INSTITUTO TECNOLOGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES
DE MONTERREY
CAMPUS ESTADO DE MEXICO
DIVISION DE GRADUADOS E INVESTIGACION
AílALISIS mECAíllCO DE un mUELLE TIPO BALLESTAS FABRICADO
Eíl RESlílA EPOXICA REFORZADA con FIBRA DE VIDRIO,
y PROPUESTA PARA su PROCESO DE mAnUFACTURA.
T
E
S
I
S
Que para optar al Grado de Maestro en Ciencias
con Especialidad en Sistemas de Manufactura
Presenta el lng. JAMES DE GOMAR RODRIGUEZ
Asesorado por el Dr. PEDRO A. TAmAYO mEZA
Jurado;
Presidente Dr. Lúcio Vázquez
Secretario Dr. Joaquín Oseguera
Sinodales Dr. Pedro Tamayo
Dr. Emil Liberman
ffiEXICO, JULIO DE 1991
INDICE:
RESUMEN
OBJETIVO
2
1.- ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION
3
2.- INTRODUCCION
7
3.- COMPORTAMIENTO DE LOS RESORTES DE HOJA
13
3.1.- Conceptos Básicos.
3.2.- Nomenclatura de los Muelles.
3.3.- Muelles Fabricados con Compuestos.
3.4.- Cálculo del Grosor Máximo del Muelle.
3.5.- Primera Alternativa Propuesta.
3.5.1.- Ecuaciones de Deflexión pare le Primera
Alternativa.
3.5.2.- Valores de les Constantes pare le Primera
Alternativa.
3.6. - Segunde A I ternet i ve P ropueste.
3.6.1.- Prototipo Estudiado.
3.7.- Cálculo de Coeficiente y Deflexión Máxime.
3.8.- Otras Consideraciones.
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30
31
4.- CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
33
4.1.- Comportamiento Elástico.
4.2.- Resistencia Ultime y Factores que le Afecten.
4.2. 1.- Resi stenci e UI time e I e Tensión.
4.2.1.- Resistencia Ultime e le Compresión.
4.3.- Comportamiento ente le Fatiga.
4.4.- Efecto de le Orientación de les Fibras.
4.5.- Cerecterístices de los Componentes.
4.5.1.- Reforzamientos.
4.5.2.- Aprestos.
4.5.3.- Matrices.
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23
5.- PROCESOS DE FABRICACION DE MATERIALES COMPUESTOS
5.1.- Moldeo Manual.
5.2.- Moldeo en Bolsa al Vacío.
5.3.- Moldeo por Compresión.
5.4.- Pultrusión.
5.4.1.- Pulformado.
5.5. - Devanado de Fi 1amentos.
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57
58
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63
6.- TECNOLOGIA EXPERIMENTAL
65
6.1.- Preparación de la Resina.
6.2.- Materiales Empleados para Construir los
Moldes.
6.3.- Producción de Probetas de Resina sin Reforzar.
6.4.- Técnicas de Moldeo Empleadas para Probetas
Rectas Tipo Hueso de Resina Reforzada.
6.5. - Producción de Blancas para Probetas Curvas.
6.6.- Maquinado de las Probetas Rectas.
6.7.- Producción de Probetas Curvas.
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66
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77
79
7.- METODOS DE ENSAYO EMPLEADOS EN LA INVESTIGACION·
7.1.- Ensayo Estético bajo Tensión.
7.2.- Ensayos bajo Flexión.
7.2.1.- Ensayo Estético bajo Flexión.
7.2.2.- Ensayo bajo Flexión Dinámica.
, 7.3.- ' c. i ces para el A•nélis.is de los Rpp)l ,S
ól>te ii!os.
~ . 1.- Análisis del Ensayo Estético bajo Tensión.
7.3.2.- Ensayo Estético bajo Flexión.
7.3.3.- Ensayos Dinámicos bajo Flexión.
a
6.- PRESENTACION V DISCUSION DE LOS RESULTADOS
OBTENIDOS
6.1.- Valores Calculados a Partir de la Teoría.
6.1.1.- Resina Epóxica sin Reforzar.
6.2.2.- Resina Epóxica Reforzada con Fibra de Vidrio.
8.2.3.- Ensayo bajo Flexión Estética.
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6.3.- Ensoyo B11jo Trocción Estiltico.
6.3.1.- Resino sin Reforzor.
6.3.2.- Resin!I Reforzodo.
6.4.- Ensoyo Estético bojo Fle><ión.
B.5.- Ensoyos bojo Fle><ión Dinámico.
6.5.1.- Comportomiento de lo Cerge vs. el Número
de Ciclos.
6.6.- Estudio de lo Vide de Fetige de los Prototipos.
9.- PROCESO DE FABRICACION PROPUESTO
9.1.- Esquemo Generol del Proceso de Fobricoción
9.2.- Requisitos de lnfreestructure poro el Sistemo
de Fobricoción.
9.3.- Preporoción de lo Resine.
9.4.- Preporoción de los Moldes.
9.5.- Proceso de Febriceción de los Muelles.
9.5.1.- lmpregnoción de lo Fibre de Vidrio y
Devonodo de lo Preformo.
9.6.- Moldeo y Curedo de lo Resine.
9.7.- Acebodo del Muelle.
10.- CONCLUSIONES ALCANZADAS V SUMARIO
10.1.- Reloción Mecilnico entre el Prototipo y el Muelle
e Escolo Complete.
10.2.- Conclusiones y Observeciones Derivodes de los
Experimentos.
10.3.- Conclusiones Generoles.
11.- TEMAS PARA INVESTIGACION POSTERIOR
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155
APENDICE.
A.1.- Curvo Elástico E><ecte del Prototipo Estudiodo.
156
LISTA DE SIMBOLOS V ABREVIATURAS.
161
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
163
BIBLIOGRAFIA ADICIONAL.
166
)(
RESUMEN
El proyecto de investigacion que aquí se presenta se enfoca al
estudio de las carecterístices y comportemiento de le resina epóxica
reforzade con fibre de vidrio tipo E, como posible meteriel substituto del
acero en algunos elementos automotrices y, en particuler, en suspensiones
tipo ballesta.
Primero se plantea el comportamiento teórico tanto del compuesto
vidrio - resina, como el de dos diseños de muelle construidos con este
materiel, y se propone para estos últimos une serie de parámetros y
ecueciones de diseño, e pertir de los requisitos de comportemiento del
muelle utilizado.
Dentro de la parte experimental, se estudió el comportemiento
mecánico bajo tensión estática de la resina epóxice sin reforzemiento y
con veries fracciones volumétricas de reforzamiento. Se estudió de igual
forme el comportamiento de un modelo a escala de uno de los muelles, bajo
diferentes condiciones de carga dinámica (fatige). Se presentan, enelizen
y discuten los resultados obtenidos.
Finalmente, con base en le investigación bibliográfica y los
experimentos realizados, se propone un esqueme sencillo para la
menufecture de muelles de este tipo.
OBJETIVO
El objetivo de esto investigoción es estudior 16 resino epóxico
reforzodo con fibro de vidrio, como posible substituto del ocero en lo
f obri coci ón de mue 11 es tipo bol l esto poro vehículos outomóvi Ies.
En este trobojo se pretende lo siguiente:
1.-
Estudior experimentolmente los corocterísticos de 16 resina epóxico
reforzodo con fibro de vidrio, con diferentes porcentojes de los
componentes, comporor los resultodos con oquellos obtenidos
6
portir de
cálculos teóricos y proponer posibles rozones pere les desviociones
observe des.
2.-
Obtener prototipos de muelles de hoje menufacturedes con el
meterial anteriormente mencionado, y estudier su comportemiento en la
méquino universol dinémice lnstron 8502, ente diversas situeciones de
fatiga, se anelizan y discuten los resultedos obtenidos.
3.-
Con base en las experiencias obtenidas durente le fabricación de les
muestres experimentales y en investigación bibliogréfice, se propone un
método sencillo para lo manufacturo de este tipo de muelles, con viste a
ser mejorado en el futuro.
4.-
Proponer, si es posible, recomendaciones en cuento ol manejo de les
fibras de vidrio y de le resina se refiere, con el objeto de optimizar y
prefeccionar aún més la calidad de los objetos obtenidos.
2
CAPITULO •
1.
ANTECEDENTES DE LA INYEST(GACION
El uso de polímeros y plásticos reforzados con fibras (PRF) en el
campo de la industria automotriz no es de concepción reciente. En las
pasadas dos o tres décadas, investigadores e industrfeles en Estados
Unidos y Europe han estudiedo el probleme y propuesto soluciones que en la
ectualided son comunmente empleadas en todo el mundo.
El· objeto del empleo de meteriales no metélicos en piezas que por
tradición son fabricades en ecero u otros metales reside en que algunos
elementos fabricados en el primer tipo de materiales operan más
eficientemente y son más seguros. Estas mejoras en la efi ciencia y la
seguridad se reflejan en una reducción de peso del vehículo, en una mayor
durebilidad, en una mejor resistencia e le corrosión, en una mejor
etenuación de las vibraciones y costos menores de mantenimiento.
El uso de PRF en los automóviles en los Estados Unidos se incrementó
desde dos libras por vehículo en 1950, a 165 libras por vehículo en 1975, y
tal cifra ve en aumento. Uno de los fcctores que han provocado la búsquedc
de nuevos usos pere estos materiales en los automóviles, tanto de hoy
como del futuro, es le imperiosa necesidad de incrementar la eficiencia
del consumo de combustible del vehículo, e través de la reducción del peso
vehicular.
El público consumidor y las agencias gubernamenteles, se
sienten cada vez más etraidos hacic vehículos con desempeño eficiente. Si
bien es cierto que esto se ha logrcdo en parte reduciendo el tamaño de los
automóviles, este solución tiene varios límites, como son la comodidad de
los pasajeros y la capacidad del vehículo en general.
En vehículos de
transporte público de pasajeros o bien en equéllos destinados al transporte
de cargc, la reducción del tamaño no es una solución frecuentemente
aprovechable. ( 1)
3
Desde el punto de viste del material mismo, los plésticos reforz6dos
y los meterieles compuestos en generel presenten hoy die propiededes y
cerecterístices muy superiores e les de meteles como el ecero y el
eluminio, kilo por kilo, cuenda se tiene en cuente le energíe neceserie pere
producirlos.
Les primer"es epliceciones de los PRF modernos en eutomóviles se den
e fines de los eñes 70's, cuenda le emprese Ford Motor Compeny
experimentelmente reempleze gren perte de les piezes de le cerroceríe y
del bestidor de un vehículo Ford LTD modelo 1979 con piezes formedes por
plésticos termofijos reforzedos con fibres de grefito.
En este
experimento se pretendió obtener les mismes cerecterístices mecénices
bejo torsión y flexión que en el modelo originel, empleendo le misme
geometríe bésice, e tiempo que se redujere el peso y el número de piezes
empleedes.
Fig. 1. 1.- Gt1C Corvelle, t1odel o 199 1.
4
Por otra parte, Volkswagen AG (Alemania) presenta el modelo VW
Auto 2000 que, aún cuando no hace uso de todas las mejoras posibles en
materiales, presenta innovaciones en el uso de poi ímeros y PRFs en el
automóvil.
Méls reciente todavía es el uso de materiales compuestos en la
fabricación de elementos mecélnicos y estructurales de automóviles. El
vehículo pionero en estas aplicaciones fué el Corvette de GMC (fig. 1.1 ), el
cual despertó el interés sobre el uso de la fibra de vidrio en vehículos con
mayor peso, como camionetas y camiones ligeros, y aún en camiones de
grandes dimensi~nes.
En estas aplicaciones se encuentran muchas
oportunidades pera reducir el peso vehiculer hasta por centenares de
kilogramos, con el consecuente ahorro en costos, tanto de manufactura
como de mantenimiento.
En los últimos días, han sido motivo de gran atención de los
diseñedores de eutomoviles, como cendidatos principeles pare le
substitución de metales por meterieles reforzedos, los ensambles de
suspensión, lienzos de le carrocería, cerdenes y, méls recientemente,
elgunes partes del motor y de le transmisión. El uso de PRFs en piezes de
motor y transmisión tiene les ventejes de permitir ahorros en meno de
obre el eliminar maquinedos y terminados, reducción del peso en hasta un
50:C, protección contra le corrosión, mejor eficiencia y varios otros
puntos. (2)
En le actualidad, muchas partes de les carrocerías de toda clase de
vehículos son formadas e partir oe SMC (sheet molding compound) o bien de
fibra de vidrio con resine de poliéster termofijo moldeados menuelmente.
Los elementos estructurales, especialmente en vehículos empleados en
México, siguen siendo, sin embt1rgo, de acero.
El uso de meterit1les
compuestos o de PRF en los muelles de suspensión de camiones ligeros es
un punto donde 1Bs ventajas anteriormente señaladas serían aplicables.
5
Desde fechas enteriores a 1980 estos estudios, se han concentrado
basicamente en los Estados Unidos. En el año de 1984, la empresa Rassini
Rheem, S. A. estableció contactos con The Budd Company, de los Estados
Unidos, con objeto de llegar a un acuerdo que permitiera a Rassini Rheem,
S. A. manufacturar en México, empleando tecnología de The Budd Company,
los muelles de fibra de vidrio y de PRF híbridos, con vista a satisfacer la
futura demanda que en México tendrían estos bienes.
La presente investigación emana del interés mostrado por el ITESM CEM, en el desarrollo de un elemento mecilnico de esta especie.
En el
Instituto se han llevado a cabo algunas investigeciones a este respecto,
como la modelación de un posible diseño del muelle a través de la técnica
de elementos finitos (3). Los diseños propuestos a continuación son mas
sencillos que los manejados en la referencia (3), con respecto a su sistema
de manufactura.
6
CAPITULO • 2.
INJRQPUCCIPN
En fechas recientes, el interés de los estudiosos de le ciencia y de
la ingeniería de los materiales, en lo que respecta al desarrollo de nuevos
materiales, se ha centrado sobre los materiales compuestos reforzados
con fibras. Los compuestos presentan módulos y resistencias específicas
considerablemente más grandes que otros materiales pera ingeniería. He
surgido incluso la posibilidad de diseñar los materiales como funcion de
las partes y objetos que han de formar.
Por este rezón tienen gran
demanda en la industria aeroespacial y aeronáutica, debido a le necesidad
cada vez mayor de desarrrollar estructuras mils ligeras, aumentar la
capacidad de carga y mejorar la economía de combustible. (4)
Los
materiales
compuestos
difieren
de
los
materiales
convencionales para ingeniería por la edición hecha a un material de un
segundo material con objeto de proporcionarle características de
desempeño que no son logrables con el material sin modificar. Le segunda
rase puede añedi rse para proporcionar fuerza y r1 gi dez, pare i ncrementer
le tenacidad, pera controlar la expansión térmica del material, y con
muchos otros propósitos.
Puede considerarse, en términos generales, que un material
compuesto es una combinación macroscópica de dos o mes materiales
distintos, los cuales presentan une interfase reconocible entre ellos. Sin
embargo, debido e que los compuestos son comunmente buscados por sus
propiedades estructurales, le definición puede restringirse unicamente e
aquellos materiales que contienen un reforzamiento apoyado por un
material de unión (5). Una posible definición pare un material compuesto
sería, entonces, ·une substancia que conste de dos o mils materiales
físicamente distintos, separables mecánicamente, que puede fabricarse e
partir de la mezcla controlada de sus componentes, encaminada e alcanzar
7
propiedades óptimas, las cuales seriln superiores, y posiblemente únices
en algún aspecto, a las que presentein los materiales componentes por
separado·. (6)
Los materiales compuestos pueden clasificerse como:
1.- Materiales Compuestos Naturales: Incluye este grupo la mayoría de los
materiales de origen animal y vegetal, como la madera, los huesos, el
bambú, etc.
2.- Microcompuestos: Son materiales artificiales que por su naturaleza
presentan una serie de fases que pueden considerarse como matrices y
reforzamientos sin que necesariamente se haya tenido tal cosa en mente al
manufacturarlos: aleaciones metálicas, termoplésticos reforzados, etc.
Tanto en este tipo de materiales como en los meteriales compuestos de
origen natural, las propiedades obtenidas se deben a una dispersión muy
fina de las fases componentes.
3.- Macrocompuestos: Son materiales fabricados expresemente .para que
presenten las características de los materiales compuestos.
Las
propiedades de estos materiales pueden modificarse a partir de la mezcla
controlada de las fases constituyentes durente el proceso de su
manufactura. Sus fases, en la mayoría de los casos, son diferenciables a
simple vista; por ejemplo, hormigón armado, fibra de vidrio, plásticos
reforzados, etc. (7)
El uso por el hombre de los materiales compuestos data de tiempo
inmemorial.
Los materiales compuestos se desarrollaron debido a la
ausencia de un material homogéneo único que tuviera todas les
características deseables para una aplicación dada.
El adobe, que es un
material compuesto formado por una fase cerémice (barro) reforzada por
un material compuesto de origen natural (paja), fué ya empleado por los
Egipcios, Caldeos, Chinos y otros pueblos de la Antigüedad, y su uso es aún
. muy común en nuestros días. Otro ejemplo lo constituye el uso de metales
8
laminados en le fabricación de armes, en Espeñe, Japón y Chine.
El desarrollo de los materiales compuestos modernos empieza el
inicio de le décede de los años cuerente, 61 emple6rse 16 fibra de vidrio
como meteri61 de refuerzo pere plilsticos.
Les necesid6des milit6res
ocurrides durente le Segunde Guerr6 Mundi61 dieron un fuerte impulso 61
des6rrollo de meterieles nuevos, sobre todo en el c6mpo de 16 6Vi6ción.
Entre los miis conocidos de estos m6teri61es se encuentr6n 16 fibr6 de
vidrio y Je meder6 contrech6p6d6.
Los años cincuent6 fueron un período en que los m6teri6les
compuestos y los pliisticos reforz6dos se 6plic6ron en gr6n esc6le en les
industries eeroniiutice y 6eroespeciel: hélices per6 aviones, rotores pera
helicópteros y miembros estructurales son solo algunos ejemplos del uso
que reciben los compuestos en este iiree de le ingeniería.
Considerando 16 diferencie que existe entre los materiales
componentes de los compuestos, y le menere en que se empleen, dentro de
ellos pueden distinguirse tres fases o componentes estructurales
principales, e saber:
1.- Matriz. Est6 es un6 fase continua que tiene como funciones der
le forme necesaria el material que constituye el objeto, mantener le
posición del reforzamiento, y transferir les c6rges eplicedes el meteriel, e
trevés de elle. Ademes, protege el reforzemiento, que en muchos cesos es
frilgil, contra le abrasión y le corrosión ambiental, que pueden iniciar su
fracture.
En los compuestos con reforzamiento fibroso, si ocurre le
fracture de une porción del reforzamiento, esto es, de une o miis fibras, le
matriz redistribuye le cerge eplicede sobre los filamentos adyacentes.
2.-
Reforzamiento.
El reforzamiento en términos de fibras
unidireccionalmente orientedes es le fase que otorga el compuesto el
mayor incremento en le resistencia. El elemento reforzente puede ester
presente de veries maneras, cede une de les cueles proporcione une serie
g
de
características
particular til
material:
fibras,
"whiskers"
(monocristales), hojuelas o esferas. Así, los reforztimientos fibrosos, que
son nuestro objeto de estudio, tienen como función principtil el soporter
los esfuerzos transferidos a ellos por la matriz, incrementendo le
resistencia del mtiterial.
Este tipo de reforztimiento es el més
comunmente empleado en mtiteritiles compuestos ptira ingeniería.
3.- lnterftise. De este manera se denomina lo unión que se generti
entre la matriz y el reforzamiento.
Puede controlorse su formtición,
duronte el proceso de menufecture, pero lograr les propiedtides deseedtis.
Es le perte del compuesto e trevés de la cual la matriz transmite los
esfuerzos el elemento reforzente. Tomtindo en cuente les cerecterístices
de los meterieles que formen diches feses, le unión o interfese puede ser
formeda por enleces de netureleze química o por difusión mutue de los
étomos que formen e le matriz y el reforzamiento. En los compuestos con
matriz polimérice, le superficie del reforzamiento se encuentre tretede
con un agente de unión, conocido como apresto que, edemés de proteger el
mtiteriel durente su manipulcición, sirve pere formar le unión químice que
constituye le interfase. Este epresto debe ser compatible químicemente
con el polímero ptirticuler que forme le metriz.
Los compuestos reforzados con fibres contienen reforzemientos
cuyo lergo es mucho meyor que sus dimensiones seccioneles.
reforzamientos fibrosos
Los
pueden clasificerse como continuos o
discontinuos, según le longitud de les fibrtis individueles que los formen.
Se dice que un reforzamiento es discontinuo si les propiededes del
mtiteriel reforzado verían con respecto e le longitud de les fibres. Este
tipo de meterieles presente, comunmente, une orienteción eleetorie de sus
fibres.
51, por otre porte, le longitud de les fibras es tel que un aumento en
le longitud de les fibras no ceuse ninguna verieción en les propiededes del
10
meteriel, éste se considereríi como reforzeido con fibras continuas. Le
meyoríe de los meterieles compuestos con reforzamiento fibroso continuo
contienen fibreis con longitudes compeirebles e les dimensiones totales del
objeto hecho con ellos, y generelmente se encuentren orientedes con
respecto el eje de meyor esfuerzo.
Ceisi todos los meiteri el es que presenten elte resi stenci 6 y rigidez
feillen debido e le propegeición de defectos e treivés de ellos. Une fibra
hechei de un meiteriel teil es inherentemente míis fuerte que le forme
meisive debido e que el temeño de les falles es limitado por el pequeño
diámetro de le fibre.
Si se comperen volúmenes iguales de meteriel
fibroso y de meiteriel meisivo, se encuentre que, eún si un defecto produce
le falle de une fibra, aquél no se propegeríi el resto del meteriel pere hacer
felleir el ensemble completo de fibres, como sucederíe en el meteriel
mesivo. Míis eún, puede userse une orienteción preferente de les fibras
perei eumenter el módulo y teil vez le resistenciei longitudineles, bestente
míis 61lÍI de los velares isotrópicos del meteri61 en cuestión. (B)
Esteis propied6des dese6bles de l6s fibras pueden convertirse en
epliceiciones príictic6s cuando les fibras se alojen en une matriz que les
une, tr6nsmit6 le c6rge h6ciei y entre les fibreis, y les proteje del ambiente
y de los deños que pueden sufrir por su manejo.
Los compuestos con
reforzeimiento fibroso son especielmente 6propieidos pere situaciones
6nisotrópices de C6rgei donde el peso es crítico.
En un compuesto con
reforz6miento fibroso continuo, les fibras proporcionen cesi tod6s les
C6r6cterísticeis de resistenciei e 16 ceirge del m6teri6l, les mils
Importantes de les cueles son le resistenci6 6 16 tensión y le rigidez. L6s
fibreis múltiples en un compuesto lo h6cen un meteri6l muy redundante
debido e que le felle de veiries fibras resulte en le redistribución de le
cerge sobre otreis fibr6s, míis que un6 feille ceteistrófic6 del objeto
ein6lizedo.
11
Los compuestos con matriz polimérice pueden present6r gr6ves
desventajas con respecto e otros tipos de m6teri6les: falte de resistenci6
6 les altas temperaturas, b6j8 resistenci6 e 16 6bresión
y, en 6lgunos
c6sos, pueden ser sujetos e ataques químicos. Estos puntos se 6n6liz6n
con mayor detalle en 16 sección 4.5.3.
Los compuestros reforzados con fibras de vidrio, t6nto continu6s
como discontinuas han encontrado aplicaciones muy extensas en todos los
C6mpos de le ingenierí6, como paneles p6r6 eeron6ves, substratos para
circuitos electrónicos, 6plic6ciones t6nto estructurales como no
estructurales en le industrie automotriz y usos avanzados en le industria
6eroespacial y de contenedores que trebejen bajo presión.
12
CAPITULO • 3.
COMPORTAMIENTO MECANICO DE LOS RESORTES DE HOJA
3.1.- CONCEPTOS BASICOS
Un muelle de suspensión es un dispositivo medinico diseñado con el
fin de deformt1rse elásticamente debido e le t1cción de une fuerze externa,
1:1bsorbiendo y t1lm1:1cenendo energít1, pt1rt1 devolverle 1:11 deseperecer le fuerze
que ceusó le deformt1ción.
Lt1 energít1 elmt1cenedt1 proviene de le energía
empleede pt1re deformarlo, y puede expresarse, pere un muelle idee!, por
medio de le siguiente expresión:
E0 = 1/2 kx 2
(3. 1)
donde ,e es 1e def ormeci ón que ex peri mentt1 e 1 mue 11 e, y k es une consten te
de proporcionelided denominede "constante eléstice del muelle". Le fuerze
neceserie pere c1:1user le deformación del muelle es:
(3.2)
Estt1 expresión es conocida como "Ley de Hooke".
El meteriel que constituye el muelle deberá trt1bejer dentro del rengo
elástico de su comporte miento mecánico, con el ob j etc de eviter une fe 11 e
premeture. Esto limite le centided de energít1 que puede absorber cualquier
muelle.
El tipo de deformación que experimente el muelle depende de su
formt1. Así, un muelle helicoide! (espire]) se deforme torsionelmente, y un
muelle de hoje, conocido más comunmente como muelle de tipo bel leste, se
flexiont1 longitudinelmente. Los muelles, debido e su construcción, pueden
absorber une centided de energía menor que otros tipos de resortes, como
los helicoidales o les berres de torsión y son, por lo tente, más pesados que
un muelle de otro tipo, que tenge cepecided compereble (9).
Los muelles tipo bt1lleste tienen, sobre otres clases de resortes, le
13
ventaja de poder ser empleados como medios de acoplamiento y como
elementos estructurales, y deben ser diseñados para aprovechar al mé><imo
estas ventajas.
Los muelles empleados en vehículos tienen, en general, la forme
mostrada en 1a fi g. 3. 1.
BASTIDOR DEL VEHICULO /
EJE
ACOPLAMIENTOS
FIG. 3. t.- Esqueme de un muelle empleedo en un vehículo.
Las uniones deben tener una forma
tal
que permiten un
desplazamiento longitudinal libre de los e><tremos del muelle, evitendo el
mismo tiempo su movimiento en las otres direcciones.
TABLA 3.1.- COMPOSICIONES QUIMICAS DE ACEROS COMUNMENTE USADOS PARA MUELLES.
