Estudio presentado en las Jornadas Internacionales de Materiales Compuestos organizados por la CEP, Centro Español de Plásticos

El comportamiento de las espumas de relleno al impactar con estructuras sándwich

Lars Massüger, Project Engineer Technical Services, de Eurosensis S.A.- Grupo DSM/Alcan Airex19/05/2009

19 de mayo de 2009

Los ensayos de impacto de muestras o piezas fabricadas según procesos y con materiales aprobados son rutinarios en la industria aeroespacial para componentes fabricados con composites avanzados. Por el contrario, otras industrias como la automoción, no disponen de tales procedimientos a causa de las grandes cantidades y de los costes implicados. Los parámetros fundamentales para optimizar las prestaciones de una pieza de composite en un choque son: absorción constante de la energía del impacto, fallo no catastrófico y métodos adecuados de construcción y de fabricación.

El dispositivo para ensayos de impacto, H+ (patente en curso) producido en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Windisch, Suiza (FHNW) permite estudiar el comportamiento de los paneles al recibir un impacto. La fuerza del impacto se determina indirectamente a través de medidas de oscilación en un soporte de impacto de ensayo. De esta forma, las cargas, así como el desplazamiento durante todo el proceso de carga, es decir, también más allá del límite lineal de fuerza de carga/deformación, se miden con más precisión que en ensayos de impacto por caída de peso con instrumentación convencional.

Realización del ensayo

Para obtener resultados comparables de diversos materiales núcleo e idénticas pieles, se llevaron a cabo ensayos de impacto con el nuevo dispositivo H+. En los ensayos iniciales presentados a continuación, sólo se ensayaron tres paneles por cada material núcleo. Se midieron dinámicamente los diagramas carga-tiempo y desplazamiento-tiempo durante cada ensayo y posteriormente se evaluaron.

El material núcleo de madera de balsa de mayor densidad Baltek mostró la mayor absorción de energía de impacto y la más constante

Preparación de la muestra

Los paneles sandwich a ensayar sólo diferían en el tipo de material núcleo; todos los laminados tenían idéntica configuración. El orden de las capas fue el siguiente: capas alternas de tejido de 600 g/m2 (WR) y mats de fibra cortada de 300 g/m2 (CSM). El grosor del núcleo en todos los paneles era de 10 mm. La figura 1 muestra una imagen del conjunto sandwich de un panel de ensayo antes de envasarlo al vacío. Las muestras finales se cortaron de paneles de 1x1 m2 aproximadamente producidos por infusión al vacío con el sistema de la resina epoxy: Araldite LY564 con Aradur 22962 hardener, ambos adquiridos a Huntsman Advanced Materials. La prueba de impacto en perpendicular se llevó a cabo con paneles sándwich de 300 mm x 300 mm mientras que los de 300 mm x 100 mm se ensayaron en horizonal.

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Fig. 1: Imagen de la configuración de las capas de un panel sándwich para ensayo.

El equipo para el ensayo de impacto

Para la investigación dinámica del comportamiento al impacto de distintos paneles sandwich, se diseñó el dispositivo H+ según los requisitos del Instituto de Tecnología de Polímeros y se fabricó en la Universidad de Ciencias Aplicadas, Windisch, Suiza. Las muestras, monolíticas o sandwich, pueden ensayarse en perpendicular o en horizontal. La instalación completa tiene una altura de unos 4 m. El equipo de ensayo, es decir el dispositivo de impacto y sus mecanismos, se apoya en dos vigas verticales de acero. Más abajo, una vigueta cruzada sostiene un soporte de acero con una fijación del marco de la muestra para cada uno de los dos tipos de impacto. El dispositivo de impacto se acelera por presión neumática lo cual permite diversos niveles de carga, la forma que golpea el panel se muestra con una energía cinética bien definida. La aceleración durante el impacto se mide como una función del tiempo a través las oscilaciones del soporte de ensayo por medio de los sensores a él unidos. La masa sísmica de todo el conjunto es elevada y por tanto su propia frecuencia, también elevada, evita la interferencia con las oscilaciones de la muestra. Los datos se pasan a un diagrama carga-tiempo y posteriormente a una carga-desplazamiento. Finalmente se calcula la energía total del impacto por la integración del gráfico carga-tiempo. Además, todos los ensayos se graban con una cámara lenta a velocidad de 10 kHz y una resolución de 512 x 512 píxels. En todos los ensayos, se aceleraba el dispositivo de impacto a una velocidad constante de 18,45 m/s (66,6 km/h respectivamente), que es una velocidad promedio característica en transporte.

Ensayos de impacto perpendiculares

Para los ensayos en perpendicular se usó un dispositivo de impacto esférico de 57 mm de diámetro y 7.99 kg de peso. Los paneles, con unas dimensiones de 300 x 300 mm, estaban colocados en un soporte-marco fijo. El dispositivo cae sobre los paneles en dirección perpendicular al plano del material núcleo. Se da la máxima absorciónde energía cuando se causa el mayor daño. Así, para unos resultados representativos en términos de absorción de energía de un sandwich, es de vital importancia que la penetración en los paneles sea completa.

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Fig. 2: Soporte fijo y correspondiente dispositivo de impacto para ensayos en perpendicular.

Ensayos de impacto en horizontal o coplanar

Para los ensayos en horizontal, se tuvo que usar un dispositivo en forma cilíndrica (diámetro 22 mm, eje perpendicular al plano del panel) y 7.7 kg de peso, para evitar la deslaminación entre el núcleo y las pieles debida a la forma del dispositivo de impacto. Además, se diseñó un tipo especial de soporte fijo para mantener los paneles en posición y evitar deslizamiento lateral durante el ensayo.

