1. Introducción
Los laminados son materiales compuestos reforzados con fibras y son ampliamente utilizados en aplicaciones estructurales que requieren una combinación de resistencia y bajo peso; dentro de estas aplicaciones se incluyen las industrias: aeronáutica, marina, automotriz e infraestructura (Krishnamoorthy y Sasikumar, 2016; Mallick, 2007; Noroña y Gómez, 2019; Paredes, Pérez, y Castro, 2017). Cuando se utilizan tejidos en materiales compuestos es común encontrar características como integridad, conformabilidad y propiedades equilibradas (Murugan, Ramesh, y Padmanabhan, 2014). Cuando el reforzante es sintético, como el caso de las fibras de carbono, se encuentran ventajas importantes como: alta resistencia específica a tracción, resistencia a la fatiga y alta conductividad térmica (Mallick, 2007). Por otra parte, la principal desventaja de los materiales compuestos reforzados con fibra continua suele ser su elevada anisotropía, lo que dificulta el estudio analítico y el diseño de componentes. Sin embargo, al realizar pruebas estandarizadas es posible determinar el comportamiento del material y con una caracterización mecánica adecuada es posible entender el comportamiento mecánico del material que permita realizar diseños adecuados (Al-Mosawi, 2014; Liu et al., 2017; Schulenberg, Seelig, Andrieux, y Sun, 2017; Viscardi, Arena, Barra, y Guadagno, 2016; Yaqiang, Xin, y Zhishen, 2017).
Utilizar materiales compuestos mediante técnicas de laminado es muy práctico, ya que permite el uso de estructuras de paredes finas a partir del uso de pre-impregnados (Elkington, Bloom, Ward, Chatzimichali, y Potter, 2015). En la t1
Tabla 1 se resumen los resultados que presenta la literatura revisada sobre procesos de laminado manual en compuestos poliméricos epoxi-carbono, con curados en autoclave.
Tabla 1
Propiedades mecánicas de materiales compuestos laminados epoxi-carbono
Prepreg: pre-impregnado
UD: unidireccional
BA: biaxial
Defor. a la rotura: deformación a la rotura
Vf: contenido de fibra
T° C: temperature de curado
El proceso de manufactura utilizado para la laminación influye sobre las propiedades mecánicas del producto final. El laminado manual se aplica en productos de diferentes tamaños y disposiciones de fibra (planar, orientada, corta o continua). Presenta como desventajas, tiempos de curado altos y de mediana calidad en acabados (Elkington et al., 2015; McIlhagger, Archer, y McIlhagger, 2015). Un material compuesto laminado puede estar formado por varias capas con diferentes orientaciones. Este efecto multicapa puede generar bajas propiedades interlaminares y debilitar al compuesto por delaminación. La delaminación puede ocurrir durante la fabricación, presentándose como poros o discontinuidades, también puede producirse por eventos externos como tensiones residuales generadas por la humedad, la temperatura, etc. De igual manera, la delaminación para todos los casos podría causar una falla prematura del material (Aveiga y Ribeiro, 2018; Beaumont, Soutis, y Hodzic, 2017; Chermoshentseva, Pokrovskiy, y Bokhoeva, 2016; Mehta y Vadher, 2017; Wang et al., 2019).
En la Universidad Politécnica Salesiana (UPS), desde el año 2011, el grupo de Investigación en Nuevos Materiales y Procesos de Transformación (GiMaT) ha desarrollado trabajos sobre materiales compuestos (Albarracín Parra y Castillo Agurto, 2014; Fajardo, Valarezo, López, y Sarmiento, 2013; López, Sarmiento, Fajardo, Valarezo, y Zuluaga, s. f.; Paltán, 2016). Por otra parte, el Grupo de Investigación en Ingeniería de Transporte (GIIT), de la UPS, ha venido trabajando en el proyecto FSAE, manufacturando componentes estructurales ligeros para la construcción de un monoplaza de competición para FSAE, gestionado por el Laboratorio de Aplicación de Materiales en Ingeniería del Transporte (LabAMiT). Se han utilizado refuerzos de fibra de vidrio, carbono y naturales (Espinoza e Hidalgo, 2016); A pesar del importante desarrollo en la manufactura y ensamble de componentes de monoplazas para competición FSAE, se desconocen las propiedades mecánicas del material a base de su configuración y no se dispone de registros de sus propiedades tensiles que sirvan como referente para futuros diseños en componentes similares, lo que limita sus aplicaciones. Dentro de los componentes manufacturados con preimpregnado de fibra de carbono, por el grupo FSAE de la UPS, se encuentran: el volante, el tablero, la pedalera y el fondo plano, algunos de estos se muestran en la f1
Figura 1.