ACERO
4066
4161
SOB60
5160
StB60
St60H
6150
6660
9260
c
0.64
0.56
0.56
0.56
0.56
O.SS
0.46
0.56
0.56
-
0.72
0.64
0.64
0.64
0.64
0.65
0.53
0.64
0.64
Mn
0.70
0.75
0.75
0.75
0.75
0.65
0.70
0.75
1.60
-
0.90
t.00
1.00
1.00
1.00
1. t O
0.90
1.00
2.20
Si
O. tS
O. tS
O. tS
0.1 S
O. IS
0.1 S
0.1 S
0.1 S
0.1 S
Cr
-
O.JO
0.30
O.JO
O.JO
0.30
O.JO
O.JO
0.30
O.JO
0.70 - 0.90
0.40 - 0.60
0.70 - 0.90
0.70 - 0.90
0.60 - t .00
0.60 - 1.1 o
0.40-0.60
Mo
0.20 - O.JO
0.25 - 0.35
OTROS
(11)
(11)
(b)
0.1 S - 0.25
(el
Todos estos eceros tienen contenidos porcentueles míiximos de ezufre y fósforo de 0.040 y 0.035:i,
respect1vemente.
el contenido de boro de O.OS e 0.3 J de boro.
b) contenido mínimo de venedio de 0.1 Si
el contenido de níquel de 0.40 e 0.70 J
(Fuente: ASM Metel s Hendbook, Vol. 1l
El acero que comunmente se emplea para fabricar los muelles pera
_vehículos automotores es un acero de baja aleación.
14
En le table 3.1 se
indicen les composiciones químicas de los eceros que més comunmente se
empleen pere le menufecture de muelles de hojes múltiples. Los eceros se
encuentren clesificedos según le nomencleture de le SAE (Society oí
Automotive Engineers) ( 1O)
Todos los eceros empleados pere le febricecion de muelles pere
automóviles tienen un contenido medionemente olto de mengeneso, y en
olgunos cosos de cromo.
El mongoneso, odemés de desoxigenar ol ocero
duronte su producción, oumento su durezo y refuerzo le fese ferrite.
El
cromo eumente le resistencia e lo corrosión y e lo oxidoción, eumente
tembién le dureze y lo resistencio del metel ol desgoste.
Los muelles se febricen de veries hojes de diferentes longitudes,
unidos entre sí por medio de ebrezederos.
esquemo de este construcción.
En le fig. 3.2 se muestre un
Le rezón pere esto reside en que todo el
muelle debe trebejar e un velar constante de esfuerzo longitudinal.
précti co opt i mi ze el uso del meteri el.
Este
En el ceso de los muelles donde se
utilizan meterieles compuestos, se intente logrer este efecto por medio de
une verioción del grosor del muelle.
3.2.- NOMENCLATURA DE LOS MUELLES:
Líne¡ de datos.
Asiento/'
~ Longitud del asiento
Longitud de carga
FIG 3.2.- Muelle de hojes múltiples pere uso eutomotriz.
15
Cuendo se discute el comportemiento mecénico y se enelize el célculo
de un muelle, es conveniente tener en considereción elgunos términos
empleedos pere designer les pertes y cerecterístices principeles de los
mismos. Estos términos se definen·heciendo referencie e le fig. 3.2.
LONGITUD DE CARGA: Es le distencie que existe entre los centros de
los ojos (u otros medios de sujeción) que unen el muelle con el bestidor del
vehículo
cuendo
equél
se
encuentre
deflectedo heste
le
posición
especificede de cerge.
LONGITUD DEL ASIENTO:
Longitud de le porción del muelle que se
encuentre en contecto con el esiento (v.i.) cuendo se encuentre insteledo en
el vehículo e le elture de diseño.
LONGITUD INACTIVA: Porción del muelle que se encuentre constreñide
por pernos. En muelles que empleen esientos sueves, con eislemientos de
ceucho, este longitud puede eproximerse e cero.
ASIENTO: Se denomine de este mene ni el dispositivo por medio de 1
cuel se sujete el eje del vehículo el muelle.
APERTURA:
Es le distencie que existe desde le I ínee de referencie
heste el punto en que el perno centre! intersecte le superficie del muelle
que se encuentre en contacto con el asiento.
COEFICIENTE (RATE):
Se denomine esi e le verieción de cerge por
unided de defl exi ón que experimente un muelle, y se mi de en N/mm.
Le
DEFLEXION ESTATICA de un muelle de hoje es el cociente que resulte de
dividir le cerge estética que he de resistir entre el coeficiente pere diche
cerge.
Le deflexión estétice determine le rigidez de le suspensión y le
frecuencia de movimiento del vehículo. Existen veries consideraciones que
deben tenerse en cuente pere determinar le defl exión estética que he de
tener un muelle pere uso automotriz:
1.- Comodidad deseede pere los ocupantes del vehículo.
2.- Peso (que tiene relación directa con le deflexión estética).
16
3.- Un muelle muy flexible c6us6ré oscil6ciones més brusces y
requeriré un especia meyor pere funcioner.
4.- Le flexibilided del muelle tendré también relación directa con el
cembio en 16 6lture del vehículo dur6nte la 6plicación de 16 cerg6 ( 11 ).
Un ejemplo del comportemiento de un muelle de hoj6s múltiples se
muestre en le figur6 3.3. En est6 figur6 se muestr6 16 m6ner6 en que el
muelle se deforme como consecuencia de le cerge que se le eplice. Se puede
observer un cembio en le pendiente de le gréfic6, e pertir del punto 2,
debido e que el muelle cuye curve de acción se represente posee un segundo
juego de hojas, cuya entr6de en acción h6ce que V6ríe el COEFICIENTE del
muel 1e. El punto 3 represente el contacto del muel 1e con el bes ti dor del
vehículo, y marce el límite méximo de 16 utilidad del muelle. La eperture
del muelle se considere positive cuando se encuentre en su posición neturel
(cónceva), y negative cuando le deflexión es suficiente pera hacerlo temer
une forme convexe.
<
o
<
~
...J
Q.
<
<
(!)
o::
<
u
+
o~~~~
APERTURA DEL MUELLE, DESDE LA LINEA DE DATOS
FIG. 3.3.- Gréf1c11 de func1on11miento de un muelle 11utomotriz de hoj11s múltiples, con hojes de respeldo.
17
3.3.- MUELLES FABRICADOS CON COMPUESTOS
Pere muelles de tipo belleste donde se utilizen meterieles
compuestos, Je condición de tener esfuerzos longitudineles constentes e lo
!ergo de todo el muelle se logre empleendo une construcción de sección
verieble, esto es, heciendo que el muelle see ehusedo desde el centro hecie
los extremos.
El encho del muelle suele conserverse constente, Jo cuel
simplifice el cillculo.
El muelle en cuestión tiene dos remes simétrices, por Jo que se
enelizeril une de les remes considerilndole como une vige simplemente
epoyede en uno de sus extremos, representendo el ecoplemiento el bestidor
del vehículo, y con movimiento restringido unicemente e le dirección y en el
otro, que represente le perle centrel del muelle. Los velares y perilmetros e
los que hece referer.cie el texto que sigue e continueción se muestren en Je
fig. 3.4.
X
y
Yo
ho
p
·I
ª1
ª2
1:
·I
·I
Fig. 3.4. Esquema del sistema que represente el muelle estudiedo.
El muelle puede, pere su estudio mecilnico, considererse como une
vige curve simplemente epoyede, sobre le cuel ectúe un momento flector
ceusedo por le cerge 2P eplicede e él. El velar de este momento flector,
pere cuelquier velar de>< tel que O < >< < 1, es:
18
M:P(l-><)
(3.3)
Dodo que lo rezón del rodio de curvoturo con respecto ol grosor de lo
vigo es mucho moyor que 1O, puede estudiorse el sis temo utilizondo les
e><presiones empleedes pere el eniilisis de viges rectos, que consideren que
lo distribución de esfuerzos e trovés de le sección trensversel de le vige es
linee! (y no hiperbólice, como lo considero el estudio de viges curves), Jo
cuol simplifice mucho los ciilculos (12).
3.4.- CALCULO DEL GROSOR MINIMO DEL MUELLE.
El diseño estudiedo pere el muelle contemple el uso de une sección
rectenguler simétrice con respecto el eje neutro, con un encho by un grosor
o elture h. Asi pues, el muelle se encuentre sujeto e tres tipos de esfuerzo
durente su opereción:
e) Esfuerzos e xi e Jes de tensión,
b) Esfuerzos axieles de compresión y
c) Esfuerzos de corte debidos e le fle><ión.
Dado que Je sección trensversel del muelle deberii hecer frente e
todos estos esfuerzos, deben elegirse velares pere los periimetros b y h
tales que ninguno de los esfuerzos entes mencionedos excede un velor
crítico y hege feller el muelle. El mil><imo esfuerzo exiel soportedo por les
ceres cóncave (e tensión) y convexe (e compresión) del muelle es dedo por le
siguiente expresión:
SK
= ± Mh/21 = ± 6M/bh2
(3.4)
donde el signo positivo indice esfuerzos de tensión y el negetivo, de
compresión. El velar mínimo que deberii tener el grosor del muelle, h 0 , se
puede determiner e pertir de les condiciones de cerge que existen en el
centro de éste, donde el momento flector es miiximo:
50
=± 6Pl/bh 0 2
19
(3.5)
de donde se encuentra que dicho velar deberé ser el dedo por le ecueción 3.6,
considerendo como valores pera Su tanto la resistencie méxime a tensión,
Sur como a le compresión, Suc, del compuesto. F5 es el factor de segurided
deseado en la construcción del muelle.
(3.6)
El valor de Pme>C· en le ec. 3.6, es la méxima cerga que, según el
diseño, hebré de soporter el muelle. En los célculos que siguen, dedo el
esqueme empleedo pere estudier el sistema, P tiene un valor iguel e la
mited de le carge que soporte el muelle.
Si el ancho b es mucho mayor que el grosor del muelle h, el valor de
h 0 deberé ser ( 1 - n2) veces mayor que el determinado e pertir de la
ecuación (3.6). Si by h 0 son del mismo orden de magnitud, este fector de
corrección puede desprecierse ( 13)
El momento flector cembie de valor a medida que el velar de
><
se
aproxime al valor de 1, por lo que el grosor del muelle debe reducirse si se
ha de conservar la condición de esfuerzo longitudinal constante. Pera esto,
puede calcularse el velar que ha de tener h(>e) por medio de le siguiente
expresión:
h(>e) = ho ((1-x) / 1]112
(3.7)
Como se plenteeré en otra sección de este trabajo, debe limiterse le
fracción volumétrica de fibra de reforzamiento e cuenda més O.B, debido a
los probl emes de seturaci ón y que dificultan la manufectura si se excede
este valor (mala impregneción, metriz débil, etc.).
La figura 3.5 ilustra dos posibles alternetivas pere lograr le
reducción de éree requerida para aproximer el funcionemiento del muelle a
la condición requerida de esfuerzos axiales constantes.
L.os.. dos
ernuorEc~
e lternet i ves contemple das son las siguientes:
1.- Hecer le perle central del muelle de forma ehuseda, heste le
distencie
><
neceserie pere elcenzer el grosor hmln• y continuer el muelle
haste sus extremos con un grosor uniforme (secc. 3.5) o,
2.- Hecer un muelle totelmente 6husedo, i.e. que en sus extremos
tenge un espesor hmln determinedo por los volúmenes de reforzemiento
(secc 3.6).
PRIMERA ALTERNATIVA
SEGUNDA ALTERNATIVA
Fig. 3.5. Posibles 6llerm1tives pere le geometrí6 del muelle.
Por otre perle, hey que tomer en cuente que el muelle tembién esté
sujeto e esfuerzos de corte, debidos lento e le cerge eplicade como e le
flexión. Este último es 1.5 veces meyor que el primero. Su valor es dado
por:
T
=3P I
2bh
(3.B)
De este ecueción puede celculerse un velar pera h que garantiza la
seguridad de la operación del muelle. Este velar de hes:
h
=2PF s /
3bT UM
(3.9)
donde T UM es la méxima resistencie al corte que presenta el material de
que se febrica la matriz del compuesto (que, considerendo un orientamiento
unidireccional del reforzamiento, es le que soporta les fuerzas de corte
debides a la flexión) ( 14).
Dedo el ahusamiento del muelle, debe esegurerse que todtis ltis
.secciones sean ctiptices de soportar el esfuerzo.
21
Por lo tenlo, ptirti 16
sección central, el grosor de h0 deberé ser:
(3. 1 O)
pues 16 sección central del muelle deberá ser, como y6 se dijo,
(Vme/Vm 1n) 2 veces mayor que 16 sección en los extremos.
De los tres valores encontr6dos p6re h0 , se eligirá el mayor, p6ra que
ninguna de las condiciones de esfuerzos antes mencionad6S conduzca 6 16
f6l la.
3.5.- PRIMERA ALTERNATIVA PROPUESTA (15):
Cada un6 de 16s secciones de este muelle se dividirá en tres p6rtes, 6
seber (ver fig. 3.5):
a) Sección curve con grosor verieble de ecuerdo e le ecueción (3.7).
b) Sección curve con grosor constente hmln·
c) Sección curve con grosor consten te hmln• reforzede en sus ce res por
medio de pleces de ecero pera eviter ebr6sión con los 6coplemientos.
El velor de>< pere que se llegue e;l- velor mínimo, considerendo que el
•
volumen porcentuel méximo de reforzerñiento es de BO %, y que no se deberá
mequiner le superficie del muelle más ellé de le eliminación de les
imperfecciones dejedes por el molde, puede obtenerse de le siguiente
expresión:
(3. 1 1)
Si suponemos que el mínimo volumen porcentuel de fibre, encontredo
en el centro del muelle, es del 55%, pere eprovecher de une menere eficiente
le resistencie mecénice del reforzemiento, y el límite superior de dicho
volumen, ye fijedo como 80%, se tiene que 16 dist6ncie e lo l6rgo de le cuel
se edelgeze el muelle, y que se denote por a 1 , es:
22
(3.12)
El velar de e 2 • que es le di stencie que existe desde el centro del
muelle heste el inicio de les pleces de reforzamiento (si éstas son
necesarias), seré determinado por le longitud que tengan los soportes en los
que se apoye el muelle. Estas placas tendrén un grosor t 0 .
3.5.1.- ECUACIONES DE DEFLEXION PARA LA PRIMERA ALTERNATIVA (16).
La ecuación de deflexión pare el muelle es deda por:
1/r - 1/R
=M I
EI
(3. 13)
donde R es el radio de curvatura del muelle relajado, que se consideraré
constante (i.e., el eje neutro del muelle relajado es un arco de círculo), y r
es el redio de curvatura que presenta el muelle con carga. Esta ecuación
puede escribirse, despreciando el efecto debido a la gran deflexión sufrida,
de le siguiente manere:
d2y/dx 2
= P (1-x)
/ El
-
1 /R
(3.14)
Este enfoque pera la ecuación eléstica de una viga es vélido sobre
todo pera vigas que no experimenten grBndes deformaciones. A pesar de que
en un muelle este puede no ser el ceso, los autores consultados al respecto
empleen ecuaciones semejantes a le
(3.14), y
seré este le menere de
desarrollar las ecuaciones de deflexión. En el apéndice 2 se desarrollaré de
una manera muy breve la ecuación real de la eléstica para el prototipo
estudiado.
Primera parte, O < x < e 1 :
Se tiene que, pera la primera parte del muelle, su momento de inercia
decrece de ecuerdo a la expresión
I(><) =
1
0
3.15:
0-><)312
¡ ¡3/2
(3. 15)
-por lo tanto, la ecuación que determina la deflexión del muelle es:
23
d2y
- p l3/ 2
dx2
-
--
(
El 0
)- 1 I 2
1-x
1
R
-(3. 16)
y la deformación del muelle en esta sección es expresada por la siguiente
ecuación:
Y1
4 p 1312
3EI
=
o
3/2
(1-x)
-
x2
2R
+ C1>< + C2
(3.17)
Segunda parte, a 1 < x < a 2 :
Esta sección del muelle se construiré como una viga de sección
constante, con un grosor
hmin·
Los autores proponen reforzar el extremo del
muelle con placas de acero para proteger la matriz contra los efectos del
desgaste causados por el roce con los soportes
En el modelo estudiado se
prescindió de estos refuerzos, no advirtiéndose ningún efecto dañino
durante el ensayo (ver capítulo 8). Esto, sin embargo, no es representativo
debido a que:
1.- Los soportes de prueba de la méquina de ensayo tienen superficies muy
pulidas que no dañan la superficie de la resina.
2.- ausencia total de impurezas que funcionen como abrasivos, como las que
podrían encontrarse en el servicio normal: grava, arena, etc.
Por lo tanto, la tercera parte del muelle consiste en la región
reforzada con placas de acero.
Lo y sus colaboradores ( 17) proponen unir la región curva con sección
variable y la región reforzada, por una región curva, con radio de curvatura
R, de sección constante. Partiendo de le ecueción de deflexión (3.13), se
tiene que pare esta sección:
24
(3.18)
Tercere perte,
e 2 < >< < 1:
Le sección reforzede muestre une verieción en el velor de su
constante
(El)- 1 , debido e le edición de les pleces de protección
mencionedes anteriormente. Este perte del muelle es recte, no curve
Si estes pleces se encuentren ausentes y le sección tiene le misme
curveture que el resto del muelle, le ecuación erribe plenteede (3.18) puede
describir el comportamiento del muelle heste su extremo (>< = 1). En ceso
contrario, le deflexión de este tercere sección es dede por:
P (lx
2
Y3 = ~
2
- 6x
3
)
+C5X+C 6
(3.1 9)
donde IR es el momento de inercie de le sección reforzede:
_ (hmin
1R-b
12
3
2
3
Ea [ta
+ E
+ 3ta(ta+hmin) ] )
6
(3.20)
Ee = módulo de elesticided del ecero.
te= grosor de les pleces de refuerzo.
3.5.2.- VALORES DE LAS CONSTANTES PARA LA PRIMERA ALTERNATIVA:
Al integrar le ecuación de deflexión, se encuentren seis constantes
(con respecto e x), cuyos velores son determinados de tel menere que
setisfegen les condiciones de frontera que presente el sisteme.
condiciones de frontera son les siguientes:
25
Estes
y 1(a 1)=y 2 (a 1) (3.21e)
y' 1(a 1) = y' 2 Ca 1) (3.21b)
Yia 2 ) = y3 (a 2 ) (3.21 c)
y· :2<6:2) = y' 3(6:2) (3.21 d)
y' 1(0) = O
(3.21 e)
(3.21 f)
Los velares celculedos pere les constentes de integreción son:
2
PJ
C1=-E-l-
o
(3.22)
(3.23)
c 3 =c 1 -
112
312
2p1
( l-a )
1
E 10
1
-P6
-.- (
E lmm
1
1 -a -)
2
(3.25)
C5
=~(- )(1-~)-~+C
E
1
1
- 11mm
R
2
R
3
(3.26)
(3.27)
3.6.- SEGUNDA ALTERNATIVA PROPUESTA
El segundo enfoque, que consiste en h6cer un muelle con reducción
const6nte de sección, desde un méximo en el centro heste el mínimo
permisible en los extremos, tembién se desvíe del comportemiento "ideel"
de tener un esfuerzo constente e lo lergo de todo el elemento, dedo que el
26
esfuerzo méximo se encuentre el centro.
A pertir de le ecueción 3.7, se propone le siguiente ecueción como
norme pere le reducción en el grosor del muelle:
h(x)
donde e
=(
= h0
(
1 - k 11 n )/1, siendo k
1 - ex )n
=
(3.28)
vmtn/vmex·
El velar que tome el
exponente n, tomendo como ejemplo el prototipo estudiedo, es de 1.
Le ecueci ón de defl exi ón tome eh ore 1e sigui ente forme:
2
PO - x)
d y _
d x2
-
E 10 ( t -
1
ex)°
R
(3.29)
e pertir de le cuel puede encontrerse le siguiente ecueción pera expreser le
(l (
deflexión del muelle:
p
y- c 2 El (2-3n)
l-cx)2-3n
( 1-3n)
0
( l-cx)3-3n
+ c(3-3n)
( 1-cx)2-3n)
+ e( 1-3n)
x2
- 2~ + C1>< + C2
(3.30)
Los velares correspondientes e el y c2, pere este ecueción, son los
sigui entes:
e,=
c:i
0
((1-
1
3n) +-c..,...(2-~-3-n..,...)-+ c(1~3n))
(3.31)
12
p
e2---+-2R
cE 1
0
( l( l -c 0 2-3n
( l -3n)
+
( l -c 0 3-3n
( l -c 0 2-3n)
+
c(3-3n)
e( l -3n)
-e 1 1
(3.32)
Si este muelle tiene extremos reforzedos con pleces de ecero, como
en el ceso enterior, le curve de deflexión debe sepererse en dos:
1) O
< X < e:
En este zone del muelle, el comportemiento seré idéntico el
presentedo por le ecueción (3.30), con le excepción que c
27
= (1
- k 11 n )/a,
que lBs constBntes
c 1 y c2 tendrén YBlores distintos.
2)1l<X<1:
Se considerBré que el extremo del muelle se encuentrB, Bl iguBl que el
cBso Bnterior, reforzBdo en sus dos cBrBs por medio de plBCBs de Bcero con
grosor t, y cuyB longitud es 1 - e. e es lll distBnciB que existe desde el
centro del muelle hBstB el inicio de IB plBCll de reforzBmiento. LB ecuBción
de deflexión es lll siguiente
Y2
= :rR (1;2 -
~3) + C3>< + C4
(3.33)
donde el momento de inercie de le sección reforzBde, IR, se comporte de
Los velores de C 1 e C 4 , pere estBs dos
ecuerdo e le ecueción (3.20)
ecueciones, son:
e,=
~
1
c:1
0
( (1- 3n)
+ c(2- 3n)
+ e( 1 3n)
l
(3.34)
2
2
3
a
e - -p- (18
- - -8- ) +8(C - e )+--+e
2- El
2
6
3
1
2R
4
R
2-3n
1( 1- e 8)
c2Elo(2-3n) ( ( 1-3n)
p
- - - - - .-
3-3n
( 1- e 8)
( 1- e 8)
2-3n )
+-----+----c(3-3n)
e( 1-3n)
(3.35)
e
-__f_(1(1-ca)1-3n + (1-caf-3n + (1-ca)1-3nJ-~ (10-..!L)_..!L+c
3-
Elo
C1-3n)
c2 (3-3n)
c2 ( 1-3n)
EIR
2
R
1
(3.36)
e4
=___!'._!___ - e
3
3EI R
3
1
(3.37)
Hey que tener en cuente que IB ecuBción (3.33) es une eproximeción,
2B
dedo que supone que le región reforzede tiene u:": sección constente, lo cua;
puede no ser el ceso.
3.6.1.- PROTOTIPO ESTUDIADO.
De observeciones heches en epliceciones préctices, se encontró que
los extremos del muelle no se encuentren reforzedos con pleces metélices.
El ceso més conocido, el eutomóvil GMC Corvette, que emplee muelles
trensverseles febricedos en PRFV, presente dos métodos de sujeción,
mostredos en l_e fig. 3.6.
AMORTIGUADOR
DE CAUCHO
(b)
APOYO
DE LA
MAZA
Fig. 3.6.- Esquema de la sujeción del muelle en (a) eje delantero y (b) eje trasero del GHC Corvetle.
En el eje delentero (fig. 3.61:1), el muelle se sujete directemente e le
horquille inferior por medio de dos lengüetes letereles, y en el eje tresero,
se sujete 6 le meze por medio de un perno que pese e trevés de un berreno
precticedo en el muelle mismo.
En el cep. 6 se muestre el prototipo estudiedo, el cuel tempoco se
encuentre reforzedo en sus extremos.
El prototipo utilizedo en estfl investigflción presentfl un Vfllor del
exponente n igufll fl 1. Pflre este CflSO, y considerflndo que los extremos no
se encuentrfln reforzfldos, lfls ecuflciones de lfl curvfl de deflexión tomfln
formfls distintfls fl lfls !:Jfl expuestfls. En este cflso, lfl ecuf!ción que gobiernfl
29
el comportamiento del muelle es:
_
P
Y-Elo (
1(1-cx)-1
2c
ln(1-cx)
-
3
· e
(1-cx)- 1
+
2c
3
l
x2
-2R +C1><+C2
(3.38)
Los valores de las constantes c 1 y c2 para la ecuación (3.38) son:
C1 _ _P_ (
-
cEl 0
1
(1-Jn)
+..!..e +-1-l
2c
(3.39)
e 2 -_ - -Ep1
0
(1(1-cl)2e
1
-
ln(l-cl)
. c3
---=----'--+
(1-cl)-i
2 c3
J+ -1- - e 1
2
2R
1
(3.40)
3.8.- CALCULO DEL COEFICIENTE Y DEFLEXION MAXIMA.
Se denomina coeficiente (rate), como ya se dijo, a Je te.sa de cambio
en la carga soportada por el muelle, como función de la deflexión, que sufre
en el punto de aplicación de le carga, esto es:
T = dP/dy
(3.36)
Pare la p ri mera alterna ti va, se tiene que I e de f I e>< i ón en el punto
medio esté dada por la expresión:
Y = Yo - Y1(O)
(3.37)
Sustituyendo las ecuaciones y constantes epropiedes, despejando de
esta ecuación le variable P y derivéndole con respecto e la defle><ión y, se
tiene que:
E
T=------------------------~
a,2) + -213/2
1 )((a
- A - ª 2 (-1- - -
1 -1 ) - - ª1 ( (a -1) 2 - -¡3 ( 1
3 IR 10
lmin
3
10
lmin
IR
2
5 2)
+ 1)2 --a
2
2
(3.38)
30
donde
3/2
A=
2(1-.1,)
(
3
1/2)
+C.i 1 -1)C1-a 1)
Siguiendo un deserrollo semejente el enterior, empleendo les
ecueciones pertenecientes el prototipo estudiedo, se encuentre que el
coeficiente de éste es:
El 0
T=~~~~-~,,--~~~..;;._~~~---,~~~~1C1-C1-cl) ) + 1+1n(1-el)-(1-cl) +(2._ _ _!_)
2c
2 c3
2c
2
(3.39)
Los coeficientes, pere los otros cesas plenteedos, pueden
determinerse de iguel menere.
DEFLEXION MAX IMA:
Dedo que el compuesto empleedo pere febricer el muelle se comporte
de une menere eléstice durente tode su opereción, le releción existente
entre le cerge eplicede y le deflexión experimentede por ello es lineel. Por
lo tenlo, puede eplicerse le siguiente expresión pere determiner le
deflexión máxime:
Ymex = Pmex I T
(3.40)
3.8.- OTRAS CONSIDERACIONES.
Le fibre de vidrio, como meteriel pere le febriceción de muelles pere
vehículos eutomóviles, he sido empleede con éxito en forme comerciel
(Corvette) y experimente! en remolques pere trensporte de combustibles
(18).
