros
iniciales de resina.
|
MEZCLA=
A |
|
|
=
|
Peso[g] |
|
Resina poliést=
er isoftalica |
1000 |
|
Percadox=
16 |
1% |
|
TBPO |
0.50% |
|
TBPB |
0.25% |
|
Talco industrial |
20% |
|
Alúmina=
|
1% |
Fuente: Grupo de investigación
.
=
Después =
de
realizar las pruebas de mezcla y tener controlada la exotermia se tiene lis=
ta
la máquina para producir la platina en la cual se va a ensayar. Es
importante respetar los parámetros para obtener el perfil con
estabilidad dimensional y las características necesarias.
Figura
4.
Platina obtenida por la máquina.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image093.jpg")
=
Fuente: Grupo de investigación
.
Con lo realizado en e=
ste
estudio nos podemos basar en la regla de las mezclas que se presenta en la
ecuación 6 para poder obtener las características con lo cual
vamos a analizar de forma longitudinal en dirección al sentido de las
fibras. Lo primero que analizamos es la resistencia a la tracción.
=
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image094.gif")
&n=
bsp; =
; &n=
bsp; =
; &n=
bsp; (6)
=
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image095.gif")
=
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image096.gif")
Con la m=
isma
ecuación calculamos el módulo de elasticidad para obtener el
equivalente en el material compuesto en forma de platina.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image097.gif")
Cabe
recalcar que la platina ensayada va a ser probada bajo las normas ASTM D3039
que nos sirve para Métodos de ensayo para determinar las
propiedades de materiales compuestos de matriz polimérica reforzado =
con
fibras de alto módulo y la ASTM D 7264 las cu=
al Mé=
;todos
de ensayo para determinar la rigidez a flexión y las propiedades
mecánicas de compuestos de matriz polimérica.
Discusión
La
platina ensayada en este elemento es necesario saber que estamos tratando de
materiales anisotropicos es decir que en cada uno de sus ejes es diferente =
el
tipo de resistencia que brinda, lo que es evidente en por la disposici&oacu=
te;n
de las fibras de vidrio en el material compuesto. En la platina estudiada es
necesario entender que los ensayos ASTM D 3039 va a ser realizado en el en
dirección de las fibras de vidrio y en el ensayo ASTM D 7264 va a ser
ensayado en su eje transversal por lo que la regla de las mezclas debe
considerar los ejes.
En la figura 5
podemos observar la disposición de la fibras en
el eje a ensayarse por lo cual es donde la tensión está
directamente ensayada en los hilos de fibra de vidrio es por ello que se te=
nía
en el preconformador la disposición para que se encuentre bien
distribuida en el perfil.
Figura
5.
Direccionamiento de hilos dentro de la platina.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image098.gif")
Fuente: Grupo de investigación
Los
valores referenciados que admite EPTA (the European Pultrusion Technology
Asocciation) se ingresan en la figura la cual nos orientara en los valores
obtenidos por nuestra platina.
Figura
6.
Propiedades de materiales compuestos según la EPTA
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image099.jpg")
Fuente: EPTA.
En
la tabla 5, se tiene los valores anteriormente obtenidos de trabajos anteri=
ores
y podremos obtener resultados más fiables.
Tabla 4. Propiedades
mecánicas del material compuesto.
|
Mpa |
|
|
modulo a flexion |
2.14 |
|
esfuerzo a flexion |
46.23 |
|
Módulo a Tesió=
;n |
11.56 Gpa |
|
Esfuerzo a Tensión |
58.28 |
Tomandolos valores anteriormente
calculados y comparándolos con los valores referenciados podemos
ingresarlos a un software y calcularemos su carga y sus esfuerzos.
Con=
los
datos que se obtienen del material ensayamos la platina en un simulador y
obtenemos los siguientes resultados, en los que se observa en donde el mate=
rial
comieza a fallar dándose su rotura asi como los valores máximos que se requiere y=
es
188.1 MPa lo cual esta por debajo de los EPTA n=
os
proporciona, pero mayor al esfuerzo en el material que nos da 58.28 MPa. Ba=
jo
estas condiciones tenemos que el factor de seguridad es de 2.4 como lo indi=
ca
la figura 8.
