ensayo a compresiÓn de laminados unidireccional...

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA DE LOS MEDIOS CONTINUOS Y TEORÍA DE ESTRUCTURAS

GRUPO DE ELASTICIDAD Y RESISTENCIA DE MATERIALES

Proyecto Fin de Carrera:

ENSAYO A COMPRESIÓN DE LAMINADOS UNIDIRECCIONAL CARBONO/EPOXY. UN

ESTUDIO COMPARATIVO.

Rafael Cano López Ingeniería Industrial

Tutorado por: D. José Cañas Delgado

Rocío Ocaña García‐Veas

Sevilla, Junio 2014.

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1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................... 1

1.1. ORIGEN DEL PROYECTO ............................................................................................................................ 1

1.2. OBJETIVOS .................................................................................................................................................. 3

1.3. ALCANCE DEL PROYECTO ........................................................................................................................ 4

2. BASE TEÓRICA .................................................................................................................................................... 5

2.1. MATERIALES COMPUESTOS ..................................................................................................................... 5

2.1.1. Clasificación de los materiales compuestos ........................................................................................... 5

2.1.2. Matrices ................................................................................................................................................. 6

2.1.3. Fibras ..................................................................................................................................................... 8

2.2. ENSAYOS DE COMPRESIÓN EN LOS MATERIALES COMPUESTOS ................................................... 11

2.2.1. Carga introducida por cortadura (Cortadura-loaded) ........................................................................... 11

2.2.2. Carga introducida por extremos (end-loaded). ..................................................................................... 13

2.2.3. Carga introducida combinada (combined-load).................................................................................... 14

3. FABRICACIÓN DE PROBETAS. ........................................................................................................................ 17

3.1. MATERIAL .................................................................................................................................................. 17

3.1.1. Características del material .................................................................................................................. 18

3.1.2. Requisitos del material pre-impregnado ............................................................................................... 18

3.2. FABRICACIÓN DEL LAMINADO ............................................................................................................... 18

3.2.1. Preparación material fresco. ................................................................................................................ 18

3.2.2. Proceso de curado en autoclave .......................................................................................................... 22

3.3. FABRICACIÓN DE LAS PROBETAS ......................................................................................................... 23

3.3.1. Proceso de mecanizado. ...................................................................................................................... 23

3.3.2. Proceso de pegado de tacones............................................................................................................ 25

3.3.3. Proceso de corte .................................................................................................................................. 28

3.3.4. Tipología de probetas. ......................................................................................................................... 28

4. ESTUDIO EXPERIMENTAL ................................................................................................................................ 31

4.1. ENSAYOS PREN2850- B ............................................................................................................................ 32

4.1.1. PrEn2850- B1....................................................................................................................................... 33

4.1.2. PrEn2850-B2 ....................................................................................................................................... 33

4.2. ENSAYOS ASTMD6641-B .......................................................................................................................... 34

4.3. ENSAYOS AITM 1-0008 .............................................................................................................................. 36

4.4. RESULTADOS ............................................................................................................................................ 40

4.4.1. PrEn2850-B1 ....................................................................................................................................... 41

4.4.2. PrEn2850-B2 ....................................................................................................................................... 42

4.4.3. ASTM D6641-B .................................................................................................................................... 43

4.4.4. AITM1-0008 COMBINADA/ CON GUIAS/ T.DENTRO (CGD) ............................................................. 44

4.4.5. ATIM1-0008 COMBINADA /SIN GUIAS/T.DENTRO (CSD) ................................................................ 46

4.4.6. AITM1-0008 COMBINADA/CON GUIAS/T.RAS (CGR) ....................................................................... 47

4.4.7. AITM1-0008 COMBINADA/CON GUIAS/T.RAS/SIN ANTIPANDEO (CGR-SinAntipandeo) ............... 49

4.4.8. AITM1-0008 COMBINADA/ CON GUIAS/ T. FUERA (CGF) ............................................................... 52

4.4.9. AITM1-0008 COMBINADA/ SIN GUIAS / T.FUERA (CSF) .................................................................. 54

4.4.10. AITM1-0008 COMBINADA/ CON GUIAS / SOFT-LOAD (CGS) .......................................................... 55

4.4.11. AITM1-0008 COMBINADA/ SIN GUIAS / SOFT-LOAD (CSS)............................................................. 57

4.4.12. AITM1-0008 CORTADURA / CON GUIAS / T.DENTRO (SCD)........................................................... 58

4.4.13. AITM1-0008 CORTADURA / SIN GUIAS /T. DENTRO (SSD) ............................................................. 59

4.4.14. AITM 1-0008 CORTADURA / CON GUIAS / T.FUERA (SGF) ............................................................ 60

4.4.15. AITM 1-0008 CORTADURA / SIN GUIAS / T.FUERA (SSF) ............................................................... 62

ii

4.4.16. AITM 1-0008 CORTADURA / CON GUIAS / SOFT-LOAD (SGS) ....................................................... 63

4.4.17. AITM 1-0008 CORTADURA / SIN GUIAS / SOFT-LOAD (SSS) .......................................................... 66

4.4.18. AITM1-0008 HCCF .............................................................................................................................. 67

4.4.19. Tabla resumen. .................................................................................................................................... 68

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................................................................. 68

5.1. PREN2850 B ............................................................................................................................................... 69

5.2. ASTM 6641D ............................................................................................................................................... 70

5.3. AITM1-0008 ................................................................................................................................................. 71

5.3.1. Comparación General .......................................................................................................................... 71

5.3.2. Análisis Tacón Ras Vs Tacón Dentro ................................................................................................... 73

5.3.3. Soft-Load Vs HCCF ............................................................................................................................. 74

5.3.4. Análisis forma de rotura. ...................................................................................................................... 75

6. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 76

6.1. ENSAYOS PREN2850-B ............................................................................................................................. 76

6.2. ENSAYOS AITM1-0008 ............................................................................................................................... 76

7. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................................... 78

iii

INDICE DE IMAGENES

Imagen 1: Evolución Airbus uso Compuestos. ...................................................................................................................... 2

Imagen 2: Airbus A350 XWB .............................................................................................................................................. 2

Imagen 3: 787 Dreamliner Composite Profile ...................................................................................................................... 3

Imagen 4: Diagrama tiempo‐temperatura‐transformación de una resina epoxy. ..................................................................... 8

Imagen 5: Fabricación de la fibra de Boro ........................................................................................................................... 9

Imagen 6: Fabricación CFR ............................................................................................................................................... 10

Imagen 7: Introducción carga cortadura ........................................................................................................................... 11

Imagen 8: Útil Celenease ................................................................................................................................................. 12

Imagen 9: Útil ITRI .......................................................................................................................................................... 12

Imagen 10: German‐Modified Celanese compresión test fixture. ........................................................................................ 13

Imagen 11: Introducción Carga por los extremos ............................................................................................................... 13

Imagen 12: Útil PrEN2850‐B ............................................................................................................................................ 14

Imagen 13: Introducción carga Combinada. ...................................................................................................................... 15

Imagen 14: Útil CLC......................................................................................................................................................... 15

Imagen 15: Útil HCCF ...................................................................................................................................................... 16

Imagen 16: Mordaza utilizadas máquina hidráulica. .................................................................................................... 17

Imagen 17: Condiciones Sala Limpia (Humedad, Temperatura). .......................................................................................... 19

Imagen 18: Rollo Fibra Unidireccional ............................................................................................................................... 19

Imagen 19: Pre‐compactación apilado Manual .................................................................................................................. 20

Imagen 20: Proceso Fabricación 1 .................................................................................................................................... 21



Imagen 23: Autoclave ..................................................................................................................................................... 23

Imagen 24: Máquina de corte. ......................................................................................................................................... 24

Imagen 25: Ejemplo corte panel. ...................................................................................................................................... 24

Imagen 26: Chorro de Arena ............................................................................................................................................ 25

Imagen 27: Adhesivo Z15429 ........................................................................................................................................... 25

Imagen 28. Proceso Pegado Tacones 1 ............................................................................................................................. 26

Imagen 29: Proceso Pegado Tacones 2 ............................................................................................................................. 26



Imagen 32: Prensa Platos Calientes .................................................................................................................................. 27

Imagen 33: Probeta AITM1‐0008 A2 ................................................................................................................................. 28

Imagen 34: Probeta PrEn2850‐B ...................................................................................................................................... 29

Imagen 35: Probeta ASTM D6441‐B .................................................................................................................................. 30

Imagen 36: Micrómetro Caras Planas. .............................................................................................................................. 32

Imagen 37: Llave Dinamométrica. .................................................................................................................................... 32

Imagen 38: PrEn2850 Set‐Up. .......................................................................................................................................... 33

Imagen 39: Modos de fallo válidos ASTM D6641 ................................................................................................................ 35

Imagen 40: Útil de Guías. ................................................................................................................................................ 37

Imagen 41: Guías Set‐Up ................................................................................................................................................. 38

Imagen 42: Mordazas normales(a) Lateral, b) Frontal) ........................................................................................................ 38

Imagen 43: Tacón Dentro ................................................................................................................................................ 39

Imagen 45: Tacón Fuera .................................................................................................................................................. 39

Imagen 44: Tacón a Rás ................................................................................................................................................... 39

iv

Imagen 46: Mordaza Soft-Load.................................................................................................................................... 39

Imagen 47 : Modos fallo AITM ......................................................................................................................................... 40

Imagen 48: Rotura PrEN2850 B1 ................................................................................................................................ 41

Imagen 49: Rotura PrEN2850-B2 ................................................................................................................................ 42

Imagen 50: Rotura ASTMD6641-B .............................................................................................................................. 43

Imagen 51: AITM1‐0008 CGD Rotura. .............................................................................................................................. 45

Imagen 52: AITM1‐0008 CGR Rotura. ............................................................................................................................... 47

Imagen 53: AITM1‐0008 CGR Rotura. ............................................................................................................................... 48

Imagen 54: AITM1‐0008 CGR‐SinAntipandeo Rotura. ......................................................................................................... 50

Imagen 55: AITM1‐0008 CGF Rotura. ................................................................................................................................ 53

Imagen 56: AITM1‐0008 CGF Rotura. ................................................................................................................................ 53

Imagen 57: AITM1‐0008 CSF Rotura ................................................................................................................................. 54

Imagen 58: AITM1‐0008 CGS Rotura. ................................................................................................................................ 56



Imagen 61: AITM1‐0008 CSS Rotura ................................................................................................................................ 57

Imagen 62: AITM1‐0008 SCD Rotura ................................................................................................................................. 58

Imagen 63: AITM1‐0008 CSD Rotura ................................................................................................................................. 59

Imagen 64: AITM1‐0008 SGF Rotura ................................................................................................................................. 61

Imagen 65: AITM1‐0008 SGF Rotura ................................................................................................................................. 61

Imagen 66: AITM1‐0008 SSF Rotura ................................................................................................................................. 62

Imagen 67:AITM1‐0008 SGS Rotura ................................................................................................................................. 64

Imagen 68: AITM1‐0008 SGS Rotura. ................................................................................................................................ 64

Imagen 69: AITM1‐0008 SGS Rotura. ............................................................................................................................... 65

Imagen 70: AITM1‐0008 SGS Rotura. .............................................................................................................................. 65

Imagen 71 AITM1‐0008 SSS Rotura .................................................................................................................................. 66

Imagen 72: AITM1‐0008 HCCF Rotura. .............................................................................................................................. 67

Imagen 73: Rotura PrEN2850-B .................................................................................................................................. 69

Imagen 74: Rotura ASTMD6641 .................................................................................................................................. 70

Imagen 75: Guiado Vs. No Guiado .............................................................................................................................. 71

Imagen 76: Pandeo Prematuro Sin guías .................................................................................................................... 71

Imagen 77: Tensiones AITM1-0008 Global ................................................................................................................. 72

Imagen 78: Configuración Tacón fuera ........................................................................................................................ 73

Imagen 79: Chaflán Mordazas Normales ..................................................................................................................... 73

Imagen 80: Configuración Tacón Dentro ..................................................................................................................... 74

Imagen 81: AITM1-0008 Comparación Ras Vs Dentro ................................................................................................ 74

Imagen 82:AITM1-0008 Comparación Soft Load Vs HCCF ......................................................................................... 75

Imagen 83: Modo de fallo general con útil antipandeo. ...................................................................................................... 75

Imagen 84: Rotura sin útil antipandeo .............................................................................................................................. 75

Imagen 85: Apertura tacón rotura a Ras ........................................................................................................................... 76

v

INDICE DE TABLAS

Tabla 1: Resinas Matrices (Termoestables Vs Termoplásticas). .............................................................................................. 6

Tabla 2: Características Resinas Termoestables. .................................................................................................................. 6

Tabla 3:Ventajas, Desventajas Resina Epoxy ........................................................................................................................ 7

Tabla 4:Clasificación CFR, [6] ........................................................................................................................................... 11

Tabla 5: Características banda extensométrica. ................................................................................................................. 33

Tabla 6: Acrónimos ensayos AITM1-0008 ................................................................................................................... 36

Tabla 7: PrEN2850‐B1 Resultados ..................................................................................................................................... 41

Tabla 8:PrEN2850‐B2 Resultados ..................................................................................................................................... 42

Tabla 9: ASTM D6641‐B Resultados .................................................................................................................................. 43

Tabla 10:AITM1‐0008 CGD Resultados .............................................................................................................................. 44

Tabla 11: AITM1‐0008 CSD Resultados .............................................................................................................................. 46

Tabla 12: AITM1‐0008 CGR Resultados ............................................................................................................................. 47

Tabla 13:AITM1‐0008 CGR Resultados .............................................................................................................................. 48

Tabla 14:AITM1‐0008 CGR‐SinAntipandeo Resultados ........................................................................................................ 49

Tabla 15: AITM1‐0008 CGR‐SinAntipandeo Resultados ....................................................................................................... 51

Tabla 16: AITM1‐0008 CGF Resultados.............................................................................................................................. 52

Tabla 17:AITM1‐0008 CSF Resultados ............................................................................................................................... 54

Tabla 18: AITM1‐0008 CGS Resultados.............................................................................................................................. 56

Tabla 19: AITM1‐0008 CSS Resultados .............................................................................................................................. 57

Tabla 20: AITM1‐0008 SCD Resultados .............................................................................................................................. 58

Tabla 21: AITM1‐0008 CSD Resultados .............................................................................................................................. 59

Tabla 22 : AITM1‐0008 SGF Resultados ............................................................................................................................. 60

Tabla 23: AITM1‐0008 SSF Resultados .............................................................................................................................. 62

Tabla 24: AITM1‐0008 SGS Resultados ............................................................................................................................. 64

Tabla 25: AITM1‐0008 SSS Resultados .............................................................................................................................. 66

Tabla 26 :AITM1‐0008 HCCF Resultados. ........................................................................................................................... 67

Tabla 27: Resumen resultados .................................................................................................................................... 68

1

1. INTRODUCCIÓN

1.1. ORIGEN DEL PROYECTO

Este proyecto surge del protagonismo que van teniendo los materiales compuestos dentro del

sector aeronáutico y con ello la necesidad del conocimiento de sus características mecánicas.