Pueden, sin embergo, existir cesas donde les cerecterístices
mecánicas de le fibre de vidrio seen insuficientes pere le operación eficaz
de muelles hechos con compuestos, y se requiere el uso de meterieles de
31
reforzomiento miis resistentes pero més costosos.
Como uno posible opción poro 111 optimizoción del costo de un muelle
tol, Nepershin y Klimenov ( 1986), proponen lo construcción de un muelle a
partir de laminaciones múltiples de distintos materiales, cada uno de los
cuales seré elegido para desempeñor de uno monero óptima la función que se
le encomiende dados sus coracterísticos mecénicas.
Así, las capas
externos serían de fibro de vidrio con ellos límites de esfuerzo y
deformeción, seguidos de cepos intermedias de fibre de corbona, que
presenta alta rigidez y resistencie o 111 fotiga. Finalmente, se tendría una
región centrel hecha de un material menos costoso, dado que tiene que hacer
frente a esfuerzos menos severos. ( 19)
32
CAPITULO • 4.
CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS
4.1.- COMPORTAMIENTO ELASTICO. (20)
En los meterieles compuestos con reforzamiento unidireccional
continuo de les fibras, se supone que éstes se encuentren distribuidas
uniformemente e través de toda le sección trensversel del objeto hecho con
el meteriel compuesto, y se les considere uniformes, continuas,
uni direcci onel es y firmemente sujetes por le matriz de tel mene re que no
existe deslizamiento alguno entre éste y el reforzamiento pare condiciones
de cerge que no exceden el límite de resistencia del meteriel. Le cerge
total que soporte el compuesto, Pr, se reparte entre le fibra y le matriz, de
tel menere que:
(4. 1)
Este ecuación, expresede en términos de los esfuerzos soportados por cede
componente, quede de le siguiente menere:
Sr Ar = SF AF
o
Sr= SFVF
+
+
SM AM
SMVM
(4.2)
(4.3)
Dedo que les fibras se encuentren solidemente unidas e le matriz por
medio de le interfase y por lo tente le deformación uniterie sufrida por el
compuesto en le dirección del reforzamiento es igual e le experimentede por
sus componentes, le fibra y le matriz, les deformaciones sufridas por
ambos componentes son iguales, i.'!. eT = eF = eM. Además, si el meteriel se
comporte elásticamente, el esfuerzo en este dirección es igual el producto
del módulo de Young multiplicado por le deformación uniterie (S
= Ee);
por
lo tente le expresión anterior puede replenteerse de le siguiente menere:
Ec er AT = EF eF AF
+
EM eM AM
(4.4)
de le cual puede obtenerse, considerando que el reforzamiento es contínuo e
33
lo lergo de todo el elemento que soporte el esfuerzo, el módulo de
elesticided del compuesto como función de sus componentes:
Ec = EF VF
+
(4.5)
EM VM
donde VF y VM son les fracciones Yolumétrices que del totel ocupen el
reforzemiento y le metriz, respectiYemente, de tel menere que VF
+
VM = 1.
A le expresión (4.5) se le denomine ··regle de les mezcles".
Le rezón de le cerge portede por el reforzemiento e le cerge portede
por le metriz es:
(4.6)
De tel expresión se puede obserYer que, pera logrer eltos esfuerzos
exieles de trección en el reforzemiento y por lo tenlo empleer refuerzos de
elte resistencie de le menere más eficiente, el módulo de elesticided de le
fibre deberé ser mucho meyor que el de le met-iz.
Se he encontrado que pere fracciones Yolumétrices superiores e 0.8
les propiedades del compuesto comienzen e deteriorarse debido e le
dificultad de impregnar con el meteriel que forme le metriz todes les
fibras, lo que resulte en fibras mel unides y huecos en el meteriel (21 ). El
Yolumen de reforzemiento contenido en el meteriel debe meximizerse, heste
donde lo permite le anterior considereción, pere poder eproYecher el
meteriel como lo indice le ecuación (4.6).
4.2.- RESISTENCIA ULTIMA Y LOS FACTORES QUE LA AFECTAN.
Le
resistencia
última
de
un
meteriel
compuesto
depende
principalmente de les relaciones esfuerzo - deformeción cerecterístices de
sus componentes, edemés de los Yolúmenes reletiYos que se encuentren
presentes de cede uno, les propiededes físicas, le tempereture, etc.
Uno de
los factores que efecte le resistencia últime de un compuesto es le
34
solubil ided mutua de 1os componentes. Puede suponerse, en el ceso que nos
ocupe, que los componentes son mutuamente insolubles (esto se eplice e le
meyoríe de los meterieles empleados ectu6lmente) (22).
4.2.1.- RESISTENCIA ULTIMA A LA TENSION (23).
Dedo que se hable de fibras unidireccionalmente orientedes, se
seguiré considerando que les deformaciones uniteries de 16 fibra y de le
matriz son iguales, y que el esfuerzo soportado por el meteriel en cu6lquier
momento es dedo por le ecuación (4.3)
Si tanto le matriz como el reforzamiento se deformen de une menere
puramente eléstice, se tiene que le deformación sufrida por el meteriel es:
e= SF / EF = SM / EM
(4.7)
y, por lo tanto, que el esfuerzo último del compuesto, e tensión, es
dedo por:
Sur= e VF EF ( 1 - EM/EF)
+
e EM
(4.8)
Dicha ecuación muestre que el esfuerzo último del compuesto es
función de los módulos de elesticided de los meterieles constituyentes y de
le fracción volumétrica de reforzamiento presente. Esto quiere decir que
pera que el compuesto tenga un funcionamiento óptimo y se aprovechen lo
mejor posible les propiedades mecénic6s del reforz6miento e 16 tensión, el
cociente EM/EF deberé ser lo més pequeño posible, y le fracción
volumétric6 presente del reforzamiento, le mayor que permite 16 técnica de
febriceción utilizede.
En ceso de que, pare le elongación méxime del compuesto entes de su
ruptura le matriz se comporte plésticemente mientras el reforzamiento
continúe en su región eléstice, que es el més común, el volumen de
reforzamiento deberé exceder un cierto valor crítico.
Esto se debe e que, si le fracción volumétrica de reforzamiento es
35
pequeña, las fibras se encontrarén altamente esforzadas, aún para cargas
pequeñas debido a que, como se dijo antes, el reforzamiento porta la mayor
parte de la carga dado su módulo de elasticidad més elevado.
Así, un
pequeño incremento de carga haré que la fibra més débil se fracture,
aumentando la carga que llevan las demés, haciendo que la siguiente fibra
més débil también se rompe, y esí sucesivemente, lo que de el resultedo
que, con volúmenes pequeños de fibres (menores que el volumen crítico, ye
mencionedo), le resistencie últime es:
(4.9)
Pere le ecueción enterior, el velar de VF pere el cuel el esfuerzo
último e le tensión del compuesto es mínimo, se denomine volumen crítico.
Este velar puede obtenerse e pertir de le siguiente ecueción:
Vcr1t = (SUM - SMeF) / (SUF
+
SuM - SMeF)
(4.1 O)
donde SuM y SuF son los velares de la resistencie e le tensión de los
meterieles de le metriz y el reforzemiento, respectivemente. SMeF es el
esfuerzo que resiste le metriz cuenda el reforzemiento se encuentre
elongedo a su méxima deformeción (antes de su fracture).
Dado que el objeto de reforzar una substancia es incrementer su
resistencia, se tiene que debe existir un volumen de reforzamiento mínimo
eceptable, para el cuel el compuesto tiene la misma resistencie a la tensión
que le metriz sale. Este volumen mínimo puede celcularse e pertir de le
siguiente ecueción:
Vmln
= (SuM
- SMeF) / (SUF - SMeF )
(4.11)
El velar indicado por le ecueción (4.11) deberé excederse dentro del
compuesto si se desee que éste exhiba las propiedades mejoradas
proporcionedes por el reforzemiento.
Si el compuesto contiene reforzamiento en un volumen mayor al valor
36
colculodo poro Vmtn• lo resistencie mil)<imo e lo tensión se olconzo, de
menero ideo!, cuondo el moteriol tiene une deformoción porcentuol igual e
oquéllo que corresponde o lo resistencie mi1><imo o lo tensión del
reforzomiento, suponiendo que los f1bros son uniformes y tienen todos lo
mismo resistencio e lo tensión. Dicho resistencie mil)<imo o le tensión es
dedo por:
(4.12)
Comportamiento
Teórico ,
Comportamiento
Real/
o
100
Volumen porcentual de reforzamiento
Fig. 4.1.- Compereción del comportemiento predicho por le Regle de les Mezcles
con el comportemiento reel (24).
En lo figuro 4.1 se controston el comportomiento ideol del compuesto,
predicho por lo ecuoción (4.3), centro el comportomiento reol, en el cuol se
tiene en cuento lo occión debilitodoro de los pequeños volúmenes de fibros.
4.2.2.-RESISTENCIA ULTIMA A COMPRES ION.
Resulto dos de estudios e f ect uod os sobre compuestos boj o
37
condiciones de compresión hen mostredo que el módulo de elesticided
experimental es consistente y compereble e los resultados obtenidos por
medio de le regle de mezcles, y que el modo de fe 11 e que presente el
material varíe según el contenido de reforzemiento que existe (25).
Se he sugerido que le falle de un meteriel compuesto que trebeje e
compresión, donde el esfuerzo se eplice en une dirección paralele e les
fibras, es ceusede por el pendeo eléstico del reforzamiento (26).
Otros
trebejos efectuedos sobre compuestos fibrosos bajo condiciones de
compresión revelen le existencia de tres formes de felle:
pendeo de les
fibres, felle en le interfase y felle por corte (28). Los dos primeros modos
de felle ocesionen le delemineción del compuesto.
PANDEO DE LAS FIBRAS DE REFORZAMIENTO (28)
Cuenda une columne circular esentede sobre un cimiento eléstico se
pandee, le deformación resultente tiene forme de ondas, cuye longitud de
onde depende del diémetro de le columna.
Pere el ceso de un meteriel
compuesto, se consideraré que les fibres se pendeerén de dos posibles
menares:
F
.
)
F
¡
F
¡
l
J
I
1
¡,._
+-2c-t
F
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L
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t t t tF
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1
y
1
1
F
¡ ¡
F
F
F
F
Fig. 4.2.- Modos de pandeo de las fibres de reforzamiento: extensión (i) y corte (d).
- Les fibres se pandeen con le misma longitud de onde pero fibras
edyecentes se pendeen fuere de fase, ceusendo une extensión en le metriz, o
38
bien,
- Que todas les fibras se pandeen con le misma longitud de onde y en
fase.
Al primer modo se le denominaré modo de extensión, y el segundo,
modo de corte. Estos dos comportamientos se ilustren en le fig. 4.2.
z
Q
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U)
a..
r:
o
u
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_,
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1-
!!!
....a::
U)
o
0.5
1.0
FRACCION VOLUMETRICA DE FIBRA
Flg. 4.3.- Comparación de los modos de comportemiento de un compuesto e compresión.
El esfuerzo méxi mo que un compuesto cuyo reforzemi ento se
encuentre pandeado en modo de extensión puede soportar bajo compresión
es, como función de le fracción volumétrica de reforzamiento:
(4.17)
Pera el modo de corte, el esfuerzo pera el cual el material felle por
compresión es:
(4.18)
donde GM es el módulo de elesticided e corte de le matriz. En le fig. 4.3 se
muestre esquemeticemente le forme en que varíe le resistencia del
meteriel e le compresión, según los dos modos de falle explicados.
Otre posible menere de felle e compresión, de estos materiales, es le
39
felle en le metriz. Esto puede ocurrir cuenda los esfuerzos de corte en elle
seen meyores que los que puede soporter, e indice une interfese mel
forme de.
Le felle por corte puede derse en elementos cergedos exielmente bejo
compresión, y es un fenómeno donde tento le metriz como el reforzemiento
experimenten fracture.
Por lo tenlo, pere empleer el esfuerzo crítico e compresión del
compuesto como consideración de diseño, deben celculerse los velares de
cede uno de los modos de felle, pere le frección volumétrice empleede, y
utilizer el menor.
4.3.- COMPORTAMIENTO ANTE LA FATIGA
Puede decirse que el vidrio es un meteriel cesi perfectemente frégil
porque no fluye ni se endurece por deformeción pléstice. Se he demostredo,
e pertir de pruebes reelizedes en vecío, que el deterioro de les
cerecterístices mecénices del vidrio puede etribuirse e le influencie del
medio embiente, principelmente por el vepor de egue y el dióxido de cerbono
(29). Dedo que en un meteriel compuesto les fibres de vidrio se encuentren
protegides por le metriz, le influencie del medio en le resistencie e le
fetige de tel meteriel dependeré en gren medide de le clese de resine
empleede.
En compuestos unidireccionelmente reforzedos, e peser de que les
fibres soporten cesi tode le cerge, le resistencie del meteriel depende
principelmente de le deformeción de le metriz cuenda el límite de fetige de
éste es menor que el del reforzemiento, que es el ceso més común.
El
fenómeno de fetige se ve, edemés, propiciedo por el hecho de que les fibres
que formen el reforzemiento presenten felles distribuides en forme
estedístice.
Al feller les fibres més débiles, se creen zones de
concentreción de esfuerzos que egudizen el deterioro del compuesto (30).
40
Múltiples factores que se atribuyen al proceso de fabricación del
material modifican la resistencie el esfuerzo y e le fetige que éste
presenta. Los miis comunes son: fibres frecturedes, mel alineadas o mal
impregnadas, volúmenes vecíos en le matriz, zonBs del material ricas en
matriz y pobres (o carentes) en fibras, interfases fracturadas, etc. Esto
ocasionB que los materiales compuestos e><hiban una gran variedad de tipos
de falla: fractura de la matriz, falla por fractura de las fibras,
delaminBción, crecimiento de vacíos, etc. (31)
El daño por fatiga comunmente se inicia en discontinuidades
geométricas, como huecos, fisuras y fibras rotas, en los defectos causados
por el proceso de manufactura y en imperfecciones de maquinado y servicio;
toma la forma de separación de las laminBciones del material bajo cargas
mecilnicas, térmicas y/o ambientales.
Todos los defectos interlaminares, como vacíos, inclusiones, lilminas
y fibros rotos, etc. tienden a crecer con la presencia de e.sfuerzos
relativemente bajos, debido a la baja resistencie de la matriz, y a
propegarse a lo largo de caminos preferenciales.
Este es un fenómeno
corecterístico de los compuestos y es particularmente significotivo cuondo
el material se somete a cargas cíclicas. (32)
Los ensayos de fatiga sobre materiales compuestos, sean de tensión o
de fl e><i ón repetitivas, suelen ejecutarse manteniendo la carga constante, y
no la defle><ión, debido a que la presencia de fisuras y otros defectos hace
decrecer súbitamente la rigidez inicial, y puede alcanzarse una vida de
fatigo casi infinita, con una carga aplicada pequeña (33). Se ha demostrado
que, para ensayos de fatiga a fle><ión con amplitud de movimiento constante,
el momento de fle><ión decrece continuamente (34).
Los autores consultados (35) han observado que la degradación y
subsecuente ruptura de los materiales compuestos se da en tres etapas
· definidas:
41
L11 primer11 et11p11 "de 11juste" (primeros 200 ciclos) se c11r11cteriz11 por
uno t11s11 répid11 y r11pid11mente decreciente de des11rrollo de doña.
Este
consiste en 111 formoción de grietos en 111 motriz. Los observociones hechos
en el microscopio revelon que 111 del11min11ción empiezo después de unos
pocos ciclos de c11rg11, se prop11g11 de uno m11ner11 est11ble y es un fenómeno
domin11do por el comport11miento de 111 motriz (36). Este desorrollo es més
notorio en 11que ll 11s regiones de m11teri11 les reforzo dos en vori os direcciones
que se encuentron menos f11vor11blemente situ11d11s con respecto 111 eje de
méxim11 c11rg11, mientr11s que en los copos cuyo reforzomiento es colineol con
el méximo esfuerzo, no se 11preci11 disminución del esfuerzo soportodo.
En 111 segundo et11p11 de 111 vid11 de f11tig11 del m11teri11l (200 - 200 000
ciclos), 111 t11s11 de desarrollo del doña se est11biliz11, reduciéndose
progresivomente le resistencia residual del compuesto.
Les grietes
form11d11s en 111 motriz durante 111 primera etep11 se unen y crecen,
especi11lmente e lo lorgo de los interfoses, y los delomineciones que pueden
encontrarse presentes tombién crecen.
Al finol de 111 vide de fatigo del meteriol (desde 200
ooo
ciclos hoste
111 fracturo), le tese de desarrollo de daño 11umente consideroblemente, e
medido que se reduce 111 resistenci11 residual. El mecanismo de degredoción
es ehor11 111 f11ll11 del reforzomiento, que comienzo en los bordes del
elemento estudiodo y en les zonos donde se hon unido los grietes en 111
matriz.
Este fenómeno aumento progresivomente h11st11 que el moteriel
falle totalmente.
Se he encontrodo que 111 tenacidad y deformación unitaria e le
fr11ctur11 del material empleado pore fobricer 111 matriz son foctores
importontes en 111 mejore del desempeño del compuesto, 111 reducir le
delemineción y el desprendimiento de les interfoses. Comperodo con estos
dos foctores, el módulo de Voung tiene un efecto mínimo en 111 vid11 de fotige
del m11teri11l (37, 38).
42
..,...o
-~
-;.
E
....
o o
,:: I:
....
i
~
2,::
,
I:
.
E
o
I:
Fracción dt la vida dt fatiga N/Nf
1.0
Fig. 4.4.- Comport11m1ento ideal onte la fatiga de un compuesto (39).
Pare un compuesto enseyedo bajo un régimen de fetige tensión compresión con amplitud constante, el decaimiento del momento flector
requerido pera ceuser le deformación deseede sigue, en términos generales,
un comportamiento como el que se muestre en le figure (4.3).
El
decaimiento de le curve depende de les cerecterístices del material y de le
severidad de los esfuerzos ceusedos. Le vide de fetige también depende de
dichos factores.
Hey que tener especial cuidado en que le frecuencia de epliceción de
le cerge see tel que no genere un calor excesivo debido e que, siendo los
meterieles constituyentes del compuesto malos conductores del calor, éste
se acumule y puede elterer les cerecterístices del polímero que forme le
matriz, veriendo los resultados.
Algunos investigadores (40) hen
encontrado que cerges eplicedes continuamente con une frecuencia de 15 Hz
eleve le temperatura del meteriel en eproximedemente 6º C, y le
tempereture llega e elevarse hasta por més de 40º
e entes
de le falle del
meteriel. Se recomienden, pare el ensayo bajo fetige de estos meterieles,
frecuencias máximas de 1O Hz (41 ).
Se hen comperedo les vides de fatiga de resines pléstices reforzedes
con fibra de vidrio con aleaciones de aluminio, encontrándose que le
resistencia e le fetige de les primeras decrece con el número de ciclos
43
eplicedo, en compereción con el aluminio (42, 43).
Bejo cerges cícllces repetides de compresión, se he encontredo que el
deño mós severo es debido e le delemineción (44).
4.4.- EFECTO DE LA ORIENTACION DE LAS FIBRAS (45, 46)
z
º...z
S•pl
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o
30
60
90
ANGULO B
Flg. 4.5.- Efecto que tiene sobre le reslstenc1e del compuesto 111 or1entec1ón de les f1bres.
Le or1enteción de les fibres del reforzamiento con respecto el eje de
eplicectón de le cerge tiene gren influencie en el comportamiento del
meteriel. En el ceso de fibres que no se encuentren orientedes con el eje de
epliceción de cerge, le felle puede ocurrir por tres posibles mecenismos:
1.- Que existe flujo en le metriz, perelelo e les fibras, heste que
éstes fallen. En este ceso, el esfuerzo máximo epliceble es dedo por:
(4.20)
donde 8 es el ángulo que existe entre les fibras y le linee de epliceción del
esfuerzo, y Sepl es el esfuerzo máximo epliceble.
Otre posibilidad es le felle por corte de le metriz en un pleno perelelo
e les ftbres de reforzemiento, en cuyo ceso el esfuerzo máximo que puede
resistir el meteriel es:
44
Sepl
=TH I
sen0'cos0'
(4.21)
Finalmente, le matriz puede fel1'1r por tensión en une dirección
perpendicular el reforzamiento, y el esfuerzo aplicable es dedo por:
Sepl
= SuH I sen 2
8
(4.22)
Por lo tanto, pare que el material trebeje de une manera óptima, el
reforzamiento debe tener poca o nula desviación con respecto e le dirección
del esfuerzo aplicado. En le figure 4.5 se muestre el comportamiento de le
resistencia del compuesto e le tensión como función del ángulo entre le
dirección del reforzamiento y le carga aplicada. (47)
4.5.- CARACTERISTICAS DE LOS CONSTITUYENTES DE LOS COMPUESTOS.
4.5.1.- REFORZAMIENTOS.
Le función del reforzamiento, dentro de un material compuesto, es
soportar le carga que se demande de él. Pera que un reforzamiento mejore
le resistencia de une matriz dada, deber& ser mils fuerte y mils rígido que
elle, y deberé modificar significativamente el mecanismo de falle. Le elte
resistencia y le elte rigidez implican que el material tendré! poca o nula
ductilidad, exhibiendo un comportamiento frágil. Este tipo de materiales se
emplee frecuentemente en forme de filamentos debido e que les falles
afecten marcadamente su comportamiento mecéinico.
El tener un
reforzamiento fibroso reduce el efecto de une falle cualquiera e le fibra
afectada, manteniendo el resto del material intacto.
Los tres materiales fibrosos mils usados como reforzamientos pare
materiales compuestos con matrices polimérices son: les fibras de vidrio,
les poli1m1mides (comunmente conocidas por su nombre comercial, KEVLAR)
y les fibras de carbono o grafito.
Les fibras de carbono son les mils
verséitiles y tienen el mejor balance de propiedades como reforzamiento
45
pcirci motrices epóxiccis; su costo, sin emb6rgo, es el mils elev6do.
L6s
fibrcis de policir6midci son l6s de mils b6j6 densid6d, lo cucil conduce 6 un6
resistencici específic6 simi16r 6 6quel16 de l6s fibrcis de c6rbono de 6lt6
resistencifl, pero tienen c6r6cterístic6s mecilnic6s poco efic6ces frente 6
16 compresión y 6 16 flexión debido 6 16 f61t6 de rigidez.
L6s fibr6s de
vidrio son l6s mils económic6s de l6s tres mencioned6s y tienen propied6des
61 corte igu6les 6 16s de l6s fibr6s de c6rbono; siendo l6s mils dens6s de l6s
tres fibr6s mils popul6res, present6n los módulos específicos mils b6jos.
P6r6 compuestos reforz6dos unidireccion61mente sometidos 6 f6tig6,
se h6 encontr6do que el gr6fito y el Kev16r m6ntienen su resistenci6
mecilnic6 uniforme dur6nte mils tiempo (h6st6 10 3 ciclos) que el vidrio, en
los niveles correspondientes de esfuerzo p6r6 c6d6 uno de los m6teri6les,
6unque su comport6miento un6 vez inici6d6 16 degr6d6ción V6rÍ6 (48).
El
vidrio, sin emb6rgo, ofrece 16 vent6j6 de tener menor consto en comp6r6ción
con los otros dos tipos de reforz6miento, por lo que es muy 6tr6ctivo p6r6
un gr6n número de 6plic6ciones.
FIBRAS DE VIDRIO.
L6 fibr6 vítre6 mils comunmente emple6d6 como reforz6miento esté
heche de vidrio tipo E, el cuel es un eluminoborosiliceto de celcio con un
contenido elcelino milximo del 2.0%. Los vidrios E se emple6n como fibres
de propósito genere! cuenda se requieren elte resistencie mecilnice y
resistivided eléctrice; presenten un útil belence de propiededes mecilnices,
químices y eléctrices, 6 un precio moderedo. Les fibres de vidrio tipo S, un
eluminoborosiliceto de mflgnesio con contenido meyor de 6lúmine que el
vidrio tipo E, y que presente resistencies meyores e le tensión, lo he
reemplezedo en much6s epliceciones.
El vidrio es un meteriel emorfo obtenido del estedo líquido por un
enfriemiento lo suficientemente rilpido pere que no se formen cristeles.
46
Químic8mente, el vidrio se compone esenci8lmente de un8 red de sílice. Sin
emb8rgo, 18 sílice pur8, o cu8rzo, reQuiere de tempen1tur8s muy 8lt8s p8rn
ser fundid8, estir8da y tr8nsform8d8 en fil8mentos.
Por lo t8nto, otros
componentes Químicos son 8ñ8didos con el objeto de disminuir 18 viscosid8d
del vidrio 8 niveles 8propi8dos p8r8 derretirlo, homogeneizarlo, eliminllrle
l8s inclusiones goseos8s y convertirlo en fibros.
El vidrio presente
propied8des 8lt8mente dese!!bles p8re divers!ls 8plic8ciones, como durez!!,
resistenci8 81 8teQue Químico, estab1lid8d, resistencio a 18 tensión,
flexibilidad, ligerez8, etc.
L8s propied8des físic8s del vidrio pueden ser
eltered8s en gr!ln medida por el tipo y centid8d de modificadores Químicos,
8UnQue estas fluctuaciones composicion!!les no olteran significetiv!lmente
l8s propied8des físicas y Químic!ls del tipo de vidrio.
El vidrio E tiene l!! siguiente composición típic!I (% en peso) (49, 50):
COMPONENTE
dióxido de silicio
óxido de 8luminio
óxido bórico
óxidos de sodio y potasio
óxido de magnesio
óxido de calcio
dióxido de titanio
óxido de hierro
hierro
RANGO
52 - 56
12 - 16
5 - 10
o- 2
o- 5
16 - 25
O - 1.5
O - 0.8
o- 1
TIPICo·
54.5
14.5
8.5
0.5
4.5
17.0
Les características mecánicas més importantes del vidrio tipo E, e
temperatura ambiente (25º C), son las siguientes (51):
Módulo de elasticidad
Resistencia e le tensión
Deform8ción unitoria
e 16 frectur!I
Densidad
Módulo de Poisson
72.4 GPa
3.45 GP!!
4.8 %
2.62 g/cm 3
0.2
47
Le fibre de vidrio se presente comercielmente en forme de meche,
denominede rovlng, que consiste en un hez formedo por un gren número de
monofilementos de vidrio entrelezedos. Este meche se clesifice de ecuerdo
e su rendimiento, que se denomine "TEX"
El rendimiento del roving indice el
peso eproximedo, en gremos, por cede 1000 m de meche. El diémetro de los
monofilementos y el número de ellos que se encuentre presente en le meche
depende del rendimiento.