Figura
7.
Platina simulada en condiciones de norma ASTM D 3039
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image100.jpg")
Fuente: Grupo de investigación
Figura
8.
Factor de seguridad de la platina simulada a tracción.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image101.jpg")
Fuente: Grupo de investigación
Al
considerar nuestra platina cen condiciones de
flexión tenemos que el resultado es 0.32 MPa lo cual esta
debajo de los nos recomienda la EPTA, pero pueden variar por los tipos de
refuerzo que introduzcan exteriormente cabe recalcar que este ensayo se lo =
hizo
sin Mat externo. Bajo estas condiciones tenemos que el factor de seguridad =
es
de 8.3 como lo indica la figura 10.
Figura
9.
Platina simulada en condiciones de norma ASTM D 7264
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image102.jpg")
Fuente: Grupo de investigación
Figura
10.
Factor de seguridad de la platina simulada a flexión.
![](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image103.jpg")
Fuente: Grupo de investigación
Com=
o se
puede observar en la comparación de los valores que existe una
diferencia en los valores recomendados por la EPTA, por lo que ellos utiliz=
an
procesos de producción de última tecnolog=
ía
así como distintos refuerzo e iniciadores por lo que estos valores s=
on
considerablemente altos.
Conclusión
·
=
Se
puede observar que mientras más fibras de vidrio obtenemos mayor res=
istencia
en la tracción es necesario este tipo de cálculos para poder
caracterizar el material y posteriormente aplicarlos a la sección de
estudio. Las variables de máquina se deben respetar para obtener las
características mecánicas deseadas, ya que alguna
variación por mínima que sea incide en el resultado final de =
la
misma. Una vez caracterizado el material es necesario llevarlo a un software
para poder caracterizarlo y asi poder observar =
que el
porcentaje de error para comparar y tener resultados fiables. Es neceario conocer todos los ensayos que se deben hacer
porque estamos tratatanto de materiales compues=
to
como se lo ha explicado anteriormente son materiales a=
isotropicos
los cuales en un posterior estudio se debe revisar sus resultados en el eje=
transversal
del elementos. Los resultados variarían <=
span
class=3DSpellE>consderablemente si es que la platina estuviera recub=
ierta
con un mat con un tejido entrecruzado para elevar sus =
propiedas
y las características en los ejes transversales se verían
beneficiados con este recubrimiento.
Agradecimiento
Esta investigación no habría sido pos=
ible
sin el apoyo de la empresa AISA
COMPOSITES por lo que agradecemos la disposición por buscar mejo=
ras
tecnológicas por el bien de la sociedad y la industria nacional.
Además este trabajo investigativo es<=
/span>
el fruto del esfuerzo conjunto de conocimientos y experiencias cientificas de los Ingenieros Fabián Sá=
nchez,
Marcelo Castillo, David Bravo, Juan Marcelo Ramos Flore=
s. Con estas líneas queremos mostrar nuestro agradecimiento a todas aquellas per=
sonas
que supieron orientar nuestra trabajo cientifico de
una manera correcta.
Referencias
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![3Deditorial1.png](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image104.jpg")
PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
S= ánchez Carrión, E., Castillo Cárdenas, E., Bravo Morocho, V., & Ramos Flores, J. (2019). Análisis de ensayos destructivos de una pla= tina de material compuesto en resina poliester isoftática y fibra de vidrio para aplicaciones automotrices. Ciencia Digital, 3(3), 324-336. https://doi.org/1= 0.33262/cienciadigital.v3i3.648
El art&iac=
ute;culo
que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital.
El artículo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en otro medio tiene que ser autorizado= por el director de la Revista Ciencia Digital.
![3D"logo_catalogo3b.jpg"](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image105.jpg")
![3D"Logo_cicncia_digital](3D"22Articulo_PLATINA.AlexAlta_archivos/image106.jpg")