Figura. 1:
Componentes del vehículo FSAE UPS fabricados con preimpregndado de fibra de carbono.
En el presente trabajo se describe el proceso de manufactura para la elaboración de probetas para ensayos de tracción unidimensional en compuestos Epoxi-Carbono con diferentes estados de orientación. Se reportan también las propiedades tensiles de los compuestos desarrollados y se analiza su anisotropía con miras a una optimización del patrón de laminado empleado en la fabricación de componentes del vehículo de competencia FSAE.
2. Metodología
2.1 Materiales
Se utilizó un preimpregnado Epoxi-Carbono en forma de tejido biaxial 2 x 2 3K proporcionado por ACP Composites.
2.2 Proceso de manufactura
Fueron fabricadas 20 probetas clasificadas de acuerdo con la secuencia de apilamiento mostrada en la t2
Tabla 2. Estas arquitecturas fueron escogidas con la finalidad de obtener laminados balanceados y simétricos (similares a los actualmente manufacturados en el LabAMiT).
Tabla 2
Distribución de probetas de acuerdo con la secuencia de apilado.
El proceso de fabricación fue laminado manual y curado con temperatura al vacío. El esquema de preparación al vacío se muestra en la f2
Figura 2. El proceso de curado inició a temperatura ambiente y alcanzó una temperatura de 154 °C a una velocidad de 1000 °C/h durante 1.5 horas para luego disminuir gradualmente a temperatura ambiente. Todo el proceso se realizó a presión constante de 70 KPa. Las dimensiones de las probetas fueron 2.5x25x250 mm3 y están de acuerdo con la Norma ASTM D3039.
Figura. 2:
Esquema de preparación al vacío.
2.3 Ensayos tensiles
Las propiedades tensiles de las probetas fueron analizadas de acuerdo con ASTM D3039. Se utilizó una máquina universal TestResources modelo 315 Family Universal Test Machine. Además se instrumentaron extensómetros biaxiales marca Epsilon modelo SN E98328. Las propiedades caracterizadas fueron esfuerzo máximo, Módulo de Young y coeficiente de Poisson. La f3
Figura 3 muestra el montaje e instrumentación de las probetas.
Figura. 3:
Montaje e instrumentación de probetas.
3. Resultados
3.1 Modos de fallo
La Norma ASTM D3039 detalla los fallos típicos que pueden presentarse en las probetas después de ser ensayadas. Algunas zonas de fractura típicas producidas en las probetas ensayadas son presentadas en la f4
Figura 4 y los resultados del tipo de fallo para todas las probetas se muestran en la t3
Tabla 3. Con base en la norma; los tipos de fallo encontrados en las distintas configuraciones de los laminados fueron: LAT fallo lateral en la mordaza y parte superior de la probeta, LMV fallo lateral en múltiples áreas de la probeta, AGM fallo angular en el área de calibración de la probeta, DGM delaminación en el borde del área de calibración, finalmente LGM fallo lateral en el área de calibración de la probeta. La Norma reconoce que pueden existir otros fallos no mencionado en la misma que deben ser reportados en el informe.
Figura. 4:
Probetas después de los ensayos: (a) probeta 1-2 (LMV), (b) probeta 2-3 (AGM), (c) probeta 3-3 (DGM), (d) probeta 4-4 (LAT)
Tabla 3
Tipo de fallo en las probetas
3.2 Propiedades tensiles de los compuestos
La f5
Figura 5 resume los valores promedios y la desviación estándar de las propiedades tensiles evaluadas para cada configuración del material compuesto.