El roving 2400 TEX menufecturedo por Vitre
Fibres, S. A., que fué el empleedo en este investigeción, contiene 1600
monofilementos de 25 µm de diémetro.
Fig. 4.6.- Meche (rovingl de fibre de vidrio.
Ademés de utilizerse en este presenteción pere el formedo de objetos
reforzedos continuemente, e pertir del roving se formen otros productos
como fibre corte, esteres y fieltros, conocidos estos últimos como
"petetillo" y "colchonete", respectivemente.
Estos productos se empleen
muy frecuentemente pere le producción de objetos plenos.
4B
4.5.2. -APRESTOS.
Los eprestos son fectores esencieles en le tecnologíe de compuestos
fibrosos y pueden tener efectos tento positivos como negetivos en les
propiededes del compuesto. En le industrie de los compuestos, el término
epresto he llegado e significar cuelQuier recubrimiento superficie] eplicedo
e un reforzemiento pere protegerlo del deño durante el proceso, eyuder e
dicho proceso o mejorar les propiedades mecénices del compuesto,
especialmente mejorar le resistencia de le interfese.
Muchos eprestos
comerciales son formulados pare ser multifuncioneles.
Le función principal de le interfase es transferir los esfuerzos
cortantes desde le metriz, Que es débil, heste el reforzamiento de elte
resistencia, y este cepecided depende de les cerecterístices mecénices de
ambos componentes y de le resistencia de le interfese entre fibra y matriz.
Este últime, en compuestos con metriz polimérice, depende en gran medide
de les fuerzes de edhesiór. Que existen entre embos. Le falte de edherencie
entre le matriz y el reforzemiento debilite le interfase y permite su
degredeción debido e le ección de factores externos. En resines epóxices
reforzedes con fibre de vidrio, le degredeción ceusede por egue en le
interfase es un concepto importante, y se reQuiere une interfase fuerte y
Químicamente estable pare lograr un compuesto de buena celided (52). Es
importante hecer notar Que, eunQue se hen propuesto veries teorías pare
explicar el comportamiento físico y Químico de le unión en le interfese,
ninguna es ciento por ciento setisfectorie.
Los aprestos més comunmente empleados con fibre de vidrio son
Químicos orgenofuncioneles de silicio, conocidos como silenos.
Estos
Químicos se representen por R' - S1(0R) 3 , donde R' es un grupo funcione!
compatible con le resine, y OR es un grupo compatible con el vidrio.
Industrialmente, los silenos se eplicen e le superficie del vidrio,
49
previemente limpiade dentro de un horno con 11fre 11 340º C, en forme de
solución 11cuose, lo cuel permite le formeción de enlaces químicos (St - O 51)
y enlaces de hidrógeno entre 18 superficie del vidrio y el silano. Al
manufactunirse el compuesto, el grupo funcione!
formendo un enlace químico.
R'
re11ccione con la resine,
Algunos de los 11prestos de silano
recomendados para compuestos fibre de vidrio - resine epóxica son los
siguientes (35):
1)
g - 11minopropiltrietoxisi111no.
H2 N - (CH 2 ) 3
2)
Sl(OC 2 H5 ) 3
-
g - glicidiloxipropiltrimetoxisilano
H2 COCH - CH 2
-
O(CH 2 ) 3
-
S1(0CH 3 ) 3
3) N - b - eminoetil - g - aminopropiltrimetoxisileno
H2 N - CH 2
-
CH 2
-
NH - (CH 2 ) 3
-
St(OCH 3 ) 3
4.5.3.- MATRICES:
Le matriz de los compuestos puede formarse e partir de varios tipos
de materioles, como pueden ser metoles, cerámicos o poi ímeros.
Este
último tipo de materiol es el que se estudió.
Un poi ímero es un químico, de origen generolmente orgánico, que se
encuentra formado por molécules gigantes que contienen una o más unidodes
repetidos de átomos, unidas entre sí por medio de enloces covolentes.
Los poi ímeros pueden clasificarse como termoplásticos o termofijos,
otendiendo o las corocterísticas que presenten sus moléculas. De estas
coracterístices se derive el comportamiento macroscópico que presenta el
meterial.
Los poi ímeros termoplásticos presentan moléculas con forma de
largas codenas de unidades repetidas de ocuerdo o un cierto orden. Las
unidades (llamadas meros) que forman lo cedeno se encuentran unidas entre
50
sí por medio de enleces covelentes, y les moléculas se unen unes con otres
por medio de fuerzes de Ven der Weels o enleces de hidrógeno.
Estos
enleces intermoleculeres son sensibles el calor y e le presión, rompiéndose
temporelmente y permitiendo que el polímero fluye el moverse sus
moléculas con relación e sus vecinas. Al enfriarse el meteriel se vuelven e
formar les uniones intermoleculeres, solidificando de nuevo el polímero.
Los polímeros termofijos (o termoestebles) forman, en cambio, redes
moleculares tridimensionales, donde les moléculas lineales se encuentren
uni des entre sí por medio de puentes f ormedos por 1e unión, con enl e ces
covelentes, con otras moléculas, que aparecen periódic11mente
II
lo l11rgo de
les ceden11s. A estos puentes se les denomin11 enleces cruzados.
Estos
enlaces se form11n dur11nte 16 polimeriz11ción del materiel, y une vez
form11dos no pueden desh11cerse sin destruirlo. En términos generales, por
lo tanto, un termofijo no puede hacerse fluír por medio de le epliceción de
c11lor ni de presión.
Present11ré t11mbién deform11ciones pléstic11s muy
pequeñas.
Las propiedades mecénices de los polímeros dependen fuertemente
tanto de le temperatur11 como de 111 t11s11 de 11plic11ción de c11rge.
Los
polímeros presenten une temperatura, denominada temperBturB de
trBnsición vítreB, en le cu11l cambie abruptamente su comportamiento. Por
debajo de dicha temperatura, el polímero se comport11 de une menere frégil,
c11si v ítree, con resi stenci e e 1e tensión y módulo de el asti ci d11d
relativamente elev11dos.
Cuando est11 temper11tur11 es excedide,
el meteri11l 11dquiere
c11r11cterístices de un sólido suave y correoso. Al recibir c11rg11s, presente
una répidll deform11ción eléstic11 seguida de un11 deformeción pléstice lent11.
Llegada une ciert11 temper11tur11, perticul11r per11 el m11teri11l, éste se licúe
con elte viscosidad, si es termopl ést i co, o bien se queme si es termofi jo.
En los meter111les termofijos, si 16 cantidad de enl11ces cruz11dos es muy
51
alto, puede no apreciarse el punto de transición vítreo, posando
directamente del comportamiento frégil o lo combustión. Es deseable, en
oplicaciones como los que nos ocupo, tener un punto elevado de transición
vítrea, debido a que, en un automóvil, los sistemas de suspensión pueden
estar sujetos a temperaturas relotivomente oltos, seo por factores
ambientales o por les condiciones de operación.
La toso de opliceción de cargo ofecto de uno manero inversflmente
proporcional a las características mecénicos del material. Así, un polímero
que recibe uno carga súbito no tendré tiempo de e)(perimentar una
deformación pléstica, y se comportaré en forma frégll. en cambio, si la
aplicación de carga es lenta o constante, puede presentar comportamiento
dúctil.
Los compuestos con motriz polimérico emplean varios tipos de
polímeros para formarlo, tanto termoplésticos como termofijos, como por
ejemplo:
TERMOPLASTJCOS:
nylon, poliésteres termoplésticos, policarbonatos,
poliacetales, poliamida - imida, polieter - eter cetono (PEEK), polisulfona,
etc.
TERMOFIJOS: epóxicos, poliésteres termofijos, ésteres vinílicos, fenólicos,
poliimidas, etc (53).
De estos polímeros, los mes comunmente empleados son los epóxicos
y los poliésteres termofijos. En la presente investigación, se empleó resinfl
epóxica Arel di te MY, de Ci be - Gei gy.
RESINAS EPOXICAS:
Estos materiales son los mes versétiles de los disponibles
comercialmente para formar matrices.
Dependiendo de las estructuras
químicas de la resina y del agente de curado que se emplee, la
·disponibilidad de numerosos reactivos modificadores, y las condiciones de
52
curtido, es posible obtener tenecided, resistencie Químice y e solventes,
flexibilided extreme con elte dureze y resistencie e lci tensión, resistenciti
ci lci ftitigci y ci 16 termofluenciti, etc. No se formtin subproductos durtinte el
curtido, y el encogimiento debido til curtido es btijo.
Aún cucindo el empleo de reforztim1entos de muy elevt1dt1 resistenciti
ciumentci en grtin medidti lti resistenc1e a le tensión y lti rigidez del
compuesto, se ha encontrtido Que le vida de fatiga, Que depende del
comportamiento de la mtitriz, no ctimbici con respecto ci ltis car1:1cterístict1s
mecírnictis de éstti, t1 pestir de Que puede aumenttir el esfuerzo Que el
compuesto puede soporttir. El uso de mt1terit1les més rígidos pt1rt1 formtir lti
matriz, en genertil, no 1:1umentt1 el número de ciclos Que el m1:1terit1l soportti
sin comenztir ti degrt1dt1rse, y htice mós pronunciedti lti pendiente de lti curvti
S - N del materitil. Ltis razones ptira esto pueden deducirse de lti mt1nert1 en
Que se lleve a ctibo le degrt1dt1ción del meteritil, estudlt1dt1 en otrti ptirte de
este reporte. (54)
Todtis ltis resintis epóxictis contienen el grupo epóxido, oxirtino o
etoxileno, cuyo esQuemti se muestre en la siguiente figurti, en el cutil R
representti el punto de unión til resto de lti moléculti de resine:
'\,.
/
O,
c"-c/
R
/O"
CH -CH-CH2-
"
2
Lti función epóxido es comunmente un epóxido 1,2 o t1lft1, Que t1pt1rece
en la formti Que t1rribt1 se muestrti, til cutil se le llt1mt1 grupo glicidilo, unido
1:11 resto de lti moléculti por une unión de oxígeno, nitrógeno o ctirboxilo.
Lti forma més comun pt1rt1
1
1:1 producción de resines epóxictis es lti
reacción de lti epicloridrine con compuestos Que contienen átomos retictivos
de hidrógeno, como los fenoles y ltis timines.
Ltis resines epóxictis més
comunmente ustidas son éteres diglicidílicos de bisfenol A (DGEBA),
derivtidos de lti reticción Químicti del bisfenol A con epicloridrine.
continutición se muestrti lti moléculti del DGEBA.
53
A
Ftg. 4.7.- Molécules de: e) DGEIIA b) dletllén tr1 emtne.
El curado de la resina se lleva a cabo generelmente por medio de la
reacción con dietilén triamina, cuya molécula también se muestra. Durante
el curedo, se forman los enlaces cruzedos que hacen de le resina un sólido
insoluble, duro y frágil.
Las propiededes que exhibe la resine curada
dependen principalmente de la densidad de enleces cruzedos presente. En
general, las propiedades mecánices, térmicas y químicas del material se
mejoran con el aumento de la densidad de los enleces cruzados, con le
excepción de la tenecided y la elongeción e le tensión.
Las resinas epóxicas, debido a las excelentes propiedades Cidhesivas
que presentan durante la polimerización, se unen facilmente a la mayoría de
las fibres. Dado que forman une interfese fuerte, los laminados hechos con
estas me tri ces reflejen sus pro pi edades fi brasas en gran medi de (55)
A continuación se muestran les carecterísticas físicas y mecánices
más importantes de la resine epóxica (56):
Módulo de elesticidad
Resistencia a la tensión
Densidad
Módulo de Poisson
2.75 - 4.10 GPa
55 - 130 MPa
1.25 g/cm 3
0.2 - 0.33
Estas características pueden variar en gran medida de ecuerdo al
método empleado para el curado de la resina.
En sistemas mecánicos sujetos a cargas cíclicas, es comun empleer
resinas termofijas como la epóxica o ésteres vinílicos como metrices. A
·pesar de que en la actualidad estos meteriales son los óptimos para tel
54
servicio, presenten tembién elgunos inconvenientes:
los termofijos tienen tiempos de curedo demesiedo lentos pere los
requerimientos que presente le producción mesive.
Le vide de enequel de los termofijos, especielmente de equellos que
son presentedos "listos pere userse", como el SMC, el BMC, los prepregs, etc.
es muy corte.
Los procesos répidos de febriceción pere este tipo de meterieles se
encuentren temb i én limite dos por 1e necesi ded de tener une buene
impregneción del reforzemiento por le resine, le necesided de mentener e
equél en le orienteción correcte y le elto viscosided que presenten les
resines termofijes.
Un probleme que debe solucionerse tembién es el comportemiento de
los PRF ente el deterioro mecénico, no solo debido e cerges cíclices,
especielmente cuenda se heble de més de 10 6 ciclos o cuenda se encuentren
ecopledes con elles temperetures, sino tembién ente cerges de impecto.
Aún cuenda los compuestos pueden disiper elles centidedes de
energíe, esto conlleve e su destrucción. Pere elementos estructureles de
eutomóviles, como los resortes de suspensión, que deben trebejer
frecuentemente sobre terrenos egrestes o en mel estedo, o como prevención
centre colisiones, es indispenseble que existe le posibilided de que estos
meterieles sufren une felle pléstice pere userlos de menere que se esegure
le protección de los ocupentes del vehícu.lo en ceso de un eccidente. (57)
Otro probleme que presenten les resines epóxices, perticulermente
importente pere une epliceción como el muelle bejo discusión, es su beje
dureze y beje resistencie e le ebresión. En situeciones normeles de trebejo,
un muelle se encuentre expuesto e le ección de pertícules ebresives, como
greve, erena, etc. presentes en el cemino. Debido e esto, seríe recomendeble
proteger le superficie del muelle por medio de algún recubrimiento flexible
y tenaz, que hiciere frente el deño que teles impurezas pueden causer.
55
CAPITULO • 5.
PROCESOS DE FABRICACION DE MATERIALES COMPUESTOS
Los métodos empleodos poro fobricor estructuras o partir de
compuestos dependen, entre otros foctores, del tipo de reforzamiento y
matriz aplicados, la formo del artículo, el número de piezas y la tasa de
producción que se requieren. Cualquier método utilizodo debe ser confiable
y costeable.
Cuondo el reforzomiento consiste en delgados filamentos de
moteriales como fibras de vidrio, carbono, polioremida o boro, se manejan
mede j as de centeneres o decenos de mi 1es de estos filamentos como
entidodes únicos (rovings o mechos). Cuando estos fibras se incorporan a
uno motriz polimérico, es conveniente preparor un producto semiprocesado
Intermedio que seo formable, conocido como prepreg, en el cuol las fibras
yo han sido infiltrados por lo resino, y tiene uno formo conveniente para
usorse en lo monufocturo de los objetos deseodos.
De los vorios procesos de manufactura existentes para producir
Implementos hechos de moterioles compuestos, sólo se detallaren aquéllos
que tienen aplicación directa o lo producción de materiales con matriz
polimérica termofijo, que es el objetos de nuestro estudio. Idealmente,
estos procesos deben incluir la aplicación de altas presiones y
temperaturos relativamente elevadas, con objeto de que la resina impregne
o las fibras en su totalidad, y se forme un polímero con la cantidad
requerida de enlaces cruzados paro proporcionar la resistencia deseada.
Cualquiera que sea el método empleado, debe tenerse en cuenta la
olla viscosidad que presenta la resina. Este fenómeno induce una serie de
problemas en los procesos de formodo de compuestos, que culminan en
defectos de fabricación tales como interfases mal formadas, vacíos,
burbujas, etc.
56
Pere eliminer o reducir estos problemas, puede hecerse uso de veries
técnices tendientes e eliminar le presencie de gases (principalmente aire).
Esto tiene releción conc le elimineción de burbujes de ges del seno de le
resine durente (o inmedietemente después) del mezcledo de los
componentes de Je resine y, en ocasiones, durente el proceso de moldeo.
Puede tembién reducirse le cantidad de aire atrapado sobre le superficie de
les fibras, durante el proceso de impregneción, procediendo lentamente.
5.1.- MOLDEO MANUAL
Como su nombre I o indice, este proceso consiste en Ie di sposi ci ón
menuel de los componentes del meteriel compuesto dentro de un molde,
hecho Jo cual se los deje reposer pare permitir el curado de Je matriz.
Dicho molde es ebierto y puede ser mecho o hembra. Le disposición manual
de les cepas componentes del material suele ser el punto de partida pera
varios de los procesos de fabricación que se detallen en seguida.
Le fabricación manual por medio de moldes abiertos se emplee pera
producir objetos que sólo requieren une superficie acebeda y valores no
muy elevedos de resistencia mecénice, empleando, Je mayoría de les veces,
meterieles con reforzamiento discontinuo. Ejemplos de teles productos
son botes, objetos de ornato, tines de baño e hidromasaje, etc. El material
es eplicedo el molde, sea completamente e meno, o bien por medio de une
pistola rociedore de construcción especial, diseñada pera que permite le
aplicación tanto del reforzamiento discontinuo como de Je resine sin
polimerizer.
Le superficie del molde he sido previamente recubierta con une cape
de compuesto desmoldente y con une cape de gel de ecebedo (denominada
"gel coet"), el cual puede servir de bese pera un pintado posterior. Después
de apisonar el material por medio de rodillos, pare compactarlo y eliminar
burbujas de aire, y de eliminar el material excedente de los bordes, se deje
57
curer el meteriel.
Los mo'jes rrechJs se empieen ~ere ob~ener productos
que tengen buen ecebedo en su superficie interioí, como tines de beño,
mientres que en los moldes hembre se producen objetos que requieren de un
buen ecebedo en le superfic:s ex,er1or, como botes y cerroceríes Püre
eutomóviles.
Algunes de les técnices que e continueción se detel!en empleen el
manejo menuel de meterieles perd disponer los constituyentes dentro del
molde, pero le pieza adquiere le forme por medio de le ec:ión del molce,
por lo que no se puede considerer moldeo menuel. El procs'.'"o d"" f."Jricecióri
empleado en le investigación
cee
dentro de rste últime cl·Js1ficec1ón.
5.2.- MOLDEO EN BOLSA AL \/ACIO
Este proceso se emplee principalmente en le industrie aeroespeci5l,
pare le producción de piezas planes, donde el e1to volumen C:e producción no
es une consideración primerie de fabricación. Le meterie prime perEi est::
proceso es un prepreg que contiene fibras impregMdeis de resine en un
"estado B" (parcialmente curede) (58).
BOLSA DE YACIO
PLACA DE ALUMINIO
I
RESPIRADOR DE PLASTICO
F1g. 5.1 - Proceso de Mo':!eedo en Bolsa (sPgún l'"í~ll1ck)
Les cepas de prepreg se Ppilen el grosor deseedo entre capes de
teflón poroso, que eviten que se pegue e cepas de papel qu 0 absorben
58
E'
exceso de resine que fluye el eplicer presión el molde, ecerreendo consigo
les burbujes que pueden existir y reduciendo esí el contenido de vecíos del
producto terminedo. Por encime y por debejo del prepreg se colocen pleces
de eluminio que eseguren une epliceción uniforme de presión. Todo este
epilemiento se coloce dentro de une bolse impermeeble y resistente el
celar, y se hece vecío dentro de elle.
Este disposición se muestre
esquemilticemente en le fig. 5.1. Así, sobre todo el meteriel se eplice
presión, y se introduce el conjunto e un eutocleve pere permitir el curedo
de le resine.
Le centided de resine que contiene el prepreg se celcule de tel
menere que, une vez eliminedo el exceso, el compuesto resultente tenge el
volumen deseedo de reforzemiento.
Le presión y tempereture de curedo se seleccionen de tel menere que
le resine cure uniformemente y se logre el greda deseedo de cure
(eslebonemiento cruzedo) en el menor tiempo posible. Ademés, le presión
debe ser tel que todo el exceso de resine see exprimido ente de que le
resine gele (eumente de visc.osided). Le tempereture de curedo no deberé
exceder el I ímite prescrito pere eviter degreder el pal ímero.
5.3.- MOLDEO POR COMPRESION
El moldeo por compresión es uno de los procesos de febriceción més
empliemente difundidos pere le formeción de piezes heches de meterieles
compuestos. Consiste en le epliceción, por medio de une prense edeptede
pere tel fin, de le presión neceserie el molde pereque le resine llene todos
los huecos presentes e impregne totelmente e le fibre.
modelidedes principelas:
Existen dos
prensedo en celiente y prensedo en frío.
Le
principel venteje que ofrece este método es le posibilided de former piezes
con geometríe compleje en poco tiempo.
Le meterie prime empleede en este proceso se presente en forme de
59
mezcles denominedes compuestos de moldeo, los cueles ye contienen le
fibn1 de reforzemiento (generelmente discontinue), en estrecho contecto
con le resine.
Este últime se encuentre edicionede con un compuesto
inhibidor de polimerizeción, que elerge le vide útil del compuesto entes de
su utilizeción. Durente el proceso de prensedo en celiente, le ección de
este editivo es detenide y se permite le polimerizeción de le resine.
Frecuentemente es neceserio mentener estos meterieles en refrigereción,
pere eviter que le resine cure y se inutilicen.
Dichos compuestos son principelmente de dos tipos: BMC (bulk
molding compound), el cuel tiene, entes de curedo, el especto de une
mesille en le cuel se encuentren embebidos los filementos que formen el
reforzemiento, y que se emplee pere producir piezes con geometríe més o
menos complicede, y SMC (sheet molding compound), con forme de hojes,
que se utilize pere producir objetos plenos, incluso en forme contínue.
En el proceso de moldeo por compresión se empleen moldes
metélicos; en el prensedo en celiente se empleen resistencies eléctrices,
vepor o egue o eceite celiente que circule por conductos precticedos en los
moldes pere elever su tempereture. Los moldes pueden ester hechos de
ecero o eluminio. El eluminio suele userse pere producciones bejes por
prensedo en frío.
Pere llever e cebo estos procesos, se coloce en el interior del molde
une centided epropiede del compuesto de moldeo, y el molde se cierre
inmedietemente después. Le presión eplicede hece que el meteriel llene le
cevided del molde y el exceso de resine selge, errestrendo consigo el eire
que puede heber quededo etrepedo. A continueción se muestren los rengas
de presión y tempereture empleedos en moldeo en celiente (59):
Presión: 1.4 e 34.5 MPe.
Tempereture: 130 - 160 º C.
60
Después de que se he logrado el grado deseado de curado, le pieza es
expulsada del molde, pudiéndose continuar le operación con otra pieza.
Debe tenerse cuidado en le meneni en que se aplica le temperatura el
molde, especialmente en piezas gruesas, de lo contrario, les piezas
formadas sufririln de une gran cantidad de defectos inducidos por el
proceso, como vacíos y fibras mal impregnadas.
Esto se debe
B
que le parte mils externa de le pieza formada cure
entes que le región central, debido
B
que alcanza primero le temperatura de
curado. En el centro de le pieza, le temperatura aumente mils lentamente,
pero puede llegar
curar, debido
llegar
B
B
B
valores demasiado elevados cuando le matriz empieza
B
que le reacción de polimerización es exotérmica, y puede
quemar o degradar le resine. Debido
B
esto, no se recomienden
temperaturas elevadas de moldeo pare objetos gruesos (60).
5.4.- PULTRUSION (61, 62)
Este proceso se emplee pare producir objetos rectos y de sección
constante, con materiales que tienen reforzamiento continuo, teles como
varillas, tubos, lilmines y perfiles.
El reforzamiento, ye seturedo de
resine, se hace pesar e trevés de un troquel caliente, donde se forme le
matriz el polimerizer le resine.
El producto terminado es jalado pare
hacerlo pesar por el proceso (de ahí su nombre: pull
fig. 5.2 se ve un esquema de este proceso.
61
+
extrusion ). En le
SIERRA
DE CO'<TE.
FILET A
TRC , 'ºL
~'U...
e AL :TTE
RQi)"' LOS
I
ADORrs
~ "L
· -l
tiEi
- ~
-
"'
PREC ALENT ALlOR
F1g 5:: - Esquema del proceso ~e puitrus,5~
El reforzemiento empleado en este procesos de ft1bricación sP
presenta en forma de meche ("ro'-' in g .. ), estera ("pete ti 11 o .. ) o a rr. b os_
s e d i s p o n e e n u n e s t a n t e d e n o m i n e d o f i 1e t a , d e d o n d e s e a
Este
r t1 e i 1r1 e n : e
tomado y conducido al proceso
Los cebos de las mec•ies y/o les extremos de les esteras son
conducidos hacia una guía, que los ordene en un arreglo apropiedo pare e,
contorno que ha de tener 1a pieza
A con ti nL;a e i ón, son conducidos a 1:n e
cuba de impregnación donde el reforzamiento es sumergido en la resina,
para que la absorbe.
El exceso de resine es posteriormente eliminedo del
reforzemiento por un buje exprimidor, a tiempo que se le de le disposición
seccional que se requiere.
La fibre impregnede de resine pase a continuec1ón e trevés de un
precelentador, donde por ondas de alta frecuencia de radio (5 - 100 MHz) o
microondas (915 reforzamiento
sea
2450 MHz), empieza e curer
conductor,
corno
el
grefito,
En ceso de que e1
puede
empleerse
calentamiento por inducción.
El siguiente paso es ia entreide del pequete e un troquel precelentedo,
donde recibe le geometríe secci1Jnel que requiere y dor,de c•ira la resine. Al
sel ir el compuesto de este troquel, tiene lt:1 forme de une 1-Í'P. continue de
producto terminado,
y
es jaledo por medio de dispos1t1v:s eprop1edos
62
Finalmente, el compuesto es cortBdo en secciones mBnejobles por medio de
uno sierr6 oscilBnte, cuyo filo esté hecho de diomonte obrosivo.
sierrB se encuentr6 sincronizBd6 con el dispositivo jolodor.
Esto
De esto
monero, el mBteriol se encuentro listo poro ser utilizodo.
En lo octuolidod, este proceso ho recibido muchos mejoros, toles
como lo posibilidod de poder producir objetos curvos, objetos de sección
verioble, orientociones no longitudinales del reforzomiento, etc.
Lo
mByoríB de los méquinos empleBdos Bctuolmente pere monufocturo de
compuestos por pultrusión son controledos por computodoro.
5.4.1.- PULFORMADO.
Un proceso especiol de pultrusión es conocido con el nombre de
pulformodo. Es usado cuondo se deseo que lo formo del producto terminodo
seo curvo o de sección verioble.
Puede hocerse recto o curvo.
Es un
proceso que se ho empleodo con exi to porn lo producción de, entre otros
coses, muelles de compuestos reforzedos continuemente.
En el pulformedo, lo moterio prime es procesodo de uno monero
enélogo
11
16 empleodo en lo pultrusión, con lo diferencio de que no se
producirén perfiles.