En el 1935 cuando una compañía llamada Douglas Aircraft compro el primer rollo de fibra de vidrio

creyendo que podría ayudarle a resolver un problema de producción. Su problema estaba en los moldes

de conformación de los laminados metálicos. Cada modificación en el diseño del avión llevaba consigo la

fabricación de un nuevo molde, con unos costes y tiempo de fabricación muy elevados.

Se intentó usar moldes de resinas fenólicas pero no eran capaces de soportar las fuerzas del proceso

de conformado. Viendo la posibilidad de reforzar estos moldes con fibra de vidrio nacería el uso de los

materiales compuestos en la industria aeronáutica.

La segunda guerra mundial tuvo una gran importancia en el desarrollo de los materiales compuestos.

Su uso principal fue en estructuras secundarias del avión como los conductos de ventilación, góndolas

de los motores, radomos (antenas). La aplicación más importante desde el punto de vista estructural

fue su utilización en las alas del AT‐6 y BT‐15, dos aviones de entrenamiento. Seis pares de alas fueron

creadas, instaladas y voladas .A pesar de que sus resultados fueron buenos, el uso de los materiales

compuestos en los componentes estructurales no se repitió hasta pasado 50 años.

En 1961 cuando el Dr. A.Shindo de la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón,

llevó a cabo un estudio sobre la carbonización de fibras de poliacrilonitrilo (PAN).

A partir de la década de 1970 tiene lugar un importante crecimiento en la aplicación de los materiales

compuestos en la industria aeroespacial. Desde entonces hasta nuestros días se ha llevado a cabo una

fuerte colaboración entre las empresas del sector aeronáutico y los centros de estudio e investigación

generando una importante transferencia de conocimiento y el consiguiente aumento del empleo de los

materiales compuestos en la fabricación de aeronaves.

En las siguientes imágenes se puede observar el fuerte crecimiento en el uso del material compuesto

dentro del sector aeronáutico, en concreto es la evolución dentro de la compañía Airbus:

2

Imagen 1: Evolución Airbus uso Compuestos.

Los últimos modelos de aviones de las dos compañías más importantes del sector luchan por cuál de

ellos tiene mayor porcentaje en peso de “composite”. Podemos ver que tanto el Airbus 350 como el

Boing 787 contienen al menos un 50% en peso de éste.

Imagen 2: Airbus A350 XWB

3

Imagen 3: 787 Dreamliner Composite Profile

Al comienzo del uso de los materiales compuestos fibrosos, las propiedades características de

compresión en un material compuesto habían sido consideraras secundarias respecto a la propiedades a

tracción o cortadura, tanto es así que con frecuencia no eran medidas.

Cuando se requería el diseño a compresión de un material, era adecuado estimar su resistencia a

compresión como un valor relativo de su resistencia a tracción.

A medida que los materiales compuestos fueron tomando mayor protagonismo en los elementos

estructurales, las solicitaciones a las que eran expuestos iban siendo más complejas, llevándolos hasta

sus valores límites de rotura. Ahora sí, empezaba a tener mayor importancia la caracterización completa

de los materiales compuestos.

A finales de los 80, en la caracterización a compresión, hubo una rápida introducción de nuevos y

emergentes ensayos que se fueron desarrollando. Esta tendencia ha ido disminuyendo hasta la

actualidad. Sin embargo hoy en día no existe ningún método de ensayo que prevalezca por encima de

otro. Al igual que no se sabe las ventajas que tiene introducir la carga por cortadura frente a

introducirla por el final de los apoyos y viceversa. Lo que sí se sabe, es que todos los métodos tienen

alguna característica susceptible de mejora. Es por ello que aún se sigue investigando que posibles

métodos o mejoras puedan desarrollarse en cuanto a los ensayos a compresión en materiales

compuestos de fibra de carbono.

El Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales (GERM) perteneciente al departamento de

Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de estructuras de la Universidad de Sevilla, al que pertenece

el tutor de este proyecto, están muy ligados a la investigación y caracterización de materiales

compuestos de fibra de carbono. Conscientes de esta realidad y en línea con sus actuales trabajos de

investigación y caracterización de materiales compuestos de fibra de carbono, el Grupo de Elasticidad y

Resistencia de Materiales (GERM) decide poner en marcha la ejecución de este proyecto fin de carrera

denominado “Ensayos a compresión de laminados unidireccional carbono/epoxy. Un estudio

comparativo.”

1.2. OBJETIVOS

Los materiales compuestos están formados por fibras unidireccionales de carbono/ vidrio embebidas

en una matriz polimérica (comúnmente Epoxy). La formación unidireccional hace que existan diferentes

rigideces y resistencia en la dirección longitudinal y la transversal a las fibras. Esta “ortotropía” del

material puede ser usada favorablemente concentrando fibras en la dirección donde las solicitaciones

de carga son más pronunciadas.

4

Apilando este material unidireccional en diferentes direcciones se puede conseguir un material “a

medida” que nos ofrezca las rigideces, resistencia y peso óptimo deseados para nuestra estructura.

Sabiendo que existen infinitas configuraciones de apilado y no es práctico ensayar cada una de ellas,

se desarrolló un método teórico a través del cual las propiedades del material pueden ser determinadas

en cualquier dirección si son conocidas las propiedades unidireccionales del material. Este método es

conocido como Teoría Clásica del Laminado (Agarwal and Broutman,1990;Jones,1975;Gibson, 1994).

La Teoría del laminado propone un sistema de coordenadas referente a la dirección de las fibras y

otro referente al laminado en su conjunto. El primero se compone por ejes 1‐2‐3, donde el eje 1

corresponde a la dirección longitudinal de la fibra, el 2 a la dirección perpendicular de la fibra dentro del

plano, y el 3 a la dirección perpendicular al plano del laminado. El segundo sistema de coordenadas(x‐y‐

z) está alineado con la direcciones más representativas de la estructuras.

Para hacer uso de la Teoría del laminado es necesario conocer las rigideces (E11, E22) , resistencias a

tracción (Xt, Yt), compresión(Xc,Yc) y cortadura(G12), módulos de Poisson(ν12) en los ejes del material.

De todas estas propiedades una de las más difíciles de determinar es Xc ya que los ensayos de

compresión en materiales compuestos de matriz polimérica son los ensayos más complejos de realizar y

a menudo muestran gran dispersión experimental de los resultados.

Esto se debe, fundamentalmente, a varias razones:

1) Al comportamiento altamente anisótropo que presentan este tipo de materiales, donde la

resistencia y rigidez a compresión en la dirección de la fibra tiende a ser un orden de magnitud

mayor que en las direcciones transversales.

2) Al agarre que sufre la probeta al ensayar por parte del útil de compresión, necesario para

impedir inestabilidades en el ensayo.

3) A la variedad de fenómenos de fallo que existen en materiales compuestos sometidos a

compresión: inestabilidad global, inestabilidad local de la fibra, aplastamiento transversal,

delaminación…...

La “American Society for Testing and Materials (ASTM) “ha observado una significante diferencia entre

los resultados obtenidos en ensayos idénticos desarrollados por distintos laboratorios. Tanto es así que

la resistencia a compresión medida para un material en 5 laboratorios diferentes varia hasta un 20%.

Así, este proyecto consiste en un estudio experimental en distintas configuraciones de ensayos a

compresión de un laminado unidireccional carbon/epoxy, teniendo por objetivo establecer

correlaciones entre los resultados obtenidos y las distintas configuraciones usadas.

Este proyecto se puede interpretar como un barrido a través de diferentes normativas y

configuraciones de ensayos a compresión para los CFR (Carbon Fibre Reinforcement) , centrándose en

las normativas más usadas para la caracterización a compresión de materiales compuestos en Europa.

Los ensayos se realizaran sobre las siguientes normas:

prEN2850‐B, [2] ASTM D6641‐B , [3]

AITM1‐0008, [4]

A su vez se estudiará en detalle cómo puede verse afectada la caracterización del material con el

cambio de la condiciones de contorno haciendo uso de la normativa AITM1‐0008, [4]. Las diferentes

configuraciones de ensayos son conseguidas mediante la variación de los siguientes parámetros:

Formas de introducción de carga ( cortadura o combinada),.

Utilización de guías Posicionamiento del final de tacón con respecto a las mandíbulas (dentro, fuera o ras) o el uso

de mordazas especiales con Soft‐load.

1.3. ALCANCE DEL PROYECTO

Este proyecto se centra en el estudio a compresión sobre un laminado unidireccional de material

compuesto carbono/epoxy , con designación AS4/8552.

Para la realización del mismo se han desarrollado las siguientes actividades:

5

Fabricación de los paneles de los cuales se han sacado las probetas de ensayos. Este fabricación parte del material en fresco el cual tiene que pasar por el proceso de apilado y curado.

Todos estos procesos quedan documentado en este texto.

Instrumentación de las probetas. En las probetas han sido instrumentadas con bandas

extensometricas y en alguna se usa extensómetro.

Realización de los ensayos: Se han utilizado dos máquinas universales de ensayos, Instron 8801

y Zwick 100.

Análisis de resultados

El proyecto ha sido ejecutado en los laboratorios pertenecientes al grupo de Elasticidad y Resistencia

de Materiales.

2. BASE TEÓRICA

En este punto se van a describir los materiales compuestos más usados en aplicaciones técnicas, así

como los diferentes tipos de fibra y matrices que los componen. A su vez en este punto se presenta una

visión general de los diferentes tipos de configuraciones de ensayos a compresión existente en la

actualidad.

2.1. MATERIALES COMPUESTOS

Según la definición aportada por” Introducción al análisis y diseño con materiales compuestos”, los

materiales compuestos son aquellos formados por la combinación a escala macroscópica de dos o más

materiales con interfases de separación entre ellos para formar un nuevo material. Dicha combinación

produce unas propiedades distintas que no pueden ser alcanzadas por ninguno de los constituyentes

actuando aisladamente, o bien unifica las propiedades individuales de dichos constituyentes en un solo

material.

Los materiales compuestos considerados son artificiales, es decir, productos fabricados, aunque es

posible encontrar en la naturaleza ejemplos de asociaciones de diferentes elementos que funcionan

como un conjunto, tales como el bambú, el músculo o la madera.

2.1.1. Clasificación de los materiales compuestos

Los materiales compuestos fabricados tienen como objetivo conseguir un material con mejores

propiedades mecánicas que los existentes en la naturaleza. Este nivel de mejora depende, y mucho, del

tipo de refuerzo con el que se fabrique el material. Así, una posible clasificación de estos materiales la

podemos realizar en torno al tipo de refuerzo que lo constituye.

Existen dos grandes grupos de refuerzos usados en la fabricación de los materiales compuestos, fibras

y partículas. Una fibra se distingue por una geometría donde una de sus dimensiones es mucho mayor

que las otras dos (L/D > 100), el resto de geometrías se engloba dentro del concepto de partículas, esta

partículas pueden ser esféricas, cúbicas, laminares o irregulares.

Debido a que el material compuesto reforzado con fibra es el único protagonista de este proyecto,

este documento se va centrar sólo en describir en profundidad la composición de este tipo de material.

Los materiales compuestos fibrosos pueden clasificarse en compuestos de una sola capa o multicapa.

En realidad los compuestos de una sola capa están formados por varias capas (láminas) que conforman

un laminado total, al tener estas las misma propiedades y orientación, el comportamiento del laminado

no se diferencia en nada del de una sola capa (de ahí su nombre). Cuando todas las láminas son del

mismo material (misma fibra y matriz y volumen relativo de ambos), si bien con orientaciones diferentes

debido a las necesidades de diseño, el material compuesto recibe el nombre de laminado. En el caso

que las láminas sean de diferentes materiales constituyentes, el resultado se denomina laminado

híbrido.

En materiales compuestos fibrosos se puede diferenciar entre materiales reforzados con fibra

continua o discontinua. Se denomina a un material de fibra discontinua cuando la longitud de la fibra

afecta a las propiedades del material. En el material de fibra continua la carga es soportada

6

fundamentalmente por las fibras, siendo la principal función de la matriz mantener unidas las fibras y

protegerlas.

La orientación del refuerzo puede que se produzca tanto en una dirección como en dos. Las

unidireccionales suelen comercializarse en cintas enrolladas de fibras pre‐impregnadas de matriz,

recibiendo el nombre de pre‐preg. Los compuestos con refuerzo unidireccional son muy resistentes y

rígidos en la dirección de la fibra, pero muy débiles en la dirección perpendicular, por ello es muy común

usarlas unidas entre sí con orientaciones diferentes para conseguir un laminado d con las propiedades

deseadas.

Para el refuerzo en dos direcciones las fibras pueden aparecer entrelazadas en direcciones

perpendiculares, formando lo que se conoce como un tejido. Pueden comercializarse tanto pre‐

impregnados o sólo la fibra tejida.

2.1.2. Matrices

El objetivo de la matriz es darle “cuerpo” y forma rígida al material, manteniendo fija la posición de las

fibras y transfiriendo los esfuerzos hacia las fibras. La matriz aporta una protección a la fibra

(componente resistente del material) frente a la degradación ambiental, oxidación.