Figura. 5:
Efecto de la orientación de los laminados sobre las propiedades tensiles de compuestos Epoxi-Carbono.
Como se observa en la f5
Figura 5, a medida que se incrementa el ángulo de orientación con respecto a la dirección de la carga tensil, la resistencia a tracción y el módulo de Young de los compuestos disminuyen progresivamente mientras que el coeficiente de Poisson se incrementa, es decir, existe una relación inversa entre estos parámetros. De acuerdo con la literatura para un pre-impregnado biaxial se pueden alcanzar, en promedio, valores de 1185.4 MPa y de 65.6 GPa para el esfuerzo máximo y el módulo de Young respectivamente (Paiva et al., 2006). La diferencia entre los valores obtenidos en esta investigación y los reportados en la literatura se deben a errores sistemáticos y a la presencia de defectos en la manufactura.
Con la finalidad de comprender mejor los efectos del proceso de manufactura sobre las propiedades de las probetas desarrolladas, se realizó una inspección microscópica en la zona de fractura del compuesto. A partir de este análisis se determinó que las probetas presentan delaminación. De las muestras tomadas en el microscópico, en la f6
Figura 6 (a) se muestran porosidades (P) presentes en el interior de las láminas, mientras que en la f5
Figura 5 (b) se distingue una grieta (G) en la dirección de la carga, pero en una zona de fibras transversales del tejido. Esta observación confirma la presencia de defectos producidos durante el proceso de manufactura que requieren atención posterior.
Figura. 6:
Microfotografías de las probetas después del ensayo a tracción.
La evaluación de la anisotropía de las propiedades tensiles fue realizada mediante la construcción de cartas polares. Con base en la f7
Figura 7, se observa un comportamiento anisotrópico en los tres laminados ensayados (f7
Figura 7(a), (b) y (c)). En un laminado de tipo [(0/90)11]T se logran mayores valores para el módulo de Young cuando la carga aplicada tiene una orientación a 0° y 90°; mientras que los valores de coeficiente de Poisson son más altos cuando la carga es aplicada en ángulos de ±45°. Este laminado se define como anisotrópico pues solo alcanza valores máximos de las propiedades en orientaciones determinadas. Este comportamiento es similar para las configuraciones de [(30/−60)11]T y [(±45)11]T. El laminado de la f7
Figura 7(d) [(0/90)2, ±45,(0/90),±45,(0/90),±45,(0/90),±45,(0/90)2]T, es cuasi-isotrópico debido que tiende a presentar propiedades similares independientemente de la dirección de la carga, esta característica es de gran importancia cuando se desea diseñar componentes que estarán sometidos a cargas externas en diferentes orientaciones.
Figura. 7:
Cartas polares de los laminados Epoxi - Carbono analizados (a) [(0/90)11]T, (b) [(30/-60)11]T, (c) [(±45)11]T, (d) [(0/90)2, ±45, (0/90), ±45, (0/90), ±45, (0/90), ±45, (0/90)2]T.
Para verificar los resultados experimentales con respecto a la Teoría Clásica de Laminados (TCL) y evaluar el proceso de manufactura, se utilizó el software eLamX (Dresden, s. f.). El programa cuenta con una base de datos de materiales compuestos. Para la validación se seleccionó el material cuyas propiedades fueron similares a las del compuesto desarrollado, C-’CFS003’ | EP-’LTM25’. La comparación entre los resultados del software y los resultados experimentales promedio para las probetas se muestra en la t4
Tabla 4.
Tabla 4
Comparación entre Resultados experimentales y analíticos
Error rel.: error relativ.