Uno vez que el reforzBmiento se encuentro yo
impregnodo con resine, se introduce o un molde que le do lo formo que he de
tener y que lo cure, produciendo objetos en formo continuo. Los piezes esí
formodos son seperodes unes de otros por medio de une sierre (63).
5.6.- DEVANADO DE FILAMENTOS
El devenodo de filementos es un proceso de fobricoción que se presto
porticulormente pore le producción de portes cuyo forme generol es lo de
un recipiente, o cuenda el reforzemiento puede devenBrse sobre un núcleo
centrel: tenques, depósitos, elementos tubuleres, vorilles, pelotos, etc.
Bosicomente, lo opereción llevode 6 cebo consiste en el devonedo de
63
un hilo continuo de reforzomiento, ya impregnado en resina, olrededor de
una forma bésica, atendiendo a un cierto arreglo. E><isten vorios esquemos
poro llevor o cobo lo operoción: por torno, por brozo girotorio, por pisto,
etc. (64). Los muelles empleodos en el automóvil GMC Corvette son hechos
por este método.
64
CAPITULO # 6
TECNOLOGIA EXPERIMENTAL
En esta sección se detallará la manera en que se llevó a cabo la
preparación de las probetas empleadas en los ensayos hechos para conocer
el comportamiento tanto estático como dinámico del material utilizado.
6.1.- PREPARACION DE LA RESINA.
Por indicación del fabricante,
la resina
y el endurecedor deben
mezclarse en una proporción de 81 % de resina y 19% de endurecedor, en
volumen.
El mezclado de ambos componentes debe ser perfectamente
uniforme, para lograr resultados óptimos.
Fig. 6.1.- Campana y bomba de vaclo empleadas para desgasificar la resina.
Una vez preparada la mezcla de resina y endurecedor, se le somete a
vacío por un lapso de 15 minutos, para eliminar de la mezcla los gases que
puedan existir en ella, como el aire que queda atrapado al revolver los
componentes.
Inmediatamente después de hacer el vacío, la resina debe
65
usarse para impregnar la fibra, pues la polimerización empieza casi en el
acto.
6.2.- MATERIALES EMPLEADOS PARA CONSTRUIR LOS MOLDES.
Para producir las probetas, se fabricaron dos tipos de moldes: rígidos y
flexibles.
Los primeros se emplearon para producir muestras rectas,
mientras que los moldes flexibles sirvieron para producir probetas curvas.
Dentro de los materiales aptos para formar los moldes requeridos, se
seleccionaron aquellos que reunieran las características de ser económicos,
fáciles de trabajar y facilmente disponibles.
Los materiales empleados,
pues, fueron los siguientes:
a) Madera contrachapada de pino: Se empleó madera con grosor de 12.7
mm o de 19.0 mm de espesor para formar los moldes rígidos y para fabricar
las bases de los moldes flexibles, y madera contrachapada de 3.2 mm para
producir los moldes flexibles.
b) Caucho: Se usó caucho con un grosor de 3.2 mm para forrar la parte
de las cajas y tapas de los moldes flexibles que entraría en contacto con la
pasta desmoldante y la resina, y también para los costados de los modes.
El
objeto de emplear caucho fué el tener una superficie lisa y flexible para dar
un buen acabado a las probetas, y facilitar el manejo de los moldes.
c) Latón: Se empleó lámina de latón de 0.58 mm para forrar la base de
uno de los moldes curvos, que se hizo rígido.
El objetivo de emplear este
material fué también el de obtener una superficie lisa.
6.3.- PRODUCCION DE PROBETAS DE RESINA SIN REFORZAR.
Para obtener probetas hechas unicamente de resina, a partir de las
cuales pueda conocerse el comportamiento mecánico de ésta, se empleó un
66
molde cuadrado de madera de pino. C:.Jyo ir'rnrior puc ::e forrarse facilmente
de papel de aluminio rec.;b,erto cíe compuesto desrno1dante.
Este molde
permite obtener una placa de resina epóxica de 30 x 3J x 2 cm, de la que
pueden maquinarse m:.Jestrc.s co•1 ias dimensiones r.c;cesarias par;:¡ estudiar
su comportamiento.
En
a f;g
6 2 se muestran una probeta lista po.ra el
ensayo y otra ya ensayada. donde se aprecia la forma de la muestra.
,
L. __
Fig. 6.2.- Probetas de resina sir. reforzar (nueva y fracturada).
6.4.-TECNICAS DE MOLDEO EMPLEADAS PARA PROBETAS RECTAS TIPO HUESO
DE RESINA REFORZADA:
La
producción
de
probetar
de
resina
reforzada
experimental de esta investigación se corr,enzó con
probetas rectas.
para
la
parte
ia producción de
Para esto, se construyeron varios esquemas de moldeo.
El primero de ellos consistió en un ;:;1stema con cuatro moldes cuadrados,
con dimensiones de 300 x 300 mr1., que permiten obtener muestras de hasta
19.0 mm de espesor.
La forma e 1egida para estos primeros moldes se
67
ilustra en la fig. 6.3.
Como puede verse del diagrama, el molde está provisto de un lado
removible cuyo objeto es facilitar el desmoldeo de la pieza terminada.
Esto
se consideró necesario dado que se trata de un molde rígido.
COSTADO REMOVIBLE
BASE
Fig 6.3.- Primer molde.
Colocando cuatro de estos moldes individuales sobre un armazón
giratorio, es posible producir cuatro blancos de los cuales pueden cortarse
tantas probetas como su tamaño permita, dada la geometría que se
determine más apropiada.
Si bien el esquema original no se llevó a cabo por demostrar ser
impráctico, estos moldes sirvieron para conocer el comportamiento de la
fibra al ser impregnada con la resina.
Por medio de adaptaciones
pertinentes, se logró producir pequeñas muestras del material, empleando
capas individuales de fibras impregnadas con resina epóxica, colocadas una
sobre otra dentro del molde, las cuales fueron curadas con y sin tapa.
Los
resultados, desde el punto de vista de la calidad de la muestra obtenida,
Sin embargo, este proceso no se
fueron medianamente aceptables.
recomienda por ser excesivamente complicado, y muy probablem~nte tener
un costo excesivo si se llevara a cabo en gran escala.
El
segundo
paso
fué
el
usar
un
características se muestran en la fig. 6.4.
68
molde
rígido
único,
cuyas
Para este molde, la fibra se
dispuso formando un solo tendido. del cual se obtendrían las capas de fibra
que fueren necesarias para formar la probeta. El número total de mechas
requerido se determinó a partir de la siguiente expresión:
(6.1)
donde x e y son el ancho y espesor, respectivamente, del blanco, d es el
diámetro de los filamentos individuales que componen la mecha y n es el
número de filamentos que ésta contiene.
En el caso estudiado, n tiene un
valor de 1600 (proporcionado por Vitre Fibras, S. A.) y d de 25 µm (medido).
Dicho tendido se hizo de manera análoga a la urdimbre de una tela.
enrollándolo luego en un rodillo apropiado para de él extraerlo a medida que
fuera necesario.
TAPA'\
écé'========\========~;?
•
•
•
BASE
~~~~~0
~
.e=./~(
I'.=
Fig. 6.4.- Molde rígido cerrado.
La impregnación de resina de la fibra de vidrio empleada en este molde
se logra de la siguiente manera:
primero, se coloca una capa de fibra de
vidrio sobre el molde, y acto seguido se cubre de resina, impregnando la
fibra de ésta por medio de un instrumento apropiado.
Los extremos de la
capa de fibra se sujetan en su lugar por medio de tramos de alambre acerado
(conocido comercialmente como alambre de piano).
Este proceso se repite
tantas veces como sea necesario para obtener el grosor y el volumen
porcentual de fibra deseados.
69
FIG. 6.5.- Mecanismo oscilante empleado para el tendido de fibras dentro del molde.
El material obtenido por este proceso es de buena calidad, pero el
sistema empleado es bastante complicado.
para lograr la formación de la muestra.
Se requieren varias personas
Debido a este problema, este
método también fué descartado en la presente etapa de desarrollo.
El proceso de producción de probetas rectas se mejoró con el empleo de
un mecanismo que facilitase el tendido de la fibra dentro del molde.
Este
mecanismo se basa en el mecanismo de Chebyshev (65), el cual posee un
punto que, en parte de su trayectoria, describe una línea casi recta.
El
esquema de dicho mecanismo se aprecia en la figura 6.5.
La charola para la impregnación de la fibra y la salida de ésta se
colocaron en el punto antes mencionado, para mantener una distancia
aproximadamente constante entre
impregnada en resina.
mecanismo
permite
el
molde
y la salida de
la fibra
De esta manera, el recorrido oscilante del
formar
las
previamente se hicieron a mano.
diversas
laminaciones
de
fibra
que
Aún cuando el ahorro de tiempo y de
energía en este nuevo esquema es bastante notable, sigue siendo un
mecanismo complicado.
El compuesto obtenido tiene, no obstante, la
suficiente calidad para obtener de él los blancos de los cuales se
70
maquinaron las probetas necesar;as par;:i e' e1s:1yo ,_ sté'.it:r:o baio tE:nsiór..
La forma de dichas probeias y !a rT:arera de r·-,1cJ;narl:.s se describe más
adelante.
6.5.- PRODUCCION DE BLANCOS PARA PROBETAS CURVAS
El primer moide curvo fu~ hecho de rr.adera contrachapad;:¡ de pino con
espesor de 3.2 mm.
El interior del molde y sus costados se fabricaron con
caucho de 3.2 mm; el r.-.oide se curvó dentro de una base especialmente
hecha para tal fin.
Este muelle,
Una fo,ogratía de est8 sist8rr.a se
que se
muestra en !3
fig.
'Til-eoS'.'él
en la fig. 6.6.
6.7 compar;;i;~rlclo con
el
prototipo estudiado, se hizo corT·J un ejercicio en manufactura más que
como un especímen para el ensayo
Posee una sAcción constante. 'i t:r.a
flecha de 100 mm y un claro de 1000 mrn.
El cante, ,ido de fibra presente en
este muelle es de aproximadamente 50 % .
••.--------
Fig. 6.6.- Molde fle~ibie gr.. nde Es1a ilustración '"'luesrra el moloe abier:0,
con ura mues!'.~ •ermmada en posición.
Finalmente, para producir probetas curvas
71
;:i
escaia, empleadas como
especímenes de prueba e~ :es exoew,ien:os que se dese ~e:~ en el siguiente
capítulo, basadas en el r1•-.:elle experi~ental ya r"encior'3CO. se e'.lsayaron
dos esquemas de moldeo. uno de los cuél,es ~e basa e,1 un rnc1de rígido y el
otro. en uno flexible.
,
a
'·•
b
Fig. 6.7.- Prototipo de muelle (a) y comparación con muelle obtenido en el laboratorio (b).
El primer prototipo que se experimentó fué el del molde rígido (ver fig.
6.8).
La base del molde se cortó a la curvatura necesaria, deierminada a
partir de la medición del protctipo, '; la superficie de ésta que entraría en
contacto con el material compuestu se recubrió con lámina de latón.
72
Los
costados
se
hicieron
laminando
madera
contrachapada
de
3.2
mm,
previamente curvada en agua caliente para evitar que se rompiese al
doblarla.
La tapa se hizo igualmente de madera contrachapada de 3.2 mm,
doblada con agua caliente y forrada de caucho, para facilitar su combadura
al cerrar el molde y evitar su fractura.
La impregnación de la fibra con resina y la colocación de las capas
necesarias
para
producir
la
muestra
se
hicieron
devanador, el cual se muestra en las figs. 6.9 y 6.1 O.
con
un
dispositivo
Este proceso demostró
ser el más sencillo y satisfactorio de cuantos se utilizaron, y la calidad de
las muestras obtenidas es también la mejor .
.,.,
o
o
Fig. 6.8.- Molde rígido curvo. Se le muestra abierto y con un blanco terminado en posición.
El último esquema de moldeo empleado consistió en un molde curvo
flexible, más fácil de usar que el molde rígido descrito anteriormente.
Tanto
la base como
la tapa de este molde se hicieron de
madera
contrachapada de 3.2 mm de espesor, combada en agua caliente (para evitar
su fractura) y forrada de caucho de 3.2 mm.
se fabricaron de caucho.
Los costados del molde también
Este último molde se muestra en la fig. 6.11.
73
Fig. 6.9.- Aspecto del dispositivo deva~ador para ::>roducir la prelor,na.
DISPOSITl\,O PARA
FiEJ~A
DEVANADO D::: LA
IMPREGrAD
A
:,,.
PREFORMA
~
ROLLO CON URDIMBRE
DE FIBRA
CUBA PARA
',-----1,M_P_RE--G-N;-A-C-,ION
',,
/,'
I
~
~
Fig. 6.10.- Esquema del dispositivo devanador empleado para la proco-::c,é r, de probf,:as curvas.
Uno de los principales problemas encontrados durante la fabricacién de
varias probetas en una sola remesa, fué ia sujeción del inicio de los hilos de
fibra de vidrio, ya impregnados con resina, al dispos:t ·;o devanador.
Esto
se logró fijándolos entre rlos trarnos de varilla de acero de G.35 mm, los
cuales fueron presionados e1tre sí por medio de un tornillo de presión
colocado en los largueros del dennaai: (f:g. 6 12).
74
o
o
Fig. G 11.· Molde curvo 1\e:<:ib\e.
í
Fig. 6 .12.· su¡eción de las mechas de libra ya impregnadas de resina, en el devanador.
75
Fig. 6.13.- Aspecto del interior de la cuba para impregnación.
La cuba donde se impregnó la fibra de resina está provista, además de
los rodillos necesarios para guíar a la madeja de fibras dentro de la resina,
con un dispositivo exprimidor formado por dos lengüetas de caucho en
contacto mutuo, por medio del cual se elimina de la fibra el exceso de
resina que ésta contenga.
De otra manera, la urdimbre de hilos de fibra de
vidrio tiende a llevar consigo un exceso de resina, lo cual resulta en la
alteración en las proporciones de fibra y de resina que lleva muestra, y en
una mala impregnación de las últimas fibras.
impregnación se muestra en la fig. 6.13.
El interior de la cuba para
La fibra lleva consigo, sin
embargo, la cantidad de resina para formar la cantidad de matriz requerida
(aproximadamente 45 %). y un cierto exceso que escurre fuera del molde,
asegurando con ello la ausencia de burbujas y vacíos en las probetas.
Este
proceso fué el que mejores resultados dió para la producción de probetas
curvas, tanto en tiempo requerido y calidad del material, como en sus
requerimientos de mano de obra (puede ser manejado por una sola persona).
76
6.6.- MAQUINADO DE LAS PROBETAS RECTAS.
Fig. 6.14.- Pasos reouerioos para el maquinado de prcbelas planas t,po "hu .. so".
~l
F1
Fig. 6.15.- Fresadora EMCO CNC (se muestran sale el cabezal y la mesa).
77
Para determinar las características
utilizados,
se
manufacturaron
probetas
mecánicas de los materiales
planas,
producidos de la manera que arriba se describe.
a
partir de
blancos
En la fig. 6.14 se muestran
los pasos que se requirieron para la producción de estas probetas.
En la fig.
6.15 se muestra la fresadora EMCO CNC con la que se hizo este trabajo.
Estas probetas se hicieron de resina sin reforzar, así como de resina
reforzada con fibra, para valores de volumen porcentual de reforzamiento
del 40,
50
y 60%.
Estas fracciones
volumétricas se determinaron
controlando el número de capas de reforzamiento y de mechas por capa,
durante la fabricación de los blancos.
Experimentalmente, se determina que cada capa de reforzamiento
puede llevar hasta cinco mechas por cada centímetro que tenga de ancho el
objeto por fabricar.
Determinando de esta manera el número necesario de
mechas por capa, puede calcularse el número de capas que deben devanarse
para producir la preforma.
Una vez maquinadas, las probetas fueron acabadas por medio de lijado
manual, con lija de carburo de silicio, en grados progresivamente más finos,
con el objeto de presentar una superficie lisa y libre de imperfecciones que
puedan actuar como zonas de concentración de esfuerzos.
Las dimensiones
de las probetas planas empleadas para los ensayos bajo tracción tanto de
resina reforzada como sin reforzar se muestran en la fig. 6.16.
Fig. 6.16.- Dimensiones de las probetas planas.
78
Les probetes presenten un estrechemiento tento en encho como en
grosor en le zone de ensayo, con el objeto de eliminer los efectos de le
presión eje re id e por les m o rd e z es de 1e m Él quin e un i verse 1 en le z o ne de
sujeción, que hacen que el ejempler falle por frecture compresive de le
matriz en este región, felseendo los resultados
Este es une préctice que, en general, no se recominende, salvo en cesos
como el nuestro, en que le disposición del reforzemiento es unidireccionel
y uniforme e través de tode le sección de le probeta.
De lo contrario, el
hacer un engostemi ento en el grosor del meteri el, se modi ficen les
propiedades del compuesto de tel menere que, eunque los resultedos
obtenidos del enseyo seen consistentes con el comportamiento del ejemplar
de pruebe, no son representativos de les propiedades que e><hibe une pieze
del meteriel sin eltereciones en le disposición de su reforzemiento.
6.7.- PRODUCCION DE PROBETAS CURVAS.
•
.4
\ . . . "'
.• 11.
~-.r ,
Fig. 6.17.- Blanco pere le producción de probetas curvas.
79
Para la producción de probetas curvas, se comenzó con un blanco
semejante al que se muestra en la fig. 6.17, producido por medio del método
ya explicado en la sección 6.5.
paso
para la
Terminado el curado de la resina, el primer
manufactura de
las
probetas
curvas
consistió
en
la
eliminación, por medio de corte con segueta, de los extremos del blanco
(donde se sujetó la fibra impregnada).
Acto seguido se procedió a seccionar al blanco longitudinalmente para
obtener los blancos individuales que constituirían las probetas.
A partir del
blanco original, cuyo ancho es de 100 mm, se pueden obtener seis probetas,
considerando el material de desperdicio para corte y trabajo.
Los pasos
para obtener las probetas, descritos a continuación, pueden verse en la
figura 6.19, a partir de las características mostradas en la fig. 6.18.
------------271.0 - - - - - - - - - - - -
_____ !
___ _
24.5
L.D.: LINEA DE DATOS
ANCHO= 12.8
ESPESORES:
A= 4.8
B =4.4
DIMENSIONES EN MM.
e= 2.0
Fig. 6.18.- Esquema de una probeta curva.
El maquinado de estos blancos se hizo enteramente en forma manual,
por medio de lima y de lija húmeda de carburo de silicio.
Los blancos se limaron hasta que tuvieron un ancho de 12.8 mm, y
después de esto recibieron la forma final, de acuerdo a las dimensiones
indicadas en la fig. 6.19.
Estas dimensiones son requeridas para tener un
modelo a escala 1 :5 del original estudiado.
El último paso consistió en la
eliminación de asperezas superficiales y obtención de una superficie pulida,
por medio de lijado con lija en granos progresivos 150, 240 y 320.
80
rt
i
1
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t
1 J
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\1 I
••,,
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Fig. 6.19.· Pasos seguidos para la obtención de probetas curv1s.
Terminado el muelle, se lo colocó en la ,::iarte central un asiento hecho
con caucho de 3.2 mm de grosor.
En este asiento se talló, con lima, un
rebajo con perfil en forma de arco circular, para proporcionar alojamiento
al extremo del actuador de la máquina de ensayo.
El asiento es encolado al
muelle por medio de un adhesivo elastomérico de contacto (Resistol 5000).
Las razones para instalar este asiento en el muelle son evitar que el
actuador metálico de la máquina de ensayo trabaje directamente sobre el
material que forma el muelle y proporcionar un medio que impida al muelle
cambiar de posición, con respecto a la máquina, debido a las fuerzas que
actúan sobre él en el transcurso de la prueba.
81
CAPITULO " 7
METODOS DE ENSAYO EMPLEADOS EN LA INVESTIGACION
Unti de ltis ptirtes més importtintes de 16 investigtición fué llevtir fl ctibo
unti serie de enstiyos sobre ltis probettis ftibrictidtis, enctimintidos fl
corrobortir lfl esevertición de que lfl resinti epóxicti reforztida con fibra de
vidrio puede ser empleada exitosamente para la substitucion del acero en
algunas ptirtes de 1os sistemas de suspensión de vehículos automóvi 1es.
Para obtener los datos requeridos, se hicieron tres tipos bésicos de ensayo:
1.- Ensayo bajo carga estética de tensión,
2.- Ensayo bajo carga estética de flexión y
3.- Ensayo bajo carga dinémica de flexión (fatiga).
7.1.- ENSAYO ESTATICO BAJO TENSION.
rr·
_, ..
Fig. 7.1.- Máquina universel estétice pera enseyos, lnstron 4505.
82
Este primer enseyo se reei1zé en une t'1équ1ne Un1versel Estéllce, merce
lnstron, modelo 4505, le cuel se muestre en le f1g. 7.1.
Consistió en un
enseyo normel e tensión que permitió determiner les cerecter-ístices
mecénices
releventes
del
ccmpuesto,
con
el
obJeto
de
esteblecer
perémetros pere le comparec1ón de resultedos y pere el célculo de los
muelles.
Los ejempleres de muestre empleedos en este enseyo fueron probetes
tipo "hueso" cortedes y mequinedes e pertir de blMcos febricedos por medio
de un proceso de tendido menuel seguido de un curedo por compresión en frío
en molde cerredo, en le menere detellede en el cepítulo de Tecnología
E><perimentel.
Fig. 7.2.- Probete recte colocede en le mÍIQuine universel lnslron 4505.
Los ejempleres con 60% de reforzt1miento se enst1yt1ron
6
diferentes
velocidfldes de aplicación de carga con el objeto de simular une carga
estática o une dinámicfl, que puede simbolizar, en el sistemfl, el pt1so de une
83
irregulerided del cem1no como un tope o un becr,e, o un freneido repentino
7.2. - ENSA VOS BAJO FL EX ION.
Une vez determinedo el
comportemiento
estético
del
estudiedo, se procedió e menufecturer un muelle e es cele
meteriel
1:5, cuyes
releciones geométrices son enéloges e les de un muelle previemente
febricedo (ver cep 6) Los muelles fueron producidos de tel menere que
tuvieren un volumen porcentuel de reforzemiento del 55% en su perle
centrel, pere eviter que con el ehusemiento se excediere en los extremos el
méximo volumen permitido
Los enseyos en los que se determine el comportemiento be_io flexión
del muelle se lleveron e cebo en une méquine universel dinér.1ice, merce
lnstron, modelo 8502, mostrede en le fig 7.3.
i
.,.,". ·
... -
Fig. 7.3.- Méquine universel dinóm1ce pare enseyos, lnstron 8502.
84
Fig. 7.4.- Probete curve colocede en le méquine de enseyo.
7.2.1.- ENSAYO EST ATICO BAJO FLEXION.
Contacto meta 1 - meta 1
/
//
//
<
/
//
C)
o::
<
u
/
-----
.,,. .,,.
-----
.,,.
_. .,,. .,,.
/
__ ...- -- / Entrada en funcionamiento de 1 segundo
juego de hojas .
Deflexión.
Flg. 7.5.- Compereción de los comportamientos de un muelle tredicional con hojas de respeldo
y un muelle fabricado con materiales compuestos.
El primer peso pare el ensayo del sistema estudiado es conocer el
comportamiento estético del muelle (su curve de operación). Este
funcionamiento, comparado con el de los muelles metélicos tradicionales,
se muestre en le figure 7.5.
BS
En esta gréfic6 se muestr6 con línea punteodo el comport6miento de
los muelles tradicion61es de 6cero. El combio en la pendiente que se 6prec16
se debe 6 16 entrod6 en operoción de un segundo juego de hoj6s, que se
encuentro ocioso h6st6 que se 6Plica un6 condición sever6 de cargo. L6 línea
sólida muestr6 el comport6miento de un muelle de m6terial compuesto.
Estl:! ens6yo, 6Unque estético, se llevó a cabo en la méquinei univers61
lnstron 8502, debido 6 la c6renci6 de un 6dit6mento para fle><ión en 16
milqu1nei estiltic6 lnstron 4505. L6 maquine de ensayo se programó de t61
m6ner6 que hicier6 6ctuar sobre la probeta uno función de desp16zamiento
en form6 de r6mp6, con unei pendiente de 0.025 mm/seg. Los datos de
defle><ión y carg6 6plicada fueron C6pturados a cada milímetro de defle><ión,
dur6nte los primeros 22 milímetros, y cada 0.25 mm de ahí en adelante. Lo
prueb6 se continuó heist6 16 fr6cturo de 16 probeta.
Los d6tos obtenidos de este ensayo fueron anelizados con la ayud6 del
p6quete comput6cionel Lotus 123, en une comput6dora IBM/PS, modelo
30286.
El 6nilllsis de los result6dos obtenidos del ensayo estático permitió
obtener los siguientes características del sistema estudiado:
1.- Gráfica de carga contra defle><ión para la operoción del muelle,.
2.- Coeficiente, esto es, la constonte que relaciona la cargo oplicoda ol
muelle con la fle><ión que éste e><perimenta.
3.- Corga soportada por el resorte en el momento de lo fractura y valor del
esfuerzo aplicado en ese momento.
4.- Defle><ión e><perimentada por el muelle a la fractura.
7.2.2.- ENSAYO BAJO FLEXION DINAMICA.
Lo razón de este ensayo es determiner la forma en que los muelles
estudiodos se comportan cuando éstos son sometidos a carga cíclico.
La máquina universal lnstron 8502 presenta al usuario la posibilidad
86
de eplicer ciclos de carga controlados por periimetros prefijados de carga o
posición. Le meyoríe de los eutores consultedos recomienden eplicer le
cerge entre 1imites constantes, teniendo como verieble dependiente le
defle><tón de le probete. En nuestro ceso esto no fué posible debido e les
cerecterístices de le miiquine, le cuel estii dotede de une celde detectora de
cerge con une cepecided de 25 toneledes, lo que nos obligó e trebejar en el
umbrel de sensibtlided de le celde, dedos los pequeños velores de le carga
eplicede (P < 70 kg).
Debido e le pequeñez de le señel recibida por le consola de control, el
controlador PID del que esté dotede, no puede former un lezo de control, y le
milqulne es tncepez de eplicer le función de cerge deseada. Se optó, por lo
tanto, por controlar le posición del ectuedor de le méquine.
De este menere, se hizo trebejer e les probetas e emplitudes
constantes, cuyo velor fué une frección de le amplitud necesaria pera le
frecture de le muestre, obtenide del ensayo estético. Los valores de estas
frecctones fueron 0.950, 0.675, 0.750, 0.625 y 0.500.