Unas de las clasificaciones más generales que se hacen para las matrices orgánicas dentro de la

industria aeronáutica es diferenciar entre matrices termoestables y termoplásticas.

Las resinas termoplásticas son sólidas a temperatura ambiente y se debe aumentar su temperatura

hasta el estado líquido cuando se van a utilizar. A parte del cambio de estado de sólido a líquido y

viceversa, no sufren ningún cambio químico y el ciclo de fundición‐solidificación se puede repetir

indefinidamente. Por el contrario las resinas termoestables, son líquidas a temperatura ambiente y

deben curarse para alcanzar el estado sólido, este curado puede ser mediante químicos a temperatura

ambiente, mediante calentamiento elevado diferentes tipos de radiación. Una vez en estado sólido no

se pueden volver a fundir sin sufrir una sería degradación y además, son insolubles. Una de sus ventajas

es que permiten la fabricación del material relativamente a bajas presiones y temperaturas debido a

que ofrecen una baja viscosidad antes de la polimerización.

En la siguiente tabla se recogen las principales características de ambas:

Termoestables Termoplásticos

Reacciona químicamente cuando cura No reacción química cambio de fase

Baja deformación de rotura Alta deformación de rotura

Poca energía de fractura Alta energía de fractura

Proceso Fundición‐solidificación irreversible Proceso Fundición‐solidificación reversible

Absorbe humedad Absorbe poca humedad

Alta resistencia a disolventes Limitada resistencia a disolventes orgánicos

Tabla 1: Resinas Matrices (Termoestables Vs Termoplásticas).

El tipo de resina más importante utilizado en materiales compuestos aeronaúticos son las resinas

termoestables, se reúnen algunas de sus ventajas y desventajas frente a los termoplásticos.

Termoestables

Ventajas Desventajas

Relativamente baja temperatura de curado Largo tiempo de curado

Buen impregnado de la fibra Requiere refrigeración almacenado

Maleable

Resistente a la fluencia

Posibilidad de fabricar en estado semi‐líquido

Tabla 2: Características Resinas Termoestables.

7

Uno de los factores críticos en las prestaciones de todas las matrices en la máxima temperatura a la

que pueden ser utilizadas en condiciones de servicio. Este valor viene caracterizado por la temperatura

de transición vítrea (Tg).

El material utilizado para los ensayos en el presente proyecto hace uso de resina epoxi, la más común

dentro de la industria aeronáutica.

Resina Epoxi

Las resinas epoxi contienen dos o más grupos de epóxidos(Un oxígeno y dos carbonos) por molécula.

Existen diferentes composiciones de resina epoxi, la más utilizada en el sector aeronáutico es TGDDM

(tetraglicidil derivado de diaminodifenilmetano) y DGEBA (diglicil éter de bisfenol A). La mayor cantidad

de enlaces de las primeras, y su resina más reactiva se traduce en una mayor rigidez y mayor

temperatura de transición vítrea.

Principales ventajas y desventajas de las resinas epoxy:

Epoxi

Ventajas Desventajas

Flexibilidad en su composición para una particular aplicación

Caras comparadas con polyester

sensibles a la humedad

Control de la tenacidad a fractura Alta viscosidad

Baja volatilidad Resistencia limitada a ácidos orgánicos

Poca contracción‐‐> buena estabilidad

Tabla 3:Ventajas, Desventajas Resina Epoxy

Proceso de curado

Las resinas por si mismas no presentan ninguna propiedad técnica útil hasta que son endurecidas

mediantes reacciones químicas de doble enlace (curado o endurecimiento de la resina). Su estructura

química ha de ser transformada formando una red tridimensional. Este retículo tridimensional formado

confiere al material curado unas propiedades mecánicas, térmicas y de resistencia química muy

elevadas.

La reacción de curado es crucial en la utilización del material termoestable. En el curado se puede

distinguir dos procesos importantes:

La gelificación: Ocurre cuando el material pasa de un estado líquido‐viscoso hasta un estado

gel‐elástico. A partir de este estado el material deja de fluir y no puede ser procesado. Se caracteriza por

la coexistencia de zonas en las que se han formado los enlaces cruzados junto con otras zonas en las que

la unión no se ha producido.

La vitrificación: La transformación de un estado viscoso hasta un estado vítreo. Comienza

cuando la temperatura del curado coincide con la temperatura de transición vítrea. A partir

de este momento el curado es un proceso muy lento.

En el diagrama tiempo‐temperatura‐transformación se ilustran las fases ya comentadas en el proceso

de curado.

8

Imagen 4: Diagrama tiempo‐temperatura‐transformación de una resina epoxy.

En el diagrama se muestran tres temperaturas críticas:

‐ Tg∞: temperatura de transición vítrea del sólido totalmente re culado. También se conoce como la

máxima temperatura de transición vítrea del sistema.

‐ Tggel: Temperatura por encima de la cual se produce la gelificación y la resina se encuentra en

estado de gel.

‐ Tgo: Temperatura de transición vítrea del prepolimero (material sin curar) por debajo de la cual el

material no reacciona y la resina puede almacenarse.

Temperatura de transición vítrea: es el punto intermedio de temperatura en el que el material no se

encuentra ni en estado sólido (rígido), ni en estado líquido (fundido) sino que se encuentra en un estado

gomoso. En este estado el material adquiere cierta elasticidad y capacidad para deformarse

plásticamente sin llegar a fracturarse.

2.1.3. Fibras

Mientras que los materiales compuestos deben sus propiedades globales a la combinación de la matriz

y el refuerzo, es el refuerzo fibroso el principal responsable de las características resistentes.

Las principales funciones de la fibra son:

‐Aportar la resistencia requerida frente a un esfuerzo en dirección axial a las mismas.

‐Aportar rigidez (elevado Módulo elástico).

‐Conductividad o aislamiento eléctrico.

Fibra de Boro

Las fibras de boro son largos filamentos con un diámetro entre 125‐140 micras. Están se forman por

deposición química (ECV) del gas procedente de un filamento de tungsteno. Ya que el tungsteno es un

material de alta densidad y caro los este tipo de fibra tienen diámetro grandes para minimizar la

densidad de fibra y el coste.

9

Imagen 5: Fabricación de la fibra de Boro

Como el Boro es casi tan duro que el diamante, materiales reforzados con Boro son muy difíciles de

mecanizar o taladrar. Es por ello que son más caros que los materiales reforzados con carbono.

Fibra de Aramida

Las fibras de Aramida se conocen comúnmente como Kevlar, fueron las primeras fibras orgánicas lo

suficientemente rígidas y resistentes para su aplicación en el sector aeronáutico. Las fibras de Aramida

tienen mayor resistencia específica y rigidez que las de fibra de vidrio. Los materiales compuestos

reforzados con Aramida tienen propiedades a tracción muy buenas hasta los 400⁰C, sin embargo su

resistencia a compresión puede bajar hasta 20% de la carga máxima a tracción. Esta es su mayor

limitación. Esto ha limitado su uso en estructuras aeronáuticas.

Las principales ventajas de estas fibras son:

‐Su capacidad de absorber grandes cantidades de energía durante la rotura, lo que explica sus

grandes deformaciones antes de la rotura.

‐Su capacidad de deformar plásticamente en compresión.

‐Su capacidad para deshilacharse durante el fallo a tracción.

‐Propiedades dieléctricas.

El uso más común de las fibras de Aramida en la industria aeroespacial ha sido en el carenado de los

aviones, pero también es usado en las pieles de los paneles sándwich.

Fibra de vidrio.

Fibras de vidrios basan su composición en silicatos (SiO2), son las fibras más usadas para la fabricación

de materiales compuestos debido a su alta resistencia y su bajo coste. Se puede desatacar su utilización

en los primeros fuselajes de cohetes en 1960. Hoy en día sus usos en componentes estructurales

aeronáuticos están muy limitados por su baja rigidez específica, eso no quiere decir que no se use en

componentes secundarios como carenados.

Por sus buenas propiedades dieléctricas, los compuestos de fibra de vidrio son usados en presencia de

campos magnéticos.

Los dos tipos más comunes de fibra de vidrio son:

‐Fibras de vidrio E (E‐glass), se utilizan en aplicaciones eléctricas ya que comparada con otros

cristales su resistencia eléctrica es mayor y su constante dieléctrica menor. Esta son de lejos las más

usadas en aplicaciones estructurales (no aeronáuticas) por su bajo coste y alta resistencia.

‐Fibras de vidrio S(S‐glass) son muchos más rígidas y resistentes que la E. Por esto son las más

utilizadas en componentes estructurales que demandan solicitaciones mayores. Pueden resistir más

altas temperaturas que las E‐glass. Como es de suponer estas mejoras conllevan consigo un aumento en

su coste.

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Fibra de carbono

Las fibras de carbono son sin duda las más utilizadas en componentes estructurales de aeronáutica.

Aunque los nombres de carbono y grafito se utilizan indistintamente al describir las fibras, las fibras de

carbono contienen un 93‐95% de carbono, y las fibras de grafito contienen más del 95% de carbono. El

uso de los términos grafito o carbono es aceptable desde un punto de vista de la ingeniería.

Las fibras de carbono se obtienen a partir de una mezcla de polímeros (denominada precursor), el más

utilizado es el PAN (poliacrilonitrilo). Estos materiales no son 100% policrilonitrilo, sino contienen

copolimeros como metil acrilato, metil metacrilato, ácido itacónico o cloruro de vinilo.

El proceso de obtención de fibra de carbono a través del PAN se puede diferenciar en las siguientes

fases:

‐Estabilización y oxidación: Las fibras son estiradas para alinear sus redes internamente, luego se

produce un calentamiento en atmosfera oxidante desde 200 a 250⁰C manteniendo la tensión en las

fibras.

‐Carbonización: calentamiento en atmosfera inerte a temperaturas de hasta 1500⁰C. Se eliminan

fundamentalmente el hidrogeno y nitrógeno de la fibra original, transformándose en fibra de carbono.

‐Grafitación: calentamiento en atmósfera no oxidante hasta 2500‐3000⁰C , para obtener un módulo de

elasticidad mayor, a expensas de una alta resistencia a la tracción.

Imagen 6: Fabricación CFR

Las propiedades de la fibra de carbono se pueden resumir como sigue:

‐ Muy rígida y con densidades relativamente bajas.

‐ Muy buenas propiedades específicas.

‐ Coste intermedio (mayor que la fibra de vidrio)

‐ Mal aislante eléctrico.

‐ Diámetro de la fibra 5‐ 8 μm

‐ Frágil. Prácticamente no presenta plasticidad, el límite elástico es similar a la resistencia a tracción.

‐ Rigidez variable desde la misma del acero hasta cuatro veces superior. Sus propiedades dependen del

proceso de fabricación y del material de su obtención: poliacrilonitrilo (menor rigidez) o asfalto de

petróleo (mayor rigidez).

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Podemos clasificar tres categorías comerciales: alto módulo (Tipo I), alta tenacidad (Tipo II), módulo

intermedio (Tipo III).

Propiedades HM TipoI HS Tipo II IM Tipo III

Módulos de elasticidad (GPa) 276‐380 228‐241 296

Resistencia a tracción(MPa) 2415‐2555 3105‐4555 4800

Deformación de rotura (%) 0.6‐0.7 1.3‐1.8 2.0

Coeficiente de expansión térmica (x 10‐6 mm‐1 K‐1)

‐0,7 ‐0,5

N/A

Resistencia eléctrica(μΩm) 9 ‐‐ 10 15‐ 18 N/A

Tabla 4:Clasificación CFR, [6]

2.2. ENSAYOS DE COMPRESIÓN EN LOS MATERIALES COMPUESTOS

Como ha sido comentado con anterioridad la caracterización a compresión en materiales compuestos

no se empezó a desarrollar en profundidad hasta los 80s.La configuración en los ensayos a compresión

se puede dividir en tres principales categorías. Los ensayos donde:

‐La carga se introduce por cortadura.

‐La carga se introduce por los extremos.

‐La carga se introduce combinando las dos anteriores.

En 1975 se estandarizo el primer ensayo a compresión (ASTM D 3410) que introducía la carga por

cortadura. Este ensayo hacia uso de un útil llamado Celanese.

Durante la último parte de los 80´s los estudios se centraron en ensayos de compresión cargados por

los extremos. Una modificación de la ASTM D695 recoge ensayos cargados por los extremos haciendo

uso de un útil en forma de doble T, también usado en PrEN2850‐B.

Actualmente están cobrando protagonismo los métodos de ensayo donde la carga se introduce de

manera combinada (por cortadura y por los extremos a la vez), los útiles más conocidos son HCCF y CLC.

2.2.1. Carga introducida por cortadura (Cortadura‐loaded)

En este tipo de ensayo la mordaza aprieta la probeta sujetándola dejando los extremos en todo

momento libre de carga. La carga se transmite completamente por cortadura de la mordaza a la

probeta.

Imagen 7: Introducción carga cortadura

Esta tipología de ensayo fue la primera en estandarizarse a través de la ASTM D3140 en 1975.

Desarrollada por I.K. Park en Celenease Corporation hacía uso de un útil conocido como Celenease cuyo

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diseño de agarre consiste en un tronco de cono dividido en dos partes las cuales grapan a la probeta y

son introducidas en una cavidad cónica que es la encargada de mantenerlas unidas durante el

desarrollo del ensayo. Cuando se aplica carga en los extremos del útil, el efecto cuña de la cavidad

cónica transmitirá por cortadura la carga hacía la probeta. Utiliza dos pines los cuales garantizaban el

alineamiento.

Imagen 8: Útil Celenease

Uno de los mayores problemas de este útil fue precisamente el asiento cónico de las mordazas. Un

pequeño desvío en el espesor de la probeta puede provocar que el asiento de las partes cónicas sobre la

cavidad no se realice adecuadamente, no agarrando bien la probeta y permitiendo que esta pueda rotar

y pandear de forma prematura. Otra problema era el rozamiento entre los pines de alineamiento y su

asiento en el tronco de cono.

