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Las elevadas resistencias a la tracción y el comportamiento sensible a la flexión son las propiedades típicas de un compuesto de fibra de carbono

Ensayo de materiales en composites para construcciones ligeras

Helmut Fahrenholz, ingeniero técnico superior y gerente de la división de composites en Zwick GmbH & co. en Ulm

23/02/2015
Las bases de los métodos de ensayo más habituales en materiales compuestos reforzados de fibra larga se establecieron, en su mayoría, hace ya unos 30 años y, desde entonces, se han ido desarrollando continuamente. Muchos laboratorios de ensayo emplean frecuentemente útiles de ensayo de difícil manejo, así como métodos complejos para la medición de la deformación. Debido al creciente volumen de ensayo, aumenta también la presión para simplificar la preparación de probetas y la metodología de ensayo. Zwick ofrece una solución eficaz con una máquina de ensayos flexible y un sistema de sujeción hidráulica.

Debido a la orientación de las fibras, la medición de las propiedades del material en los composites presenta diferentes dificultades en comparación con otros materiales, tales como metales o plásticos. En el ensayo de tracción, el sentido de las fibras y su estructura presentan características muy distintas. Las propiedades de compresión y flexión no se pueden prever a partir de las propiedades de tracción, es decir, deben comprobarse aparte. En el ámbito de las propiedades de cizallamiento han surgido varios métodos de ensayo, a través de los cuales se pueden caracterizar las propiedades en diferentes sentidos de cizallamiento. El comportamiento de la fisura es muy significativo y, en cambio, el comportamiento de los composites una vez dañados puede ser de menor interés. A esto, se añade la necesidad de conocer las diferentes características a temperatura y humedad de servicio habituales. En este caso, se trata de componentes cercanos a gases de escape.

Métodos de ensayo específicos

Además de los métodos de ensayo clásicos, tales como los de tracción, compresión o flexión, en materia de composites, se aplican también ensayos muy específicos. Un ejemplo de ello es el proceso Compression-After-Impact (CAI), compresión tras impacto, a través del cual se verifica el comportamiento de los composites después de dañarse. Las placas de ensayo, se dañan con una energía previamente establecida. El medio de ensayo ideal para ello es una máquina de caída libre que genera energías ajustables entre 10 J y 100 J aprox. a una altura de caída superior a 0,5 m (Foto 1).

La instrumentación de la máquina de caída libre permite una monitorización más exacta del proceso de dañado. Asimismo, también puede ser interesante grabar el proceso de impacto con una cámara de alta velocidad. Las placas de ensayo preparadas según este método se someten a un esfuerzo con ayuda de una máquina de ensayos estática y un útil de ensayo normalizado, (Foto 2). La disminución de la resistencia a la compresión respecto a una placa de ensayos no dañada es la escala determinada para el daño.

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Foto 1. La máquina de caída libre instrumentada hit 230 F se emplea para el predañado de la probeta en el ensayo de compresión tras impacto (CAI).
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Foto 2. La probeta predañada se somete a compresión hasta su fractura. Las normas diferencian entre el soporte guiado y el tensado de las mordazas.

Soluciones inteligentes

Las elevadas resistencias a la tracción y el comportamiento sensible a la flexión son las propiedades típicas de un compuesto de fibra de carbono (CFK). A partir de aquí, surgen dos requisitos básicos para el ensayo de tracción. La transmisión de fuerza en el cuerpo de la probeta, alcanzada mediante elementos de transmisión de fuerza denominados XX, debe ser superficial y la tracción deberá estar perfectamente alineada con el eje. Para ello, suelen utilizarse mordazas que funcionan según el principio de la cuña o del tornillo-cuña. La nivelación exacta puede realizarse fácilmente con la ayuda de una probeta con tres bandas extensométricas, mediante la comparación de la deformación medida de la probeta. Debido a los diferentes tipos de ensayo, son frecuentes los cambios de accesorios. Para minimizar el trabajo, se equipan las máquinas con dos zonas de ensayos. Por ejemplo, en la zona de ensayo superior se instalan las mordazas de tracción, con las que se llevan a cabo los ensayos de tracción, cizallamiento en el plano (IPS) y ensayos de resistencia a la compresión en cavidad abierta sin tener que cambiar accesorios.

La zona de trabajo inferior está disponible para instalar un útil de ensayo adicional, que puede ser, por ejemplo, un dispositivo de compresión (Foto 3). Otros útiles para ensayos de flexión en tres y cuatro puntos, de resistencia a la cizalla interlaminar (ILS) o el ensayo de cizallamiento de entalladura en V, según el método losipescu, se colocan cómodamente a través de paneles insertables, que en lugar de en las mordazas de cuña se insertan en las mordazas de tracción. De este modo, se puede cambiar muy rápidamente de accesorios y tiene la ventaja de no perder la alineación de las mordazas respecto al eje al realizar el cambio (Foto 4).

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Foto 3. Una máquina de ensayos de materiales con dos zonas de trabajo puede utilizarse para diferentes pruebas sin sustituir accesorios.
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Foto 4. Los útiles de ensayo se montan en las mordazas mediante guías de conexión que facilitan notablemente el cambio de accesorios.