El desplazamiento del octuedor de le méquine sigue une función
senoidel, con une amplitud dada de le manera anteriormente descrite, y une
frecuencia que permite e le méquine realizar le amplitud complete del ciclo.
Debido e le gran amplitud requerida, le frecuencia de aplicación de le cerge
fué siempre menor e 1.0 Hz.
Les probetas se colocaron en le méquine de tal manera que le carga
fuere aplicada por el ectuedor en los e><tremos del muelle, y detectada por
un sensor colocado en el centro de éste. Se aplicó une precerge de 5 kg e les
probetas entes de comenzar 16 pruebe.
Los enseyos fueron continuedos heste ecumuler 60,000 ciclos de cerge
o hasta le fracture de le probete. Los detos de carga mé><ime eplicede fueron
muestreedos en les siguientes posiciones del e><perimento: 1, 2, 4, 6, 6, 1O,
·20, 40, 60, 60, 100, 200, 400, 600, 600, 1000, 2000, 4000, 6000, 6000,
67
10000, 20000, 40000 y 60000 ciclos.
A pertir de estos resultedos, pudieron estudierse verios espectos:
1.- Velar de le cerge eplicede como función del número de ciclos de cerge.
2.- Velar del esfuerzo méximo experimentedo como función del número de
ciclos.
3.- Forme en que le resistencie residuel del muelle se modifice, en cede uno
de los ceses, como función del número de ciclos de cerge eplicedos.
Al iguel que en el ceso del enseyo bejo flexión estétice, los delos
fueron procesedos pere su enélisis con eyude del pequete Lotus 123, en le
misme computedore erribe mencionede.
7.3.-TECNICAS PARA EL ANALISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS.
7.3.1.- ANALISIS DEL ENSAYO ESTATICO BAJO TENSION.
Los resultedos que se obtienen del primer juego de enseyos, que
consiste en pruebes reelizedes bejo cerge estétice de tensión, muestren el
comportemiento del compuesto unidireccionelmente reforzedo, esí como de
le metriz sole. Con estos detos se pueden determiner los siguientes puntos:
e) Módulo de elesticided,
b) Esfuerzo de cedencie bejo cerge de tensión,
c) Esfuerzo méximo bejo cerge de tensión,
d) Deformeción porcentuel e le frecture y
e) Tenecided.
Los enteriores perémetros fueron medidos tento pere le resine
reforzede como pere le resine sin reforzer. Se midieron, edemés, otros dos
perémetros importentes:
f)
Volumen porcentuel teórico de fibre contenido en les muestres
estudiedes bejo tensión. Este velar fué celculedo por medio del softwere de
le méquine lnstron 4505, e pertir de le regle de mezcles y se empleó como
88
punto de comperación pere conocer le celidad del meteri61 y
g)
sM,F
,que es el velor del esfuerzo soportedo por el meteriel de le matriz
cuendo se encuentre elongede e une deformeción porcentuel equivelente e 16
deform6ción de frecture de les fibres (4.8 i). Este velor se determinó
unic6mente p6r6 les probet6s de resine sin reforz6r, y sirvió per6 11ev6r 6
cebo los cálculos de los V6lores teóricos de les ceracterístic6s del
compuesto.
- Comperer el comport6miento revel6do e><perimentalmente con dichos
velores teóricos.
- Cálculo del comport6miento teórico del muelle.
Los result6dos se 6nBliz6ron est6dístic6mente obteniendo su media y
desvieción estánd6r por medio del softwere esociedo con 16 máquinii de
enseyo lnstron 4505.
7.3.2.- ENSAYO ESTATICO BAJO FLEXION.
El propósito de este enseyo fué conocer el comport6miento del muelle
ente 16 6plic6ción de unii c6rg6 con incremento const6nte. El e><perimento
se continuó h6St6 16 fr6ctur6 del especimen de muestr6.
06do que el
objetivo princip61 de este estudio fué tener unii referenci6 contrii 16 que se
pudier6n comp6r6r l6s c6rg6s y defle><iones que posteriormente se
6plic6rÍ6n a los muelles durante los ensayos dinámicos, se efectuó solo un
ensayo.
7.3.3.- ENSAYOS DINAMICOS BAJO FLEXION.
El primer aná 1i sis que se hizo a 1os resultados de estos ensayos, fué
observar la manera en que la carga cambia de valor como función del número
de ciclos de cerge eplicado. Los autores consultados coinciden en que la
89
función que debería gobernar este comportemiento es del tipo (66):
5/5 0 = 1 - m log(n)
donde
(7.1)
m es le pendiente de le grilfice. Puede apreciarse que, si se grflfice
en coordenadas log - log, resulte une l ínee recte.
Los velores obtenidos
también fueron ejustedos e un polinomio de gredo n, por medio del método
de mínimos cuedredos y se comparó el resultado con un ejuste hecho e une
ecuación del tipo de le (7.1). Se eligió un polinomio de este tipo debido e le
forme que presente le curve de fatiga correspondiente e los ejemplares
ensayados e 95 % de le defle><ión de fracture estiltice.
90
CAPITULO •
6.
PRESENTAClON Y DISCUSlON DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS
8.1.- VALORES CALCULADOS A PARTIR DE LA TEORIA.
Pera efectuar la velideción de los resultados experimentales, e
continuación se presenten los velares teóricos obtenidos e partir de los
datos disponibles que ofrece la bibliografía consultada y los ecuaciones
presentados en los capítulos 3 y 4, correspondientes o los consideraciones
teóricos, el primero del muelle estudiado y el segundo, de le resino
reforzado con fibra de vidrio.
6.1.1.- RESINA EPOXICA SIN REFORZAR.
'Margolis (46) propone, pare la resino epóxica MV 720, de Cibo - Geigy,
curada con diominodifenilsulfono en proporciones resino epóxico/ogente de
curedo = 100 / 49, los siguientes corocterístices mecbnices e temperatura
ambiente:
Smex
E
emelC
= 62.84 MPa.
= 3.7968
GPa.
= 2.6~
Le resino estudiada por el autor mencionado recibió un ciclo de curado
consistente en:
6 horas e 121 º C,
2 horas o 149º
cy
2 hores a 177º C.
Por otro porte, Mollick do uno serie de rangos de operación pore este
moteriol, ya expuestos en el capítulo 4.
91
Finalmente, Hull (50) do los
siguientes velares pere les propiededes mecénices principeles de le resinet
epóxi ce:
smu = 35 - 100 MPe
=3
E
•mu
=1 -
- 6 MPa
6 ~
8.1.2.- RESINA REFORZADA CON FIBRA DE VIDRIO.
Les características més relevantes que tiene le fibre de vidrio, pere
el estudio realizedo, son les siguientes:
Mellick, Mergolis
Hull
E (GPa)
76.0
72.4
smex (GPa)
1.4 - 2.5
3.45
8 mu
1.6 - 3.2
4.8
(~)
Cebe señelar que los velares propuestos por Mellick y por Mergolis
concuerden con los detos proporcionados por Vitre - Fibres de México,
S. A.
proveedor del material, y por lo tente serén los que se empleen en los
cálculos.
El módulo de elasticidad teórico, bejo cerge de tensión, pere le resine
epóxica, se celcula a pertir de le regle de mezcles. A continuación se
muestren los velares celculedos pere los volúmenes de reforzemiento
considerados, obtenidos e pertir de le regle de mezcles:
Ec = ErVF
+
EMVM
(ec. 4.5)
MODULO DE ELASTICIDAD Ec (GPe~.
55
~
41.583
60
~
45.018
Le resistencia últime del compuesto e le tensión, Smu• se calculó
considerendo el esfuerzo que resiste le metriz pere le elongación méxime
92
del reforzemiento (ver cep. 4). Pere esto, es neceserio primero conocer el
velar de dicho esfuerzo. A pertir de los enseyos bejo tensión estética
eplicedos e les probetes febricedes con resine epóxice sin reforzar, se
obtuvieron los siguientes velares:
Mínimo
Méxi mo
Media
40.633
44.665
42.163
Los velares que pare le resistencie última e la tensión se presentan
per8 compuestos con distint8s fr8cciones volumétrices de reforz8miento,
se obtuvieron de le sigui ente ecuación:
1 UT
=1 uF VF + 1 MeF VM
(B. 1)
En le t8ble siguiente se muestre, 8demés, la comparación de los valores
obtenidos, en GPa, con la ecu8ción enterior con los que se calculen con le
regle de mezclas.
Ecueción B.1
VF
Reglei de Mezclas
Diferencie
SS !IC
1.9177
1.9360
0.9452
60 !IC
2.0BB2
2.1045
0.7745
(:C)
Le dlferenciei porcentueil de los resultados obtenidos a partir de le
ecu6ción 8.1 es, como puede verse, pequeñ6, por lo que podrí6 emple6rse 16
regl8 de mezcles p6r6 llev6r 6 cebo el cillculo.
P6ra efectos de
comp6r8ción con los result6dos obtenidos en los experimentos, se emple6ré
el velar obtenido con 16 ecu6ción (8.1).
Es import6nte 6Cl6rar que los
velares correspondientes 61 55:C de volumen porcentu6l de reforz6miento
no fueron corrobor8dos experimentalmente, pero su posible V6lor puede
interpol8rse e partir de los result6dos de los experimentos llev6dos 6 C6bo.
Se consider6réi que el V6lor teórico p6r6 16 elong6ción porcentuel 6 16
frecture es el pleinteedo en el capítulo 4, i.e.
reforz6miento (4.8:C).
93
ªmex
p6ra 16s fibr6s de
8.1.3.- ENSAYO BAJO FLEXION ESTATICA.
En este ensayo, como ya se dijo, se buscó conocer los valores que
presentan el esfuerzo máximo soportado por el material, la tasa de cambio
que presenta la carga con respecto a la deflexión sufrida por el muelle y la
deflexión máxima que éste puede sufrir antes de romperse.
El esfuerzo aplicado al material es dado por la expresión
s:M/Z
donde Z
=
bh 2 /
(8.2)
6 es el módulo de sección del muelle.
Dado que, en el diseño estudiado, el esfuerzo no es constante en toda
la longitud del muelle, se considerará unicamente el esfuerzo máximo, que
es soportado por la sección central del muelle.
El módulo de sección en esta sección tiene el siguiente valor:
lo =(0.0129 x 0.00492) / 6 =51.622 x 1o-9 m3
y el momento flector, con la carga P expresada en kg es dado por:
M 0 =PI= 1.2263 P Nm
Así, se tiene que la carga teórica máxima que el muelle estudiado
puede soportar es, dada la resistencia máxima a la tensión, ya calculada
(ec. 8.2):
P
= 80.725
kg.
Dado que las ecuaciones encontradas para el comportamiento del muelle
suponen a éste deflectado bajo el efecto de una carga 2P, la carga máxima
que el muelle puede soportar es:
Pmu = 161.45 kg.
El coeficiente del muelle se calcula a partir de la ecuación (3.39), con
los siguientes valores para los parámetros considerados:
b = 0.0129 m
h
k = 0.6875
e= 2.5
1 = 0.125 m
10
= 0.0049 m
94
= 126.47
x10· 12 m2
De estos datos, se obtuvo el siguiente valor para el coeficiente:
T = 0.83077 kg/mm
=
8.1499 N/mm.
8.2.- ENSAYO BAJO TRACCION ESTATICA.
El objeto de llevar a cabo los ensayos bajo tensión fué el conocer las
características mecánicas de la resina epóxica sin reforzamiento, así
como reforzada con varias fracciones volumétricas de fibra de vidrio.
Los
datos encontrados con este primer experimento sirven como punto de
comparación para el comportamiento del muelle.
El análisis se llevó a
cabo, como ya se dijo, por medio del paquete de análisis provisto con el
software de la máquina lnstron 4505.
8.2.1.- RESINA SIN REFORZAR.
Para la resina epóxica empleada, curada a temperatura y presión
ambientes, se obtuvieron los siguientes valores:
Máximo
Mínimo
Media.
Smax (MPa)
48.030
45.224
46.460
E (GPa)
1.6540
1.5225
1.5774
Tenacidad (MJ/m 3 )
6.0822
4.3694
5.4622
emax (%)
8.409
5.579
7.024
8.2.2.- RESINA REFORZADA.
La resina se reforzó con fibra de vidrio, en porcentajes en volumen del
40, 50 y 60 %.
Las muestras que presentaron 40 y 50% de reforzamiento
fallaron por compresión de la matriz en la zona de sujeción de la máquina
de ensayo, por lo que los valores obtenidos fueron descartados.
continuación
se
muestran
los valores obtenidos para
las
A
muestras
reforzadas con 60% en volumen de fibra de vidrio, ensayadas a dos
95
distintas velocidades:
= 6Qº¿'q
al eau;;1;1ataie d11 cefaczami1;1atc
defcrmai;;iéa aclii;;ada a 2 mm/mi a.
Máximo
Mínimo
Media.
5 m•x
(MPa)
459.40
297.83
367.97
E
(GPa)
12.635
10.938
11.409
Tenacidad
(MJ/m 3)
22.789
10.830
15.147
em•x
(%)
7.600
4.400
5.900
Este primer ensayo, con una baja rapidez de aplicación de carga,
proporciona los datos relativos al comportamiento del material bajo una
carga estática, mientras que el siguiente, realizado a una rapidez mayor,
representa el comportamiento del material ante una carga aplicada
subitamente (sin llegar a ser un impacto).
b)
60%, deformación aplicada a 1 so
eorcentaje de reforzamientc
mm/min.
Máximo
Mínimo
Media.
smn
(MPa)
575.16
506.88
545.04
E
(GPa)
10.811
8.9428
10.281
Tenacidad
(MJ/m3)
39.475
27.909
32.834
emax
(%)
11.03
8.20
9.70
En
la página 98 y ss.
se muestran
las gráficas esfuerzo vs.
deformación unitaria correspondientes a la resina epóxica y a la resina
reforzada.
La fractura de la fibra de vidrio, tanto bajo cargas estáticas de
fatiga, es frágil.
Esto se debe a que la fibra de vidrio soporta la mayor
parte de la fuerza aplicada.
presentará una fractura frágil.
matriz
es
incapaz
inmediatamente.
de
Siendo un material casi perfectamente frágil,
Además, cuando el reforzamiento falla la
soportar
Cualquier
la
fuerza
deformación
96
aplicada,
plástica
que
y
se
fractura
presente
es
demasiado pequeña para apreciarse.
A s 11:ple vista la fractura muestra
mucho astillamiento. y vis'.a baJo el microscopio electrónico se observa
que las fibras se fracturaron limpiamente. separándc:;;e de la matriz por
una muy corta distancia.
Las figuras 8.1 y 8.2 muestran este fenómeno.
Fig 8.1.· Microfotografía MEB, 177 X, de la fr'3ctura de la resina reforzada con fibra de vidrio.
Fig. 8.2.- Microfotografía MEB, 446 X de la fractura del material.
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Deformación Unitaria ("lo)
Fig. 8.5b.- Gráfica• - • para VF = 60"/o, rapidez de aplicación de carga• 150 mm/min (tlpica).
103
14.0
De las gráficas de las figs. 8.3 (a) y (b), puede observarse que la
resina epóxica sin reforzar exhibe un comportamiento relativamente dúctil.
Dado que esta resina fué curada bajo presión atmosférica y en un ambiente
frío, puede atribuirse este comportamiento al curado, ya que no propicia la
formación de gran cantidad de enlaces cruzados, que hacen más resistente
pero al mismo tiempo reducen la ductilidad de la resina.
Las figuras 8.4 y 8.5 muestran el comportamiento de la resina
reforzada.
Puede apreciarse como la fractura es repentina, sin reducción
de la carga.
Los picos secundarios que se observan con baja rapidez de
aplicación de carga pueden atribuirse a fallas en la matriz, más que a la
fractura de las fibras.
En estas gráficas, así como en la tabulación de los resultados
obtenidos, se observa que la rapidez de carga tiene una relación directa con
el esfuerzo máximo del material.
8.4.- ENSAYO ESTATICO BAJO FLEXION
El comportamiento del modelo del muelle al ser sometido a una carga
con aumento constante se muestra en la fig. 8.7.
El funcionamiento del
muelle es casi lineal, hasta la fractura, en la cual se presenta una ligera
desviación de dicho comportamiento.
Los resultados obtenidos
se
ajustaron a una linea recta empleando la opción de regresión lineal
provista por el paquete Lotus 123.
Esta función de comportamiento puede
expresarse de la siguiente manera:
y= 27.75786 -1.13403 P
(8.1)
donde y es la distancia, en milímetros, que existe desde el punto central de
la cara cóncava del muelle hasta la línea de datos y P es la carga aplicada,
en kilogramos.
La pendiente de esta ecuación corresponde al coeficiente
del muelle, y la ordenada al origen es la apertura del muelle en reposo.
La
fig. 8.6 muestra la probeta ya fracturada, donde puede apreciarse que la
104
falla se presentó en forma localizada en la zona de mayor esfuerzo a
tensión, al centro de la probeta, sobre la cara cóncava.
Los valores encontrados para la carga y deflexión máximas durante
este experimento se muestran a continuación, así como el valor del
esfuerzo máximo soportado, calculado a partir de ellos:
Pmax = 61.540 kg.
Ymax = 58.5 mm.
Smu = 1.4619 GPa.
Otro valor importante calculado a partir de
experimento es
el
del coeficiente del
los
muelle.
resultados de este
Los
valores fueron
calculados a partir de la ecuación (8.2).
T=
1¡+1- ~
Y¡+i -
(B.2)
Y¡
donde los pares (y 1, P1) son los valores de deflexión y carga medidos
durante el ensayo.
Fig. 8.6.- Probeta curva fracturada bajo carga estática de flexión.
105
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o
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Fig. 8.7.- Gráfica de operación de un muelle modelo, bajo carga estática.
106
o
N
A continuación se presentan los valores estadísticos principales del
coeficiente del prototipo estudiado, cuyas unidades son kg/mm:
Máximo
Mínimo
Media.
Desviación std.
1.96
O.O
1.019929
0.3343
El mínimo obtenido en este cálculo se debe a la presencia, en dos
puntos consecutivos, de un valor igual de la carga aplicada.
8.5.- ENSAYOS BAJO FLEXION DINAMICA
Los ensayos llevados a cabo bajo un régimen de fatiga (carga cíclica
repetida bajo amplitud constante) mostraron, en general, un decaimiento
progresivo de la resistencia residual, hasta llegar a un valor estable; este
decremento se vió en algunos casos acoplado con cambios bruscos causados
por la falla repentina de porciones de reforzamiento y/o matriz en la
sección transversal en el centro de las probetas.
Es interesante señalar
que la región de la probeta que trabajó bajo compresión (parte convexa)
sufrió
poco
o
nulo
deterioro
visible,
particularmente
en
aquellos
especímenes ensayados con grandes deflexiones.
8.5.1.- COMPORTAMIENTO DE LA CARGA vs. NUMERO DE CICLOS.
A continuación se enumeran las características de los ensayos
realizados para evaluar el comportamiento dinámico del prototipo.
Para
programar la máquina de ensayo, se empleó la función HSINE (que consiste
en una curva senoidal con centro desplazado del cero), con diversas
amplitudes de desplazamiento y diversas frecuencias, dando al sistema una
precarga de 5 kg para permitir el buen asentamiento del actuador de la
máquina.
Las amplitudes utilizadas corresponden a niveles de esfuerzo inicial
progresivamente menores, con objeto de conocer el comportamiento del
muelle ante diversas solicitaciones de deflexión.
107
EN.SAYO
0.95 Yest
0.875 Yest
0.75 Yest
0.625 Yest
O.SO Yest
Ymax (mm)
55.81
51.2
43.9
36.6
29.375
f (Hz)
Nmax
40 000
60 000
60 000
60 000
60 000
0.4
0.4
0.575
0.625
0.77
Tiempo
27
41
28
26
21
h.
h.
h.
h.
h.
46.7 min.
46.7 min.
59.1 min.
40 min.
38.7 min.
Se emplearon las frecuencias más rápidas permitidas por la máquina
de ensayo para la amplitud utilizada en cada caso.
El exceder los valores
indicados de frecuencia ocasionaría una reducción en la amplitud del
movimiento.
Los valores medios medidos para carga, momento y esfuerzo máximo
(en el primer ciclo de carga) soportados por los prototipos, fueron los
siguientes:
ENSAYO
p (kg)
M (N.m)
Smax (GPa)
0.95 Yest
61.32
75.194
1.4437
0.875 Yest
65.69
80.552
1.4691
0.75 Yest
57.77
70.84
1.3283
0.625 Yest
53.8275
66.006
1 .1803
O.SO Yest
44.8075
54.945
0.960
Puede verse de la tabla anterior que las probetas ensayadas a flexión
soportaron esfuerzos mucho mayores que el predicho por el ensayo bajo
flexión estática.
Este fenómeno puede atribuirse a lo siguiente:
Las probetas empleadas en el ensayo de tensión fueron curadas, como
ya se dijo, en un ambiente frío, mientras que las probetas ensayadas bajo
flexión fueron curadas exponiéndolas al sol durante aproximadamente 5
horas inmediatamente después del moldeo.
Es probable que la matriz de las
últimas contenga un porcentaje mayor de enlaces cruzados, lo cual la hace
más rígida y además permite una mejor formación de la interfase.
Además, es probable que las probetas ensayadas bajo tensión estática
108
hayan fallado en la región de sujeción debido a fractura de la matriz, lo
cual podría rendir un esfuerzo máximo menor.
Los especímenes ensayados se comportaron, en su mayoría, de acuerdo
a la manera descrita por los autores consultados (referencia) para el
comportamiento del momento flector como función del número de ciclos,
con deflexión constante, como se muestra esquemáticamente en la fig. 8.3:
l...
...,o
u
G)
LL.
o
...,
e
G)
E
o
I:
lag (N)
Fig. 8.8.- Esquema del comportamiento del momento nector como función de N.
Para
amplitudes
grandes,
se
presentaron
fallas
repentinas
de
porciones de la sección transversal de las muestras debidas, en su mayor
parte, a las fibras dejadas incompletas por el proceso de maquinado y a
fibras mal orientadas.
A continuación se presentan los resultados
obtenidos durante los ensayos, en forma gráfica y tabulada (figs. 8.9 - 8.13
y tablas acompañantes).
A partir de la forma de las curvas, se ajustaron los datos a un
polinomio de cuarto grado del tipo
S(n)
= ªo + ª1 n + ª2"2 + a3n3 + a4n4
y a una curva del tipo S(n)
= S0 n b.
109
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114
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C,J
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o
o
95.0% DE DEFLEXION MAXIMA
CA R G A ------------N
PROB 1
PROB 2
PROB 3
PROB 4
1
65.17
63.91
59.22
56.98
2
64.94
63.88
59.27
56.79
4
64.56
63.37
59.04
55.95
6
63.85
58.31
54.8
63.18
8
63.91
58.25
54.42
63.16
10
63.54
62.99
58.22
54.16
20
57.57
53.09
50.19
61.25
40
51.68
59.33
50.06
33.05
60
45.96
50.06
59.06
1
80
47.9
58.81
42.95
1
100
44.58
41. 7
58.19
1
200
23.89
31. 93
56.06
1
400
30.33
36.71
19.09
1
600
29.83
17.61
32.73
1
800
28.81
31.21
15.19
1
1000
28.94
30.18
14.99
1
23,67
2000
28.16
13. 95
1
4000
15.03
13.96
1
18.12
6000
14.34
17.24
14.14
1
14.14
8000
17.16
14 .11
1
10000
14.29
17
11. 88
1
9.93
1
20000
14.84
15.58
40000
14.75
9.46
13.94
1
-----------
115
Pmin
56.98
56.79
55.95
54.8
54.42
54.16
50.19
33.05
45.96
42.95
41. 7
23.89
19.09
17.61
15.19
14.99
13. 95
13.96
14.14
14 .11
11. 88
9.93
9.46
Pprom
61.32
61.22
60.73
60.035
59.935
59.7275
55.525
48.53
39.02
37.665
36.3675
28.22
21.7825
20.2925
19.0525
18.7775
16.695
12.0275
11. 68
11. 6025
11.0425
10.3375
9.7875
Pmax
65.17
64.94
64.56
63.85
63.91
63.54
61.25
59.33
59.06
58.81
58.19
56.06
36.71
32.73
31.21
30.18
28.16
18.12
17.24
17.16
17
15.58
14.75
87.5% DE DEFLEXION MAXIMA
============CA R G A-----------N
PROB 1
PROB 2
PROB 3
PROB 4
60.94
1
71.09
64.52
66.21
2
59.58
70.78
63.83
65.91
59.05
69.43
62.78
4
65.31
6
59.17
69.69
62.77
64.85
8
69.34
62.5
64.7
10
59.15
69.14
62.07
64.28
20
58.32
68.54
61.86
63. 74
63.12
40
58.03
68.17
60.41
62.79
60
58.35
68.4
59. 71
58.48
57.09
62.55
80
68 .11
100
57.89
68.34
55.6
62.85
200
57.26
66.61
32.62
62.59
56.39
57.19
14.62
50
400
600
55.9
43.8
13.42
41.83
30.97
800
54.77
10.53
13.36
1000
10.02
54.2
11. 9
27.85
38.98
10.67
26.79
2000
4000
22.32
10.22
25.66
25.39
6000
24.9
8000
24.96
10000
23.7
20000
20.85
40000
60000
14.88
116
Pmin
Pprom
60.94
65.69
59.58
65.025
59.05 64.1425
59.17
64.12
64.76
62.5
59.15
63.66
58.32
63 .115
58.03 62.4325
58.35 62.3125
57.09
61. 21
55.6 60.5975
32.62
48.61
14. 62 34.1075
13.42 28.1175
10.53 16.3475
10.02 14.9475
10.67 16.04333
10.22 15.36666
25.39
25.39
24.9
24.9
24.96
24.96
23.7
23.7
20.85
20.85
14.88
14.88
Pmax
66.21
65.91
65.31
64.85
64.76
64.28
63. 74
63.12
62.79
62.55
62.85
62.59
50
41. 83
30.97
27.85
26.79
25.66
25.39
24.9
24.96
23.7
20.85
14.88
75.0% DE DEFLEXION HAXIMA
C A R G A -----------N
PROB 1
PROB 2
PROB 3
PROB 4
60.54
55
1
2
60.54
54.54
58.65
49.82
4
6
58. 77
53.01
53.14
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58.52
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52.81
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52.72
52.51
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52.94
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59.79
59.26
57.14
55.55
53.45
51. 44
25.44
22.85
62.5% DE DEFLEXION MAXIMA
-----------CAR G A============
PROB 1
PROB 2
PROB 3
PROB 4
N
57.5
1
50.02
54.56
53.23
2
49. 74
57.88
54.51
53.68
49.32
57.76
4
54.57
53.65
6
49.51
57.36
54.71
53.59
8
48.79
56.21
54.29
53.25
10
48.83
56.38
53.98
53.61
54.07
53.63
20
48.83
55.95
40
48.64
55.62
54.05
53.64
54.71
53.1
53.45
60
48. 74
48.51
54.25
53.86
53.21
80
54.67
53.27
100
48.72
53.84
53.62
53.5
200
48.96
53.9
48.34
55.06
52.98
53.28
400
52.91
48.46
54.52
52.45
600
48.71
53.51
52.33
52. 74
800
52.37
1000
48.13
53.29
52.13
51. 91
50.26
2000
48.69
52.13
48.87
48.29
48.89
51.19
4000
50.01
48.16
46.26
48.3
6000
44.02
46.96
47.77
8000
48.27
47.35
47.21
10000
48.24
47.76
27.02
48.63
45. 72
20000
43.18
40000
47.04
24.65
44.9
42.61
47.78
20.69
43.49
60000
118
Pmin
50.02
49.74
49.32
49.51
48.79
48.83
48.83
48.64
48. 74
48.51
48.72
48.96
48.34
48.46
48. 71
48.13
48.69
48.29
46.26
44.02
47.21
27.02
24.65
20.69
Pprom
53.8275
53.9525
53.825
53.7925
53.135
53.2
53.12
52.9875
52.5
52.4575
52.625
52.495
52.415
52.085
51.8225
51.48
50.7475
49.31
48.1825
46.755
47.6
42.2825
39.9425
38.6425
Pmax
57.5
57.88
57.76
57.36
56.21
56.38
55.95
55.62
54.71
54.25
54.67
53.9
55.06
54.52
53.51
53.29
52.13
51.19
50.01
48.27
48.24
48.63
47.04
47.78
50.0% DE DEFLEXION MAXIHA
C A R G A
N
PROB 1
PROB 2
PROB 3
1
48.26
43.17
45.52
45.07
2
48.12
43.23
4
48.3
42.67
44.61
6
48.38
43.06
44.36
8
48.1
44.18
43.08
47.84
10
42.65
44.59
20
48.02
42.62
44.25
47.5
43. 72
40
43.05
60
47.6
43.31
42. 72
44.09
80
47.55
42.44
100
47.57
42.72
44
47.62
43.56
200
42.54
47.34
42.47
43.51
400
47.36
42.47
43.09
600
800
47.25
42.59
43.04
1000
47.17
42.86
42.92
2000
46.1
42.99
42.61
4000
46.35
43.54
42.54
45.16
6000
41.57
40.87
8000
44.08
43.91
39.96
10000
44.52
20000
43.16
38.7
44.41
32.94
40000
40.9
39.59
60000
41. 77
37.9
31.1
-----------
------------PROB 4
119
42.28
42.35
41. 62
41. 35
41. 07
40.73
40.94
40.82
40.53
40.84
40.54
40.4
40
39.73
39.61
39.31
38.74
37.45
32.62
34.01
32.93
31.36
29.78
27.79
Pmin
Pprom
42.28 44.8075
42.35 44.6925
41. 62
44.3
41. 35 44.2875
41. 07 44.1075
40.73 43.9525
40.94 43.9575
40.82 43.7725
40.53
43.665
40.84
43.73
40.54 43.7075
40.4
43.53
43.33
40
39.73 43.1625
39.61 43.1225
39.31
43.065
38.74
42.61
37.45
42.47
32.62 39.78333
34.01 39.65333
32.93
40.33
Jl. 36
39.4075
29.78 35.8025
27.79
34.64
Pmax
48.26
48.12
48.3
48.38
48. 1
47.84
48.02
47.5
47. 6
47.55
47.57
47.62
47.34
47.36
47.25
47.17
46.1
46.35
45.16
44.08
44.52
44.41
40.9
41. 77
A continuación de la descripción del comportamiento de cada ensayo, se
dan los valores de S 0 y b, correspondientes a la función de potencia,
y los
coeficientes a 1 para el polinomio de cuarto grado, ecuaciones a las que se
ajustó cada juego de datos.