Estos problemas propiciaron una necesidad de mejora llevando a cabo el desarrollo del útil ITRI

(Illinois Institute of Technology Research Institute) y su adhesión a la ASTM D3140 en 1987.

En el ITRI se sustituyó la cavidad cónica por una donde los asientos se realizaran a través de caras

planas. También se le incorporo dos pines externos.

Imagen 9: Útil ITRI

Desde el año 2003 el útil Celenease quedo fuera de la ASTM D3140 siendo el ITRI el único útil

utilizable.

13

Otros útiles nacieron del Celenease, como la modificación que realizo “Deutsches Institut fur Normung

(DIN)”, estandarizando su uso en 1983.

Imagen 10: German‐Modified Celanese compresión test fixture.

En el presente proyecto se han realizado ensayos en los cuales la carga se transmite por cortadura

directamente desde mordaza, sin el uso de un útil en concreto.

2.2.2. Carga introducida por extremos (end‐loaded).

En esta configuración de ensayo la carga se transmite la carga a la probeta directamente por los

extremos de la misma.

Imagen 11: Introducción Carga por los extremos

En este proyecto se va a realizar una única configuración de este tipo, siguiendo la norma prEN2850‐B.

Esta normativa hace uso de un útil como el que muestra la siguiente figura. El desarrollo de este útil

se le atribuye a la compañía Boeing durante los años 70’s.

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Imagen 12: Útil PrEN2850‐B

La probeta se sitúa entre las dos piezas con forma de I las cuales tienen una función de anti‐pandeo.

Dos tipos de probetas pueden ser ensayadas en este útil, probetas con y sin tacones.

Las probetas, las cuales no usan tacones, son usadas para determinar el módulo elástico a

compresión del material. Estas probetas quedan totalmente en contacto con la superficie lateral del útil.

Las probetas que si hacen uso de tacones se utilizan para determinar la carga última de fallo a

compresión. Debido a que la carga es introducida completamente por los extremos pueden aparecer

delaminaciones y roturas en los extremos en la probeta, el uso de tacones aumenta la superficie de

contacto tratando de minimizar la aparición de estos fenómenos. Si el material del tacón es poco rígido

o fino comparado con el material a ensayar es obvio que su utilización no será de mucho ayuda, si por

el contrario, los tacones son muy gruesos o muy rígidos en relación al material ensayado los tacones se

llevaran más porcentaje de carga que la propia probeta transmitiendo la carga a través del adhesivo y

facilitando el despegue del tacón a la probeta y el fallo prematuro de la probeta.

Por esto la norma recomienda que los tacones sean del mismo panel del cual se ha obtenido la

probeta.

La necesidad de ensayar distinta geometría de probetas para la determinación de módulo y resistencia

puede considerarse una de las desventajas de este método.

2.2.3. Carga introducida combinada (combined‐load)

En esta configuración la carga es transferida a la probeta tanto por cortadura como por los extremos

de la probeta.

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Imagen 13: Introducción carga Combinada.

Como se ha comentado anteriormente, esta configuración de ensayo son las más novedosas y en las

cuales se están centrando los estudios en la actualidad. En el presente proyecto se han hecho uso de

diferentes útiles que se encuentran dentro de este tipo de introducción de carga, tales como, CLC, HCCF

,mordazas con soft‐load y mordazas normales.

Útil CLC

En 1995 Adams y Welsh propusieron la posibilidad de introducir la carga de manera combinada (tanto

por cortadura como por los extremos). Haciendo modificaciones sobre un útil que introduce la carga por

los extremos (ELSS) nació el CLC.

Esta configuración fue estandarizada en 2001 bajo la ASTM D6641 y durante los últimos 10 años ha

sido una de las más utilizadas en los Estados Unidos. Su triunfo sobre las otras configuraciones se basa

en que consigue una pequeña dispersión en los resultados y la facilidad a la hora de utilizar el útil CLC.

El útil CLC consiste de cuatro bloques de acero, atornillados en pares, que abrazarán cada uno un

extremo de la probeta. A la hora de colocar la probeta se enrasará el extremo de ella con la cara exterior

de los bloques permitiendo así que en el ensayo la carga se transmita a su vez por los extremos de la

probeta.

Imagen 14: Útil CLC

En este proyecto se va a realizar ensayos haciendo uso de este útil siguiendo la normativa ASTM

D6641‐B.

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HCCF

Desarrollado por la compañía Zwick Roell permite la aplicación de la carga de manera combinada.

Consiste en dos piezas de acero alineadas mediante dos calibrados cilíndricos dispuestos en diagonal.

Una gran diferencia con respecto al útil CLC reside en que un sistema hidráulico es el responsable del

apriete de las mordazas. Otra característica particular de este útil, es la forma de sus mordazas. Las

mordazas tienen una extensión en forma de escalón. Estudios han demostrado que este diseño mejora

las grandes concentraciones de tensiones que se originan en la transición del tacón a la zona libre de

ensayo. Este diseño de mordazas es lo que Airbus reconoce como “Soft‐Load Introduction”

Imagen 15: Útil HCCF

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Soft‐Load Introduction Instron 8801

Buscando el efecto “Soft‐Load Introduction” se van a hacer uso de unas mordazas diseñadas para ello,

en las cuales, la parte superior, tienen una extensión de menor espesor que agarra la probeta.

a) Mordazas con Soft-Load b) Mordazas sin Soft-Load Instron

3. FABRICACIÓN DE PROBETAS.

En este capítulo se llevará a cabo una descripción del proceso seguido para la fabricación de los

especímenes necesarios para la realización de los ensayos a compresión, así como se presentarán las

características de los materiales empleados.

Como ya se ha comentado anteriormente, este proyecto engloba la realización de ensayos según tres

diferentes normativas de compresión. Para facilitar la comparación de resultados obtenidos de las

distintas configuraciones de ensayos, se ha optado por usar un laminado común para todos ellos. No

obstante cada normativa marcara una geometría particular de probeta.

En los siguientes apartados se explicará detalladamente:

‐ Materiales empleados: material base para el ensayo (rollo pre‐preg de fibra de carbono / resina

epoxi) y materiales auxiliares para la fabricación de las probetas (fibra de vidrio para tacones y

materiales necesarios en cada una de las fases de fabricación: adhesivos, cintas adhesivas, etc.). Se

explicarán las características y propiedades de dichos materiales, su forma de suministro y las

condiciones y recomendaciones necesarias para su uso.

‐ Fases del proceso de fabricación: apilado, curado, corte. Se detallarán asimismo los útiles y

herramientas necesarios para cada una de las fases.

‐ Preparación de las probetas: pegado de los tacones de fibra de vidrio y corte y preparación de las

probetas.

3.1. MATERIAL

El material empleado para fabricación y posterior ensayo es una cinta unidireccional de fibra de

carbono pre‐impregnada en resina epoxi. Fabricado por Hexcel Composites y con designación

AS4/8552.

Imagen 16: Mordaza utilizadas máquina hidráulica.

Soft-Load

18

Para poder designarse como AS4/8552 al material se le exige tanto unos procesos de fabricación

determinados como unas propiedades físicas y químicas específicas. Estas exigencias vienen recogidas

en la IPS 05‐01‐001‐03.

Su forma de distribución es en rollos de cinta pre‐impregnadas, con ancho de cinta de 300mm. Por la

cara interior de cada lamina viene protegida con un papel que evita que se pegue a si misma cuando

esta permanece enrollada.

3.1.1. Características del material

Extracto de IPS 05‐01‐001‐03.

Características Físico‐Químicas:

Densidad de resina (ISO1183‐1MétodoA): 1.30 g/cm3

Densidad de fibra(ISO10119: 1.785 g/cm3

Temperatura de transición vítrea (AITM1‐0003): > 200ºC .

Extracto de AIMS 05‐01‐001.

Características Mecánicas:

Min. Módulo de elasticidad a compresioón: 125 ±15GPa

Min. Resistencia a tracción: 1800MPa

Min. Resistencia a compresión: 1200 MPa

Min. Módulo de cortadura inter‐laminar: 90 MPa

3.1.2. Requisitos del material pre‐impregnado

Como ya se ha comentado en el capítulo anterior, el proceso clave en el curado de la resina es la

polimerización. Esta polimerización puede ocurrir a temperatura ambiente y aunque se trata de un

proceso muy lento puede afectar a las propiedades nominales del tejido pre‐preg. Se trata por tanto de

lo que podemos denominar un “material vivo”. Es por eso que este tipo de material tiene unas

condiciones especiales de almacenaje y tiempo de vida. Dichas condiciones se encuentran determinadas

por el fabricante y se detallan a continuación:

‐ El tiempo máximo de almacenaje será de 1 año a ‐18°C máximo a partir de la fecha de fabricación. El

material debe recibirse, como máximo, 2 meses después de su fecha de fabricación.

‐ El tiempo máximo de exposición al ambiente en la zona de apilado (“lay up”), en continuo o en

intervalos acumulativos, será el siguiente

o 240 horas hasta terminar el apilado.

o 500 horas hasta el comienzo del ciclo de curado.

3.2. FABRICACIÓN DEL LAMINADO

La fabricación del laminado se entiende desde la extracción del material del congelador donde está

almacenado hasta su retirada del autoclave una vez curado.

Vamos a diferenciar en dos partes el proceso de fabricación, la primera englobara todos los procesos

que se hacen sobre el material en fresco (corte, apilado ,bolsa de vacío...) y la segunda su proceso de

curado.

3.2.1. Preparación material fresco.

Se ha comentado anteriormente existe una dependencia entre la temperatura y humedad del ambiente

y la vida del material fresco, por ello para la manipulación del pre‐preg será necesario un lugar de

trabajo con condiciones ambientales propicias para evitar tanto una contaminación como una

polimerización prematura de la resina. Así, todo el trabajo con material fresco se realiza dentro de una

sala conocida como sala limpia.

Una sala limpia mantiene constantes sus condiciones ambientales monitorizando y controlando la

temperatura, humedad, presión del aire, velocidad del aire y nivel de partículas en suspensión.

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Para el control de la contaminación la sala está equipada tanto con filtros, como con un sistema de

sobrepresión que neutraliza la posible introducción de partículas en suspensión en el aire. El nivel de

partículas en suspensión de mantenerse controlado y debe ser inferior a 50 partículas por litro de aire.

En el siguiente gráfico podemos ver las condiciones a las que debe estar la sala para una buena

manipulación del material.

Imagen 17: Condiciones Sala Limpia (Humedad, Temperatura).

Una vez situados en la sala limpia con los materiales necesarios comenzamos el proceso de apilado.

Todos los paneles de este proyecto consisten en 11 capas apiladas de manera unidireccional. Con ayuda

de un cúter se irá cortando los preg‐preg necesarios. Una vez cortados los preg‐preg se comienza con el

apilado.

Imagen 18: Rollo Fibra Unidireccional

El apilado hay se realiza siempre de una en una capa. Nos ayudamos de una escuadra y cartabón para

asegurar que queden alineadas de forma que las fibras siempre vayan paralelas.

20

Una vez pegadas se aplicara una presión manual con una espátula de nilón, presionado en la dirección

de la fibra intentado eliminar el posible aire que se haya quedado atrapado al unir estas dos capas.

Retiraremos el papel protector y seguiremos con el mismo proceso.

Imagen 19: Pre‐compactación apilado Manual

Al ser un número grandes de capas es prudente realizar compactaciones intermedias con la ayuda de

una bomba de vacío. Así han sido realizadas pre‐compactaciones en la cuarta y octava capa de apilado.

Estas pre compactaciones consistente en someter al apilado a vacío durante unos 10 minutos. Este

vacío se consigue colocando el apilado sobre la mesa de cristal, sobre él una capa de Air Weave y todo

encerrado en una bolsa estanca creada con teflón y cromato.

Una vez terminado el apilado de todas las capas de preg‐preg queda la preparación de las bolsas de

vacío.

Las bolsas de vació proporcionan una ambiente hermético al panel evitando posibles oxidaciones y a su

vez posibilitando la correcta aplicación de presión durante su curado en el autoclave.

Para su realización se precisa de una plancha metálica como molde y base para la bolsa de vacío. Esta

plancha metálica quedara como soporte de nuestro panel dentro del autoclave.

Para evitar que el material se quede adherido a la plancha metálica una fina capa de teflón queda

situada entre la plancha y el panel. Se ha de procurar que quede bien estirada, ya que al hacer funciones

de molde, sus arrugas se transmitirán al panel posibilitando la aparición de defectos. Esta capa se fija a

la plancha con unos trozos de cinta adhesiva de alta resistencia térmica.

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Imagen 20: Proceso Fabricación 1

Sobre la capa de teflón se colocan los paneles, a su vez colocamos unas tiras de corcho autoadhesivas en

el borde de los paneles con el objetivo de evitar una fluencia excesiva de la resina, se retiran los papeles

protectores y colocamos otra capa de teflón que evitara que se adhiera a la parte superior de la bolsa de

vacío.


Lo siguiente es colocar una capa Air Weave, un material esponjoso que permite una mejor distribución

del vacío y lo uniformiza. La única precaución que se ha de tomar en la colocación de esta capa es que

debe ser continua en todo el panel, un solape de esta capa sobre el panel le imprimiría una

disconformidad al material.

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Colocaremos una doble capa de este material en la zona donde se colocan las tomas de vacío.


Por último el sellado de la bolsa de vacío se realiza con una capa de plástico colocada en la parte

superior de todo el conjunto y empleando una cinta de cromato de zinc que fijara el plástico con la base

metálica.

La aplicación de un vacío de prueba es necesaria para comprobar que la estanqueidad de la bolsa es

buena y no tendrá problemas durante el ciclo de curado.

3.2.2. Proceso de curado en autoclave

El curado es necesario para la polimerización de la resina epoxi, este curado implica la aplicación de

calor y presión. El curado de paneles se pueden realizar mediante prensas de platos calientes o

mediante autoclave. Se ha elegido curar en autoclave por el gran volumen de material necesario para

este proyecto.