UD: unidireccional
ν: coeficiente de Poisson
4. Discusión
Como se observó en la t1
Tabla 1, para compuestos poliméricos epoxy-carbono en configuraciones de tejido a 0°/90° los valores de esfuerzo máximo oscilan entre 462 MPa (Murugan et al., 2014) y 1185 MPa (Paiva et al., 2006), mientras que el módulo de Young presenta valores entre 57 y 71 GPa (Paiva et al., 2006). Para configuraciones de tejido a ±45◦ los valores de esfuerzo máximo bordean los 75 MPa y el módulo de Young cerca de 5 GPa (Çeçen, Sarikanat, Yildiz, y Tavman, 2008). Los valores más altos de las propiedades tensiles corresponden a compuestos obtenidos en autoclave, con elevado control de las variables de procesamiento. Las diferencias encontradas entre los resultados provistos por la literatura y las simulaciones mediante TCL, con los valores obtenidos experimentalmente, en el presente estudio, obedecen en gran medida al proceso de manufactura empleado, como se demostró en el análisis microscópico de los laminados. Es importante conocer las limitaciones de cada proceso de manufactura para establecer límites de validez de los resultados obtenidos en las simulaciones y establecer los factores de seguridad adecuados en la fase de diseño. Las diferencias relativas entre las simulaciones y los resultados experimentales fueron menores al 10 % para casi todos los compuestos formulados (excepto en la configuración cuasi-isotrópica) al evaluar tanto su resistencia y rigidez, lo que valida el proceso de manufactura desarrollado. El coeficiente de Poisson fue la propiedad tensil que más diferencias relativas presentó entre las simulaciones y las experimentaciones. Se evidenció la anisotropía de los compuestos formulados a diferentes orientaciones de las fibras y se consiguió un comportamiento cuasi-isotrópico al diseñar un laminado apropiado para este tipo de solicitaciones mecánicas.
5. Conclusiones y recomendaciones
El método utilizado actualmente genera ciertos defectos volumétricos como poros y falta de adhesión entre láminas en algunos sectores del laminado que derivan en reducción de las propiedades tensiles del compuesto generando errores relativos menores al 10 % con respecto a los valores esperados para estos materiales con base en los resultados provistos por la literatura y a las simulaciones empleando TCL. La caracterización de las propiedades tensiles de diferentes configuraciones de materiales compuestos Epoxy-carbono permite definir una base de datos de las propiedades de los materiales compuestos Epoxi-Carbono desarrollados en los laboratorios LabAMit de la UPS, esta información será de gran utilidad para futuros diseños dentro del proyecto FSAE. En general los compuestos formulados epoxi- carbono presentaron la mejor combinación de propiedades específicas en la configuración [(0/90)11]T dado que las fibras de carbono fueron capaces de aportar la totalidad de su efecto reforzante. No obstante, se ven limitadas cuando están sometidas a cargas en direcciones dentro del intervalo: 0°<α>90°. Los compuestos formulados con orientación de las fibras a ± 45° permiten que el material presente pseudo-ductilidad debido al mayor aporte que realiza la matriz Epoxi desde el inicio de la deformación hasta que las fibras tienden a realinearse. Un laminado optimizado sería aquel que combine las orientaciones antes mencionadas de acuerdo con las necesidades de rigidez o ductilidad del componente a fabricar, es decir utilizar un material con características cuasi-isotrópicas. Un laminado con una configuración de 30°/-60° no es recomendable ya que esto genera que el laminado no sea balanceado y que el refuerzo tejido se comporte como un material unidireccional, y por lo tanto se genere una subutilización del mismo. Se demostró que es posible conseguir un comportamiento cuasi-isotrópico al diseñar un laminado con orientaciones [(0/90)2,±45,(0/90),±45,(0/90),±45,(0/90),±45,(0/90)2]T; esta configuración es muy utilizada cuando se requiere una combinación de buenas propiedades e isotropía. La resistencia y el módulo fueron 16.5 % menores al laminado [(0/90)11]T, pero se consiguen propiedades similares en todas las direcciones de aplicación de la carga.
En trabajos posteriores se realizará el análisis mediante elementos finitos de un componente real de una fórmula SAE, alimentando las propiedades del material con los resultados obtenidos en el presente estudio.