95% Yeat:
El juego de probetas ensayado a esta deflexión fué el que
más daño recibió, presentándose la primera fractura entre los 1O y los 100
ciclos de carga.
Una de las muestas del juego sufrió la fractura total a los
60 ciclos, probablemente debido a una falla interna que permitió la rápida
propagación de las fallas iniciales.
Las probetas presentaron un segundo decremento notorio en la
resistencia residual, entre los 200 y los 4000 ciclos, estabilizándose
posteriormente en un valor de aproximadamente una sexta parte de la
resistencia mecánica original, el cual se conservó hasta el final del
ensayo.
Los coeficientes de las ecuaciones que describen el comportamiento
se muestran a continuación.
Curva de potencia.
Polinomio de cuarto grado.
S 0 = 2.0080 x10 9
a0
=
81
= 4.897621 x10 8
82
= -6.950833 x10 8
83
= 1.884963 x10 8
84
= -1.574890 x10 7
b
= -
0.21598
87.5%
Yest:
La falla
1.389780 x109
repentina se presentó
comprendido entre los 100 y los 4000 ciclos.
fractura total a los 4000 ciclos.
en
el
intervalo
Una de las muestras falló por
La reducción en la resistencia residual
fué de aproximadamente un 66%.
120
A continuación se muestran los
coeficientes de las ecuaciones que definen este comportamiento:
Curva de potencia.
Polinomio de cuarto grado.
S 0 = 2.9742 x10 9
a 0 = 1.463383 x10 9
b = - 0.28682
81
= -3.315784 x10 8
82
= 4.751592 x10 8
83
= -2.381431 x10 8
84
= 2.960865 x10 7
75% Yest : Los especímenes ensayados en este rango de esfuerzos no
presentaron falla catastrófica, pero si un decaimiento progresivo de la
resistencia residual, comenzando alrededor de los 400 ciclos y continuando
hasta el fin del experimento.
La reducción de la resistencia residual, en
este caso, fué también del 66%.
Coeficientes calculados para las ecuaciones:
Curva de potencia.
Polinomio de cuarto grado.
S 0 = 1.9798 x10 9
a 0 = 1.322230 x109
b
= - 0.12951
8
81 = -1.209272 x10
7
82 = 9.619806 x10
62.5% Yeat:
83
-1.721847 x10 7
84
-1.904138 x10s
En este experimento, la mayor parte de las probetas
conservó su resistencia en un valor cercano a la resistencia original,
durante casi todo el experimento.
Con excepción de una de las muestras, el
decaimiento de la resistencia residual no sobrepasó el 16%.
severo comenzó alrededor de los 1O 000 ciclos.
Coeficientes:
Curva de potencia.
Polinomio de cuarto grado.
121
El deterioro
Coeficientes:
Curve de potencio.
Polinomio de cuerto greda.
5 0 = 997.16 x10 6
6
b = - O.O 1713
6
Yest:
1
= 1.225023 x 1o9
:
-3.220269
X 10
7
7
X 1O
62
= 1.26841 8
6
= -4.144948 x10 2
6
soi
0
3
4
: -9.890881 X 10 5
A peser de estor sometides e un esfuerzo menor que les
enteriores, estes probetes presenteron uno moyor degredeción de su
resistencie residuel, comenzendo elrededor de los 4000 ciclos.
Le
reducción medie observede de le resistencie residuel fué del 50%. Les
ecuaciones p1anteedes ti e nen 1os sigui entes coeficientes:
Curvo de potencie.
50
b
:
997.16
X
=- 0.01713
10 6
Polinomio de cuarto greda.
6 0 : 9.633973
6
6
6
1
2
3
X
= -2.384955
10 6
x10 7
: 5. 122 196 X 10 6
:
1.796927
X 10
6
e 4 = -8.042613 x10 5
En les siguientes pagines se muestren los comportemientos de les
muestres ente les distintes situeciones de cerge (representedos en forme
de gráfices Jog S vs Jog n), y le compenición de les curves e les que se
6justeron los velares con Je medie de los velares medidos durante el
enseyo.
122
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Lag (n)
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Media
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Ajuste de los datos obtenidos (95%)
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ENSAYO DINAMICO
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ENSAYO DINAMICO
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Smedio
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S(log)
3 .00
o
4 .00
S(poli)
Se eligió un polinomio de cuarto grado para ajustar los datos
experimentales y compararlos con la curva de potencia, debido a la forma
que presenta la curva de comportamiento para el caso más severo (95% de
la deflexión a la fractura estática).
Se encontró que la resistencia residual del material decrece de una
manera uniforme mientras que no se presenta una falla severa.
A partir de
este punto, el decremento en la resistencia residual ya no es predecible.
Se encontró que el decremento en reistencia residual, después de los
60,000 ciclos que duró el ensayo, es proporcional a la severidad de la carga
aplicada.
8.6.- ESTUDIO DE LA VIDA DE FATIGA DE LOS PROTOTIPOS.
Puede considerarse, para efectos de la construcción de un gráfico de
comportamiento S - n, que las muestras han fallado cuando se presenta en
ellas el primer decaimiento pronunciado de la resistencia residual.
Se
trató de construir, a partir de este concepto, un gráfico de esfuerzo de
falla
contra
vida
correlacionables.
de
fatiga,
sin
embargo,
los
resultados
no
son
Por lo tanto, se concuerda con los autores consultados en
que el comportamiento de vida de fatiga de los sistemas estudiados debe
realizarse a partir de ensayos hechos con carga constante.
El mejor parámetro, pues, que se obtuvo en esta investigación para
predecir la vida de fatiga de un muelle hecho de compuesto epóxico vidrio, es el comportamiento ante deflexiones repetidas.
Cabe señalar que
este estudio se relaciona estrechamente con el funcionamiento real de un
muelle, cuya deflexión máxima se encuentra restringida por el contacto del
muelle con el bastidor del vehículo.
133
CAPITULO •
9:
PROCESO DE FABRICAC!ON PROPUESTO
9.1.- ESQUEMA GENERAL DEL PROCESO DE FABRICACION.
El proceso de febricecion pere muelles compuestos que se propone e
le luz de les experiencies y resultedos de le investigeción, conste de tres
procesos perelelos, como se ilustre en le figure 9.1. Estos procesos son
1os sigui entes:
1.- Prepeirecion de le resine epóxicei.
2.- Prepereción de los moldes pere los muelles.
3.- Produccion de los muelles.
El proceso de prepereción de le resine epóxice involucre todos los
pasos neceserios pere producir le mezcla de resina y endurecedor, desde
que éstos son recibidos por el sisteme heste que le mezcle es introducide
e le cube de impregnación.
Le prepereción de los moldes comprende le revisión de éstos
posterior el desmoldeo, le repereción de cuelquier defecto introducido por
el proceso de moldeo (resina pegede, frectures, erosión, etc.) y el
recubrimiento de le superficie del molde con el compuesto desmoldente.
Finalmente, el proceso de moldeo consiste en todas les etepes de
producción de los muelles, desde le disposición del roving heste el
producto terminado.
9.2.- REQUISITOS DE INFRAESTRUCTURA PARA EL SISTEMA DE FABRICACION.
Siguiendo los pesos del procesos de menufecturei propuesto pare los
muelles de resine epóxice reforzede con fibra de vidrio, se requiere le
siguiente mequinarie y equipo:
- Sisteme pera mezcler los componentes de le resina.
134
@
ARREGLO DE BOBINAS
DE ROVING EN LA FILETA
MEO IC ION DE L "S
CANTID,t.DES CORRECTAS
DE RES IN A Y ENDURECEDOR
MEZCLADO DE LA RESIN"
DESGASIFICACION
REVISION Y REPARACION
DE LOS MOLDES
FORMACION DE LA
URDIMBRE
®
RECUBRIMIENTO DEL
MOLDE CON EL COMPUESTO
DESMOLD ANTE
ll"PREGNACION DE LOS
HILOS DE ROVING CON
RESINA EPOXICA
COLOCACION DEL
MOLDE EN LA PRENSA
SUJECION DE LOS CABOS
EN EL DISPOSITIVO
DEV,..NADOR
DEVANADO DE LA
PREFORMA
SEPARACION DE LA
PREFORMA DE LA URDIMBRE
COLOCACION DE LA
PREFORMA EN EL MOLDE
CIERRE DEL MOLDE
APLICACION DE CALOR
DESMOLDEO
©
POSTCURADO
Fig. 9.1 .- Diagrama de flujo del
procuo de fabricación propuesto
par a muelles hechos de resina
epóxica reforzada con fibra
A... vidrio.
CORTE Y ELIMINACION
DE LOS EXTREMOS Y
PULIDO DE LA SUPERFICIE
MUELLE TERMINADO
135
®
CLAVE:
1 .- Entrada de la resina.
2. - Entrada de1 endurecedor.
3.- V.iciado de la resina en
la cuba de impregnación.
4.- S.ilida del exceso de resina.
5.- Salida de los moldes al
proceso de preparacion.
6.- Salida de los muelles al
postcur ado.
- Olle de vecío y bombe de vecío pere desgesificer le resina mezclede.
- Filete pere el ecomodo de les bobines de roving.
- Soporte pere el elineedo de los hilos de roving.
- Cube pere impregner los hilos de resine.
- Dispositivo devenedor pere el ermedo de le preforme.
- Sisteme peni el ecomodo de le preforme, ye impregnede, en el molde.
- Moldes y sisteme de cerredo de los mismos.
- Dispositivos (fresedore, cortedore, mequinerie pere lijedo, etc), pere
eliminer los e><tremos de les piezes febricedes y derles ecebedo
superficie l.
9.3.- PREPARACION DE LA RESINA.
El epó><ico con el que se febrice le metriz del compuesto es
presentedo por el febricente en dos pertes, resine y endurecedor, les que
mezcledes en proporciones correctes den como resultedo un químico que
puede, e trevés de une reección de polimerizeción, producir el termofijo
que constituye le metriz del compuesto.
Este primer peso en le prepereción de le resine, que en le
investigeción se llevó e cebo menuelmente, puede hecerse por medio de une
mezcledore motorizede. Es importente que en este peso, sin embergo, se
cumplan dos condiciones ineludibles:
- Los dos componentes de le resine han de encontrerse presentes en les
proporciones correctas; de lo contrario, el químico resultente no
polimerizeril edecuedamente y,
- La mezcle de embos componentes debe ser perfectemente homogénee.
Posteriormente e la obtención de la mezcle de los componentes de le
resina, deben eliminarse de elle equellos geses que contenge, pere evitar
le formeción de burbujes y vecíos en el seno de le metriz. Estos geses se
introducen e le mezcla durente el proceso de mezcledo.
136
Le desgesificeción de le mezcle se hece sometiendo éste e un vecío
que permite e les burbujas de eire y otros geses que se encuentren en elle,
subir e le superficie y de ehí peser e le etmósfere. Si le desgesificeción
no se complete en este peso, el proceso de impregneción debe diseñerse de
t81 menere que evite el peso de les burbujes e les meches impregntides.
Unti de 18s principeles considereciones que deben tenerse en cuente
81 diseñ8r el proceso de febric8ción p8r8 los muelles estudi8dos, es el
hecho de que le metriz se encuentre form8do de un termofijo. Esto quiere
decir que no deberé permitirse, en momento elguno, el cur8do de 18 resin8
dentro de ninguno de los dispositivos por medio de los cueles se m8nej8,
so penti de que éste quede inutilizedo y requier8 repereciones costos8s en
tiempo y dinero.
El mezcledo de le resine y su desgesificeción (por medio de vecío)
pueden llev8rse e C8bo el mismo tiempo, si el recipiente donde se mezcla
18 resine es hermético. Si se emplee est8 técnic8, puede h8cerse peser 18
resine directamente e le cube de impregn8ción.
En 18 fig. 9.2 se muestr8 un esqueme de le mezcl8dor8 propuest8. Une
vez que se han introducido en elles les c8ntidedes correctes de los
componentes de la resine, se inicie el proceso de mezcl8do 8 tiempo que se
h8ce V8cío dentro del recipiente. Una vez que ha transcurrido el tiempo
neces8rio pere le obtención de une mezcla homogéne8, se introduce aire
bejo presión dentro de 18 mezcl8dor8 p8re e><puls8r més répidamente 18
mezcle. Le mezcledore puede ser ebiert8 pere limpiez8 y m8ntenimiento.
137
'I iCÍO e intro-
ducción de aire
bajo presión.
e::'
t
Salida de la
Mezcla.
Fig. 9.2.- Mezcledore propueste pere le preperec1ón de le resine.
9.4.- PREPARACION DE LOS MOLDES.
Aunque en le investigación se emplearon moldes hechos de medere,
debido e consideraciones económicas y le fecilided que este meteriel
presente pere su menejo y mequinedo, en un proceso e gren escele seríe
necesario emplear moldes metillicos.
Los moldes tendriln une curveture iguel e le requerida por el producto
terminado. Por otre perte, si bien el molde de medere forrede de ceucho
cerecíe de conicidad de selide debido e ser hecho de un meteriel
fecilmente flexible, es clero que el molde metillico si requeriría de este
precaución pere eviter emerres con el muelle febricedo.
Se propone un
velar de 2º pere este conicidad. Ademiis, en le unión de los costedos del
molde
con
le
bese,
deberil
existir
un
filete,
con
un
redio
de
eproximedemente 4 mm. (según el prototipo estudiedo).
Le fuerze eplicede el cerrer el molde lo mentendríe cerredo y edemiis
permitiría exprimir le preforme pere eliminar el exceso de resine y con él
cualquier posible burbuja que hubiese quededo etrepede durante el proceso
138
de impregneción de 16 fibr6.
El primer p6so en 16 preptir6ción de los moldes consiste en 16
revisión de éstos prire determinar si htin sufrido 6lgún menoscabo en
moldeos previos. Con los moldes de m6dere se tuvieron problemas con el
desprendimiento de los ledos, hechos de caucho y adheridos e le bese con
cemento de contacto, y con el ecebedo de le superficie de caucho. Aún
cuando un molde met61ico no present6re estos problemas, se tendrí6 que
verificar si no muestrri fr6gmentos de resine adheridos e él y, si tel cose
sucede, eliminar dichos frrigmentos tintes de proceder. Esto, desde luego,
se evit6 con une correcta epliceción del desmoldente.
Une vez verificado el buen estado del molde, el siguiente peso
consiste en le eplic6ción de un compuesto desmoldente, que evite el que le
resin6, el polimeriz6r, se adhiere el molde, dificultando o incluso
imposibilitando le remoción del muelle. En le f6briceción de l6s probetas
pere los experimentos se empleó un desmold6nte p6stoso, pero es probable
que p6re un6 6plic6ción como le que se contemplti, un desmold6nte líquido
que pudier6 6plic6rse con pistol6 roci6dor6 sería mucho mes conveniente,
sobre todo desde el punto de vistri de tiempo y de meno de obre.
El último prisa en le prepereción del molde es 16 colocación de éste
en el dispositivo que permitiré cerrarlo. Une prense es el primer método
que perece ser epto pere ello, pero selva que se emplee une resine que
lleve
ti
cebo su curado en un tiempo muy corto (cuando mes, el tiempo que
se tarde en producir une preforme), sería conveniente proveer el molde de
algún medio que lo m6nteng6 cerrrido une vez quitado de le prense. El
molde deberé ester provisto de conductos pere circular el fluido (egue o
aceite) que proporcionaré el celar necesario per6 el curado répido de le
resine, o bien de resistencias eléctricas
139
9.5.- PROCESO DE FABRICACION DE LOS MUELLES
LB mecha de vidrio, en la forma en que es presentada por el
fabricante, puede apreciarse en la fig. 9.3.
Estos rollos, en el número
requerido, se colocarérn sobre la "filete" (cf secc. 5.4)
Fig. 9.3.- Meche de fibre de vidrio, en su pr~se:.tación comerci 61.
LB filete es un estante cuyos anaqueles tienen superficies pulides,
sobre los que se colocen los rollos de roving, preferentemente todavíe
dentro de le bolse de plilstico que los protege.
El extremo del hilo es
extreído del centro del rollo y pesedo por una serie de guías que le
conducen y ordenen.
Estes guías son hechas de ecero duro, pere reducir el mínimo el
efecto abresivo de le fibre y el deterioro que B elle ceuseríe una superficie
desgastade. Mejor aún, según recomendeción del febricente de la fibre de
vidrio, les guíes pueden hecerse de elgune cerilmica resistente (e.g. óxido
de eluminio sinterizedo) (VITRO FIBRAS).
Antes de que los hilos lleguen e le cube de impregneción, han de ester
ordenedos en une urdimbre de hilos perelelos. Se encontró, en el curso de
la producción de les muestres requerides pere le investigeción, que este
140
erreglo puede tener cinco hilos de roving con 2400 TEX de rendimiento
(2400 TEX
que
= 2400 g/km) elineedos uno junto
tengei
de
1,ncho
el
muelle
ei otro por ceidei centímetro
termineido
y
ser
meinejeido
seitisfeictori11mente. Si se emplee roving con rendimiento distinto, puede
ceilculeirse, ei p11rtir de lei ec. (6.1) el número de hilos que pueden ordeneirse
leido ei leido y el número de c11peis que debe tener lei preform11 peirei obtener
resulteidos comp11r11bles.
orientador
guía
F1g. 9.4.- Propuesto poro uno guío ordenodoro de los ftbros.
Peire eviteir que los hilos se s11lgein de posición en este urdimbre, se
le hece peiseir por un "peine" o guíe entes de introducirle ei lei sección de
impregneición.
Dureinte lei feibriceición de les muestres se encontró, sin
embeirgo, que teil dispositivo puede muy feicilmente ceiuseir excesiv11
fricción sobre los hilos, eidemós de frecturer fileimentos individueiles de
ellos. Es neceseirio, pues encontrer une meinerei de producir un peine (u otro
eiditeimento semejeinte) que presente en lei menor proporción posible estos
problemeis.
9.5.1.- IMPREGNACION DE LA FIBRA DE VIDRIO V
DEVANADO DE LA
PREFORMA.
Une
vez
que les meches que formen el reforzeimiento se hein ordeneido
convenientemente, esteis deben ser impregneideis con le resine que formeiró
141
la matriz del compuesto.
Esta parte del proceso presenta varias
actividades que deben llevarse a cabo en perfecta armonía para que no solo
se lleve a cabo el proceso de una manera ininterrumpida y sin problemas,
sino que ademéis se obtenga un producto con buena calidad.
La resina ya preparada se introduce a la cuba de impregnación, una
vista en corte de la cual se muestra en la figura 9.5.
Las fibras de reforzamiento, ya ordenadas, pasan por un arreglo de
rodillos en "tijera", cuya función es raer la mecha de tal manera que los
filamentos individuales se separen sin romperse y sean todos accesibles a
la resina. Este ensamble de rodillos se encuentra en una posición previa a
la cuba, cuando las mechas se encuentran aún secas.
RODILLO DE ENTRADA
RODILLO DE SALIDA
"'
/
DISPOSITIVO EXPRIMIDOR"
RESINA"'
RODILLOS DE IMPREGN AC ION
Fig. 9.5.- Cube pere le impregneción del rerorzemiento con resine epóxice.
A continuación, las fibras son conducidas hacia el interior de la cuba
por un rodillo de entrada, y pasan entre dos placas guía que evitan que la
urdimbre se salga de alineamiento.
La parte importante de la
impregnación se lleva a cabo en la parte baja de la cuba, al pasar la fibra
por los rodillos de impregnación, que forzan a la resina hacia todas las
partes del ordenamiento de fibra.
142
Lo fibre esí impregnede lleve consigo un e><ceso de resine, que es
eliminodo de elle y devuelto e Je cube por medio de un dispositivo
dosificedor. En Jo cubo construido pero le investigeción, se hizo uso de un
juego de lebios de ceucho que presionen uno centro el otro. Lo urdimbre de
fibre pese entre ellos, dejondo tres de sí el e><ceso de resine que porte.
Este di spo si ti va dosifi ceder elimine, edemiis, equel Jes burbuj es que
pueden eún encontrorse presentes en Je resine, seo desde el proceso de
mezcledo o introducides el líquido por Je fibre que entre todevíe sin
impregner. Pero el proceso de febriceción en gren escele, se propone como
e><primidor un juego de rodillos que iguelmente se presionen uno contni
otro poro cumplir le mismo función que los lebios de ceucho empleedos.
Une venteje que tendríe este último método es le de inducir menor fricción
el sisteme.
Se dió e le cubo le forme de cuñe truncede que presente pere reducir
el volumen de resin!! neceserio pere que Je fibre se encuentre
completemente sumergido en le zone de impregneción príncipe!, y esí
eprovecher mejor le resine.
Ve que le urdimbre de reforzemiento he sido impregnede con le
resine, se 1e hece pe ser el dispositiva por medio del cuel se construye ! e
preforme de le que se moldeeril el muelle. Un esqueme de este porte del
proceso se muestre en 1e fi g. 9.6:
Un probleme que inmedietemente se presente en este sistema de
construcción es el idear un di~positivo que permite sujetar todos los
cebos de le urdimbre, el comenzer el devenedo de le preforme, que ye se
encuentren impregnedos con resine y son difíciles de menipuler.
En el sisteme que se construyó pero le investigación, el probleme se
solucionó empleendo lo técnico ye descrito en el cepítulo 5; resulte le miis
conveniente pare este esqueme; por lo tanto se empleerél como punto de
143
partida pare solucioncir el probleme en le escale industrie!. El sistema de
sujeción de les verilles, sin embergo, debe cembierse por algo de mils
rápida y fácil ección, eccioncido por un resorte.
Un esqueme de este
método se muestra en lci fig. 9.6:
PREC ALENTADOR
RODILLOS PARA
GU IA Y TENSION
FIG. 9.6.- Dispositivo devenedor de le preforme.
Los cebos de le fibra son sujetos entre dos varillas con el perfil més
conveniente para la sujeción de los cabos, hechas de acero, entes de ser
seperedas de la preforma precedente ye termincide. Acto seguido se corten
les fibras en un punto entre este sujeción y le preforme, y le preforma
termincide se coloce en el molde de la menera que se indice més adelante.
El arreglo de varilles, con los extremos de les fibras sujetos e él, se
coloca en los extremos de los largueros que formen al dispositivo
devencidor y se aseguren con le traba cargada bejo resorte, como se
muestre en le fig. 9.7. Este trebe esté provista de unci pcilence que ayude el
operario e vencer la fuerza del resorte, el abrirle, y a ejercer le fuerza
necesarie pere cerrerle y trabar las varillas en su lugar.
144
',' ARILL AS
DE SUJECION
LJ
!