El autoclave consiste en una cámara presurizada donde se controla la temperatura y presión necesaria

para el ciclo de curado. A su vez está equipado con un sistema de vacío que se encarga de la

compactación del laminado, asegurando la calidad requerida en los paneles.

El ciclo de curado se refiere a la evolución temporal de temperatura y presión necesarias durante el

proceso, depende del material utilizado y viene determinado por el fabricante del material. Comienza

con una rampa de subida de temperatura y presión, un tramo donde se mantienen los valores de

temperatura y presión, y por último un tramo de enfriamiento y despresurización.

El ciclo teórico a aplicar queda definido como sigue:

Vacío de la bolsa: aplicar vacío hasta una presión (dentro de la bolsa) entre 0.10 y 0.20 bares.

‐ Presión del autoclave :

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‐ Velocidad de calentamiento: 1 – 3 °C /minuto

‐ Temperatura de curado: 180±5 °C

‐ Tiempo de curado: 120 – 135 minutos.

‐ Velocidad de enfriamiento: 3°C /minuto máx. hasta alcanzar 60°C

Para introducir los paneles nos apoyaremos en una estructura metálica que se introduce por completo

dentro del autoclave. Una vez finalice el curado se dará por finalizado el proceso de fabricación.

Imagen 23: Autoclave

3.3. FABRICACIÓN DE LAS PROBETAS

Teniendo en cuenta que todas las probetas que se han ensayado en este proyecto tienen espesor y

apilado común, todos los paneles fabricados consisten en 11 capas de pre‐impregando intentado

conseguir un espesor próximo a los 2 mm y están apilados de manera unidireccional. Se han fabricado

un número de paneles convenientes para poder obtener todas las probetas necesarias.

Este punto va a describir los procesos necesarios que hay que realizar para convertir paneles curados en

probetas listas para ser ensayadas. También se describirán las distintas geometrías de probetas

necesarias para la realización del proyecto.

3.3.1. Proceso de mecanizado.

Cuando se sacan los paneles del autoclave, la tira de corcho que se colocó para evitar que fluyera la

resina, queda formando parte del panel. Ya que los bordes del panel presentan algunas disminuciones

de espesor y las tiras de corcho quedan pegadas se ha de sanear los bordes en medio centímetro. Una

vez saneado se procede a cortar el panel.

La herramienta de corte que se ha utilizado es un disco de polvo de diamante de espesor 2.5mm

montado sobre una máquina de corte.

24

Imagen 24: Máquina de corte.

Con objeto de facilitar la tarea de pegado de los tacones las probetas no se cortan de manera individual,

si no que se procede a cortar un panel, el cual, un lado tenga la medida de longitudinal de la probeta

más 6 mm y otro lado tan largo como sea posible. Una vez que tenemos estos paneles se cortan los

tacones de la medida necesaria y tan largo como el propio panel.

Imagen 25: Ejemplo corte panel.

Necesitaremos 4 paneles de tacones de vidrio por cada panel de carbono. Antes de proceder con el

pegado será necesario el lijado tanto del vidrio como del carbono para que el adhesivo actúe bien. El

lijado se ha realizado mediante un chorro de arena.

25

Imagen 26: Chorro de Arena

3.3.2. Proceso de pegado de tacones

Una vez lijados los paneles podemos proceder al pegado de los tacones. El adhesivo que se ha

utilizado tiene una designación Z‐15429. Siendo de un color rosado se distribuye con dos capas

protectoras a su alrededor de color más amarillento.

Imagen 27: Adhesivo Z15429

Lo primero será limpiar con alcohol isopropílico para eliminar los restos de polvo del lijado.

26

Imagen 28. Proceso Pegado Tacones 1

Para cortar el adhesivo retiramos una capa protectora que lleva encima con ayuda de un cúter.

Retirado el film protector, colocamos los tacones encima del adhesivo y con el cúter cortamos

el adhesivo del tamaño necesario.

Imagen 29: Proceso Pegado Tacones 2

Una vez repetido esto con los cuatro paneles de tacones, se comienza situando uno alineándolo

con el borde del panel del cual se sacan las probetas .Para asegurarnos que la longitud del Span

(separación entre los tacones) sea la adecuada, utilizamos una varilla a modo de plantilla con

un ancho similar a la longitud de Span. Colocamos el tacón opuesto y proseguimos de la misma

manera en la cara opuesta.

27


Una vez situados los tacones, se procede al curado del adhesivo en una prensa de platos calientes. Para

evitar el rebose de adhesivo a lo largo del Span, la plantilla que se usó para conseguir la ancho del Span

se deja introducida en el panel durante el proceso de curado del adhesivo.


Programando la prensa a una presión de 2.8 bar y a temperatura de 120 ºC durante 90 minutos se

consigue una un curado óptimo del adhesivo.

Imagen 32: Prensa Platos Calientes

28

3.3.3. Proceso de corte

Una vez tengamos los paneles con los tacones pegados, se cortan las probetas individuales con las

medidas deseadas. La herramienta de corte que se ha utilizado es un disco de polvo de diamante de

espesor 2.5mm montado sobre una máquina de corte.

3.3.4. Tipología de probetas.

Probetas AITM1‐0008‐A2

AIMT1‐0008 distingue dos categorías de especímenes según el espesor, finos y gruesos. En la

categoría de probetas gruesas se encierran todas aquellas que tengan un espesor mayor o igual de

4mm. En la categoría de probetas finas se encuentran probetas con 2mm de espesor.

Todas las probetas ensayadas en este proyecto acordes a la AITM1‐0008 se engloban en la segunda

categoría, siguiendo esta la configuración conocida como A2.

Esta norma obliga al uso de tacones en todas las probetas. Los tacones deben tener entre uno y dos

milímetros de espesor, a su vez deben estar formados ser un laminado de fibra de vidrio con

secuencia de apilado +‐45º.

Respecto a la longitud del tacón, la norma la deja libre elección, recomendando 65 o 85 mm

dependiendo del tipo de introducción de carga.

Para este proyecto se han tomado tres longitudes de tacón diferentes dependiendo del tipo de

configuración de ensayo: se han tomado longitudes de 52.5mm para ensayos con el tacón dentro

de mordaza, 57.5 mm para ensayos con tacón a ras, y 65 mm para ensayos con tacón fuera de

mordaza y para el uso de mordazas Soft‐load.

Imagen 33: Probeta AITM1‐0008 A2

Probetas PrEN2850‐B

Siguiendo esta norma hay que diferenciar entre dos geometrías de probetas: B1 y B2.

Según el objeto del ensayo ha de ser ensayada una configuración u otra de probeta, para la

caracterización de resistencia a compresión ha de usarse la configuración B1, y para la obtención

del módulo de elasticidad a compresión la configuración B2.

Respecto a los tacones utilizados en la configuración B1, la norma recomienda el uso de tacones del

mismo material a ensayar, así estos son obtenidos del mismo panel que las probetas. La longitud

total de probeta elegida ha sido 80 mm.

29

Imagen 34: Probeta PrEn2850‐B

Probetas ASTM D6641‐B

La ASTM D6641 recoge dos geometrías de probeta, en este proyecto nos hemos centrado la

geometría B debido a que al prever cargas altas de rotura, el uso de tacones puede evitar roturas o

delaminaciones prematura en los extremos de las probetas durante el ensayo.

Como la normativa recomienda, el material de fabricación del tacón ha sido fibra de vidrio apilado

a +‐45 º con un espesor de 1.5 mm.

Tipo B1 Tipo B2

30

Imagen 35: Probeta ASTM D6441‐B

31

4. ESTUDIO EXPERIMENTAL

En este capítulo se lleva cabo una descripción de la metodología seguida para la realización de las

distintas configuraciones de ensayos que dan cuerpo a este proyecto. Así se describirán los procesos

necesarios para realizar los ensayos, las máquinas de ensayo, dispositivos auxiliares y requisitos de la

normativa, presentando a su vez los resultados obtenido de cada ensayo.

El siguiente esquema representa una visión global de las diferentes configuraciones de ensayo

realizadas en este proyecto.

Para todos los ensayos citados es necesario un control dimensional de las probetas. Este control

dimensional se centra en medir el ancho y espesor pudiendo obtener el área efectiva de las probetas.

Las mediciones de espesor se han realizado con un micrómetro de caras planas con precisión 0.001 mm

y un pie de rey digital de precisión 0.01mm para las mediciones de ancho. Cada normativa requiere un

cierto número de medidas de ancho y espesor a lo largo de la probeta.

• Carga Combinada

Tacón Dentro Soft‐Load Tacón Fuera

Con guías

Sin guías

Tacón Dentro Tacón Ras Soft‐Load Tacón Fuera

• Carga por Cortadura

Con guías


Sin guías Tacón Dentro

Soft‐Load Tacón Fuera

• AITM1-0008

• PrEN 2850-B

• ASTM D6641-B

• Útil HCCF

32

Imagen 36: Micrómetro Caras Planas.

4.1. ENSAYOS PREN2850‐ B

Para la realización de estos ensayos se ha seguido la PrEn2850‐B [2].Esta normativa recoge dos

geometrías de ensayo, una para caracterización de la resistencia (B1) y otra para la caracterización del

módulo (B2). De cada geometría se ha de ensayar al menos 6 probetas por serie.

Para el control dimensional de las probetas la normativa exige tomar dos medidas de espesor y ancho

en la zona libre de tacón o zona central de la probeta.

Una vez medidas las probetas se procede a la instrumentación de estas si fuera necesario.

En cuanto el set‐up del ensayo se comienza introduciendo la probeta en el interior del útil especifico de

la normativa, ajustando los tornillos con un par de apriete de 0.5 N.m. Para conseguir este par hacemos

uso de una llave dinamométrica de dial.

Imagen 37: Llave Dinamométrica.

Para poder introducir la carga de manera adecuada se colocan dos platos planos en las mordazas de la máquina. Estos ensayos se han realizado en la máquina electromecánica Zwick 100 con control en desplazamiento a una velocidad de ensayo de 1 mm/min.

33

Imagen 38: PrEn2850 Set‐Up.

4.1.1. PrEn2850‐ B1

Este tipo de probetas no llevan instrumentación de medición adicional. Durante el ensayo se registra la

nube de punto de fuerza y desplazamiento de cruceta.

Una vez obtenida la carga de rotura, obtenemos la tensión de rotura como:

hb

PRc .11

RP = Carga última de rotura [N].

b = ancho medio [mm].

h= espesor medio [mm].

Para que el ensayo se considere válido, el fallo ha de producirse en la zona libre de tacón.

4.1.2. PrEn2850‐B2

Tanto el control dimensional, como el set‐up del ensayo son similares a la configuración de la geometría

B1.

A diferencia de la anterior geometría existe la necesidad de instrumentar las probetas con bandas

extensométricas.

Nombre Resistencia Nominal ( Ω )

1‐LY41‐3/120 120

Tabla 5: Características banda extensométrica.

Las probetas son equipadas con dos bandas en configuración back‐to‐back, es decir, cada una en una

cara de la probeta. Con la lectura de estas bandas se podrán obtener las deformaciones durante el

ensayo, así como comprobar el pandeo de la probeta. Se han ensayado dos probetas en lugar de seis

como dice la norma.

El módulo a compresión se corresponde a la secante de la gráfica fuerza/deformación correspondiente

al intervalo y es calculado mediante la siguiente formula:

34

ABbh

PPPE R

RRc1111

11

4.0)2/,10/(


b = ancho medio [mm].


B)( 11 = Deformación correspondiente al nivel de carga 2RP

A)( 11 = Deformación correspondiente al nivel de carga 10

RP

Para considerar o un ensayo además de que el fallo se produzca en la zona central, dentro del intervalo

de carga RR PP 9.0,1.0 se deberá cumplir que la siguiente condición:

05.0''

11'11

''11

'11

'11 = Lectura banda cara 1.

''11 =lectura banda cara 2.

4.2. ENSAYOS ASTMD6641‐B

Estos ensayos se han realizado acorde a la normativa ASTM D6641/D6641M – 09 [3].

Como se comentó en el punto 2.3.3 estos ensayos se realizan utilizando el útil CLC.

Este útil introducía la carga de manera combinada. La carga que se introduce por cortadura a la probeta viene del agarre que proporcionen los bloques laterales del útil. Estos bloques abrazan a la probeta a través de 8 tornillos laterales que son apretados con un par de 2.5 a 3 N.m.

Según esta normativa el control dimensional de las probetas se realiza tomando tres medidas de ancho

y espesor en la zona libre de tacón y realizando la media a esas medidas.

Al menos han de ser ensayados 5 probetas por serie siendo necesario el equipamiento con bandas en configuración Back‐to‐Back para registrar las deformaciones así como saber si se está produciendo el pandeo de la probeta durante el ensayo. Para la realización de este proyecto han sido equipadas solo dos probetas de toda la serie. Las bandas utilizadas han sido 1‐LY41‐3/120 .

Estos ensayos se han realizado en la máquina electromecánica Zwick 100 con control en desplazamiento a una velocidad de ensayo de 1.3 mm/min.

35

Los cálculos indicados por esta normativa para conseguir los valores de resistencia y Módulo son los

siguientes:

Tensión de rotura:

wh

PRc 11


w= ancho medio [mm].


Módulo de compresión:

Para el cálculo la norma indica que se tome como la secante en la gráfica fuerza/deformación en el intervalo de 1000 a 3000 με.

wh

PPE

xx

c

12

21

1P = Carga correspondiente al valor más próximo a 1000 με.

2P = Carga correspondiente al valor más próximo a 3000 με.

1x = Deformación más próximo a 1000 με.

2x = Deformación más próximo a 3000 με.

w= Ancho medio [mm].

h= Espesor medio [mm].

Para cada serie de ensayo seran necesarias calcular la media, desviación estandar y coeficiente de variación de cada propiedad.

La norma requiere que la probeta rompa en la zona libre de tacón y que las medidas de las galgas cumplan lo siguiente:

1.0''

11'11

''11

'11



Imagen 39: Modos de fallo válidos ASTM D6641

36

4.3. ENSAYOS AITM 1‐0008

Se van describir los ensayos acorde a la normativa AITM 1‐0008 [4].