El nuevo tipo de material monolítico Airex PX dio prestaciones superiores en comparación con los paneles comunes de madera contrachapada

Impacto en Perpendicular

El material monolítico Airex PXw.320 supera claramente a los núcleos de contrachapado y de Airex PXc.245. Si comparamos el total de energías absorbidas de los sistemas, veremos que el del sandwich con núcleo de madera de balsa Baltek SB.150 es superior. La máxima fuerza durante los ensayos de impacto es menor que en otros paneles sandwich. El poliuretano reforzado con tejido PXw.320 muestra propiedades comparables a las de los núcleos de PET (Airex T91.100) y de PVC (Airex C70.75). La figura 7 muestra un panel de ensayo con núcleo de Baltek SB.150 después de la prueba.

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Un panel de ensayo de Baltek SB.150 después del impacto perpendicular.

Impacto en horizontal o coplanar

En general, el núcleo de PET (Airex T91.100) dio peores resultados, mientras que los de madera de balsa (Baltek SB.150) y del núcleo de PVC reticulado (Airex C70.75) son parecidos.

Debe constatarse que en el caso del núcleo de PVC, durante los ensayos se doblaron las pieles y se deslizó del marco de fijación. Este efecto se tradujo en un consumo adicional de energía y por tanto distorsionó los resultados. De hecho, se espera que la absorción de energía sólo relacionada con la deformación y el daño a la estructura sea inferior para el núcleo de Airex C70.75.

Para los paneles monolíticos, el comportamiento ante el impacto coplanar del contrachapado y del poliuretano, tanto el reforzado con tejido y como el continuo, (Airex PXw.320.) en la pieza elástica es similar. Pero en total, la mayor cantidad de energía fue absorbido por el Airex PXw.

Materiales Núcleo – Perpendicular

En los ensayos de este trabajo, se escogió la energía del impacto con el fin de llegar a un fallo catastrófico, es decir, penetración completa de la muestra. Las siguientes imágenes (figuras 10) muestran las distintas fases de un ensayo de impacto en perpendicular en un sandwich con núcleo de PET (Airex T91.100). Se muestra y se comenta su conexión con los diagramas carga-tiempo y carga-desplazamiento, igual que los mecanismos de absorción de energía de los composites. En una fase inicial encontramos un comportamiento casi elástico-lineal, seguido de una deformación plástica del núcleo y finalmente una caída de carga, debido al inicio de la rotura. En la figura 10.c) se forma una rotura en la superfície de la piel superior seguida de consumo de energía adicional a través de la deformación de la segunda piel y del núcleo hasta que en el segundo máximo esta piel también se rompe. Finalmente, el dispositivo de impacto penetra en la segunda piel (figura 10.d) y las oscilaciones del panel se detienen.

Este efecto está relacionado con las mayores magnitudes de resistencia/módulo de cizalla y de compresión del núcleo de madera de balsa, que permiten una transferencia de carga más eficiente desde la piel superior a la inferior. Los núcleos de PET (Airex T91.100) y de PVC reticulado (Airex C70.75) muestran una caída más diferenciada en la carga después de la pendiente inicial elástica-lineal, relacionada con la rotura de las pieles superiores y la deformación del núcleo.

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El dispositivo de impacto penetra en la segunda piel y las oscilaciones del panel se detienen.

Materiales Núcleo – en horizontal o coplanar

En los ensayos coplanares, se encontró un comportamiento completamente distinto. El dispositivo de impacto entra en la muestra, se deforma el núcleo y se rompen las pieles, lo cual se traduce en una pendiente de aspecto lineal. La deslaminación del núcleo y de las pieles se inicia en el punto de impacto), las pieles se desgarran más allá de este punto. Finalmente, el núcleo se desgarra en el plano paralelo a la superfície. La combinación de rotura y cizallamiento del núcleo se propaga más hasta que el dispositivo de impacto sale de la muestra. Los núcleos de madera de balsa (Baltek SB.150) y de PVC (Airex C70.75) consumen casi la misma cantidad de energía. El núcleo de PET (Airex T91.100) consume menos, lo cual podría tener relación con su comportamiento más quebradizo.

Materiales monolíticos

En general, la absorción de energía de las muestras monolíticas es menos constante que la de los paneles sándwich y la diferencia entre el impacto perpendicular y el horizontal es mucho más importante. La carga se transmite prácticamente directamente desde el inicio del impacto, después de la carga máxima, se da una caída constante hasta que se produce la penetración del panel.

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Imágen sincronizada de una cámara lenta y los correspondientes diagramas carga-tiempo

y carga-desplazamiento.

Conclusiones

Con respecto a la absorción de energía, el núcleo de madera de balsa (Baltek SB.150) superó claramente a los otros materiales pero no tanto como se esperaba, en base a la resistencia/módulo de cizalla. En aplicaciones que requieran ratios altos peso/dureza, el Airex C70.75 y el Airex T91.100 son más atractivos. Para el panel monolítico de poliuretano (Airex PXw.320) y fibra contínua combinada con refuerzos de tejido, se encontró que la absorción de energía de impacto era comparable a la de los núcleos de espuma. De hecho, este material podría usarse como substituto del contrachapado o incluso para algunas piezas de sandwich, donde el ratio peso/dureza no es de crucial importancia.

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