L
CERRADO
ABl~RTO
En los otros extrerr::is de ,os lerqueros ~e co1oca, P'Jr medio de
sendos berrenos precticados en los lEJrgueros, ::itre V"lr1l 1 e. A continuación
se procede e devener sobre las verilles así colocades, tantas vueltas de le
urdimbre impregneda, como see necesario pare formar 2! número de
lamineciones de refuerzo que se requiera tener, consicerendo que cade
vuelte que se de el dispositivo devenedor permite le formación de dos
cepas de reforzemiento (ide y vuelte)
Esto puede ser llevedo e cabo por
medio de un grupo motor - motorreductor, provisto de un contador de
vuel tes, que detenga e 1 motor cuando el número predet erm ir 'ld o se e
elcenzedo, como se muestra er. lf\ fig. 9.6.
Al terminerse el devanedo de la preforma, se suJetan los extremos de
los cabos de fibre e une distencie que permite su correcto acomodo, por
medio de otro juego de v1:1r11les semeJente el y1:1 descrito, y 5e corta el
reforzamiento pere seperer le preforme de le urdimbre de fibre
Le preforme terminedll, jl;n~~· con l0s 1:irgueros, se sepere de le btise
145
del devanador, y se pese el molde. Les verilles que sujeten le preforme se
colocan en posiciones designedes pera ello en los extremos del molde,
desprendiéndoles de los lergueros de devenedo.
Hecho esto, se tepe y
cierre el molde, y se le somete e presión por medio del dispositivo
edecuedo. Puede ehore dejerse le resine curar de le manera més epropiede
pere ello. Les verilles que sujeten el extremo de le urdimbre se colocen de
nuevo en los 1ergueros, y se repite el proceso pere former une nueve
preforme.
9.6.- MOLDEO V CURADO DE LA RESINA.
El moldeo del muelle se lleveríe e cebo en un molde con le forme
requeride por el muelle. Dentro de este molde se reelizeríe el curedo
primerio, permitiendo
6
le resine polimerizer y former los enleces
cruzedos neceserios pera poderle retirer del molde y tresleder e une zone
de postcuredo, donde el muelle puede reposer heste que termine de
formerse le metriz.
Pere le febriceción de los muelles, se propone el empleo de un molde
rígido, cuyo esqueme se muestre en le fig. 9.8.
PUNTO PARA LA
SUJECION DE LA
PREFORMA
PUNTO PARA LA
SUJECION DE LA
PREFORMA
BASE
Ftg. 9.8.- Dtegreme del molde propuesto. Se omiten los dispositivos de cierre y edttementos pere el
celentemiento pere meyor clerided.
146
Une vez retirede le preforme del dispositivo devenedor, éste se
coloce en el molde, esegurendo les veril les que formen los extremos en los
puntos provistos pere ello en el molde. A continueción, se coloce le tepe
en su luger.
Le tepe posee une lengüete cuye función es cerrer
completemente el molde.
El molde tiene unidos e él dispositivos de
sujeción cuye función es mentener e le tepe en su luger une vez que se he
retiredo le presión eplicede por le prense de cierre. A continueción (fig.
9.9) se muestre une sección del molde
························
................. .
{)::::::::::::::::/:::::::::::::::::. cor1PuÉ:.si-°ci. ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
::::::::::::::::::::::::::::::=::::::::::::::::::::::::;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::;:::::::::::::::::;:
PARA
ABRIR
CAJA
~
FIG. 9.9.- Corte seccione! del molde, que muestre le estructure de le tepe y el mecenismo de cierre.
Como puede eprecierse, los extremos del molde se encuentren
ebiertos, lo que permite el exceso de resine que contiene le preforme,
esceper hecie el exterior. El volumen del muelle, une vez expulsede le
resine en exceso, permenece constante durente el curedo.
Verios de los eutores consultedos concuerden en el hecho que le
resine epóxice requiere un curedo con epliceción de celar pereque se
formen correctemente los enleces cruzedos que determinen su resistencie
mecénice. Por lo lento, si le resine empleede es de este tipo, el siguiente
peso seríe comunicer el molde, por medio de fluidos celientes o
electricided, el celar neceserio pere este curedo.
Ve que el muelle he curedo dentro del molde, se le elmecene pereque
termine de curer, de ecuerdo e les instrucciones del proveedor de le resine
epóxice. El último peso en su febriceción consiste en ponerlo e punto pere
147
emplearlo.
9.7.- ACABADO DEL MUELLE.
Le puesta e punto se logn1 eliminando los extremos (donde le fibra se
sujetó e los varillas sobre los que se devanó), cortilndolos por medio de
uno sierro abrasivo, y elisendo su superficie poro eliminar cualquier
irregulerided. Se recomiende el uso de uno sierre abrasivo mils que une
sierro tradicional con dientes cortantes, debido o que esto último tiene le
desventaja de mellarse ropidomente bojo lo acción abrasivo de lo fibra de
vidrio. Este fenómeno pudo observarse en el proceso de preparación de los
probetes requeridos poro el ensayo.
El alisado se lleveril o cabo por medio de lijo de carburo de silicio,
seo en formo manual o con uno lijodoro motriz (preferiblemente de bende),
y en sentido 1ong1tud1nel. Cualquier lijado en sentido tronsversel e le
dirección de les fibres ceuseríe rotures en les fibras y surcos en le resine
cuyo resultedo último sería lo creación de grietes de fetige, durente su
operación.
Los ejemplos de muelles hechos de fibra de vidrio observedos en el
curso de les investigeciones (prototipo estudiedo, GMC Corvette), se
encuentren pintados de color negro. Esto lleve el doble fin de der el muelle
un ocobedo etrectivo y de proteger o le resine centre los efectos del
ambiente.
Se recomiende que el recubrimiento empleedo seo tal que
minimice el efecto obresivo de los substencies encontredes por el muelle
en su operación (impacto de gravo y areno del cemino, sucieded, etc).
148
CAPITULO # 1O.
CONCLUSIONES ALCANZADAS Y SUMARIO
10.1.- RELACION MECANICA ENTRE EL PROTOTIPO Y EL MUELLE A ESCALA
COMPLETA
Un factor importante que debe tenerse en cuenta al analizar los
resultados, tanto de este ensayo como de los ensayos bajo flexión
dinámica, es el hecho de que se llevaron a cabo en modelos en escala 1 :5.
Esto quiere decir que todos los valores de carga soportados por los modelos
son 25 veces más pequeños que los que soportaría un muelle real en escala
completa.
Esto resulta de la relación de escala que existe entre los
módulos de sección de ambos muelles (escala 1:5 y escala completa.
El
módulo de sección está dado por:
Z = bh 2 I 6
de donde se tiene que Z 111 = 125 Z115 .
(8.3)
Dado que la longitud del brazo de
palanca presente en el muelle a escala completa es también 5 veces mayor,
se tiene que:
P111 = 25 P115
Los esfuerzos causados en el muelle por esta carga, sin embargo,
serían los mismos, dada la relación geométrica que existe entre el modelo
y el muelle a escala completa.
10.2.- CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES DERIVADAS DE LOS EXPERIMENTOS.
A la luz de los problemas encontrados durante la manufactura y
ensayo de los prototipos estudiados, y de los resultados obtenidos de los
ensayos efectuados, se derivaron las siguientes conclusiones:
149
El calcular y fabricar
1)
un
muelle con
fibra de vidrio
(u
otro
compuesto) presenta, desde el punto de vista mecánico, algunos problemas
y consideraciones importantes:
a)
Es inconveniente que existan fibras incompletas a lo largo del
muelle.
Esto debe evitarse debido a que las fibras incompletas son puntos
donde la estructura del muelle, a lo largo del eje principal de esfuerzos,
presenta discontinuidades que son no solo concentradores de esfuerzos,
sino también posibles inicios de grietas de fatiga.
Estas discontinuidades, en términos generales, no afectan en manera
sensible las propiedades mecánicas del muelle (E, Smax• etc.), debido a que
las fibras incompletas son mucho mayores que la lognitud crítica requerida
por la fibra.
Sin embargo, siendo un elemento dinámico, sensibilizan mucho
al muelle al daño causado por la fatiga, reduciendo su vida útil.
b)
En los prototipos estudiados, dado que se produjeron varios a partir
de un solo blanco, es imposible evitar el seccionar algunas fibras de los
costados.
Si el muelle, en cambio, se produce a escala completa, es de
esperarse que se fabrique uno por molde, lo cual elimina este problema.
c)
Existe aún, sin embargo, la posibilidad de dañar las fibras aledañas a
la superficie del material, al dar el acabado a éste, por lo que sería
conveniente que la única operación de maquinado (a pesar de lo dicho en el
cap. 9) que recibiera fuera el corte de los extremos.
2)
Se
vió,
durante
el
proceso
de
fabricación
de
los
modelos
experimentales, que el manejar la fibra de vidrio sin un dispositivo de guía
ocasiona grandes problemas de orientación del reforzamiento durante los
procesos de impregnación de las mechas y devanado de la preforma.
Por
otra parte, una guía mal diseñada puede causar más problemas de los que
soluciona.
Efectivamente,
la
excesiva
150
fricción,
la
posibilidad
del
deshilamiento e incluso fractura de mechas enteras provoca problemas de
mala impregnación, fibras mal orientadas, interfases débiles y, durante el
proceso, puede incluso llegar a ocluír los orificios de la guía por la cual
pasa, deteniendo el proceso con el consiguienten costo de tiempo muerto.
La consecuencia final de esto sería la avería, más o menos seria, de la
máquina, fuera simplemente en horas perdidas o también en daños
materiales.
Debe, por lo tanto, controlarse el ordenamiento de las fibras.
En los
dispositivos de impregnado se emplearon "peines· hechos de alambre
estirado en frío, que no dieron buenos resultados, como ya se dijo.
Se
recomienda, por lo tanto, el uso de ojillos de acero inoxidable o cerámica,
como se mostró en el cap. 9.
Es necesario también dosificar cuidadosamente la cantidad de resina
que llevan consigo las fibras.
De esta manera, se evitan problemas como
alteración de la proporción fibra - resina en el compuesto, desperdicio
excesivo de resina al cerrar el molde, y mal cerrado de éste.
Esto se logra
con el uso de un dispositivo de exprimido como el que ya se ha descrito.
3)
Es conveniente curar la resina con calor y presión, para permitir la
formación de los enlaces cruzados necesarios para dar a la matriz interfase -
4)
y a la
el grado deseado de resistencia mecánica.
Para los ensayos hechos bajo tensión estática, es necesario evitar
que la fuerza aplicada por las mordazas caiga directamente sobre la
porción del material que se ensaya.
Esto pudo resolverse, en los
experimentos realizados, por medio del adelgazamiento de la probeta tanto
a lo ancho como en grosor, formando un "hueso".
En el caso de
reforzamiento
trabajo,
multidireccional,
como
recomienda esta práctica.
1 51
se
dijo
en
el
no
se
Las probetas, una vez maquinadas, deben pulirse para eliminar
inicios de grietas y sitios de concentración de esfuerzos.
5)
Al comparar el comportamiento de las probetas ensayadas bajo
tensión estática con aquéllas ensayadas a flexión, se encontró que éstas
presentaron módulos de resistencia mecánica, para el compuesto, mayores
que los encontrados en las primeras.
Este fenómeno no pudo explicarse satisfactoriamente, aún cuando se
piensa que se debe al hecho de que, mientras que los blancos de las
probetas
rectas
se
curaron
en
el
laboratorio,
a
una
temperatura
relativamente baja, las probetas curva fueron expuestas al sol durante las
primeras cuatro o cinco horas del período de curado, permitiendo una mejor
formación de la interfase y una mayor proporción de enlaces cruzados en la
matriz, dando mayor rigidez al material.
6)
Se observó que, en general, el comportamiento del decremento en la
resistencia residual se ajusta más a una función polinomial de cuarto
grado que a una ecuación del tipo S/S 0 = 1 - m log (n).
las
variaciones
inducidas
por
la
presencia
de
Esto se debe a
fibras
rotas
y/o
desorientadas, que inducen fallas repentinas además de la degradación
continua del material.
Descontando la ocurrencia de estas fallas, la
degradación del material, dentro del rango observado, sigue el patrón
descrito en el cap. 4.
En aquellas probetas que fueron ensayadas con grandes deflexiones,
se presentaron fallas repentinas, con considerable decremento en la
resistencia residual.
rotas y mal orientadas.
Estas fallas se debieron a la presencia de fibras
Este fenómeno también se presentó en las probetas
ensayadas a deflexiones menores, pero en una forma menos severa y más
152
tardíamente.
Es de esperarse que estos decrementos bruscos de la resistencia del
muelle no se presenten tan severamente en ejemplares que no posean
fibras desalineadas o rotas, mejorando el comportamiento ante la fatiga.
Es, por tanto, imperativo para la manufactura de estos sistemas, tener una
perfecta alineación de las fibras y evitar dañar aquéllas que se encuentran
en la superficie, por medio de un proceso de acabado poco abrasivo y el
posterior recubrimiento del muelle con alguna substancia protectora, para
evitar o reducir la acción de los agentes abrasivos del medio.
7) En concordancia con los autores consultados. se encontró que el
comportamiento del esfuerzo contra la vida de fatiga en un sistema se
puede conocer tanto más facilmente si se lleva a cabo un estudio bajo la
aplicación de un esfuerzo cíclico pulsante de amplitud constante, donde las
fibras se encuentran sometidas únicamente a tracción o a compresión,
según el lugar que ocupen en la muestra, más que a una deflexión cíclica de
amplitud constante.
10.3.- CONCLUSIONES GENERALES:
Se
concluye
que
si
es
posible
manufacturar
muelles
automotrices de fibra de vidrio, de una manera relativamente sencilla
y competitiva.
El material ha demostrado en las aplicaciones que ya se han
mencionado ser apto para el servicio que se requiere de él.
Puede
aseverarse, a partir de los resultados experimentales, que el material
sirve como substituto de los muelles de acero, dado que:
1.- En un vehículo automóvil, la solicitación de deflexión que
experimentaría el muelle es menor que la aplicada en el curso de los
ensayos.
153
2.- Un muelle hecho para servicio automotriz ha de tener todas sus
fibras de reforzamiento enteras y orientadas unidireccionalmente.
Esto se
logra fabricándolo como una pieza única y· no cortándolo a partir de un
blanco más grande.
En lo que respecta al proceso de fabricación propuesto, se requiere
hacer un estudio más exhaustivo en cuanto a su factibilidad, sobre todo
desde el punto de vista de los costos de manufactura y de su comparación
con otros métodos de producción de este tipo de objetos.
154
CAPITULO • 11.
TEMAS PARA INVESTIGACION POSTERIOR.
Debido e les limiteciones e><hibides por el proceso de febriceción
empleedo pero former los prototipos y por les miiquines de enseyo
empleedes pere el posterior estudio de su comportemiento, se hizo une
serie de suposiciones con respecto e les cerecterístices y funcionemiento
de los prototipos.
Pere conocer le influencie que le verieción de los
periimetros que no se contempleron en le investigeción puede tener en el
comportemiento del prototipo estudiedo, se recomiende llever e cebo los
siguientes estudios:
1.- Influencie de Je escele en los resultedos obtenidos en le investigeción.
Se supuso que el temeño del muelle no tiene influencie sobre su
comportemiento.
Dedo que el compuesto estudiedo no es reelmente
isotrópico, este puede no ser el ceso. Por lo tente, seríe recomendeble
eplicer los métodos de enseyo utilizedos en el presente trebejo e estudier
les cerecterístices de un muelle e escele complete, y encontrer le clese de
releción que e><iste el cembier le escele del muelle.
2.- Estudio del comportemiento de un muelle febricedo bejo condiciones
idee les.
Le resine
que forme le metriz se curó e presión y tempereture
embientes. Esto reduce el velor de sus propiededes meciinices, esi como Je
eficiencie de le edherencie de le fibre con le metriz, en le interfese. Este
fenómeno hece que el meteriel no tenge les cerecterístices óptimes
deseebles.
Ademiis, los prototipos febricedos pere estudier en Je presente
investigeción fueron hechos sin controler les condiciones de humeded y
155
temperatura del ambiente.
Dado que estos factores pueden afectar
directamente el comportamiento mecánico del sistema, al modificar la
manera en que se forma la matriz y sobre todo la interfase, es necesario
conocer la manera en que un muelle fabricado bajo condiciones ideales se
comporta en comparación con los muelles estudiados.
A partir de dicha comparación, se puede saber si es justificable el
costo extra necesario para controiar las variables mencionadas, para la
producción de los muelles en escala industrial.
3.- Costos comparados de los procesos de manufactura propuestos.
En la actualidad, los muelles del tipo estudiado son fabricados por
medio del procedimiento de pulformado, que ha dado buenos resultados.
Se
propone, en este trabajo, un proceso consistente en la disposición manual o
semimanual del reforzamiento y la matriz, seguido de un moldeo
compresión de la preforma para obtener un producto terminado.
por
Un estudio
detallado de los costos asociados a cada uno de los procesos (maquinaria y
equipo, mano de obra, manejo de materiales, etc.)
revelaría cual de ellos
es el óptimo para un volumen dado de producción, así como para la
situación económica particular de la localidad donde el proceso se realiza
(en este caso, la República Mexicana).
4.- Estudio de fatiga a carga constante.
El objeto de este estudio sería corroborar los resultados obtenidos en
esta investigación, a partir de la obtención de una curva S - N a partir de
métodos comunmente aceptados.
5.- Mejorar el sistema de impregnación.
Como se planteó en el capítulo de presentación de resultados, el
dispositivo de ordenamiento e impregnación para la fibra de reforzamiento
156
empleado en el proceso de fabricación de los prototipos, si bien produce
objetos de calidad, introduce una serie de problemas en el proceso.
Es
necesario, pues. construir un proceso de impregnado de fácil operación y
que requiera poco mantenimiento, para optimizar el proceso de fabricación .
.\
157
APENDICE 1:
CURVA ELASTICA EXACTA DEL PROTOTIPO ESTUDIADO.
En casos de vigas en que la defle><ión es pequeña comparadf! Cf!n 16
longitud de la vige, puede hecerse la epro><imación empleada en los
desarrollos mostredos en las secciones 3.5 y 3.6, i.e.
k = 1/r = d2y/d><2
(A.1)
En el caso del prototipo estudiado, este enfoque puede no dar
resultados comparables con la realidad debido a le gran defle><ión sufride
por el muelle, y se tiene que:
d2y
dx 2
[1+ ( :~)
2] 3/2
M(x)
1
El(x)
R
(A.2)
Aún cuando se supondr6 que el valor del radio de curveture del
muelle en reposo, R, es constante a lo largo de todo el muelle, cebe repetir
la advertencia que esta consideración solo es V6lida para el caso de que el
eje neutro del muelle en reposo sea un arco de círculo (67).
La curva el6stica para el prototipo ensayada es dede, pues, por le
siguiente ecueción:
2]3/2
P(l-x) .
- El ( 1-cx)
0
[1+(:~)
1
R
(A.3)
Haciendo un cambio
de
variable,
z = dy/d><,
integrendo
y
reexpresando la ecuación, se encuentre que la primera derivada de le curva
158
eH1stic6 del muelle es 16 siguiente:
dy _
(. [( : , 0
!)
1n( 1-cx) -
~ ]- ;
+ eI
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
dx -
(•-[E~o [(: !
2 -
)1n(t-cx)-
~
]- ; +
c~2)'
12
(A.4)
donde 16 const6nte de integr6ción C 1 es cero, d6do que y'(O)
= O.
El v6lor de 16 deflexión y p6r6 cu6lesquier6 V61ores de P y>< puede
c6lcul6rse por medio de 16 ev61U6ción 6 tr6vés de métodos numéricos de la
ecu6ción (A.4). En este tr6b6jo, se empleó el método mejorndo de Euler,
m6s conocido como método de Runge - Kutt6 de segundo órden, p6rtiendo de
16 condición inici61 y(l)
= O (68).
P6r6 16 ev6lu6ción de 16 deflexión del muelle, se requieren los
siguientes p6rémetros:
- Longitud de c6rg6 del muelle,
- R6dio de curv6tur6 o 6pertur6 del muelle en reposo. El rndio de curvatura
del muelle puede c6lcularse 6 p6rtir de 16 siguiente expresión:
12 + y2
R=
2y
(A.5)
donde R es el rndio de curv6tur6, 1 es 16 mit6d del V6lor de 16 longitud de
c6rg6, e y es 16 6perturn del muelle en reposo.
- Dimensiones de 16 sección tr6nsvers61 del muelle en su centro,
- Módulo de el6sticid6d del m6teri6l en la dirección>< y
- V6lores méximo y mínimo permisibles p6r6 el volumen de reforz6miento.
A continu6ción se muestr6 un 6lgoritmo p6r6 16 ev6lu6ción de los
V6lores de y(P ,><) 6 pt1rtir de 16 ecu6ción (3.44), y p6r6 el célculo del
coeficiente del muelle.
159
DECLARACION DE LOS PAAAMETROS
PARA EL CALCULO
P•O
xO,. L
yO= O
i=O
RATE = Pmax
Yb - Ya
EVALUAR LA FUNC ION
IJ¡+¡
= IJ¡ +
IJ '(><¡+¡)+y, (x¡)
2
Ax
i =i+ 1
160
LISTA DE SIMBOLOS V ABREVIATURAS
AF
AM
• AT
e1
b
C1
c
E
E,
Eo
EF
EM
ET
e
FR
Fs
GM
h(>e)
hmln
ho, hm,11
1(>e)
Aree seccionel presentede por todes les fibres del
reforzemiento.
Aree trensversel del meteriel de le metriz.
Aree trensversel de le sección del meteriel compuesto.
Distencies desde el centro del muelle, en les que éste cembie
de comporte miento.
Ancho del muelle.
Constentes resultentes de le integreción de le ecuación de
curveture.
Constente de decremento en el grosor del muelle.
Módulo de elesticided del compuesto que forme el muelle.
Módulo de elesticided del ecero.
Energíe neceserie pere deformer un muelle.
Módulo de elesticided del reforzemiento.
Módulo de elesticided de le metriz.
Módulo de elesticided del meteriel compuesto.
Deformeción uniterie.
Fuerze epl i cede el muelle.
Factor de segurided.
Módulo de elesticided e corte de le metriz.
Grosor del muelle en un punto >e de su longitud.
Grosor mínimo permi si ble del m.uell e.
Grosor méximo del muelle
Momento de inercie de le sección del muelle en un punto x de su
1ongi tud.
Momento de inercie de le sección més delgede del muelle.
Momento de inercie del muelle en su centro.
Momento de inercie de le sección reforzede del muelle.
Constente eléstice de un resorte, cociente de Vm 1n / Vm,,c·
Distencie equivelentt! e le mited del clero del muelle.
Momento flector debido e le cerge eplicede.
Exponente pere le función de decremento de grosor del muelle,
número de ciclos.
Cerge eplicede el muelle.
Cerge soportede por el reforzemiento.
Cerge soportede por le metriz.
Cerge méxi me epl i cede el muelle.
161
Pr
R
r
Sr
SM
SMeF
S0
Sr
Sur
Sur
S11
T
TUM
t8
Vcrtt
VF
VM
vm,n
x, y
y
y0
Z0
Cerge total soportada por el material compuesto.
Radio de curvatura del muelle relejado.
Radio de curvatura del muelle deformado.
Esfuerzo soportado por el reforzamiento.
Esfuerzo soportado por le matriz.
Esfuerzo soportado por le matriz del material cucindo el
reforzamiento se encuentre en su elongación méxime.
Esfuerzo méximo en el muelle.
Esfuerzo soportado por el material compuesto.
Resistencia última del reforzamiento.
Resistencia última del material compuesto.
Esfuerzo soportado por el muelle en Je dirección x.
Esfuerzo de corte, coeficiente.
Resistencia última de le matriz a compresión.
Grosor de le place de acero de reforzamiento.
Frecci ón vol umétri ce de ref orzemi ento pere Ie que el meteri e J
compuesto tiene le misma resistencici a le tensión que le
matriz.
Fracción volumétrica de reforzamiento contenid~ por el
material compuesto.
Fracción volumétrica de matriz contenida por el metericil
compuesto.
Fracción volumétrica mínima de reforzamiento.
Direcciones del espacio.
Deflexión.
Fleche del muelle en su centro (sin deformar).
Módulo de sección del muelle en su centro.
162
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( 16)
tbid.
( 17)
ibid.
( 18)
ibid.
(19)
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(22)
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(23)
1bid.
(24)
ibid.
(25)
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Composites, Kuhlmenn-W., D &. Harrigan Jr., W. C. (eds). AIME, 1978,
pp. 331 - 346. E. U. A. p. 344.
(26)
Hollister, G. S. y Thomas, C. op. cit., p. 108.
(27)
Chou, T-W &. Bader, M. G., op. cit. p. 332.
(28)
Holl i ster, G. S. y Thomas, C. op. c1t., p. 108 y ss .
. (29)
Holltster, G. S. op. cit., p. 118.
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(32)
ibid. p. 236.
(33)
Hollister, G. S., op. cit., p. 117.
(34)
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(38)
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p. 36
(39)
Agerwel, B. D. y Joneja, S. K. op. cit.
(40)
Broutm11n, L. J., op. cit. p. 465.
(41)
Curtis, P. T., op. cit., p. 239.
(42)
ibid. p. 242.
165
(43)
Kretschmer, J., op. cit. p. 765.
(44)
Reifsnider, K. L., op. cit., p. 154.
(45)
Hollister, G. S., op. cit., p. 131.
(46)
Hertzberg, R. W. Deform11tion 11nd Fr11cture Mech11nics of
Eng1neer1ng M11ter111ls. ed. John Wiley &. Sons. 3e. Ed. 1989, E.U.A.
p. 39.
(47)
Hollister, G. S., op. cit., p. 135.
(48)
Curtis, P. T., op. cit., p. 237.
(49)
Mellick, P. K. Flber - Reinforced Composites. Mercel Dekker, lnc.
111. Ed. 1988, E. U. A.
(50)
Mergolis, J. M. Advenced Thermoset Composltes.
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(51)
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(53)
Mellick, P. K. op. cit. pp. 38 y SS.
(54)
Curtis, P. T., op. cit., p. 237.
(55)
ASM Eng1neered M11ter1111s Hendbook, Compos1tes. (Vol 1).
(56)
Mellick, P. K. op. cit. p. 50.
(57)
Kretschmer, J., op. cit. p. 765, 766.
(58)
Mellick, P. K., op. cit. p. 331.
(59)
ibid., p. 337.
(60)
ibid., p. 338.
166
Ven Nostrend
(61)
M11rgol is, J. M., op. cit., PP- 47 y
(62)
M!!llick, P. K., op. cit. pp 345 y
(63)
M11rgolis, J. M., op. cit., p. 64.
(64)
ibld., p. 351.
(65)
Rustrién, E. Comunicación personal.
(66)
Reifsnider, K. L., op. cit., p. 137.
(67)
Timoshenko, S., op. cit.
(68)
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