Como fue comentado en el punto 1.2 dentro de la normativa AITM1‐0008 han sido realizados

diferentes configuraciones de ensayos.

Acrónimo

AITM1-0008

Carga combinada

Guiado

Tacón Dentro

CGD

Tacón Ras CGR Tacón Fuera CGF Soft-Load CGS

Sin guías

Tacón Dentro

CSD

Tacón Fuera CSF Soft-Load CSS

Carga por cortadura

Guiado

Tacón Dentro

SGD

Tacón Fuera SGF Soft-Load SGS

Sin guías

Tacón Dentro

SSD

Tacón Fuera SSF Soft-Load SSS

Tabla 6: Acrónimos ensayos AITM1-0008

Las diferencias principales en las configuraciones de ensayo se centran principalmente en la variación de

los siguientes parámetros del ensayo:

‐ La forma de introducción de carga.

‐ La utilización de guías.

‐ La posición del final del tacón respecto al borde de mordaza.

• Carga Combinada


Con guías

Sin guías

Tacón Dentro Tacón Ras Tacón Fuera Soft‐Load

• Carga por cortadura

Con guías


Sin guías


• AITM1-0008

• Util HCCF

37

Forma de introducción de carga.

Como se comentó detalladamente en el capítulo 2, los ensayos a compresión pueden

clasificarse según como se introduzca la carga a la probeta. La normativa AITM1‐0008 [4] no

permite la introducción de carga directamente por los extremos de la probeta, permite la

introducción de carga por cortadura o por carga combinada, siendo estas dos las que se han

realizado en este proyecto con afán de comparar los resultados.

Utilización de guías

Para entender el término de guías es preciso describir el funcionamiento de la máquina de

ensayo utilizada para las distintas configuraciones de ensayo. Se ha utilizado una maquina

universal de ensayo INSTRON 8801, con un funcionamiento totalmente hidráulica, es decir,

tanto el apriete de la mordaza como el desplazamiento de pistón durante el ensayo se hace

mediante un sistema hidráulico.

Durante el ensayo, la célula de carga y mordaza superior quedan fijas, estando unidas

solidariamente a la cruceta, así el responsable de la introducción de carga es la mordaza inferior

mediante el desplazamiento de un pistón en voladizo unido al bastidor de la máquina.

Al usar esta máquina para ensayos a compresión, la tendencia de pandeo de la probeta provoca

que en el pistón aparezca un desplazamiento lateral. Con el fin de evitar la aparición del

desplazamiento lateral del pistón, nace la idea de la utilización de estas guías.

Imagen 40: Útil de Guías.

Este útil consiste en un anillo con dos perfiles unidos a cada lateral. El anillo se centra y se

sujeta al cuerpo de mordaza inferior. Quedando los dos calzos laterales orientados hacia la

cruceta. Cuando el pistón intente desplazarse lateralmente durante el ensayo, los calzos

toparan con la mordaza superior evitando el desalineamiento de mordazas.

38

Imagen 41: Guías Set‐Up

Posición del tacón

Este parámetro hace referencia a la posición final del extremo del tacón con respecto al final de

mordaza. Para entender este parámetro mejor es necesario previamente conocer las mordazas usadas

para la realización de los ensayos que son: Mordazas Normales y Mordazas Soft‐Load .

a) b)

Imagen 42: Mordazas normales(a) Lateral, b) Frontal)

En las mordazas normales como se puede apreciar en la Imagen 42, la zona de grip no se extiende en

toda la mordaza, si no que en el borde superior existe un chaflán. La posible influencia de este chaflán

en los resultados del ensayo es motivo de la variación de este parámetro para el estudio comparativo.

Los distintos posicionamientos de tacón usados en este estudio son:

Tacón dentro: Tacón hasta donde acaba la zona de grip (Imagen 43).

Tacón a ras: Tacón a ras de mordaza (Imagen 44).

Tacón fuera: Tacón fuera de mordaza (Imagen 45).

En la siguiente figura se ilustra estas posiciones de tacón:

39

Imagen 45: Tacón Fuera

Las mordazas Soft‐load siempre han sido utilizadas con el tacón a ras de mordaza.

Uso útil atipandeo.

Ya que las probetas tienen un espesor de 2 mm la normativa obliga al uso de un útil anti pandeo para los

ensayos. Este se coloca sobre la longitud libre de tacón de la probeta y se debe apretar con un par de

0.7 Nm.

Para los ensayos con tacón dentro de mordaza la longitud libre fuera del tacón no es suficiente para

colocar el útil antipandeo, por eso no ha sido usado en esta configuración.

Todas las diferentes configuraciones de ensayos de la AITM1‐0008 [4] (excepto las del útil HCCF ) se han

realizado en la máquina de ensayo INSTRON 8801. La normativa fija una velocidad de ensayo de 0.5

mm/s.

Las probetas al igual que en las normativas anteriores deben ir instrumentadas con bandas

extensométricas en disposición back‐to‐back. En este proyecto solo dos probetas de cada serie se han

equipado .Esta norma contempla que las series de ensayos deben ser al menos 6 probetas por serie.

Los cálculos de la tensión de rotura y módulo elástico a compresión se utilizan las mismas formulas

expresadas en el punto 4.1

Imagen 46: Mordaza Soft-Load

Imagen 43: Tacón Dentro Imagen 44: Tacón a Rás

40

Para considerar o un ensayo además de que el fallo se produzca en la zona libre de tacón, dentro del

intervalo de carga RR PP 9.0,1.0 se deberá cumplir que la siguiente condición:

1.0''

11'11

''11

'11



Imagen 47 : Modos fallo AITM

4.4. RESULTADOS

En este punto se presentan un informe de resultados obtenidos de cada uno de los ensayos realizados. Cada informe proporciona datos referentes a las probetas ensayadas como pueden ser: el panel de donde se han extraído, máquina de ensayo utilizada, forma de introducción de carga, dimensiones, carga de rotura, tensión de rotura, módulo elástico a compresión.

Se proporciona una gráfica que representa la carga frente a desplazamiento de cruceta y se adjunta una imagen donde se puede apreciar el modo de fallo de las probetas.

41

4.4.1. PrEn2850‐B1

Nº Panel: P1 Máquina de ensayo ZwickZ100

Introducción de carga Extremos

Util antipandeo N/A

Medidas Rotura

# referencia

Espesor

Ancho Carga de fallo

Tensión de rotura

Fallo válido? n

n

s s

tmeas wmeas F cv% σgross cv%

mm mm N mean MPa mean

1 2,08 12,52 33787 1297,62

2 2,06 12,48 33979 1324,45

3 2,07 12,49 34210 1326,29

4 2,07 12,49 38368 1485,3

5 2,09 12,58 37550 #VALUE! 1431,6 #VALUE!

6 2,07 12,54 31011 1197,6 #VALUE!

7 2,09 12,59 39939 n = 6 1517,8 n = 6

8 2,01 12,51 36865 3413,8 1470,3 124,9

9 2,08 12,46 38833 9,3% 1498,4 8,9%

10 1,81 12,43 36613,116 1409,186

36652 1409

#VALUE! #VALUE!

Tabla 7: PrEN2850‐B1 Resultados

Imagen 48: Rotura PrEN2850 B1

42

4.4.2. PrEn2850‐B2

Nº Panel: P1 Máquina de ensayo ZwickZ100

Introducción de carga Extremos

Útil Antipandeo N/A

Normativa PrEn2850‐B2 Temperatura 23 ºC Humedad 47%

Medidas Módulo

# referencia

Espesor

Ancho Ec ( Módulo a compresión)

Fallo válido?

n

s

tmeas wmeas Ec cv% PBS(0.9Pu)

mm mm GPa mean %

1 2,18 12,52 119,61 n=2 2,23

2 2,18 12,50 118,04 1,11 2,14

0,93%

## 118,83

Tabla 8:PrEN2850‐B2 Resultados

Imagen 49: Rotura PrEN2850-B2

43

4.4.3. ASTM D6641‐B

Nº Panel:

P4 Máquina

de ensayo ZwickZ100

Introducción de carga

Combinada Util

antipandeo /N/A

Medidas Rotura Módulo

# referencia

Espesor

Ancho

Carga de fallo Tensión de rotura

Fallo

válido?

n

n

n

s s s

tmeas wmeas F cv% σgross cv% Ec cv% PBS(0.9Pu)

mm mm N mean MPa mean GPa mean %

1 2,20 13,07 36648 1276,81 105,86 3,23

2 2,14 13,10 36648 1305,53 114,84 3,23

3 2,21 12,98 35438 1237,62

4 2,14 13,02 32257 1155,9

5 2,11 13,01 36467 n = 6 1326,1 n = 6 n = 2

6 2,06 13,01 34908 1589,2 1304,3 63,2 6,3

7 2,17 12,97 34696 4,5% 1231,8 5,0% 5,7%

8 2,08 13,07 34597 34928,8 1274,1 1266,30 110,35

Tabla 9: ASTM D6641‐B Resultados

Imagen 50: Rotura ASTMD6641-B

44

4.4.4. AITM1‐0008 COMBINADA/ CON GUIAS/ T.DENTRO (CGD)

Nº Panel:

2C Máquina

de ensayo

Instron 8801


CombinadaUtil

antipandeo NO


# referencia

Espesor

Ancho

Carga de fallo Tensión de rotura

Fallo

válido?

n

n

s s

tmeas wmeas F cv% σgross cv% Ec PBS(0.9Pu)

mm mm N mean MPa mean GPa %

2C‐1 2,12 21,91 45043 968,06

2C‐2 2,07 21,91 44990 991,50

2C‐3 2,08 21,88 45417 996,21

2C‐4 2,09 21,92 41669 908,7

2C‐5 2,07 21,87 44644 984,7

2C‐6 2,06 21,88 44923 995,5 112,82 2,75

2C‐7 2,07 21,91 45355 997,6

2C‐8 2,06 21,93 42073 930,3

2C‐9 2,08 21,92 45226 1436 993,7 32

2C‐10 2,07 21,92 44258 3,24% 976,5 3,33%

2C‐11 2,06 21,98 43897 44328 968,1 973

Tabla 10:AITM1‐0008 CGD Resultados

45

Imagen 51: AITM1‐0008 CGD Rotura.

46

4.4.5. ATIM1‐0008 COMBINADA /SIN GUIAS/T.DENTRO (CSD)

Nº Panel: P9

Máquina

de ensayo

Instron 8801


Combinada Util

antipandeo NO

Medidas Rotura

# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo válido? n

n

s s



P9A‐8 2,12 22,10 29230 622,71

P9A‐9 2,10 22,01 30228 n = 5 655,33 n = 5

P9A‐10 2,09 22,03 28121 822,9 610,76 18,0

P9A‐11 2,17 22,11 29324 2,8% 612,2 2,9%

P9A‐12 2,17 22,00 29996 29379,765 628,3 625,867

29380 625

822,9258 18,016

Tabla 11: AITM1‐0008 CSD Resultados

47

4.4.6. AITM1‐0008 COMBINADA/CON GUIAS/T.RAS (CGR)

Nº Panel: 1C Máq.de ensayo

Instron 8801

Intro.decarga Combinada Util

antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s



1C‐1 2,09 21,92 47176 1028,11 114,84 5,14

1C‐2 2,11 21,90 43883 948,17 113,04 3,02

1C‐3 2,08 21,92 41791 917,05

1C‐4 2,11 21,90 2294 52 1,27

1C‐5 2,09 21,92 45270 5,15% 990,5 5,37% 1,12%

1C‐6 2,08 21,86 47238 44545 1037,4 973 114

Tabla 12: AITM1‐0008 CGR Resultados

Imagen 52: AITM1‐0008 CGR Rotura.

48

Nº Panel: 5C

Máquina

de ensayo

Instron 8801


CombinadaUtil

antipandeo SI

Medidas Rotura

# referencia

Espesor AnchoCarga de fallo Tensión de rotura

Fallo válido

s s



5C‐7 2,09 21,92 47359 1032,1

5C‐8 2,09 21,91 51057 1112,5

5C‐9 2,12 21,93 43512 3631 937,1 71

5C‐10 2,09 21,92 48399 8,11% 1054,4 7,24%

5C‐11 2,07 21,92 42223 44791 931,6 982

7

Tabla 13:AITM1‐0008 CGR Resultados

Imagen 53: AITM1‐0008 CGR Rotura.

49

4.4.7. AITM1‐0008 COMBINADA/CON GUIAS/T.RAS/SIN ANTIPANDEO (CGR‐SinAntipandeo)

Como se ha comentado en el punto 4.3 se está estudiando la posible la influencia del chaflán de

la mordaza en los resultados de ensayo. Ya que el ensayo con tacón dentro de mordaza se ha

realizado sin útil antipandeo, para poder comparar fielmente se han realizado a su vez ensayos

con esta configuración sin útil antipandeo.

Nº Panel: P6

Máquina

de ensayo

Instron 8801


CombinadaUtil

antipandeo No

Medidas Rotura

# referencia


Fallo válido

s s



P6B‐7 2,21 21,99 43066 884,44

P6B‐8 2,14 22,00 42066 893,51

P6B‐9 2,10 22,10 39992 862,80

P6B‐10 2,10 22,04 36142 2976,03 781,0 59,69

P6C‐10 2,09 22,06 36693 7,44% 794,7 6,95%

P6C‐11 2,05 22,02 42190 40025 934,8 859

Tabla 14:AITM1‐0008 CGR‐SinAntipandeo Resultados

50

Imagen 54: AITM1‐0008 CGR‐SinAntipandeo Rotura.

51

Nº Panel: 5C Máq.de ensayo

Instron 8801


antipandeoNO

Medidas Rotura

# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

s s

tmeas wmeas F cv% σgross cv% Ec PBS(0.9Pu)

mm mm N mean MPa mean GPa %

5C‐1 2,09 21,96 39161 853,66

5C‐2 2,08 21,86 * * * * * * *

5C‐3 2,08 21,96 36104 1668 788,89 34 112,25 15,93

5C‐4 2,09 21,95 36210 4,39% 790,2 4,12%

5C‐5 2,09 21,94 39305 37982 855,1 827

5C‐6 2,12 21,88 39131 845,5

Tabla 15: AITM1‐0008 CGR‐SinAntipandeo Resultados

Imagen AITM1‐0008 CGR‐SinAntipandeo Rotura.