Deformación por compresión sin dobladura

El ensayo de compresión supone un gran reto. Es, por así decirlo, la primera categoría dentro de los métodos de ensayo, dado que no solamente se puede medir la resistencia de las fibras, sino también las propiedades de todo el compuesto. El desafío consiste en deformar el material por compresión hasta romperlo, pero sin doblarlo, en la medida de lo posible; es decir, dejando una superficie plana sin doblar. Para ello, se han desarrollado varios métodos. La transmisión de fuerza frontal fue desarrollada a partir del ensayo de compresión en materiales plásticos según ASTM D 695. Durante el proceso de compresión, la probeta se inserta entre dos puntos de apoyo que deberán impedir que se doble. Boeing continuó desarrollando este método y garantizó la posición rectangular de las guías respecto a la superficie de compresión. Son necesarias dos secuencias de ensayo en cada caso: Para determinar el módulo de compresión se emplean probetas sin tiras de refuerzo para garantizar que se aplique la carga axial con precisión sobre material compuesto situado en la zona de medida. Para medir la resistencia a la compresión se emplean probetas con tiras de refuerzo, para evitar que se rompa el material compuesto antes de tiempo por los puntos de aplicación de la fuerza. Otro método consiste en fijar la probeta (cizalladura). De forma parecida al ensayo de tracción, la transmisión de fuerza se lleva a cabo a través de fijaciones. De este modo, se pueden medir el módulo de compresión y la resistencia a la compresión en una sola secuencia de ensayo. Sin embargo, el procedimiento requiere la monitorización de la flexión, que no puede superar un valor de 5% o 10% –según la norma–, en un rango entre 10% y 90% de la deformación total en compresión. En materia de platos de compresión, hay una serie de pasos de desarrollo significativos. Las antiguas normas ASTM describían del denominado dispositivo tipo Celanese.

Estaba formada por porta-mandíbulas cónicas que se introducían en un tubo y, según el principio de apriete en cuña, a mayor fuerza de compresión, generaban una fuerza de apriete más grande. El problema de este dispositivo residía en su colocación exacta sobre el espesor de la probeta. Incluso las desviaciones mínimas conllevaban el apoyo lineal de los conos, que tenían tendencia a volcar.

Más seguridad contra rotación con la introducción de la doble columna

Otra novedad del dispositivo de fijación se encuentra en las normas DIN 65380 y prEN 2850. En estos casos, se sustituyen los elementos de sujeción cónicos por cuñas, por lo que queda solucionado el problema del vuelco. En ASTM se sustituyó el dispositivo tipo Celanese por el dispositivo tipo IITRI. También se emplean cuñas planas, pero en este caso varía el tipo de guía de doble columna que aporta mayor seguridad contra rotación. Las probetas se colocan primero en una estación de nivelación y, a continuación, se utilizan en el cuerpo mordaza.

Todos los útiles de ensayo mencionados son relativamente fáciles de usar y la probeta resulta poco accesible para la medición de la deformación. Las cuñas deben mantenerse muy limpias y lubricadas uniformemente para poder garantizar una transmisión de fuerza correcta. Un gran número de ensayos resulta erróneo cuando se produce una flexión excesiva de la probeta, lo que puede encarecer y complicar el ensayo. Una solución del problema la presenta el dispositivo de compresión hidráulico HCCF (Hydraulic Composites Compression Fixture), comercializado por Zwick a través de una licencia de patente de la empresa IMA Dresden (Foto 5).

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Foto 5. El dispositivo de compresión hidráulico de conexión paralela (HCCF) aporta un fuerte efecto simplificador en los ensayos de compresión.

En lugar de las cuñas del dispositivo tipo IITRI, se usa un sistema de sujeción hidráulico de cierre paralelo con mandíbulas planas perfectamente alineadas. Presenta varias ventajas a la vez: Se mantiene la accesibilidad de la probeta fijada, se simplifica el proceso de fijación y, durante el ensayo, se evitan los movimientos de la cuña, que tienen un efecto amplificador de todos los momentos de flexión. Además, el dispositivo HCCF también se puede emplear para el método de “carga combinada”, descrito en la norma ASTM D 6641.

Software de fácil manejo

Mientras que los útiles de ensayo establecen el contacto entre la probeta y el equipo de ensayo, el software constituye el elemento de unión al usuario. Pone a su disposición los procesos de ensayo, la evaluación, el almacena-miento de datos y la protocolización. A través de los programas de ensayo estándares predefinidos, el usuario puede liberarse de las tareas de ajuste complejas, de modo que se garantiza precisión en la repetibilidad de los ensayos. Además de la representación de los gráficos de curvas y resultados, el software de ensayos testXpert II permite realizar funciones de control típicas de alineación y flexión. Con el aumento de la frecuencia de ensayo y la demanda de repetibilidad de los ensayos, la demanda de automatización completa adopta el protagonismo. Un autómata coloca las probetas siempre de la misma forma y garantiza, de este modo, las mismas condiciones de ensayo. Además, se pueden llevar a cabo ensayos de rutina fuera de horas de trabajo en el laboratorio, lo que supone un aumento de la capacidad. Hexcel ha sido el primer fabricante de composites del mundo en utilizar sistemas de ensayo completamente automatizados. En el ínterin, ya se utilizan equipos en muchos otros sectores y se realizan ensayos de tracción en mazos de filamentos y probetas planas, se mide el cizallamiento en el plano (IPS) y por solapamiento. También se pueden determinar las propiedades de flexión en el ensayo en tres y cuatro puntos y la resistencia a la cizalla interlaminar (ILS) en una secuencia totalmente automatizada, a temperatura ambiente o en una cámara de temperatura. Allí ya se ha realizado el paso del ensayo individual a los ensayos en serie para la práctica industrial (Foto 6).

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Foto 6. Sistema de ensayos totalmente automatizado para realizar ensayos (tracción/compresión) de materiales compuestos de fibra de carbono (CFK) en la empresa Hexcel, Duxford (Gran Bretaña).

Empresas o entidades relacionadas

Zwick Ibérica Equipos de Ensayos, S.L.

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