52

4.4.8. AITM1‐0008 COMBINADA/ CON GUIAS/ T. FUERA (CGF)

Nº Panel: P3&P7 Máq.de ensayo

Instron 8801


antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s



P3‐2‐1 2,16 22,03 37335 784,84 114,53 3,03

P3‐2‐2 2,12 21,99 35034 750,92 114,74 5,60

P3‐2‐3 2,12 21,98 35580 763,08

P3‐2‐4 2,18 22,07 39811 829,2

P3‐2‐5 2,14 22,02 33731 714,7

P3‐2‐6 2,11 21,98 36356 783,3

7C‐1 21,99 2,06 34064 752,7

7C‐2 21,99 2,18 37078 n = 11 772,9 n = 11 n = 2

7C‐3 22,02 2,15 36359 2301,2 769,0 38,9 0,2

7C‐4 22,08 2,11 32531 6,5% 696,9 5,1% 0,1%

7C‐5 22,02 2,05 31914 35436 706,6 757 115

Tabla 16: AITM1‐0008 CGF Resultados

53

Imagen 55: AITM1‐0008 CGF Rotura.

Imagen 56: AITM1‐0008 CGF Rotura.

54

4.4.9. AITM1‐0008 COMBINADA/ SIN GUIAS / T.FUERA (CSF)

Nº Panel: P3 Máq.de ensayo

Instron 8801


antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s



P3‐3‐01 2,19 21,98 29200 606,06 111,60 6,56

P3‐3‐02 2,18 21,98 29500 615,37 111,15 1,21

P3‐3‐03 2,16 22,01 30046 n = 6 631,99 n = 6 n = 2

P3‐3‐04 2,18 21,94 27018 1596,0 565,9 33,7 0,3

P3‐3‐05 2,19 21,94 27471 5,5% 570,9 5,6% 0,3%

P3‐3‐06 2,18 22,00 31264 29083 651,7 607 111

Tabla 17:AITM1‐0008 CSF Resultados

Imagen 57: AITM1‐0008 CSF Rotura

55

4.4.10. AITM1‐0008 COMBINADA/ CON GUIAS / SOFT‐LOAD (CGS)


Instron 8801


antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s



P7‐3‐1 2,09 21,95 42779 932

P7‐3‐2 2,14 22,05 46253 982

P7‐3‐3 2,10 22,05 39052 842

P7‐3‐4 2,09 22,05 43735 947

P7‐3‐5 2,17 21,98 52084 1094

P7‐3‐6 2,16 22,00 46273 975

P7‐2‐3 2,10 22,02 40516 0,71 876 111,69 0,71

P7‐2‐4 2,18 21,99 43665 1,15 910 113,75 1,15

P7‐2‐5 2,15 22,02 45762 967

P7‐2‐6 2,13 22,01 50120 1071

P6B‐1 2,15 22,01 51307 1086

P6B‐2 2,16 22,06 44955 942

P6B‐3 2,18 22,04 23991 498

P6B‐4 2,15 22,03 53793 4250 1137 86 0.92

P6B‐5 2,20 22,03 47789 9,32% 985 8,99% 0.82%

P6B‐6 2,20 22,10 41701 45605 857 965,5 112

56

Tabla 18: AITM1‐0008 CGS Resultados

Imagen 58: AITM1‐0008 CGS Rotura.



57

4.4.11. AITM1‐0008 COMBINADA/ SIN GUIAS / SOFT‐LOAD (CSS)

Nº Panel: P7 Máq.de ensayo Instron 8801 Intro.decarga Combinada

Util

antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s



P7‐1‐1 2,09 22,00 26371 573,07 110,59 5,04

P7‐1‐2 2,14 21,99 25106 532,42 115,76 0,92

P7‐1‐3 2,10 22,01 26750 n = 5 578,55 n =5 n = 2

P7‐1‐4 2,14 22,03 24012 1046,315 508,2 33, 3,7

P7‐1‐5 2,17 22,04 24410 4,17% 509,9 6,24% 3,2%

P7‐1‐6 2,15 22,01 25093 25074,2 531,5 540 113

Tabla 19: AITM1‐0008 CSS Resultados

Imagen 61: AITM1‐0008 CSS Rotura

58

4.4.12. AITM1‐0008 CORTADURA / CON GUIAS / T.DENTRO (SCD)

Nº Panel: P9

Máquina

de ensayo

Instron 8801


Cortadura Util

antipandeo No

Medidas Rotura # referencia


Fallo válido

s s



P9B‐2 2,11 22,05 44307 954,13

P9B‐3 2,17 22,09 46105 961,66

P9B‐4 2,15 22,12 n = 4 n = 4

P9B‐6 2,18 21,98 49213 2482 1025,6 39

P9B‐B 2,18 22,16 47778 5,30% 991,4 4,00%

46851 983

Tabla 20: AITM1‐0008 SCD Resultados

Imagen 62: AITM1‐0008 SCD Rotura

59

4.4.13. AITM1‐0008 CORTADURA / SIN GUIAS /T. DENTRO (SSD)

Nº Panel: P9

Máquina

de ensayo

Instron 8801


Cortadura Util

antipandeo No



Fallo válido

s s



P9A‐1 2,17 22,11 33482 696,87

P9A‐2 2,14 21,95 33800 720,35

P9A‐3 2,17 22,03 31549 659,24

P9A‐4 2,14 22,07 31730 n = 7 672,1 n = 7

P9A‐5 2,19 22,08 32775 879,1 678,3 20,0

P9A‐6 2,09 22,00 32040 2,7% 697,4 2,9%

P9A‐7 2,17 22,00 33069 32635,004 691,3 688

Tabla 21: AITM1‐0008 CSD Resultados

Imagen 63: AITM1‐0008 CSD Rotura

60

4.4.14. AITM 1‐0008 CORTADURA / CON GUIAS / T.FUERA (SGF)


Instron 8801

Intro.de carga

Cortadura Util

antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s

tmeas wmeas F cv% σgross cv% Ec cv% PBS (0.9Pu)


P4‐1‐1 2,22 21,91 37972 779,73 114,73 1,24

P4‐1‐2 2,09 22,02 32968 716,59 113,24 8,19

P4‐1‐3 2,20 22,00 36399 752,72

P4‐1‐4 2,10 22,01 35574 769,4

P4‐1‐6 2,12 22,01 34004 728,8

P4‐2‐1 2,15 22,00 32288 681,6

P4‐2‐2 2,12 22,03 30405 651,9

P4‐2‐3 2,12 22,03 32508 697,3

P7A‐1 2,20 21,88 31629 657,4

P7A‐2 2,06 22,09 27970 613,8

P7A‐3 2,10 22,06 27564 n = 14 596,5 n = 14 n =14

P7A‐4 2,14 22,06 29214 2018,3 619,5 41,1 1,1

P7A‐5 2,15 22,10 32715 6,5% 689,1 6,2% 0,9%

P7A‐6 2,10 22,05 30943 31153 668,3 667 114

Tabla 22 : AITM1‐0008 SGF Resultados

61

Imagen 64: AITM1‐0008 SGF Rotura

Imagen 65: AITM1‐0008 SGF Rotura

62

4.4.15. AITM 1‐0008 CORTADURA / SIN GUIAS / T.FUERA (SSF)


Instron 8801

Intro.de carga

Cortadura Util

antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s

tmeas wmeas F cv% σgross cv% Ec cv% PBS (0.9Pu)


P4‐3‐2 2,08 22,01 25986 568,44 106,62 13,19

P4‐3‐3 2,26 22,02 28473 572,49 116,67 11,99

P4‐3‐4 2,15 22,02 27755 587,3

P4‐3‐5 2,10 21,96 27565 #REF! 598,1 #REF! #REF!

P4‐3‐6 2,15 22,04 27188 n = 8 573,0 n = 8 n = 2

P4‐3‐7 2,05 22,05 26762 768,5 592,1 11,7 7,1

P4‐3‐8 2,06 22,05 26979 2,8% 593,8 2,0% 6,4%

P4‐3‐9 2,21 21,97 27895 27325 573,3 582 112

Tabla 23: AITM1‐0008 SSF Resultados

Imagen 66: AITM1‐0008 SSF Rotura

63

4.4.16. AITM 1‐0008 CORTADURA / CON GUIAS / SOFT‐LOAD (SGS)

Nº Panel: P1&P3&P6 Máq.de ensayo

Instron 8801

Intro.de carga

Cortadura Util

antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s

tmeas wmeas F cv% σgross cv% Ec cv% PBS

(0.9Pu)


P3‐1‐2 2,13 21,94 51268 1097,92 110,08 3,41

P3‐1‐3 2,10 21,98 27214 590,24

P3‐1‐4 2,16 21,99 46610 979,6

P3‐1‐5 2,11 21,97 44040 947,9

P3‐1‐6 2,18 21,96 42377 883,7

P1‐2‐1 2,15 22,04 47131 992,5 106 5,30

P1‐3‐1 2,10 22,06 50251 1084,9

P1‐1‐1 2,07 21,96 44944 990,6

P1‐1‐2 2,09 22,02 55377

P1‐1‐3 2,10 22,07 46943 1011,1 118 1,19

P1‐1‐4 2,15 22,06 46361 976,3

P1‐1‐5 2,16 22,05 50515 1059,0

P1‐1‐6 2,15 22,03 46821 986,8

P6A‐1 2,16 22,07 44944 944,4

P6A‐2 2,10 22,01 46138 996,6

P6A‐3 2,17 22,03 52783 1105,6

P6A‐4 2,14 22,14 47958 1011,1

P6A‐5 2,13 22,08 53979 1148,5

P6A‐6 2,17 22,07

P6C‐1 2,10 22,13 49367 1062,3

P6C‐2 2,11 22,09 43857 942,4

P6C‐4 2,14 21,97 43430 3635 921,9 69.35 6,1

P6C‐5 2,15 21,94 47472 7.62% 1006,8 6.88% 111,2

P6C‐6 2,17 22,03 45599 47730 954,0 1007 5,51%

64

Tabla 24: AITM1‐0008 SGS Resultados

Imagen 67:AITM1‐0008 SGS Rotura

Imagen 68: AITM1‐0008 SGS Rotura.

65



66

4.4.17. AITM 1‐0008 CORTADURA / SIN GUIAS / SOFT‐LOAD (SSS)


Instron 8801

Intro.decarga Cortadura Util

antipandeo SI


# referencia

Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

n

s s s



P1‐2‐2 2,16 22,09 24956 522,71

P1‐2‐3 2,14 22,06 24206 512,51

P1‐2‐4 2,13 22,04 24406 n = 6 520,3 n = 6

P1‐2‐5 2,14 22,05 24547 896,8 519,8 20,4

P1‐2‐6 2,14 22,06 25651 3,6% 543,5 3,8%

P1‐3‐2 2,13 22,00 26557 25053 566,7 531 114 4,41

Tabla 25: AITM1‐0008 SSS Resultados

Imagen 71 AITM1‐0008 SSS Rotura

67

4.4.18. AITM1‐0008 HCCF

Nº Panel: P7

Máq.de ensayo

Zwick Z250

Zwick 250Z Intro.decarga Combinada


Espesor


Tensión de rotura

Fallo

válido? n

n

s s



7B‐1 2,06 22,03 47582 1047,96

7B‐2 2,18 21,30 53143 n = 4 1144,47 n = 4

7B‐3 2,16 22,03 40956 2440,907 860,04 45.8

7B‐4 2,08 22,03 49287 4.9% 1075,1 4.25%

7B‐5 2,11 21,96 48525 49634 1046,9 1078

Tabla 26 :AITM1‐0008 HCCF Resultados.

Imagen 72: AITM1‐0008 HCCF Rotura.

68

4.4.19. Tabla resumen.

Configuración

Carga de fallo Tensión de rotura Módulo

Mean F

S cv%

Mean σgro

S cv%

Ec S cv%

Max. PBS(0.9Pu)

N N MPa MPa GPa Mpa %

SSF 27326 768 2,81% 582 12 2,01% 111,64 7,1067 6,37% 13,19

SGF 31153 2018 6,48% 667 41 6,16% 114,00 1,1 0,96% 8,19

CSF 29083 1596 5,49% 607 34 5,55% 111,38 0,3159 0,28% 6,56

CGF 35436 2301 6,49% 757 38,9 5,14% 115 0,2 0,17% 5,60

SSD 32635 879 2,69% 688 20 2,91% ‐ ‐ ‐ ‐

SGD 46851 2119 4,52% 983 33 3,31% ‐ ‐ ‐ ‐

CSD 29380 823 2,80% 625 18 2,88% ‐ ‐ ‐ ‐‐

CGD 44328 1436 3,24% 973 32 3,29% 112,82 ‐ ‐ 2,75

CGR 44627 2411 5,40% 976 52 5,29% 114 1,27 1,11% 5,14

CGR SIN ANTIPANDEO 39096 2584 6,61% 844 50 5,92% 109,63 3,7123 3,39% 15,93

CSS 25074 1046 4,17% 540 33 6,11% 113 3,6558 3,23% 5,04

CGS 45605 4250 9,32% 965,5 86 8,91% 112 0,92 0,82% 1,15

SSS 25054 897 3,58% 531 20 3,84% 114 0,00% 4,41

SGS 47730 3636 7,62% 1007 69 6,85% 111 6,1 5,49% 5,30

HCCF 49634 2440 4,92% 1078 45 4,20% 113 2,9156 2,59% 2.89

ASTM 6641D 34929 1589 4,55% 1685 63 3,75% 106 ‐ ‐ ‐‐

Pr_EN2850 P1 36652 3379 9,22% 1409 125 8,85% 119 ‐ ‐ ‐‐

Tabla 27: Resumen resultados

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

En el presente capítulo serán analizados los resultados obtenidos tras la realización de los ensayos. Primero se realizará un análisis de los resultados de los ensayos según las normativas PrEn2850 [2] y ASTM 66410 [3].

Para la interpretación de resultados de las configuraciones según la ATIM1‐0008 [4] se presentan cuatro análisis diferenciados:

‐ Comparación general y las diferencias más significativas dentro de la campaña de ensayo.

‐ Comparativa entre las posiciones de tacón a ras y tacón dentro.

‐ Comparación entre los distintos ensayos realizados con el método soft‐load.

‐ Comparación entre la forma de rotura de las probetas.

La principal dificultad que se ha encontrado en el análisis de los resultados es, en sí misma, una de las

razones por la que se ha llevado a cabo este proyecto, la dispersión de los resultados en los ensayos a

compresión. Esta dispersión dificulta el análisis de resultados ya que en muchos casos existe

solapamiento entre un tipo de configuraciones y otras. A la dispersión que ya de por sí encierra los

69

ensayos a compresión, habría que sumarle algunos factores que puedan haberla incrementado como el

apilamiento manual de las probetas o que el material estuviera curado parcialmente por haber

superado las horas a temperatura ambiente permitidas.

5.1. PREN2850 B

Para este ensayo la especificacion del material AIMS 05‐01‐001 da unos valores mínimos los cuales el

material tiene debe cumplir, 120+‐15 GPa.

Los niveles de tensiones rotura son las mayores de todas las recogidas en este proyecto.

Modos de rotura,1,2 y 8 fallos por crushing.

n

s

cv%

GPa mean

119,61 n=2

118,04 1,11

0,93%

118,83

n

s

σgross cv%

MPa mean

1297,62

1324,45

1326,29

1485,3

1431,6 #VALUE!

1197,6 #VALUE!

1517,8 n = 6

1470,3 124,9

1498,4 8,9%

1409,186

Imagen 73: Rotura PrEN2850-B

70

5.2. ASTM 6641D

Los ensayos realizados según esta normativa presentan una dispersión bastante razonable en

comparación con el resto de resultados.

Respecto a la forma de rotura de las probetas, casi todas siguen un patrón que es la rotura al borde del

tacón, como ya se ha comentado con anterioridad en esa zona existe una concentración de tensiones

que las hace fallar por esa zona. La probeta 1 y 3 se han roto por los extremos de la probeta, este

fenómeno pudo deberse a un apriete insuficiente del útil por el cual la mayor parte de la carga hubiera

sido transmitida por el final y no por cortadura.

Ec PBS(Max)

GPa %

114.84 3.23

n

s

σgross cv%

MPa mean

1276,81

1305,53

1237,62

1155,9

1326,1

1304,3

1231,8 n = 6

1274,1 63,2

5,0%

1266,30

Imagen 74: Rotura ASTMD6641

71

5.3. AITM1‐0008

5.3.1. Comparación General

Uno de los principales puntos de este proyecto es ver la influencia del uso de las guías en los resultados

del ensayo.

Viendo los resultados se puede observar una tendencia generalizada, la ausencia de guías hace que a

partir de 20 kN la cabeza del pistón comienza a desplazarse considerablemente introduciendo un

pandeo no deseado a la probeta. Este pandeo prematuro hace que las probetas alcancen su rotura a un

nivel de carga muy inferior al que realmente se caracterizan.

En la gráfica que se muestra a continuación se puede apreciar como a unos 20kN de carga la probeta

comienza a ejercer menos resistencia al desplazamiento del pistón. Esta atenuación de la pendiente es

debida al pandeo prematuro de la probeta.

Imagen 76: Pandeo Prematuro Sin guías

Imagen 75: Guiado Vs. No Guiado

72

En el siguiente gráfico se muestra una visión global de las tensiones de rotura obtenidas en todas las

cofiguraciones según la AITM1‐0008.

Se puede apreciar como las tensiones de rotura con las configuraciones sin guías son aproximadamente

un 50% menores que los ensayos realizadas con estas. Parece que el valor de rotura estimado de este

material y con esta configuración de probeta estaría en torno a 1000 MPa, sin embargo si se ensayara

en una máquina sin guias los resultados podrían verse falseados.

Otro Punto principal de este proyecto es el estudio de los distintos métodos de introducción de carga. A

la vista de los resultados obtenidos no se aprecia una notable diferencia entre las distintas formas de

introducción de carga.

Cabe destacar que a diferencia de las demás, la configuración con tacón fuera tiene un nivel de carga de

rotura con guías y sin guías bastante similar. La razón por la cual (incluso con el sistema de guías

instalado) la rotura es a menor carga que las otras configuraciones son por el incremento de la longitud

libre. Esta longitud libre hace que el pandeo aparezca con anterioridad.

73

Respecto a las configuraciones restantes, todos los resultados son bastante similares entre sí. En los

siguientes puntos se trataran algunas de las diferencias notadas.

5.3.2. Análisis Tacón Ras Vs Tacón Dentro

Como se comentó en el punto de configuraciones de ensayo, se quería ver experimentalmente como

afectaba el chaflán existente en las mordazas de la máquina Instron a los resultados. Por esto se vio

oportuno ensayar enrasando el final de tacón a dos niveles: A ras de mordaza (Tacón a ras) y a ras de la

zona de agarre (Tacón dentro).

Imagen 78: Configuración Tacón fuera

Imagen 79: Chaflán Mordazas Normales

74

En los ensayo con la configuración de tacón dentro no es posible el uso del útil antipandeo, la poca

longitud que queda fuera de mordaza no es suficiente para su utilización. Así para conseguir una

comparación más fehaciente se han llevado a cabo ensayos con tacón a ras con y sin útil antipandeo.

Viendo los resultados mostrados en la siguiente gráfica se puede comprobar que la configuración de

“tacón dentro” no tiene grandes diferencias con “tacón a ras” cuando en esta última se hace uso del útil

antipandeo. Sin embargo los resultados de la configuración “tacón a ras sin útil antipandeo” se aprecia

cierta disminución de la carga última de rotura de un 10% aproximadamente. Esto puede ser debido a

que el chaflán aporta una longitud libre extra.

Imagen 81: AITM1-0008 Comparación Ras Vs Dentro

5.3.3. Soft‐Load Vs HCCF

La introducción Soft‐Load de carga ha estado muy presente en este proyecto, se han utilizado dos

mandíbulas diferentes con este tipo de introducción de carga ( HCCF y las mordazas desarrolladas para

Imagen 80: Configuración Tacón Dentro

Ras

Con

útil

ant

ipan

deo

Ras

Sin

útil

ant

ipan

deo

Tac

on d

entr

o.

75

la máquina Instron 8801). Los niveles de carga última tanto de HCCF como de las mordazas Soft‐Load

son muy similares y con una carga de rotura entorno al 5‐10% mayor que las configuraciones tratadas

con anterioridad.

Imagen 82:AITM1-0008 Comparación Soft Load Vs HCCF

5.3.4. Análisis forma de rotura.

En este proyecto se quería ver cómo podía verse afectada la forma de rotura de la probeta por las

condiciones de contorno del ensayo. Este tema no se ha podido tratar con claridad ya que el uso del útil

antipandeo ha unificado mayormente el modo de fallo. El útil antipandeo hace que las roturas se

generalicen en la zona que queda libre entre el final de tacón y el inicio del útil. En las configuraciones

donde no se ha usado útil antipandeo la rotura se ha producido por el centro de la probeta.

Imagen 83: Modo de fallo general con útil antipandeo.

Imagen 84: Rotura sin útil antipandeo

76

Una buena observación que se ha podido realizar es que con el uso de las mordazas originales de

Instron, el chaflán genera una superficie libre donde el tacón es susceptible a abrirse. En la configuración

con tacón a ras, la rotura generalmente se produce en esta zona. Esta rotura puede conducir a modos

de fallos no validos según la AITM1‐0008 [4].

Imagen 85: Apertura tacón rotura a Ras

6. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Este estudio se centra en la realización de ensayos a compresión sobre laminados unidireccionales

carbono/epoxy de 2 mm de espesor.

Este proyecto se puede interpretar como un barrido a través de diferentes normativas y configuraciones

de ensayos a compresión para los CFR (Carbon Fibre Reinforcement), centrándose en las normativas

más usadas para la caracterización a compresión de materiales compuestos en Europa(PrEn2850‐B

[1],ASTM D6641‐B [2],AITM1‐0008 [3]).

Dentro de la AITM1‐0008 se han realizado diferentes configuraciones de ensayo para ver cómo puede

verse afectada la caracterización del material con el cambio de la condiciones de contorno. Las

diferentes configuraciones de ensayos son conseguidas mediante la variación de los siguientes

parámetros: formas de introducción de carga (cortadura o combinada), utilización de guías, el

posicionamiento del tacón con respecto al final de mordazas (dentro, fuera o ras) o el uso de mordazas

con Soft‐load.

Tras el desarrollo y análisis de resultados obtenidos se van a exponer las conclusiones que se han podido

alcanzar:

6.1. ENSAYOS PREN2850‐B

A la vista de los resultados cumplen con los requerimientos mínimos de caracterización según AIMS 05‐

01‐001

Los modos de fallo de las probetas para la caracterización del módulo son habituales ya que el hecho de

no llevar tacones propicia la rotura por crushing en los extremos de las probetas.

La dificultad de realizar ensayos por esta normativa se ha encontrado a la hora de la preparación de las

probetas. La pequeña longitud de Span que tienen hace muy difícil eliminar el rebose de adhesivo de esa

zona, entorpeciendo el procedimiento de ensayo.

6.2. ENSAYOS AITM1‐0008

A la hora de comenzar una campaña de ensayos experimentales se debe elegir la máquina donde se han

de realizar estos ensayos. Esta elección se suele hacer comprobando que la capacidad de la célula de

carga sea suficiente para poder alcanzar la carga de rotura esperada.

77

La máquina de ensayo utilizada (Instron 8801) está equipada con una célula de carga de 100kN. Esto

hace pensar que esta máquina está capacitada para su utilización, sin problemas, en todo los ensayos

estáticos con carga de rotura comprendida entre ±100 kN. Es cierto que la célula de carga no tendrá

problema en llegar hasta su fondo de escala ,pero y el resultado obtenido del ensayo ¿Será fehaciente o

no?.

Viendo los resultados analizados con anterioridad, se puede apreciar que, a pesar de que la máquina

está capacitada para llegar a niveles de carga de rotura del material, su utilización sin ningún sistema

adicional (tal y como el fabricante la vende) no proporcionaría una caracterización real del material a

compresión.

En ensayos a compresión, este tipo de máquinas con pistón en voladizo se ven limitadas por el cabeceo

del pistón durante el ensayo, no por la capacidad de la célula de carga. Por esto la utilización de un

sistema guiado de las mordazas es imprescindible para conseguir una caracterización real del material.

En este proyecto en particular se hubieran visto falseados los resultados, con una reducción de hasta un

50%.

Otro punto a tener en cuenta es la geometría de las mordazas utilizadas. Como se ha visto las mordazas

fabricadas por Instron llevan un chaflán final. Este chaflán hace que la longitud libre de agarre de la

probeta durante el ensayo se vea aumentada en 10mm. Este aumento es bastante significativo teniendo

en cuenta que la longitud del Span acorde a la AITM1‐0008 [4] es de 25mm.

Cabe remarcar que en este proyecto se ha trabajado con probetas en las cuales la utilización del útil

antipandeo es obligatorio. Haciendo la comparación entre las configuraciones “tacón dentro” y tacón a

ras” se ha visto que la influencia de este chaflán con el uso del útil antipandeo no se hace notar, pero

cuando se ensaya sin útil antipandeo se aprecia una cierta disminución de carga de rotura en los

resultados.

A su vez también este chaflán afecta a la forma de fallo de las probetas. La rotura se aprecia como en la

mayoría de situaciones comienza dentro del tacón (donde está el chaflán).Esto lleva a una mayor

probabilidad de obtención de fallos no validos según la AITM1‐0008[3].

Las mordazas Soft‐Load nos han proporcionado un aumento de la carga de rotura en un 5‐10% respecto

a los ensayos realizados con las mordazas originales Instron. Esto se puede deber al agarre completo de

la zona de tacón y la transferencia suave de carga desde las mandíbulas a la probeta.

Con respecto a la forma de introducción de carga no ha quedado constancia de un efecto diferenciado

entre las distintas configuraciones. Cabe pensar que la presión de mordaza elegida para la realización de

los ensayos ha sido elevada haciendo que la mayor parte de la carga se transmita por cortadura en

ambas configuraciones.

Sería interesante realizar un estudio comparativo variando la presión de mordaza, viendo cómo

afectaría esto a la caracterización del material.

Respecto al estudio de los modos de fallo de las probetas este proyecto se ha visto limitado por el uso

del antipandeo. El uso de este a propiciado que la rotura de las probetas ocurriera por la zona libre que

existe entre el final de tacón y el inicio del útil. Por ello para hacer un estudio de cómo las condiciones

de contorno puedan influir en los modos de fallo sería interesante continuar este proyecto con probetas

de espesor mayor donde el útil antipandeo no estuviera obligado por norma.

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7. BIBLIOGRAFÍA

[1]. FAA. Verification of the Combined Load Compression (CLC) Test Method. 2000.

[2]. AECMA. prEN 2850,"Carbon fibre thermosetting resin unidirectional laminates, Compresion

test parallel to fibre direction". 1997.

[3]. ASTM D6641,Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials Using a

Combined Loading Compression (CLC) Test Fixture.

[4]. AIRBUS. AITM1‐0008 Determination of Plain, Open Hole and Filled Hole Compression

Strength. BLAGNAC, FRANCE : AIRBUS S.A.S ENGINEERING DIRECTORATE, 2012.

[5]. F. París, J. Cañas, J.C. Marín y A. Barroso. Introducción al análisis y diseño con materiales

compuestos.

[6]. AIAA. Composite Materials for Aircraft Structures (2nd Edition).

ensayo a compresiÓn de laminados unidireccional...

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